本發(fā)明涉及一種基于三維掃描裝置的三維模型曲面重建方法，屬于三維掃描成像技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，三維掃描技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域做出了突出的貢獻(xiàn)。例如，過去牙科患者口內(nèi)拓制的牙齒石膏印模和X射線照相技術(shù)，被現(xiàn)如今的三維可見光掃描技術(shù)所取代。口腔內(nèi)三維掃描技術(shù)避免了印模材料的消耗、交叉感染、模型易破損且不易保存、精度低以及將患者暴露于大量射線之下等缺點(diǎn)，顯著提高了患者在檢查過程中的舒適程度，減少了患者的時(shí)間消耗，其應(yīng)用越來越廣泛。在牙科學(xué)中，記錄表面顏色的能力在許多應(yīng)用中也是有用的，例如用戶可以區(qū)分組織的類型或檢測現(xiàn)有的修復(fù)物，進(jìn)行牙冠外觀比色以確定新牙冠的顏色。

以US009066772為代表的一系列美國專利公開了一種廣泛使用的、采用結(jié)構(gòu)光三維重建原理的口腔內(nèi)牙冠三維掃描儀，即由結(jié)構(gòu)光發(fā)生器照明，圖像傳感器拍攝一組二維照片，傳送給GPU，按三角原理進(jìn)行三維重建得到一幅點(diǎn)云，將相關(guān)的點(diǎn)云配準(zhǔn)在一起，形成一個(gè)部位的點(diǎn)云，如上頜或下頜，再經(jīng)過網(wǎng)格化和曲面化，形成一個(gè)部位的曲面三維模型，也就是電子牙模，成為牙科CAD編輯的基礎(chǔ)。其圖像傳感器一般采用CCD面陣圖像傳感器；照明器件采用單色激光管、單色LED或組合LED，發(fā)出單色光或彩色光；結(jié)構(gòu)光發(fā)生器采用LCoS；一般采用可換的、可消毒的取像嘴，其中包括一個(gè)內(nèi)加熱的反射鏡。

歐洲專利WO2010145669針對(duì)不同顏色(一般是藍(lán)、綠和紅)的照明拍攝若干順序的圖像，組合在一起以形成合成彩色圖像。該方法需要改變光源顏色的裝置，如顏色過濾器。此外，在手持使用中，掃描器將在照明序列變換的時(shí)間內(nèi)相對(duì)于被掃描物體發(fā)生移動(dòng)，降低了合成彩色圖像的精度。

美國專利US7698068和US8102538也描述了一種口內(nèi)掃描器，其用一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器記錄幾何形狀數(shù)據(jù)和表面紋理數(shù)據(jù)。然而，在顏色和幾何形狀記錄之間分別有微小延遲。US7698068需要不同顏色的順序照明以形成合成圖像，而US8102538提到白光作為照明，但是白光來自第二照明源或顏色由第二圖像傳感器記錄，第一組用于記錄幾何形狀。

歐洲專利WO2012083967公開了一種掃描器，其用兩個(gè)獨(dú)立的照相機(jī)記錄幾何形狀數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。第一照相機(jī)基于多個(gè)圖像的聚焦掃描具有較淺的景深，第二照相機(jī)從單個(gè)圖像提供顏色紋理信息具有較大景深。

上述掃描裝置對(duì)模型的顏色或采用單色顯示，或采用偽彩色顯示，照片和模型的保真度不好，不能產(chǎn)生好的視頻引導(dǎo)效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠形成逼真曲面模型且保真度好的基于三維掃描裝置的三維模型曲面重建方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于三維掃描裝置的三維模型曲面重建方法，包括以下步驟：1)利用三維掃描裝置以均勻的拍攝時(shí)間間隔拍攝多組位圖照片，每一組位圖照片包括一幀或多幀順序排列的、具有照明圖案的位圖照片，該組中的其中一幀為全色、全照明的位圖照片，其余為部分照明的位圖照片；2)將拍攝的位圖照片傳輸給計(jì)算機(jī)；3)一組位圖照片到達(dá)計(jì)算機(jī)內(nèi)存后，計(jì)算機(jī)對(duì)位圖照片進(jìn)行甄別：如果只有一張全照明的位圖照片，則將其發(fā)送給視頻窗口進(jìn)行顯示；如果是多張照片，則將那張全照明的位圖照片發(fā)送給視頻窗口進(jìn)行顯示，其余的部分照明的位圖照片傳輸給GPU，GPU按照光結(jié)構(gòu)算法將其換算成一幅點(diǎn)云，同時(shí)建立一個(gè)三維局部直角坐標(biāo)系，三維局部直角坐標(biāo)系與三維掃描裝置中的面陣傳感器中像素的平面直角坐標(biāo)系滿足如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系：三維局部直角坐標(biāo)系的X1軸和Y1軸與平面直角坐標(biāo)系的X2軸和Y2軸分別平行，三維局部直角坐標(biāo)系的Z1軸通過平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)系原點(diǎn)并指向面陣傳感器；4)計(jì)算得到點(diǎn)云后，利用該組照片中的那張全照明的位圖照片對(duì)這幅點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)應(yīng)上色處理，將上色處理后的點(diǎn)云放在三維環(huán)境中；5)5)將第一幅點(diǎn)云讀入三維環(huán)境中，即將其三維局部直角坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系重合；然后依次將后續(xù)點(diǎn)云讀入三維環(huán)境中，即將后續(xù)點(diǎn)云的三維局部直角坐標(biāo)系與前一點(diǎn)云的三維局部直角坐標(biāo)系重合且各坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和平移處理，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)中的CPU或GPU對(duì)后續(xù)點(diǎn)云與前一點(diǎn)云在世界坐標(biāo)系中進(jìn)行拼接，并計(jì)算出每一個(gè)點(diǎn)云的三維局部直角坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系中的位置；最后得到整個(gè)掃描部位的點(diǎn)云群；6)將整個(gè)掃描部位的點(diǎn)云群進(jìn)行精確配準(zhǔn)，形成一個(gè)完整的、每個(gè)點(diǎn)包含有顏色信息的部位點(diǎn)云，再進(jìn)行網(wǎng)格化及平滑處理，得到一個(gè)完整的部位的三維曲面。7)對(duì)三維曲面進(jìn)行顏色渲染。

所述步驟1)中，每一組位圖照片的第一幀照片為全照明照片。

所述步驟1)中，在一個(gè)拍攝時(shí)間間隔中只拍攝一組位圖照片；當(dāng)?shù)竭_(dá)拍攝時(shí)間間隔起點(diǎn)時(shí)刻時(shí)，如果有結(jié)構(gòu)光拍攝指令存在，就開始拍攝完整的一組位圖照片，即逐一拍攝其中的每一幀，如果沒有結(jié)構(gòu)光拍攝指令存在，則只拍攝一幀全照明照片。

所述步驟4)中，利用全照明的位圖照片對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)應(yīng)上色的過程如下：點(diǎn)云中的一個(gè)點(diǎn)經(jīng)過線性計(jì)算，可得到其在面陣圖像傳感器的平面直角坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)像素，用像素的顏色或以像素為中心的多邊形或圓形區(qū)域的顏色平均值作為點(diǎn)的顏色值。

所述步驟7)中，對(duì)三維曲面進(jìn)行顏色渲染的過程如下：內(nèi)表面渲染成一種顏色，外表面按照如下的三維渲染方法進(jìn)行渲染：沿部位點(diǎn)云中的一個(gè)點(diǎn)，做所生成曲面的法線，如果法線與曲面有交點(diǎn)，則渲染該點(diǎn)，即在以法線與曲面交點(diǎn)為中心的一小片多邊形或圓形的區(qū)域中，渲染該點(diǎn)的顏色；如沒有交點(diǎn)，則將該點(diǎn)廢棄；如此處理該曲面所對(duì)應(yīng)的部位點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)，還可以進(jìn)行各點(diǎn)顏色的過渡處理，完成該曲面的渲染，形成逼真的曲面模型。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明能夠精確、快速地實(shí)現(xiàn)被掃描部位的三維曲面模型的重建，并且具有較高的保真度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明拍攝時(shí)間間隔的分配示意圖；

圖2是本發(fā)明三維局部坐標(biāo)系定義及點(diǎn)云上色示意圖；

圖3是本發(fā)明曲面渲染示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明提出了一種基于三維掃描裝置的三維模型曲面重建方法，包括以下步驟：

1)如圖1所示，利用三維掃描裝置以均勻的拍攝時(shí)間間隔101拍攝多組位圖照片104，例如可以每秒鐘分成30個(gè)拍攝時(shí)間間隔，每一組位圖照片104包括一幀或多幀特定順序的、特定照明圖案的位圖照片，該組中的其中一幀為全色、全照明的位圖照片，其余為部分照明的位圖照片，最佳實(shí)施例是讓第一幀照片為全照明照片。

具體地，一組位圖照片104的拍攝總時(shí)間103遠(yuǎn)小于拍攝間時(shí)間間隔101，在一個(gè)拍攝時(shí)間間隔101中只拍攝一組位圖照片。當(dāng)?shù)竭_(dá)拍攝時(shí)間間隔起點(diǎn)時(shí)刻時(shí)，如果有結(jié)構(gòu)光拍攝指令102存在，就開始拍攝完整的一組位圖照片，即逐一拍攝其中的每一幀，如果沒有結(jié)構(gòu)光拍攝指令102存在，則只拍攝一幀全照明照片。

2)將拍攝的位圖照片傳輸給計(jì)算機(jī)。

3)一組位圖照片到達(dá)計(jì)算機(jī)后內(nèi)存后，計(jì)算機(jī)對(duì)位圖照片進(jìn)行甄別：如果只有一張全照明的位圖照片，則將其發(fā)送給視頻窗口進(jìn)行顯示，從而形成一個(gè)等間隔的照片流，形成穩(wěn)定的彩色視頻輸出；如果是多張照片，則將那張全照明的位圖照片發(fā)送給視頻窗口進(jìn)行顯示，其余的部分照明的位圖照片傳輸給GPU(圖形處理器)，GPU按照光結(jié)構(gòu)算法將其換算成一幅點(diǎn)云202(如圖2所示)，同時(shí)建立一個(gè)三維局部直角坐標(biāo)系203，三維局部直角坐標(biāo)系203與三維掃描裝置中的面陣傳感器201中像素的平面直角坐標(biāo)系204滿足如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系：三維局部直角坐標(biāo)系203的X1軸和Y1軸與平面直角坐標(biāo)系204的X2軸和Y2軸分別平行，三維局部直角坐標(biāo)系203的Z1軸通過平面直角坐標(biāo)系204的坐標(biāo)系原點(diǎn)O2點(diǎn)并指向被拍攝物體的外面及面陣傳感器201。

4)計(jì)算得到點(diǎn)云后，利用該組照片中的那張全照明的位圖照片對(duì)這幅點(diǎn)云202進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)應(yīng)上色處理，即點(diǎn)云202中的一個(gè)點(diǎn)207經(jīng)過線性計(jì)算，可得到其在平面直角坐標(biāo)系204中的對(duì)應(yīng)像素206，用像素206的顏色或以像素206為中心的多邊形或圓形區(qū)域的顏色平均值作為點(diǎn)207的顏色值，如此可確定點(diǎn)云202中每個(gè)點(diǎn)的顏色信息，然后準(zhǔn)備放入配準(zhǔn)拼接所需的三維環(huán)境中。

5)將第一幅點(diǎn)云讀入三維環(huán)境中，即將其三維局部直角坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系重合；將第二幅點(diǎn)云讀入三維環(huán)境中，是將第二幅點(diǎn)云的局部座標(biāo)系與第一幅點(diǎn)云的局部座標(biāo)系重合，各點(diǎn)座標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和平移處理；因第二組位圖照片與第一組位圖照片會(huì)有一定范圍的重合，利用計(jì)算機(jī)中的CPU或GPU對(duì)第二幅點(diǎn)云與第一幅點(diǎn)云在世界座標(biāo)系中進(jìn)行拼接，從而形成一塊較大的點(diǎn)云群，同時(shí)計(jì)算出第二幅點(diǎn)云的局部坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系中的位置；此時(shí)在三維顯示窗口中，窗口中心軸線與第二幅點(diǎn)云的三維局部直角坐標(biāo)系203的Z軸重合，Z軸的正方向朝向使用者，方便使用者觀察；將第三幅點(diǎn)云讀入三維環(huán)境中，是將第三幅點(diǎn)云的局部座標(biāo)系與第二幅點(diǎn)云的局部座標(biāo)系重合，各點(diǎn)座標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和平移處理；第三組位圖照片與第二組位圖照片也有一定范圍的重合，利用計(jì)算機(jī)中的CPU或GPU對(duì)第三幅點(diǎn)云與第二幅點(diǎn)云進(jìn)行拼接，從而形成一塊更大的點(diǎn)云群，同時(shí)計(jì)算出第三幅點(diǎn)云的局部坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系中的位置，此時(shí)在三維顯示窗口中，窗口中心軸線與第三幅點(diǎn)云的三維局部直角坐標(biāo)系的Z軸重合，Z軸的正方向朝向使用者。以此類推，將第四幅點(diǎn)云、第五幅點(diǎn)云等逐一配準(zhǔn)拼接，最后得到的點(diǎn)云群就是三維掃描裝置所掃描的整個(gè)部位的點(diǎn)云群。

6)將整個(gè)部位的點(diǎn)云群進(jìn)行一次精確配準(zhǔn)，形成一個(gè)完整的、每個(gè)點(diǎn)包含有顏色信息的部位點(diǎn)云，再進(jìn)行優(yōu)化、網(wǎng)格化、平滑處理，得到一個(gè)完整的部位的三維曲面。

7)將三維曲面的內(nèi)表面渲染成一種顏色，外表面按照如下的三維渲染方法進(jìn)行渲染(如圖3所示)：沿部位點(diǎn)云301中的一個(gè)點(diǎn)302，做所生成曲面的法線303，如果法線與曲面有交點(diǎn)304，則渲染該點(diǎn)，即以法線與曲面交點(diǎn)為中心的一小片多邊形或圓形的區(qū)域305中，渲染該點(diǎn)的顏色；如沒有交點(diǎn)，則將該點(diǎn)廢棄。上述一小片多邊形或圓形的區(qū)域305的大小能保證各個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域有重合即可。如此處理該曲面所對(duì)應(yīng)的部位點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)，還可以進(jìn)行各點(diǎn)顏色的過渡處理，完成該曲面的渲染，形成逼真的曲面模型。

上述各實(shí)施例僅用于對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。