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维戈塞尔塔vs维拉利尔: 記錄顏色的聚焦掃描裝置.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201480020976.3

申請日:

20140213

公開號:

CN105263437A

公開日:

20160120

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61C9/00,G01B11/25 主分類號: A61C9/00,G01B11/25
申請人: 3形狀股份有限公司
發明人: B·埃斯本奇,C·R·羅斯貝格,邁克·范德普爾,拉斯馬斯·克耶爾,M·溫瑟,卡爾-約瑟夫·霍倫貝克
地址: 丹麥哥本哈根
優先權: PA201370077,61/764,178
專利代理機構: 北京派特恩知識產權代理有限公司 代理人: 武晨燕;遲姍
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480020976.3

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

公開一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統和方法,并且其中所述圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者至少部分地從由所述彩色圖像傳感器記錄的一個2D圖像導出。

權利要求書

1.一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,所述掃描器系統包括:-多色光源,所述多色光源配置成提供用于物體的照明的多色探測光,-彩色圖像傳感器,所述彩色圖像傳感器包括用于捕獲從所述物體接收的光的一個或多個2D圖像的圖像傳感器像素的陣列,以及-數據處理系統,所述數據處理系統配置成至少部分地從由所述彩色圖像傳感器記錄的一個2D圖像導出對于所述圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者。2.根據權利要求1所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成從一系列2D圖像導出對于圖像傳感器像素的所述塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息。3.根據權利要求1或2所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成基于從圖像傳感器像素的多個塊導出的表面幾何形狀信息和表面顏色信息生成物體表面的一部分的子掃描。4.根據權利要求1至3中的任一項所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成組合多個子掃描以生成所述物體的數字3D表示。5.根據權利要求2至5中的任一項所述的掃描器系統,其中所述掃描器系統是通過沿著所述掃描器系統的光軸平移焦平面并且在不同焦平面位置處捕獲2D圖像使得被捕獲2D圖像的每個系列形成2D圖像的棧而操作的聚集掃描器系統。6.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述掃描器系統包括配置成將空間圖案包含在所述探測光中的圖案生成元件。7.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中導出表面幾何形狀信息和表面顏色信息包括針對若干2D圖像計算由圖像傳感器像素的所述塊捕獲的2D圖像的部分和加權函數之間的相關度,其中基于空間圖案的配置的信息確定所述加權函數。8.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中導出對于圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息包括識別沿著光軸的相應的相關度具有最大值的位置。9.根據權利要求7或8所述的掃描器系統,其中生成子掃描包括確定對于圖像傳感器像素的每個塊描述沿著光軸的相關度的變化的相關度函數并且識別沿著光軸的相關度函數對于該塊具有它們的最大值的位置。10.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中最大相關度值是圖像傳感器像素的塊的最高計算相關度值和/或圖像傳感器像素的塊的相關度函數的最高最大值。11.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成基于對于圖像傳感器像素的相應塊相關度具有其最大值的系列中的2D圖像的表面顏色信息確定生成的子掃描上的點的子掃描顏色。12.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成基于對于圖像傳感器像素的相應塊的相關度具有其最大值的系列中的2D圖像的表面顏色信息并且基于至少一個附加2D圖像,例如來自被捕獲2D圖像的系列的相鄰2D圖像,導出生成的子掃描上的點的子掃描顏色。13.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成當確定子掃描顏色時內插系列中的至少兩個2D圖像的表面顏色信息,例如內插系列中的相鄰2D圖像的表面顏色信息。14.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成計算子掃描的多個點的平滑子掃描顏色,其中所述計算包括不同點的子掃描顏色的平均,例如子掃描上的周圍點的顏色的加權平均。15.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成確定所述物體的生成的數字3D表示的至少一個點的物體顏色,使得所述數字3D表示表達所述物體的幾何形狀和顏色配置兩者。16.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中確定物體顏色包括計算針對物體表面的該點處的重疊子掃描中的相應點導出的子掃描顏色值的加權平均值。17.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成檢測被捕獲2D圖像中的飽和像素并且減輕或去除由像素飽和導致的導出表面顏色信息或子掃描顏色中的誤差。18.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中通過在平滑子掃描顏色的計算中將低權重分配給飽和像素的表面顏色信息和/或通過將低權重分配給基于飽和像素計算的子掃描顏色減輕或去除由飽和像素導致的誤差。19.根據前述根據權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述數據處理系統配置成比較被捕獲2D圖像和/或物體的生成子掃描的部分的導出表面顏色信息與牙齒和口內組織的預定顏色范圍,并且抑制顏色不在兩個預定顏色范圍之中的一個范圍內的部分的導出表面顏色信息或子掃描顏色的紅色分量。20.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述彩色圖像傳感器包括顏色過濾器陣列,其包括至少三種類型的顏色過濾器,每個允許已知波長范圍W1、W2和W3中的光相應地傳播通過顏色過濾器。21.根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,其中所述表面幾何形狀信息從由所述多色光源提供的光譜的選定波長范圍中的光導出。22.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中顏色過濾器陣列使得它的具有匹配光譜的選定波長范圍的顏色過濾器的像素的比例大于50%,其中所述比例等于32/36、60/64或96/100。23.根據權利要求21或22所述的掃描器系統,其中所述選定波長范圍匹配W2波長范圍。24.根據權利要求21至23中的任一項所述的掃描器系統,其中所述顏色過濾器陣列包括6×6顏色過濾器的多個單元,其中在每個單元的位置(2,2)和(5,5)處的顏色過濾器屬于W1類型,在位置(2,5)和(5,2)處的顏色過濾器屬于W3類型。25.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中6×6單元中的剩余32個顏色過濾器屬于W2類型。26.根據前一權利要求所述的掃描器系統,其中圖案生成元件配置成使得空間圖案包括以棋盤狀圖案布置的交替暗和亮區域。27.一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,所述掃描器系統包括:-多色光源,所述多色光源配置成提供多色探測光,以及-彩色圖像傳感器,所述彩色圖像傳感器包括用于捕獲從所述物體接收的光的一個或多個2D圖像的圖像傳感器像素的陣列,其中至少對于所述圖像傳感器像素的塊,所述物體的一部分的表面顏色信息和表面幾何形狀信息兩者至少部分地從由所述彩色圖像傳感器捕獲的一個2D圖像導出。28.一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的方法,所述方法包括:-獲得根據前述權利要求中的任一項所述的掃描器系統,-用來自所述多色光源的探測光照明所述物體的表面;-使用所述彩色圖像傳感器捕獲所述物體的一系列2D圖像;以及-至少部分地從一個被捕獲2D圖像導出對于圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者。

說明書

技術領域

本申請涉及物體的表面幾何形狀和表面顏色的三維(3D)掃描。特定應用在牙科學中,特別是用于口內掃描。

背景技術

3D掃描器在本領域中是眾所周知的,并且口內牙科3D掃描器(例如,SironaCerec,CadentItero,3ShapeTRIOS)同樣如此。

記錄表面顏色的能力在許多應用中是有用的。例如在牙科學中,用戶可以區分組織的類型或檢測現有的修復物。例如在材料檢驗中,用戶可以檢測表面異常,如結晶缺陷或褪色。以上一般都不可能僅僅從表面幾何形狀信息獲得。

WO2010145669提到記錄顏色的能力。特別地,每個針對不同顏色(典型地,藍、綠和紅)的照明拍攝的若干順序圖像組合以形成合成彩色圖像。因此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期間相對于被掃描物體移動,減小合成彩色圖像的質量。

US7698068和US8102538(CadentInc.)也描述了一種口內掃描器,其用一個或多個圖像傳感器記錄幾何形狀數據和紋理數據。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提到白光作為一種可能性,然而來自第二照明源或由第二圖像傳感器記錄,第一組用于記錄幾何形狀。

WO2012083967公開了一種掃描器,其用兩個獨立的照相機記錄幾何形狀數據和紋理數據。當第一照相機關于基于多個圖像提供聚焦掃描具有較淺的景度時,第二照相機關于從單個圖像提供顏色紋理信息具有較大景深。

顏色記錄掃描共焦顯微鏡也從現有技術獲知(例如,KeyenceVK9700;也參見JP2004029373)。白光照明系統與彩色圖像傳感器一起用于記錄2D紋理,同時激光束形成點,所述點被掃描,即在表面上移動并且由光電倍增器記錄,從多個深度測量提供幾何形狀數據,點的每個位置進行一次深度測量。移動點的原理需要被測量物體在測量期間不相對于顯微鏡移動,并且因此不適合于手持使用。

發明內容

本申請的一個方面將提供一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統和方法,并且其中表面幾何形狀和表面顏色從相同的被捕獲2D圖像導出。

本申請的一個方面將提供一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,并且其中所有2D圖像使用相同的彩色圖像傳感器捕獲。

本申請的一個方面將提供一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統和方法,其中與表面幾何形狀和表面顏色相關的信息同時被采集使得不需要與被記錄表面幾何形狀相關的數據和與被記錄表面顏色相關的數據的對準以便生成表達物體的顏色和幾何形狀兩者的物體的數字3D表示。

公開一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,所述掃描器系統包括:

-多色光源,所述多色光源配置成提供用于物體的照明的多色探測光,

-彩色圖像傳感器,所述彩色圖像傳感器包括用于捕獲從所述物體接收的光的一個或多個2D圖像的圖像傳感器像素的陣列,以及

-數據處理系統,所述數據處理系統配置成至少部分地從由所述彩色圖像傳感器記錄的一個2D圖像導出所述圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者。

公開一種記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的方法,所述方法包括:

-獲得掃描器系統,所述掃描器系統包括多色光源和包括圖像傳感器像素的陣列的彩色圖像傳感器;

-用來自所述多色光源的多色探測光照明所述物體的表面;

-使用所述彩色圖像傳感器捕獲所述物體的一系列2D圖像;以及

-至少部分地從一個被捕獲2D圖像導出所述圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者。

在本申請的上下文中,短語“表面顏色”可以指的是物體表面的表觀顏色,并且因此在一些情況下,例如對于半透明或部分透明物體(如牙齒),由來自物體表面和/或在物體表面下方的材料(如在物體表面正下方的材料)的光導致。

在本申請的上下文中,短語“至少部分地從一個2D圖像導出”指的是圖像傳感器像素的指定塊的表面幾何形狀信息至少部分地從一個2D圖像導出并且相應表面顏色信息至少部分地從相同2D圖像導出的情形。該短語也涵蓋圖像傳感器像素的指定塊的表面幾何形狀信息至少部分地從一系列被捕獲2D圖像的多個2D圖像導出并且相應表面顏色信息至少部分地從該一系列被捕獲2D圖像的相同2D圖像導出的情況。

至少部分地從一個2D圖像導出所述圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者的優點在于可以實現僅僅具有一個圖像傳感器的掃描器系統。至少部分地從一個2D圖像導出表面幾何形狀信息和表面顏色信息是有利的,原因是這固有地提供同時采集兩種類型的信息。因此不需要兩個彩色圖像傳感器的操作的準確定時,當一個圖像傳感器用于幾何形狀記錄并且另一個用于顏色記錄時可能就是這樣。尤其不需要解釋從其導出表面幾何形狀信息的2D圖像的捕獲的定時和從其導出表面顏色信息的2D圖像的捕獲的定時的顯著差異的精密計算。

本申請對現有技術的顯著改進在于僅僅需要單個圖像傳感器和單個多色光源,并且物體的至少一部分的表面顏色和表面幾何形狀可以從相同的一個2D圖像或多個2D圖像導出,這也意味著顏色和表面幾何形狀的對準固有地是完美的。在根據本申請的掃描器系統中,不需要考慮在獲得表面幾何形狀和表面顏色之間補償物體和掃描器系統的相對運動。由于在精確相同時間獲得表面幾何形狀和表面顏色,因此掃描器系統在獲得表面幾何形狀和表面顏色時自動地保持其相對于物體表面的空間布置。這使本申請的掃描器系統適合于手持使用,例如作為口內掃描器,或者適合于掃描移動物體。

在一些實施例中,數據處理系統配置成從一系列2D圖像,例如從一系列被捕獲2D圖像中的多個2D圖像導出圖像傳感器像素的所述塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息。即,數據處理系統能夠分析一系列被捕獲2D圖像中的多個2D圖像以便導出圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息并且也從從其導出表面幾何形狀信息的2D圖像中的至少一個導出表面顏色信息。

在一些實施例中,數據處理系統配置成從一系列被捕獲2D圖像的多個2D圖像導出表面顏色信息并且從從其導出表面顏色信息的2D圖像中的至少一個導出表面幾何形狀信息。

在一些實施例中,數據處理系統配置成從一系列被捕獲2D圖像的多個2D圖像導出表面幾何形狀信息并且從從其導出表面幾何形狀信息的2D圖像中的至少一個導出表面顏色信息。

在一些實施例中,從其導出表面顏色信息的一組2D圖像與從其導出表面幾何形狀信息的一組2D圖像相同。

在一些實施例中,數據處理系統配置成基于從圖像傳感器像素的多個塊導出的表面幾何形狀信息和表面顏色信息生成物體表面的一部分的子掃描。子掃描至少表達物體的一部分的幾何形狀并且典型地一個子掃描從被捕獲2D圖像的一個棧導出。

在一些實施例中,分析被捕獲圖像的系列的所有2D圖像以導出彩色圖像傳感器上的圖像傳感器像素的每個塊的表面幾何形狀信息。

對于圖像傳感器像素的指定塊,可以分析棧中的被捕獲2D圖像的相應部分以導出該塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息。

在一些實施例中,對于圖像傳感器像素的該特定塊,表面幾何形狀信息與物體表面相對于掃描器系統坐標系所處的位置相關。

本申請的掃描器系統和方法的一個優點在于同時獲得用于生成表達物體的幾何形狀和顏色兩者的子掃描的信息(從一個視圖看)。

針對物體的多個不同視圖生成子掃描使得它們一起覆蓋表面的一部分。

在一些實施例中,數據處理系統配置成組合多個子掃描以生成物體的數字3D表示。物體的數字3D表示然后優選地表達物體的被記錄幾何形狀和顏色兩者。

物體的數字3D表示可以呈數據文件的形式。當物體是患者的牙齒組時該牙齒組的數字3D表示例如可以用于患者的牙齒組的物理模型的CAD/CAM制造。

表面幾何形狀和表面顏色都從由彩色圖像傳感器記錄的光確定。

在一些實施例中,從物體接收的光源自多色光源,即,它是從物體的表面反射或散射的探測光。

在一些實施例中,從物體接收的光包括由來自多色光源的探測光激發的熒光,即,由物體表面中的熒光材料發射的熒光。

在一些實施例中,第二光源用于熒光的激發,而多色光源提供用于獲得物體的幾何形狀和顏色的光。

掃描器系統優選地包括光學系統,所述光學系統配置成朝著待掃描的物體引導由多色光源發射的光并且將從物體接收的光引導到彩色圖像傳感器使得所述物體的2D圖像可以由所述彩色圖像傳感器捕獲。

在一些實施例中,掃描器系統包括用于朝著物體傳輸來自多色光源的探測光的第一光學系統,如透鏡裝置,和用于在彩色圖像傳感器處成像從物體接收的光的第二光學系統。

在一些實施例中,單個光學系統優選地沿著相同光軸,但是在沿著光軸的相反方向上將探測光成像到物體上并且將物體或物體的至少一部分成像到彩色圖像傳感器上。掃描器可以包括位于光路中的至少一個分束器,其中分束器布置成使得它朝著物體引導來自多色光源的探測光,同時它朝著彩色圖像傳感器引導從物體接收的光。

若干掃描原理是合適的,如三角測量和聚集掃描。

在一些實施例中,掃描器系統是通過沿著掃描器系統的光軸平移焦平面并且在不同焦平面位置處捕獲2D圖像使得被捕獲2D圖像的每個系列形成2D圖像的棧而操作的聚集掃描器系統。焦平面位置優選地沿著掃描器系統的光軸移動,使得在沿著光軸的多個焦平面位置處捕獲的2D圖像形成物體的指定視圖(即,掃描器系統相對于物體的指定布置)的2D圖像的所述棧。在改變掃描器系統相對于物體的布置之后可以捕獲該視圖的2D圖像的新棧??梢越柚謚遼僖桓鼉勱乖?例如,移動聚焦透鏡)改變焦平面位置。

在一些聚焦掃描器實施例中,掃描器系統包括配置成包含所述探測光中的空間圖案的圖案生成元件。

在一些實施例中,圖案生成元件配置成提供由掃描器系統投射到物體上的探測光包括由暗部分和具有光的部分組成的圖案,所述光具有根據多色光源的波長分布的波長分布。

在一些實施例中,多色光源包括寬帶光源,如白光源。

在一些實施例中,彩色圖像傳感器的像素和圖案生成元件配置成提供每個像素對應于包含在所述探測光中的空間圖案的單個亮或暗區域。

對于聚焦掃描器系統,通過識別對于圖像傳感器像素的該塊物體表面在離傳感器系統多遠的距離處焦點對準而導出圖像傳感器像素的指定塊的表面幾何形狀信息。

在一些實施例中,導出表面幾何形狀信息和表面顏色信息包括針對若干2D圖像,如對于被捕獲2D圖像的棧中的若干2D圖像,計算由圖像傳感器像素的所述塊捕獲的2D圖像的部分和加權函數之間的相關度。在這里優選地基于空間圖案的配置的信息確定加權函數??梢哉攵哉壞拿扛?D圖像計算相關度。

掃描器系統可以包括用于評價至少一個圖像像素和加權函數之間的每個焦平面位置處的相關度的裝置,其中基于空間圖案的配置的信息確定加權函數。

在一些實施例中,導出圖像傳感器像素的塊的表面幾何形狀信息和表面顏色信息包括識別相應的相關度具有最大值的沿著光軸的位置。相應的相關度具有最大值的沿著光軸的位置可以與已捕獲2D圖像的位置重合,但是它更加可能在2D圖像的棧的兩個相鄰2D圖像之間。

確定表面幾何形狀信息然后可以涉及針對焦平面的每個位置計算由圖案提供的空間結構化光信號和圖案本身(我們稱為參考)的變化的相關度并且找出2D圖像的該棧的極值的位置。在一些實施例中,圖案是靜態的。這樣的靜態圖案例如可以作為覆鉻玻璃(chrome-on-glass)圖案實現。

用測量結果的離散集合數學地限定相關度的一種方式是作為從信號向量I=(I1,…,In)和參考權重的參考向量f=(f1,…,fn)計算的點積,其中n>1元素表示傳感器信號。然后由下式給出相關度A:

A = f · I = Σ i = 1 n f i I i ]]>

信號向量中的元素上的標引表示典型地在像素的塊中的不同像素處記錄的傳感器信號。參考向量f可以在校準步驟中獲得。

通過使用在掃描器中使用的光學系統的知識,能夠在像素塊基礎上將相關度的極值的位置(即,焦平面)轉換成深度數據信息。這樣組合的所有像素塊提供深度數據的陣列?;瘓浠八?,深度沿著從光學設計獲知和/或從校準發現的光路,并且圖像傳感器上的像素的每個塊表示光路的端點。所以,對于一束路徑,沿著光路的深度產生掃描器的視場內的表面幾何形狀,即,當前視圖的子掃描。

平滑和內插一系列相關度值會是有利的,從而獲得最大值的位置的更穩健和精確確定。

在一些實施例中,生成子掃描包括確定對于圖像傳感器像素的每個塊描述沿著光軸的相關度的變化的相關度函數并且識別相關度函數對于該塊具有它們的最大值的沿著光軸的位置。

在一些實施例中,最大相關度值是圖像傳感器像素的塊的最高計算相關度值和/或圖像傳感器像素的塊的相關度函數的最高最大值。

例如,對于記錄最大值的兩側的若干圖像上的像素塊,多項式可以擬合到值A,并且可以從擬合多項式的最大值找到推斷最大值的位置,其可以在兩個圖像之間。當從當前視圖導出表面幾何形狀時,即當導出該視圖的子掃描時,推斷最大值隨后用作深度數據信息。

在一些實施例中,數據處理系統配置成基于對于圖像傳感器像素的相應塊相關度具有其最大值的系列的2D圖像的表面顏色信息確定生成的子掃描上的點的子掃描顏色。顏色例如可以作為圖像傳感器像素的所述塊中的像素的RGB值被讀出。

在一些實施例中,數據處理系統配置成基于對于圖像傳感器像素的相應塊相關度具有其最大值的系列中的2D圖像的表面顏色信息并且基于至少一個附加2D圖像(例如來自被捕獲2D圖像的系列的相鄰2D圖像)導出生成的子掃描上的點的子掃描顏色。表面顏色信息仍然從從其導出表面幾何形狀信息的2D圖像中的至少一個導出。

在一些實施例中,數據處理系統配置成當確定子掃描顏色時內插系列中的至少兩個2D圖像的表面顏色信息,例如內插系列中的相鄰2D圖像的表面顏色信息。

在一些實施例中,數據處理系統配置成計算子掃描的多個點的平滑顏色,其中計算包括不同點的子掃描顏色的平均,例如子掃描上的周圍點的顏色的加權平均。

圖像傳感器像素的塊的表面顏色信息至少部分地從從其導出表面幾何形狀信息的相同圖像導出。在最大值A的位置由2D圖像表示的情況下,然后顏色也從該相同圖像導出。在通過內插到兩個圖像之間找出最大值A的位置的情況下,然后那兩個圖像中的至少一個應當用于導出顏色,或使用內插的兩個圖像也用于導出顏色。也可能平均來自相關度的最大值的位置的確定中所使用的兩個以上圖像的顏色數據,或者平均來自用于導出表面幾何形狀的多個圖像的子集或超集的顏色。在任何情況下,一些圖像傳感器像素讀數用于導出被掃描物體的至少一部分的表面顏色和表面幾何形狀兩者。

典型地,有三個顏色過濾器,因此總體顏色由三個分布組成,如紅、綠和藍,或青、品紅和黃。應當注意顏色過濾器典型地允許一定范圍的波長通過,并且典型地在過濾器之間有干擾,例如使得一些綠光將有助于用紅色過濾器在像素中測量的強度。

對于具有顏色過濾器陣列的圖像傳感器,像素塊內的顏色分量cj可以如下獲得:

c j = Σ i = 1 n g j , i I i ]]>

其中如果像素i具有針對顏色cj的過濾器則gj,i=1,否則為0。對于類似貝爾圖案中的RGB過濾器陣列,j是紅、綠或藍中的一種??贍芐枰ザ賴難丈至康慕徊郊尤?即,顏色校準)以獲得自然顏色數據,典型地補償變化的過濾器效率、照明源效率和過濾器圖案中的顏色分量的不同分數。校準也可以取決于焦平面位置和/或視場內的位置,原因是光源部件顏色的混合可以隨著那些因素而變化。

在一些實施例中,針對像素塊中的每個像素獲得表面顏色信息。在具有顏色過濾器陣列或分離顏色的其它裝置(如衍射裝置)的彩色圖像傳感器中,取決于用特定像素測量的顏色,獲得該顏色的強度值?;瘓浠八?,在該情況下特定像素具有僅僅用于一種顏色的顏色值。最近開發的彩色圖像傳感器允許在相同像素中、在襯底中的不同深度處測量若干顏色,因此在該情況下,特定像素可以產生若干顏色的強度值。總之,能夠獲得固有地比表面幾何形狀信息更高的表面顏色數據的分辨率。

在導出顏色的分辨率高于物體的生成的數字3D表示的表面幾何形狀的分辨率的實施例中,當至少近似地焦點對準時圖案將是可見的。當導出顏色時優選地就是這種情況。圖像可以過濾從而視覺地去除圖案,但是損失分辨率。實際上,用戶能夠看到圖案是有利的。例如在口內掃描中,檢測預備體的邊界線、緣邊或邊緣可能是重要的。覆蓋在該邊緣的幾何形狀上的圖案的圖像在近似垂直看到的一側更清晰,并且在成銳角看到的一側更模糊。因此,與單獨地檢查表面幾何形狀相比,在該例子中典型地是牙科醫生或牙科技師的用戶可以使用清晰度的差異來更精確地定位邊界線的位置。

物體上的焦點對準圖案圖像的高空間對比度對于獲得彩色圖像傳感器上的相關度的良好信噪比來說是期望的??梢醞ü誆噬枷翊釁魃嫌畔瘸上翊游鍰宓木得娣瓷涓納頻目占潿員榷?。因此,一些實施例包括用于鏡面反射光的優先/選擇成像的裝置。如果掃描器還包括用于例如借助于至少一個偏振分束器偏振探測光的裝置,則這可以被提供。

在一些實施例中,偏振光學器件被涂覆從而優化用于記錄表面幾何形狀的多色光源的光譜的一部分的圓偏振的保持。

掃描器系統還可以包括用于改變探測光和/或從物體接收的光的偏振狀態的裝置。這可以借助于優選地位于光路中的延遲板被提供。在一些實施例中,延遲板是四分之一波長延遲板。

尤其對于被掃描物體例如是患者的牙齒組的口內應用,掃描器可以具有長形尖端,具有用于引導探測光和/或成像物體的裝置。這可以借助于至少一個折疊元件被提供。折疊元件可以是光反射元件,如反射鏡或棱鏡。探測光然后沿著至少部分地由折疊元件限定的光軸從掃描器系統出現。

對于聚焦掃描技術的更深入描述,參見WO2010145669。

在一些實施例中,數據處理系統配置成確定物體的生成的數字3D表示的至少一個點的顏色,使得數字3D表示表達物體的幾何形狀和顏色配置兩者??梢哉攵隕傻氖?D表示的若干點確定顏色使得物體的被掃描部分的顏色配置由數字3D表示表達。

在一些實施例中確定物體顏色包括計算針對物體表面的該點處的重疊子掃描中的相應點導出的顏色值的加權平均值。該加權平均值然后可以用作物體的數字3D表示中的點的顏色。

在一些實施例中,數據處理系統配置成檢測被捕獲2D圖像中的飽和像素并且減輕或去除由像素飽和導致的導出表面顏色信息或子掃描顏色中的誤差。

在一些實施例中,通過在子掃描的平滑顏色的計算中將低權重分配給飽和像素的表面顏色信息和/或將低權重分配給基于飽和像素計算的子掃描的顏色減輕或去除由飽和像素導致的誤差。

在一些實施例中,數據處理系統配置成比較被捕獲2D圖像和/或物體的生成子掃描的部分的導出表面顏色信息和牙齒和口內組織的預定顏色范圍,并且抑制顏色不是兩個預定顏色范圍中的一個的部分的導出表面顏色信息或子掃描顏色的紅色分量。

這里公開的掃描器系統包括多色光源,例如白光源,例如多晶片LED。

從被掃描物體接收的光(如從物體表面返回的探測光或通過激發物體的熒光部分由探測光生成的熒光)由彩色圖像傳感器記錄。在一些實施例中,彩色圖像傳感器包括顏色過濾器陣列使得彩色圖像傳感器中的每個像素是顏色特定過濾器。顏色過濾器優選地以規則圖案布置,例如其中顏色過濾器根據貝爾顏色過濾器圖案布置。這樣獲得的圖像數據用于導出像素的每個塊的表面幾何形狀和表面顏色兩者。對于使用相關度的聚焦掃描器,可以從相關度的極值找到表面幾何形狀,如上所述。

在一些實施例中,從由多色光源提供的探測光的光譜的第一部分中的光導出表面幾何形狀。

優選地,顏色過濾器與圖像傳感器像素對準,優選地使得每個像素具有僅僅用于特定顏色的顏色過濾器。

在一些實施例中,顏色過濾器陣列使得它的具有匹配光譜的第一部分的顏色過濾器的像素的比例大于50%。

在一些實施例中,表面幾何形狀信息從由多色光源提供的光譜的選定波長范圍中的光導出。其它波長范圍中的光因此不用于導出表面幾何形狀信息。這提供的優點在于掃描器系統的光學系統中的光學元件的色散不影響物體的掃描。

僅僅從具有一種或兩種類型的顏色過濾器的像素計算表面幾何形狀會是優選的。單個顏色不需要消色差光學器件并且因此提供制造更容易和更便宜的掃描器。此外,折疊元件通常不會同樣好地保持所有顏色的偏振狀態。當僅僅一些顏色用于計算表面幾何形狀時,對于具有用于其它顏色的過濾器的像素,參考向量f將包含零。因此,總信號強度通常減小,但是對于足夠大的像素的塊,它通常仍然是足夠的。優先地,像素顏色過濾器適合于一種顏色與另一種的很小干擾。應當注意在僅僅從像素的子集計算幾何形狀的實施例中,優選地仍然從所有像素計算顏色。

在一些實施例中,彩色圖像傳感器包括顏色過濾器陣列,其包括至少三種類型的彩色過濾器,每個允許已知波長范圍W1、W2和W3中的光相應地傳播通過顏色過濾器。

在一些實施例中,顏色過濾器陣列使得它的具有匹配光譜的選定波長范圍的顏色過濾器的像素的比例大于50%,其中比例等于32/36、60/64或96/100。

在一些實施例中,選定波長范圍匹配W2波長范圍。

在一些實施例中,顏色過濾器陣列包括6×6顏色過濾器的多個單元,其中在每個單元的位置(2,2)和(5,5)處的顏色過濾器屬于W1類型,在位置(2,5)和(5,2)處的顏色過濾器屬于W3類型。在這里W1類型的過濾器是允許已知波長范圍W1中的光傳播通過顏色過濾器的顏色過濾器,并且W2和W3類型的過濾器是類似的。在一些實施例中,6×6單元中的剩余32個顏色過濾器屬于W2類型。

在RGB色系中,W1可以對應于紅光,W2對應于綠光,并且W3對應于藍光。

在一些實施例中,掃描器配置成導出具有比表面幾何形狀更高的分辨率的表面顏色。

在一些實施例中,通過去馬賽克獲得更高的表面顏色分辨率,其中像素塊的顏色值可以被去馬賽克以獲得比表面幾何形狀中存在的明顯更高的彩色圖像的分辨率。去馬賽克可以作用于像素塊或單獨的像素。

在使用多晶片LED或包括物理或光學分離的光發射器的另一照明源的情況下,優選的是針對掃描器中的類型照明,即,照明源在物體平面處散焦以便對于整個視場獲得均勻的照明和良好的顏色混合。在顏色混合不完美并且隨著焦平面位置變化的情況下,掃描器的顏色校準將是有利的。

在一些實施例中,圖案生成元件配置成提供空間圖案包括以棋盤狀圖案布置的交替暗和亮區域。由掃描器系統提供的探測光然后包括由暗部分和具有光的部分組成的圖案,所述光具有與多色光源相同的波長分布。

為了獲得表達物體的表面幾何形狀和顏色表示兩者的數字3D表示,即,物體表面的所述部分的有色數字3D表示,典型地必須組合若干子掃描,即,物體的部分表示,其中每個子掃描呈現物體的一個視圖。表達來自指定相對位置的視圖的子掃描優選地記錄從該相對位置看到的物體表面的幾何形狀和顏色。

對于聚焦掃描器,視圖對應于(一個或多個)聚焦元件的一次通過,即,對于聚焦掃描器,每個子掃描是從焦平面位置在其極端位置之間通過期間記錄的2D圖像的棧導出的表面幾何形狀和顏色。

針對各種視圖找到的表面幾何形狀可以通過本領域中公知的用于拼接和配準的算法被組合,或來自已知的觀察位置和取向,例如當掃描器安裝在具有編碼器的軸上時。顏色可以通過諸如紋理編織的方法,或通過簡單地平均表面上的相同位置的多個視圖中的相應顏色分量被內插和平均。在這里,解釋由于入射和反射的不同角引起的表觀顏色的差異會是有利的,由于表面幾何形狀也是已知的,因此其是可能的。例如在以下文獻中描述紋理編織:CallieriM,CignoniP,ScopignoR.“Reconstructingtexturedmeshesfrommultiplerangergbmaps”,VMV2002,Erlangen,Nov20-22,2002。

在一些實施例中,掃描器和/或掃描器系統配置成基于獲得的表面顏色和表面幾何形狀生成物體表面的子掃描。

在一些實施例中,掃描器和/或掃描器系統配置成組合從不同相對位置獲得的物體表面的子掃描以生成表達物體的至少一部分的表面幾何形狀和顏色的數字3D表示。

在一些實施例中,組合物體的子掃描以獲得表達表面幾何形狀和顏色的數字3D表示包括將每個表面點中的顏色計算為該表面點處的所有重疊子掃描中的相應點的加權平均值。每個子掃描在總體中的權重可以由若干因素確定,例如飽和像素值的存在或當記錄子掃描時物體表面相對于掃描器的取向。

在一些掃描器位置和相對于物體的取向將提供比其它位置和取向更好的實際顏色的估計的情況下這樣的加權平均值是有利的。如果物體表面的照明不均勻,則這也可以在某種程度上通過更高地加權最佳照明部分而被補償。

在一些實施例中,掃描器系統的數據處理系統包括圖像處理器,所述圖像處理器配置成執行表面幾何形狀、表面顏色讀數或物體的導出子掃描或數字3D表示的后處理。掃描器系統可以配置成例如使用由圖像處理器執行的計算機執行算法執行子掃描的組合。

掃描器系統可以配置成作為表面幾何形狀、表面顏色、子掃描和/或數字3D表示的后處理的一部分例如使用由數據處理系統執行的計算機執行算法執行子掃描的組合,即,后處理包括將每個表面點中的顏色計算為該表面點處的所有重疊子掃描中的相應點的加權平均值。

飽和像素值應當優選地具有低權重以減小強光對表面顏色的記錄的影響。表面的指定部分的顏色應當優選地主要從可以精確地確定顏色的2D圖像確定,當像素值飽和時不是這種情況。

在一些實施例中,掃描器和/或掃描器系統配置成檢測被捕獲2D圖像中的飽和像素并且減輕或去除由像素飽和導致的獲得顏色中的誤差??梢醞ü詡尤ㄆ驕薪腿ㄖ胤峙涓ズ拖袼丶跚嶧蛉コ殺ズ拖袼氐賈碌奈蟛?。

鏡面反射光具有光源的顏色而不是物體表面的顏色。如果物體表面不是純白反射體,則鏡面反射因此可以被識別為像素顏色緊密地匹配光源顏色的區域。當獲得表面顏色時,因此有利的是將低權重分配給其顏色值緊密地匹配多色光源的顏色的像素或像素組以便補償這樣的鏡面反射。

當口內掃描患者的牙齒組時鏡面反射也可能是問題,原因是牙齒很少是完全白色的。因此可能有利的是假設對于來自彩色圖像傳感器的讀數指示物體的表面是純白反射體的像素,由該像素組記錄的光由從口腔中的牙齒或軟組織的鏡面反射導致并且因此將低權重分配給這些像素從而補償鏡面反射。

在一些實施例中,補償從物體表面的鏡面反射基于從掃描器的校準導出的信息,其中例如呈純白反射體的形式的校準物體被掃描。彩色圖像傳感器讀數然后取決于多色光源的光譜和例如由光學系統中的反射鏡的波長相關反射率導致的掃描器的光學系統的波長相關性。如果光學系統對于多色光源的所有波長同樣好地引導光,則當純白反射體被掃描時彩色圖像傳感器將記錄多色光源的顏色(也稱為光譜)。

在一些實施例中,補償從表面的鏡面反射基于從基于掃描器的光學系統的波長相關性、多色光源的光譜和彩色圖像傳感器的波長相關靈敏度的計算導出的信息。在一些實施例中,掃描器包括用于光學地抑制鏡面反射光以獲得更好的顏色測量的裝置。如果掃描器還包括用于例如借助于至少一個偏振分束器偏振探測光的裝置,則這可以被提供。

當在口腔內部掃描時可能有周圍組織(如牙齦、腭、舌或頰組織)的探測光照明所導致的紅環境光。在一些實施例中,掃描器和/或掃描器系統因此配置成抑制被記錄2D圖像中的紅色分量。

在一些實施例中,掃描器和/或掃描器系統配置成比較被捕獲2D圖像和/或物體的子掃描的部分的顏色和牙齒和口內組織的相應預定顏色范圍,并且抑制顏色不是兩個預定顏色范圍中的任意一個的部分的被記錄顏色的紅色分量。例如可以假設牙齒主要是白色的,具有被記錄圖像的不同分量的強度之間的一個比率,例如具有RGB配置中的紅色分量的強度和藍色和/或綠色分量的強度之間的一個比率,而口內組織主要是泛紅的,具有分量的強度之間的另一比率。當針對口腔的區域記錄的顏色顯示的比率不同于針對牙齒的預定比率和針對組織的預定比率兩者時,該區域被識別為由紅環境光照明的牙齒區域,并且通過減小紅色信號的記錄強度或通過增加圖像中的其它分量的記錄強度,被記錄圖像的紅色分量相對于其它分量被抑制。

在一些實施例中,具有直接朝著掃描器的表面法線的點的顏色比表面法線不朝著掃描器定向的點的顏色更高地加權。這具有的優點是具有直接朝著掃描器的表面法線的點將由來自掃描器的白光而不是由環境光在更高程度上照明。

在一些實施例中,如果與鏡面反射關聯,則具有直接朝著掃描器的表面法線的點的顏色被更低地加權。

在一些實施例中,掃描器配置成同時補償不同效應,例如補償飽和像素和/或鏡面反射和/或表面法線的取向。這可以通過大體上提高2D圖像的像素或像素組的選擇的權重并且通過減小所述選擇的像素或像素組的分數的權重而完成。

在一些實施例中,方法包括處理被記錄2D圖像,子掃描或物體的一部分的生成3D表示,其中所述處理包括:

-當導出表面顏色時通過省略或減小飽和像素的權重而補償像素飽和,和/或

-當導出表面顏色時通過省略或減小其顏色值緊密地匹配光源顏色的像素的權重而補償鏡面反射,和/或

-通過比較2D圖像的表面顏色信息和預定顏色范圍,并且如果它不在預定顏色范圍內則抑制被記錄顏色的紅色分量,從而補償紅環境光。

公開一種使用公開的掃描器系統來顯示物體的生成的數字3D表示上的顏色紋理的方法。有利的是例如在計算機屏幕上顯示作為數字3D表示上的紋理的顏色數據。顏色和幾何形狀的組合是比任一單獨類型的數據更有力的信息傳送形式。例如,牙科醫生可以更容易地在組織的不同類型之間區分。在表面幾何形狀的繪制中,適當的陰影處理可以幫助傳達紋理上的表面幾何形狀,例如用偽陰影比單獨地用紋理更好地顯示尖銳邊緣。

當多色光源是多晶片LED或類似物時,掃描器系統也可以用于檢測熒光。公開一種使用公開的掃描器系統來顯示表面幾何形狀上的熒光的方法。

在一些實施例中,掃描器配置成通過僅僅用多晶片LED中的LED晶片的子組照明物體激發所述物體上的熒光,并且其中通過僅僅或優先讀取具有至少近似地匹配熒光的顏色的顏色過濾器的彩色圖像傳感器中的那些像素(即,僅僅測量具有用于更長波長的光的過濾器的圖像傳感器的像素的強度)記錄所述熒光?;瘓浠八?,掃描器能夠選擇性地僅僅啟動多晶片LED中的LED晶片的子組并且僅僅記錄或僅僅優先讀取具有在比LED晶片的子組更高的波長處的顏色過濾器的彩色圖像傳感器中的那些像素,使得從LED晶片的子組發射的光可以激發物體中的熒光材料并且掃描器可以記錄從這些熒光材料發射的熒光。晶片的子組優選地包括在物體中的熒光材料的激發光譜內發射光的一個或多個LED晶片,例如紫外、藍、綠、黃或紅LED晶片。這樣的熒光測量產生2D數據陣列,其很像2D彩色圖像,但是不同于2D圖像,它不能與表面幾何形狀同時被拍攝。對于緩慢移動的掃描器,和/或通過適當的內插,熒光圖像仍然可以覆蓋表面幾何形狀。顯示牙齒上的熒光是有利的,原因是它可以幫助檢測齲齒和牙斑。

在一些實施例中,數據處理系統包括微處理器單元,其配置成從由彩色圖像傳感器獲得的2D圖像提取表面幾何形狀信息并且從相同圖像確定表面顏色。

數據處理系統可以包括分布在掃描器系統的不同部分中的單元。對于包括連接到固定單元的手持部分的掃描器系統,數據處理系統例如可以包括集成到手持部分中的一個單元和集成到固定單元中的另一單元。當用于將數據從手持單元傳送到固定單元的數據連接具有不能處理來自彩色圖像傳感器的數據流的帶寬時這會是有利的。手持單元中的初步數據處理然后可以減小必須經由數據連接傳送的數據量。

在一些實施例中,數據處理系統包括計算機可讀介質,用于執行所述后處理的計算機執行算法存儲在所述計算機可讀介質上。

在一些實施例中,數據處理系統的一部分集成在推車或個人計算機中。

公開一種使用公開的掃描器系統來平均來自若干視圖的顏色和/或表面幾何形狀的方法,其中每個視圖表示掃描器和物體的大致固定的相對取向。

公開一種使用公開的掃描器系統來組合來自若干視圖的顏色和/或表面幾何形狀的方法,其中每個視圖表示掃描器和物體的大致固定的相對取向,從而獲得比在單個視圖中更完整的物體的覆蓋率。

公開一種用于獲得物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器,所述掃描器包括:

-多色光源,所述多色光源配置成提供探測光,以及

-彩色圖像傳感器,所述彩色圖像傳感器包括用于捕獲從所述物體接收的光的一個或多個2D圖像的圖像傳感器像素的陣列,

其中至少對于所述圖像傳感器像素的塊,所述物體的一部分的表面顏色和表面幾何形狀兩者至少部分地從由所述彩色圖像傳感器捕獲的一個2D圖像導出。

公開一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,所述掃描器系統包括:

-多色光源,所述多色光源配置成提供探測光,以及

-彩色圖像傳感器,所述彩色圖像傳感器包括用于捕獲從所述物體接收的光的一個或多個2D圖像的圖像傳感器像素的陣列,

其中至少對于所述圖像傳感器像素的塊,所述物體的一部分的表面顏色信息和表面幾何形狀信息兩者至少部分地從由所述彩色圖像傳感器捕獲的一個2D圖像導出。

公開一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,所述掃描器系統包括:

-多色光源,所述多色光源配置成提供探測光,

-彩色圖像傳感器,所述彩色圖像傳感器包括圖像傳感器像素的陣列,以及

-光學系統,所述光學系統配置成將從所述物體接收的光引導到所述彩色圖像傳感器使得所述物體的2D圖像可以由所述彩色圖像傳感器捕獲;

其中所述掃描器系統配置成捕獲所述物體的一部分的多個所述2D圖像并且至少對于所述圖像傳感器像素的塊從所述被捕獲2D圖像中的至少一個導出所述物體的一部分的表面顏色信息和表面幾何形狀信息兩者,使得由所述掃描器同時獲得所述表面顏色信息和所述表面幾何形狀信息。

公開一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,所述掃描器系統包括:

-多色光源,所述多色光源配置成提供探測光,

-彩色圖像傳感器,所述彩色圖像傳感器包括圖像傳感器像素的陣列,其中所述圖像傳感器布置成捕獲從所述物體接收的光的2D圖像;以及

-圖像處理器,所述圖像處理器配置成從由所述彩色圖像傳感器捕獲的所述2D圖像中的至少一個導出所述物體的一部分的表面顏色信息和表面幾何形狀信息兩者。

公開一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的掃描器系統,所述掃描器系統包括:

-根據實施例中的任何一個的掃描器系統,其中所述掃描器系統配置成導出所述物體的表面顏色和表面幾何形狀,并且可選地生成所述物體的一部分的子掃描或數字3D表示;以及

-數據處理單元,所述數據處理單元配置成后處理來自所述彩色圖像傳感器的表面幾何形狀和/或表面顏色讀數,或后處理所述生成的子掃描或數字3D表示。

公開一種用于記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的方法,所述方法包括:

-提供根據實施例中的任何一個的掃描器或掃描器系統,

-用來自所述多色光源的探測光照明所述物體的表面;

-使用所述彩色圖像傳感器記錄所述物體的一個或多個2D圖像;以及

-至少對于所述圖像傳感器像素的塊從所述被記錄2D圖像中的至少一些導出所述物體的一部分的表面顏色和表面幾何形狀兩者,使得由所述掃描器同時獲得所述表面顏色和所述表面幾何形狀。

附圖說明

圖1顯示掃描器系統的手持實施例。

圖2顯示現有技術的圖案生成裝置和關聯的參考權重。

圖3顯示圖案生成裝置和關聯的參考權重。

圖4顯示顏色過濾器陣列。

圖5顯示方法的流程圖。

圖6示出如何可以導出表面幾何形狀信息和表面幾何形狀信息。

具體實施方式

圖1顯示掃描器系統的手持部分,具有在外殼100內部的部件。掃描器包括可以進入腔體中的尖端,呈多晶片LED101的形式的多色光源,用于包含探測光中的空間圖案的圖案生成元件130,分束器140,包括圖像傳感器181、電子器件和可能的其它元件的彩色圖像傳感器180,典型地包括至少一個透鏡和圖像傳感器的光學系統。來自光源101的光來回傳播通過光學系統150。在該通過期間光學系統將圖案130成像到正在掃描的物體200(在這里是患者的牙齒組)上,并且還將正在掃描的物體成像到圖像傳感器181上。

圖像傳感器181具有顏色過濾器陣列1000。盡管描繪為獨立的實體,但是顏色過濾器陣列典型地與圖像傳感器集成,每個顏色過濾器用于一個像素。

透鏡系統包括聚焦元件151,所述聚焦元件可以被調節以在被探測物體200上移動圖案的聚焦成像平面。在示例性實施例中,單個透鏡元件沿著光軸物理地來回移動。

作為整體,光學系統提供正被探測的物體上的圖案的成像并且從正被探測的物體提供給照相機。

裝置可以包括偏振光學器件160。偏振光學器件可以用于選擇性地成像鏡面反射并且阻止來自被掃描物體的內部的表面下散射的非期望漫射信號。分束器140也可以具有偏振過濾性質。光學元件具有防反射涂層會是有利的。

裝置可以包括折疊光學器件,反射鏡170,其在不同于透鏡系統的光路的方向上(例如,在垂直于透鏡系統的光路的方向上)將光引導到裝置之外。

在掃描器中可以有附加的光學元件,例如在光源101的前面的一個或多個聚光透鏡。

在示例性實施例中,LED101是多晶片LED,具有兩個綠晶片,一個紅晶片,和一個藍晶片。僅僅光的綠色部分用于獲得表面幾何形狀。因此,反射鏡170被涂覆從而優化綠光的圓偏振的保持,而不是其它顏色。應當注意在掃描期間LED內的所有晶片是工作的,即發射光,因此掃描器將明顯白光發射到被掃描物體200上。LED可以以不同強度發射不同顏色的光使得例如一種顏色比其它顏色更強。為了減小彩色圖像傳感器中的不同顏色信號的讀數之間的干擾,這可能是期望的。在例如RGB系統中的紅和藍二極管的強度減小的情況下,由光源發射的明顯白光將看上去青白。

掃描器系統還包括數據處理系統,其配置成對于彩色圖像傳感器180的像素的塊至少部分地從由所述彩色圖像傳感器180記錄的一個2D圖像導出表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者。數據處理系統的至少一部分可以布置在掃描器系統的所示的手持部分中。一部分也可以布置在掃描器系統的附加部分(如連接到手持部分的推車)中。

圖2顯示現有技術的圖案生成元件130的一部分,其作為成像到單色圖像傳感器180上的WO2010145669的空間相關實施例中的靜態圖案被應用。該部分顯示所顯示的圖案的一部分,即一段時期。該時期由6乘6圖像像素和2乘2圖案場表示。在圖2A中以灰色繪制的場實際上是黑色的,原因是圖案掩模對于這些場是不透明的;僅僅為了圖的可見性和由此的清楚性而選擇灰色。圖2B示出用于計算像素塊的空間相關度A的參考權重f,其中n=6×6=36,使得

A = Σ i = 1 n f i I i ]]>

其中I是在指定圖像的像素塊中的36個像素中測量的強度值。應當注意不需要圖像傳感器像素和圖案場之間的完美對準,但是給出表面幾何形狀測量的最佳信號。

圖3顯示圖2中的原理擴展到顏色掃描。圖案與圖2中的相同并且因此是圖像傳感器幾何形狀。然而,圖像傳感器是具有貝爾顏色過濾器陣列的彩色圖像傳感器。在圖3A中,標記“B”的像素具有藍色過濾器,而“G”指示綠色像素過濾器并且“R”指示紅色像素過濾器。圖3B顯示相應參考權重f。應當注意僅僅綠色像素具有非零值。這是由于僅僅光譜的綠色部分用于記錄表面幾何形狀信息。

對于圖3的圖案/顏色過濾器組合,像素塊內的顏色分量cj可以如下獲得

c j = Σ i = 1 n g j , i I i ]]>

其中如果像素i具有針對顏色cj的過濾器則gj,i=1,否則為0。對于類似貝爾圖案中的RGB顏色過濾器陣列,j是紅、綠或藍中的一種??贍芐枰ザ賴難丈至康慕徊郊尤?即,顏色校準)以獲得自然顏色數據,典型地補償變化的過濾器效率、照明源效率和過濾器圖案中的顏色分量的不同分數。校準也可以取決于焦平面位置和/或視場內的位置,原因是LED部件顏色的混合可以隨著那些因素而變化。

圖4顯示具有比貝爾圖案中更高的比例的綠色像素的本發明的顏色過濾器陣列。顏色過濾器陣列包括6×6顏色過濾器的多個單元,具有在每個單元的位置(2,2)和(5,5)處的藍色過濾器,在位置(2,5)和(5,2)處的紅色過濾器,以及在單元的所有剩余位置處的綠色過濾器。

假設僅僅照明的綠色部分用于獲得表面幾何形狀信息,圖4的過濾器將可能以更差的顏色表示為代價提供比貝爾圖案過濾器更好質量的獲得的表面幾何形狀。然而更差的顏色表示將在許多情況下仍然是足夠的,而改善質量的獲得的表面幾何形狀常常是很有利的。

圖5示出記錄物體的表面幾何形狀和表面顏色的方法的流程圖541。

在步驟542中獲得根據前述權利要求中的任一項的掃描器系統。

在步驟543中用多色探測光照明物體。在使用相關度或相關度函數的聚焦掃描系統中,棋盤狀圖案可以施加于探測光使得與圖案相關的信息可以用于從被捕獲2D圖像確定表面幾何形狀信息。

在步驟544中使用所述彩色圖像傳感器捕獲所述物體的一系列2D圖像。2D圖像可以立即被處理或存儲在存儲單元中以便以后處理。

在步驟545中對于圖像傳感器像素的塊至少部分地從一個被捕獲2D圖像導出表面幾何形狀信息和表面顏色信息兩者。例如可以使用如本文中所述的相關度方法導出信息。在步驟546中組合導出信息以生成物體的子掃描,其中子掃描包括表達從一個視圖看到的物體的幾何形狀和顏色的數據。

在步驟547中通過組合若干子掃描生成表達物體的顏色和幾何形狀兩者的數字3D表示。這可以使用用于子掃描對準的已知算法(例如本領域中公知的用于拼接和配準的算法)完成。

圖6示出如何可以對于圖像傳感器像素的塊至少從一個2D圖像導出表面幾何形狀信息和表面幾何形狀信息。

對于每個焦平面位置的彩色圖像傳感器上的所有有源圖像傳感器像素組(即,對于棧的每個2D圖像)確定相關度。通過從棧的一個端部分析2D圖像開始,確定所有有源圖像傳感器像素組的相關度并且存儲計算值。通過棧進行,每個像素組的相關度被確定并且與先前存儲值(即,用于先前分析的2D圖像的值)一起被存儲。

然后對于每個像素組通過平滑和內插被確定相關度值確定描述沿著光軸的相關度的變化的相關度函數。例如,對于記錄最大值的兩側的若干圖像上的像素塊,多項式可以擬合到值,并且可以從擬合多項式的最大值找到推斷最大值的位置,其可以在兩個圖像之間。

像素組的表面顏色信息從從其確定相關度最大值的位置的2D圖像中的一個或多個導出,即,來自彩色圖像傳感器的像素的組的表面幾何形狀信息和表面顏色信息從棧的相同2D圖像導出。

表面顏色信息可以從一個2D圖像導出。與2D圖像的分析一起監視每個像素組的相關度的最大值使得當已分析2D圖像時不同像素組的相關度的值可以與先前分析的2D圖像的當前最高值比較。如果相關度是該像素組的新的最大值,則至少對應于該像素組的2D圖像的部分被保存。下次對于該像素找到更高的相關值,則該2D圖像的部分被保存,覆蓋先前存儲的圖像/子圖像。由此當棧的所有2D圖像已被分析時,2D圖像的表面幾何形狀信息轉化為每個像素組的一系列相關度值,其中對于圖像傳感器像素的每個塊記錄最大值。

圖6A示出使用聚焦掃描系統采集的2D圖像的棧的一部分661,其中每個2D圖像在不同焦平面位置處被采集。在每個2D圖像662中對應于圖像傳感器像素的塊的部分663被指示??槎雜τ謐?xi,yi)的集合。聚焦掃描系統配置成對于圖像傳感器像素的每個塊和對于棧中的每個2D圖像確定相關度。在圖6B中示出塊663的被確定相關度664(在這里由“x”指示)?;詒蝗范ㄏ喙囟?64,在這里作為多項式計算相關度函數665,并且找到位置zi的相關度函數的最大值。擬合多項式具有最大值(zi)的z值被識別為物體表面的點。針對該塊導出的表面幾何形狀信息然后可以以坐標(xi,yi,zi)的形式呈現,并且通過組合圖像傳感器的若干塊的表面幾何形狀信息,表達物體的一部分的幾何形狀的子掃描可以被創建。

在圖6C中示出對于圖像傳感器像素的每個塊從兩個2D圖像導出表面顏色幾何形狀的程序。使用上述的程序存儲兩個2D圖像并且針對像素塊確定它們的RGB值。在圖6C中顯示R值666。在zi位置處的平均R值667(以及平均G和B值)然后可以通過內插被確定并且用作該塊的表面顏色信息。該表面顏色信息明顯地從至少部分地從其導出幾何形狀信息的相同2D圖像導出。

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