面向口腔頜面數(shù)字化診療的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)開(kāi)發(fā).pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)和方法與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論相結(jié)合，逐漸應(yīng)用于口腔頜面外科治療，解決了醫(yī)學(xué)研究和實(shí)踐中遇到的種種難以用傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)技術(shù)解決的難題，使口腔頜面數(shù)字化診療成為現(xiàn)今口腔醫(yī)學(xué)重要發(fā)展方向之一?？谇活M面數(shù)字化診療成功的一個(gè)前提條件是如何對(duì)患者口腔頜面三維形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行精確快速測(cè)量獲取，這也成為實(shí)現(xiàn)精度高、效率高、效果好的新診療技術(shù)革新的關(guān)鍵。本文研究以此為背景，針對(duì)口腔頜面數(shù)字化診療重要的兩大醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)

2、域:顏面缺損修復(fù)和數(shù)字化齒科對(duì)三維測(cè)量技術(shù)的臨床需求，開(kāi)展結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量實(shí)現(xiàn)原理、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)研究，并在理論研究的基礎(chǔ)上面向顏面缺損修復(fù)和數(shù)字化齒科進(jìn)行臨床應(yīng)用三維測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)。
　　 結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量采用結(jié)構(gòu)光編碼技術(shù)對(duì)空間光線投射方向進(jìn)行編碼，通過(guò)圖像解碼建立成像點(diǎn)與光線投射方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)光路幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物表面形狀的三維重建。相對(duì)于雙目立體視覺(jué)利用被測(cè)物表面固有圖案或紋理的進(jìn)行特征點(diǎn)識(shí)別

3、、提取和匹配的方法，結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)所投射的編碼圖案是預(yù)先定義好的，在圖像中更容易識(shí)別和提取，可簡(jiǎn)化匹配步驟，提高匹配效率、精確度和準(zhǔn)確率。在結(jié)構(gòu)光編碼技術(shù)中，以格雷碼和相移結(jié)合以及多頻相移為代表的時(shí)域編碼結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量分辨率高、測(cè)量速度快、測(cè)量精度較高、全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已成為具有極大發(fā)展?jié)摿Φ囊环N光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)。本文對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)光編碼解碼技術(shù)進(jìn)行深入研究。
　　 結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模主要針對(duì)攝像機(jī)和投

4、影儀的透視成像過(guò)程以及從二維圖像實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)重建的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。測(cè)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度和精度至關(guān)重要。論文研究了典型的測(cè)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)嚴(yán)重影響系統(tǒng)建模精度的問(wèn)題:
　　 1）要求系統(tǒng)組成構(gòu)件相互位姿關(guān)系滿足一定的幾何約束條件，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)加工和裝配誤差對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響;
　　 2）受投影儀一維編碼的限制，投影儀的建模精度普遍不高。
　　 針對(duì)這兩問(wèn)題，本文提出了基于光

5、線逆向投影的測(cè)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模方法。通過(guò)合理選擇建模參數(shù)，消除所有系統(tǒng)構(gòu)件對(duì)尺寸及位姿的幾何約束要求，降低測(cè)量系統(tǒng)加工和裝配的精度要求;同時(shí)，提出的光線逆向投影的三維坐標(biāo)重建方法使投影儀也可采用和攝像機(jī)完全一致的高階鏡頭失真模型，提高其建模精度。
　　 結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算精確獲取系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的過(guò)程，是保證系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度和精度的關(guān)鍵。本文分析了現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法在標(biāo)定模型、標(biāo)定參考物以及標(biāo)定流程存在的不足，

6、提出了基于三維柵格點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)同步標(biāo)定方法，其改進(jìn)體現(xiàn)在以下方面:
　　 1）在標(biāo)定模型上，采用了考慮高階鏡頭失真的攝像機(jī)和投影儀模型以及測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)同步優(yōu)化求解模型，提高測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定精度;
　　 2）在標(biāo)定參考物上，采用在測(cè)量空間均勻分布并處于同一世界坐標(biāo)系的高精度三維柵格點(diǎn)陣，避免系統(tǒng)標(biāo)定精度受標(biāo)定參考物精度不足以及空間不均勻分布的影響;
　　 3）在標(biāo)定流程上，采用投影儀二維正交編碼的方式同步提

7、取三維柵格點(diǎn)的攝像機(jī)和投影儀二維對(duì)應(yīng)點(diǎn)，解決了兩步標(biāo)定法中攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果影響投影儀標(biāo)定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取精度的問(wèn)題。25mm標(biāo)準(zhǔn)距離測(cè)量結(jié)果表明本文的測(cè)量系統(tǒng)同步標(biāo)定方法較現(xiàn)有標(biāo)定方法提高了至少47％測(cè)量準(zhǔn)確度以及28％測(cè)量精度。
　　 基于以上研究成果開(kāi)發(fā)了顏面缺損修復(fù)三維測(cè)量系統(tǒng)，采用雙單目測(cè)量結(jié)構(gòu)，能在2秒內(nèi)完成對(duì)顏面缺損患者自然狀態(tài)完整軟組織顏面的精確測(cè)量，獲得近200萬(wàn)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云。該測(cè)量系統(tǒng)的臨床應(yīng)用可以取代傳統(tǒng)顏面缺損修