(57)【要約】  本発明は、重複する撮影領域を有する２つのカメラ（１ａ、１ｂ）を用いて対象物の三次元画像を撮影するための方法に関し、較正プロセスの過程において、前記各カメラ（１ａ、１ｂ）に対してそれぞれ、相互に属するエピポーラ線群を求める。予め設定されたランダム画像（４０）を、撮影されるべき対象物（３０）上に投影する。カメラの各ピクセルに対して、第１の周辺区域（１３ａ）を特定し、属する第１のエピポーラ線（９ａ）を特定し、当該第１のエピポーラ線（９ａ）に対して、第２のカメラ（１ｂ）の対応する第２のエピポーラ線（９ｂ）を特定する。前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上に位置する、前記第２のカメラ（１ｂ）の画像の全ピクセル（８ｂ）に対して、第１の周辺区域に対して合同の第２の周辺区域（１３ｂ）を特定する。第１のおよび第２の周辺区域（１３ａ、１３ｂ）の強度値を相互に比較し、一致度を形成する。一致度が最大である、第２のエピポーラ線（９ｂ）上の画像位置（１４）を特定する。事前に特定されている変換によって空間位置（１７）を特定する。三次元画像は、このようにして求められた空間位置（１７）を含む。
2013507601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重複する撮影領域を有する２つのカメラ（１ａ、１ｂ）を用いて対象物の三次元画像を撮影するための方法であって、
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の配置を事前に較正し、この際に当該２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の相互の位置および向きを確定し、かつ、変換を特定し、当該変換は、一方のカメラ（１ａ）によって撮影された画像の画像位置（８ａ）、殊にピクセルの位置と、他方のカメラ（１ｂ）によって撮影された画像の画像位置（８ｂ）、殊にピクセルにそれぞれ、三次元撮影空間における１つの空間位置（１７）、殊ボクセルの１つの空間位置（１７）を割り当て、
さらに前記較正プロセスの過程において、前記各カメラ（１ａ、１ｂ）に対してそれぞれ１つのエピポーラ線（９ａ、９ｂ）の群を求め、この際に、一方のカメラ（１ａ）の１つのエピポーラ線（９ａ）を他方のカメラ（１ｂ）の１つのエピポーラ線（９ｂ）にそれぞれ割り当てる方法において、
予め設定されたランダム画像（４０）を、前記撮影されるべき対象物（３０）上に投影し、当該ランダム画像（４０）の個々の画像点は、相違する少なくとも２つの色値および／または強度値を有しており、次に、前記第１のカメラ（１ａ）の各ピクセルに対して、
・例えば３×３ピクセルまたは５×５ピクセルの第１の周辺区域（１３ａ）を特定し、
・前記第１のカメラ（１ａ）に対して見出され、かつ、各ピクセル（８ａ）を含んでいる第１のエピポーラ線（９ｂ）を特定し、
・当該見出された第１のエピポーラ線（９ａ）に対応する、前記第２のカメラ（１ｂ）の第２のエピポーラ線（９ｂ）を特定し、
・当該第２のエピポーラ線（９ｂ）上に位置する、前記第２のカメラ（１ｂ）の画像の全ピクセル（８ｂ）に対して、
・前記第１の周辺区域（１３ａ）と合同である第２の周辺区域（１３ｂ）を特定し、
・前記第１の周辺区域（１３ａ）の強度値と、前記第２の周辺区域（１３ｂ）の強度値を相互に比較し、
・当該２つの周辺区域に対する一致度を特定し、
・前記一致度が最大である、前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上の画像位置（１４）、殊にピクセルの画像位置を特定し、
・前記変換を用いて、前記第１のカメラ（１ａ）のピクセル（８ａ）の画像位置と、前記第２のエピポーラ線（８ｂ）上の求められた画像位置（１４）とに基づいて、空間位置（１７）を特定し、当該空間位置（１７）を記憶し、前記撮影された対象物（３０）の像を、当該見出された空間位置（１７）のセットによって特定し、さらなる処理のために供給する、
ことを特徴とする、三次元画像を撮影するための方法。
【請求項２】
前記空間位置（１７）のセットの記録の直前または直後に、前記ランダム画像の投影をオフにし、かつ場合によっては前記撮影すべき対象物（３０）を付加的に照明し、少なくとも１つのカメラ（１ａ、１ｂ）によって、前記撮影すべき対象物（３０）の画像を記録し、
前記求められた各空間点（１７）に、前記変換に基づいて前記空間点（１７）の空間位置が求められたところの画像位置（１４）の、場合によっては補間されている１つまたは複数の強度値、殊にピクセル（８ａ、８ｂ）の画像位置を割り当てる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
メッシュ分割方法を用いて、記録された点のセットに基づいて、複数の空間エレメントまたは表面エレメントを伴う表面分解または空間分解を行う、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記表面分解の表面エレメントに、前記点のセットの空間点の強度値から、殊に補間によって求められた強度経過を割り当て、場合によっては示す、請求項２および３記載の方法。
【請求項５】
対象物（３０）の三次元画像を継続的に撮影し、
当該対象物を、前記カメラ（１ａ、１ｂ）の配置に対して相対的に動かし、
ここで時間的に連続した２つの画像の前記撮影された空間領域の重畳が生じるように当該相対運動を緩慢に行い、前記求められた点のセット、表面分解または空間分解を等長変換によって見出し、これによって、複数の撮影から、１つの合成された撮影を作成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記第１の周辺区域（１３ａ）と、前記第２のカメラ（１ｂ）の画像のエピポーラ線（９ｂ）上の第２のピクセル（８ｂ）の第２の周辺区域（１３ｂ）との一致が不足している場合には、前記撮影されるべき対象物（３０）の表面をマット化する流体を、当該撮影されるべき対象物上に散布し、前記流体の散布後に、一致する周辺区域を見出す過程を続ける、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の画像内で同じエピポーラ線（９ａ、９ｂ）上に位置するピクセルが明確な周辺区域（１３ａ、１３ｂ）を有するように前記ランダム画像（４０）を選択する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
重複する撮影領域を有する２つのカメラ（１ａ、１ｂ）を用いて対象物の三次元画像を撮影するための装置であって、
ランダム画像（４０）を結像するための投影ユニット（２）を有しており、当該ランダム画像（４０）の個々のピクセルは、相違する少なくとも２つの色値および／または強度値を有しており、
当該投影ユニット（２）によって、前記ランダム画像（４０）が、２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の前記重複した撮影領域内に投影される、
ことを特徴とする、三次元画像を撮影するための装置。
【請求項９】
有利には切り替え可能である光源（６）を有しており、当該光源は、前記２つのカメラの重複している撮影領域を照明する、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記撮影されるべき対象物上にマット化する流体を被着させるための噴霧器（７）を有している、請求項８または９記載の装置。
【請求項１１】
ａ）前記カメラ（１ａ、１ｂ）に較正ユニットが後置接続されており、当該較正ユニットによって、
・当該２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の相互の位置および向きが確定され、変換が特定され、当該変換は、一方のカメラ（１ａ）によって撮影された画像の画像位置、殊にピクセルと、他方のカメラ（１ｂ）によって撮影された画像の画像位置、殊にピクセルにそれぞれ、三次元撮影空間における１つの空間位置（１７）、殊にボクセルを割り当て、
・前記較正ユニットによって、前記各カメラ（１ａ、１ｂ）に対してそれぞれエピポーラ線（９ａ、９ｂ）の群を求め、一方のカメラ（１ａ）の１つのエピポーラ線（９ａ）に、他方のカメラ（１ｂ）の１つのエピポーラ線（９ｂ）をそれぞれ割り当て、
ｂ）前記カメラに評価ユニットが後置接続されており、当該評価ユニットによって、前記第１のカメラ（１ａ）によって撮影された画像の各ピクセルに対して、
・例えば３×３ピクセルまたは５×５ピクセルである周辺区域（１３ａ）が特定され、
・当該第１のカメラ（１ａ）に対して見出され、前記第１のカメラの各ピクセル（１ａ）を含んでいる第１のエピポーラ線（９ａ）が特定され、
・当該見出された第１のエピポーラ線（９ａ）に対応する、前記別のカメラ（１ｂ）の第２のエピポーラ線（９ｂ）が特定され、
・前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上に位置する、前記第２のカメラ（１ｂ）の画像の全ピクセル（８ｂ）に対して、
・前記第１の周辺区域（１３ａ）と合同である第２の周辺区域（１３ｂ）が特定され、
ｃ）前記第１の周辺区域（１３ａ）の強度値と前記第２の周辺区域（１３ｂ）の強度値を相互に比較する比較ユニットが設けられており、ここで
・前記比較ユニットによって、当該２つの周辺区域に対する一致度が特定され、前記一致度が最大である、前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上の画像位置、殊にピクセルの画像位置が特定され、
・前記比較ユニットによって、変換が、前記第１のカメラ（１ａ）のピクセル（８ａ）の画像位置と、前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上の求められた画像位置（１４）とに基づいて、空間位置（１７）を特定可能であり、当該空間位置（１７）は記憶装置内に記憶可能である、請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の光軸はほぼ平行に配向されている、請求項８から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）と前記投影ユニット（２）は同じ担体または器具（１０）上に配置されている、請求項８から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の画像内で、同じエピポーラ線（９ａ、９ｂ）上に位置するピクセルが明確な周辺区域（１３ａ、１３ｂ）を有するように前記ランダム画像（４０）を選択する、請求項８から１３までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、対象物の三次元画像を撮影するための方法並びに、請求項８の上位概念に記載された、対象物の三次元画像を撮影するための装置に関する。
【０００２】
本発明の方法および装置は、殊に、歯の三次元撮影の領域で使用される。ここでこの使用領域は、デジタル歯型および顎型の撮影、診断のサポート、歯の処置の監視並びに使用されているインプラントの確実なコントロールにまで拡がっている。医療技術および産業技術の分野におけるさらなる使用領域の他に、例えば、内視鏡の分野において、一般的に、アクセス困難な空間領域が体積測定によって測定される。
【０００３】
本発明の背景は、アクセス困難な対象物、例えば人間の口腔内の歯の体積測定撮影である。ここでの問題は一方では撮影ユニットの小型化が必要であるということであり、他方では、この方法に高い確実性が求められている、ということである。殊に、歯科医術の分野ではしばしば、約０．１ｍｍの寸法が重要となり、従って、結像されるべき対象物の全体的な細部を充分な解像度で検出するためには、約０．０１ｍｍの領域の解像度が必要となる。
【０００４】
従来技術から既に、三次元画像を供給する、歯の測定装置が既知である。この装置の重要な欠点は、結像されるべき対象物へ向かうセンサ部分が多くの場合、扱いにくく、かつかさばるということである。なぜなら、時折、種々の部品セットが、撮影領域において必要となるからである。
【０００５】
従って、本発明の課題は、高い精度で三次元画像を供給する装置および方法を提供することである。ここでこの装置は、できるだけコンパクトな構造を有している。
【０００６】
本発明はこの課題を、請求項１の特徴部分に記載されている構成を有するようにした、冒頭に記載した様式の方法によって解決する。本発明は上述の課題を、請求項８の特徴部分に記載されている構成を有するようにした、冒頭に記載した様式の装置によって解決する。
【０００７】
本発明では、事前に、２つのカメラの配置が較正される。ここでこの２つのカメラの相互の位置および向きが確定され、変換が特定される。この変換はそれぞれ、一方のカメラによって記録された像の画像位置と、別のカメラによって記録された像の画像位置に、三次元撮影空間内の１つの空間位置を割り当てる。さらに、較正プロセスの過程において、各カメラに対してそれぞれ１つのエピポーラ線群が求められる。ここで、一方のカメラのそれぞれ１つのエピポーラ線は、他方のカメラの１つのエピポーラ線にそれぞれ割り当てられる。ここで、所定のランダム画像が、撮影されるべき対象物上に投影されるように設定がされている。ここで、ランダム画像の個々の画像点は、少なくとも２つの、相違している色値および／または強度値を有している。次に第１のカメラの各ピクセルに対してそれぞれ１つの周辺区域が特定され、第１のカメラに対して見出され、各ピクセルを含んでいるエピポーラ線が特定される。次に、この見出された第１のエピポーラ線に対応する、第２のカメラの第２のエピポーラ線が特定される。第２のエピポーラ線上に存在する第２のカメラの画像のピクセル全体に対して、第１の周辺区域に対して合同である第２の周辺区域が特定され、第１の周辺区域と第２の周辺区域の強度値が相互に比較され、２つの周辺区域に対する一致度が特定され、一致度が最大である、第２のエピポーラ線上の画像位置が特定される。変換によって、第１のカメラのピクセルの画像位置および第２のエピポーラ線上の求められた画像位置とに基づいて、空間位置が特定され、この空間位置が記憶される。ここで、撮影された対象物の画像は、見出された空間位置のセットによって特定され、さらなる処理のために供給される。この手法によって、容易かつ効果的な三次元撮影および対象物の結像が可能になり、ここで２つの同じピクセル領域の割り当てをあらわす、２つのカメラのピクセルが、これまでに既知の方法に対して格段に容易にされ、２つの同じ画像領域を結像するピクセルを見出すのに必要な計算ステップが格段に迅速に行われる。
【０００８】
本発明の特別な実施形態では、空間位置セットの記録の直前または直後に、ランダム画像の投影が停止され、場合によっては付加的に対象物が照明される。ここで、少なくとも１つのカメラによって、撮影されるべき対象物の画像が記録される。各求められた空間点に強度値または画像位置が割り当てられ、これによって、変換に基づいて、空間点の空間位置が求められる。このような手法によって、対象物の撮影された三次元画像に色表現が設けられ、場合によっては自身の色で表される。
【０００９】
さらに、メッシュ分割方法によって、記録された点セットに基づいて、表面分解または空間分解が、複数の空間エレメントまたは表面エレメントによって行われる。これは次のような顕著な利点を有している。すなわち、撮影された点セットの三次元表示が容易に可能であり、後続の計算が容易に行われるという顕著な利点を有している。
【００１０】
本発明の特別なアスペクトでは、表面分解の表面エレメントに、点セットの空間点の強度値から、特に補間によって求められた強度値が割り当てられ、場合によっては表示される。これによって特に、撮影された対象物のリアルな色表現が可能になる。
【００１１】
本発明の特に有利なアスペクトでは、継続的に対象物の三次元画像が撮影され、対象物が、カメラに対する相対的な配置のために動かされる。ここでこの相対運動は緩慢に行われ、時間的に順次連続した画像の撮影された空間領域の重畳が生じ、求められた点セット、表面分解または空間分解が等長変換によって見出される。これによって、複数の撮影から、１つの合成された撮影が作成される。ここで有利には、通常は非常に短い距離から行われる撮影が、容易に合成され、これによって、複数の部分画像から成る全体画像が作成される。その大きさは、２つのカメラの撮影領域の大きさを超える。
【００１２】
さらに、第１の周辺区域と、第２のカメラの画像のエピポーラ線上のピクセルの第２の周辺区域との一致が乏しい場合には、撮影されるべき対象物の表面をマット化する流体が、撮影されるべき対象物上に散布され、一致している周辺区域を見出す過程は、この流体の散布後に続けられる。これによって殊に、非常に強く反射している、または非常に光沢のある対象物の場合に、正確な三次元撮影が可能になる。
【００１３】
さらに本発明による、重複する撮影領域を有する２つのカメラによる対象物の三次元画像撮影のための装置では、ランダム画像を結像するための投影ユニットが設けられ、ランダム画像の個別のピクセルは、少なくとも２つの相違する色値および／または強度値を有する。ここでこの投影ユニットによって、ランダム画像が、２つのカメラの重畳している撮影領域内に投影可能である。この装置では、ランダム画像が次のように選択される。すなわち、２つのカメラ１ａ、１ｂの画像内で同じエピポーラ線９ａ、９ｂ上に位置するピクセルが明確な周辺区域を有するように選択される。このような装置によって、非常に容易に三次元画像に変換可能な画像が撮影される。
【００１４】
本発明の特別なアスペクトでは、有利には切り替え可能な光源が設けられる。この光源は、２つのカメラの重畳している撮影領域を照明する。このような光源で照明することによって、三次元画像の撮影のために必要なカメラ画像の他に、別のカメラ画像も作成される。これは直接的に評価可能である、または撮影後に求められた三次元の対象画像を撮影した後の着色に用いられる。
【００１５】
さらに本発明は、噴霧器によって発展的に構成される。この噴霧器によって、マット化する流体が、撮影されるべき対象物上に被着される。これによって、マットな画像の撮影が可能になり、この画像によって、三次元画像がより容易に得られる。
【００１６】
本発明の別の有利なアスペクトでは、カメラに較正ユニットが後置接続されている。この較正ユニットによって、２つのカメラ相互の位置および向きが相互に確定され、変換が特定される。この変換はそれぞれ、一方のカメラによって記録された像の画像位置、殊にピクセルと、別のカメラによって記録された像の画像位置、殊にピクセルに、三次元撮影空間内の１つの空間位置、殊にボクセルを割り当て、各カメラに対してそれぞれ１つのエピポーラ線群を求める。ここで、一方のカメラのそれぞれ１つのエピポーラ線に別のカメラの１つのエピポーラ線が割り当てられている。これらのカメラには評価ユニットが後置接続されており、この評価ユニットによって、第１のカメラの各ピクセルに対して第１の周辺区域、例えば、３×３ピクセルまたは５×５ピクセルの周辺区域が特定され、この第１のカメラに対して見出され、各ピクセルを含んでいる第１のエピポーラ線が特定される。この見出された第１のエピポーラ線に対応する、別のカメラの第２のエピポーラ線が特定され、この第２のエピポーラ線上に存在する、第２のカメラの画像の全ピクセルに対して、第２の周辺区域が特定される。これは第１の周辺区域に対して合同である。ここで第１の周辺区域および第２の周辺区域の強度値は、比較ユニットによって相互に比較可能である。この比較ユニットによって、２つの周辺区域に対する一致の程度が特定可能であり、殊にその上で一致度が最大である、第２のエピポーラ線上の画像位置、殊にピクセルが特定され、変換によって、第１のカメラのピクセルの画像位置と第２のエピポーラ線上の求められた画像位置とに基づいて、空間位置が特定され、この空間位置が記憶装置内に記憶される。
【００１７】
このような装置によって、容易にかつリソースを節約して、対象物の三次元画像を撮影することができる。
【００１８】
さらに、２つのカメラの光軸をほぼ平行に配向することができる。これによって、特に容易に変換を見出すことが可能になり、撮影された三次元画像の精度を改善することができる。
【００１９】
本発明のさらに有利なアスペクトでは、２つのカメラと投影ユニットが同一の担体または器具上に配置されている。これによって、容易な操作が、殊に空間が制限されている箇所で可能になる。
【００２０】
本発明の有利な構成および発展形態は従属請求項に記載されている。
【００２１】
本発明を例示的に、以下の図に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】２つのカメラと１つの投影ユニットを備えた、口腔鏡の形状および寸法の器具の正面を示す図
【図２】２つのカメラと１つの投影ユニットを備えた器具の側面を示す図
【図３】対応するエピポーラ線を備えた２つのカメラの画像を示す図
【図４】第１のエピポーラ線、第２のエピポーラ線並びに、周辺区域を伴う、これらのエピポーラ線上に位置する点を示す図
【図５】一致度の離散した図並びに第２のエピポーラ線上の１つの上の一致度の補間を示す図
【図６】複数の個別撮影から成る、合成された撮影としての歯の撮影を示す図
【図７】２つのカメラによって形成された画像上に２つの画像位置が与えられている場合の、較正された変換関数の作用を示す図
【図８】ランダム画像を示す図
【実施例】
【００２３】
図１は、口腔鏡の形状および寸法をした器具１０を備えた、本発明による装置の基本的な構造の例を示している。この装置は器具１０を含んでおり、この器具の終端部１１上に２つのカメラ１ａ、１ｂおよび投影ユニット２が配置されている。択一的な実施形態は、内視鏡、外科器具または一般的に器具担体を含んでいる。これらは記録されるべき、アクセス不可能な対象物３０、例えば歯へと向けられ、その上に２つのカメラ１ａ、１ｂおよび以降でさらに説明される投影ユニット２が配置される。
【００２４】
これら２つのカメラ１ａ、１ｂは画像領域３ａ、３ｂを有しており、これらの画像領域は部分的に重畳している。２つのカメラ１ａ、１ｂの撮影領域は同じ大きさに選択されており、ここで、カメラ１ａ、１ｂと、撮影されるべき対象物３０との典型的な設定されている間隔に応じて、撮影領域が次のように選択される。すなわち、対象物３０のできるだけ大きい部分が、２つのカメラ１ａ、１ｂの撮影領域３ａ、３ｂの重畳領域４内に位置するように選択される。
【００２５】
２つのカメラ１ａ、１ｂの間の領域内には投影ユニット２が配置されている。これは、ランダム画像４０を、２つのカメラ１ａ、１ｂの重畳領域４の少なくとも部分領域内に投影する。殊に、ランダム画像４０が、２つのカメラ１ａ、１ｂの２つの画像領域３ａ、３ｂの重畳領域全体４に投影されるのは有利である。図２に示された例では、ランダム画像４０は投影ユニット２によって投影領域５内に投影される。この投影領域は、２つのカメラ１ａ、１ｂの２つの画像領域３ａ、３ｂの重畳領域４を含む。
【００２６】
対象物を撮影する前に、２つのカメラ１ａ、１ｂの配置に対して較正が行われる。２つのカメラ１ａ、１ｂの較正の間、投影ユニット２は不要であり、較正過程全体の間はスイッチオフされる。較正時にはまず、２つのカメラ１ａ、１ｂの相互の位置および向きが確定される。このような過程は、種々のやり方で実現され、有利な方法はJ. Heikkilae著「Geometric camera calibration using circular control points, IEEE Transcations on Pattern Analysis and Machine Intelligence 22(10), 1066-1077, 2000」またはFaugeras, Toscani著「Camera calibration for 3D computer vision, Proc. Int'l Workshop on Industrial Applications of Machine Vision and Machine Intelligence, Tokyo, Japan, pp. 240-247, Feb. 1987」に記載されている。結果として、変換が得られる。この変換は第１のカメラ１ａの画像の画像点８ａおよび第２のカメラ１ｂの画像の画像点８ｂに、２つのカメラ１ａ、１ｂの重畳している撮影領域内の空間点１７を割り当てる。
【００２７】
各ピクセルには、不可逆的に明確に、１つの画像点８ａ、８ｂが割り当てられている。しかし画像点が、個々のピクセルの間に位置しても良く、これによって、後続に記載する方法が、サブピクセル算術の使用に適するようになる。
【００２８】
当然ながら、このような割り当ては、任意の画像点８ａ、８ｂに対しては行われず、対応しているエピポーラ線９ａ、９ｂ上に位置している画像点８ａ、８ｂに対してのみ空間点１７が求められる。このような理由から較正の過程において、２つのカメラ１ａ、１ｂの図３において示されたエピポーラ線９ａ、９ｂの群を見出すこと、および一方のカメラ１ａの各エピポーラ線９ａを不可逆的に、それぞれ別のカメラ１ｂのエピポーラ線９ｂに割り当てることが必要となる。エピポーラ線９ａ、９ｂの発見および相互割り当ては、当業者に既知であり、例えばZhengyou Zhang著「Determining the Epipolar Geometry and its Uncertainty: A Review, International Journal of Computer Vision, volume 27 pages 161-195, 1996」に記載されている。
【００２９】
上述したように、本発明による方法の過程では、ランダム画像４０が、カメラ１ａ、１ｂの重畳領域４上に投影される。このランダム画像は例えば、設定された高さ、幅、多数の矩形のラスタ状に配置されたピクセルないしは画像領域を備えたデジタル画像である。これらのピクセルは、多数の設定された色値および／または強度値からの１つを有する。  ランダム画像４０を使用することの遠因は、以降に記載されている方法の場合には、各ピクセルの周辺区域、例えば３×３または５×５の周辺区域が、ランダム画像全体内で各ピクセルに明確に割り当てられるべきである、ということである。周辺区域の明確性に基づいて、空間点が種々の箇所で、２つのカメラ１ａ、１ｂのそれぞれ１つによって撮影された２つのデジタル画像内で見出される。ピクセル毎に２つの相違する輝度値、例えば白および黒が可能なランダム値として設定される場合には、５×５ピクセルの周辺区域の使用時には、約３２００万の異なる周辺区域が提供される。従って、この方法をさらに制限することなく、３２００万個までのピクセルを有する画像が撮影され、各撮影されたピクセルに明確な周辺区域が割り当てられる。
【００３０】
このランダム画像は既に、非常に容易な手段によって製造されており、例えば、スライドとして存在する。個々のピクセルに割り当てられたランダム値の計算はここで、既に既知のアルゴリズムによって行われる。これは例えばMersenne Twister アルゴリズムによって行われる。このアルゴリズムは充分に知られており、M. Matsumoto and T. Nishimura著「Mersenne twister: A 623-dimensionally equidistributed uniform pseudorandom number generator. ACM Trans, on Modeling and Computer Simulations, 1998」に記載されている。
【００３１】
場所の最適化に対して択一的に、回折格子による投影ユニット２の構成が行われる。この場合には、デジタル画像の情報を担う回折格子の寸法を、スライドを使用した場合よりも格段に小さくすることが可能である。デジタル画像を表すための回折格子の構成は、当業者に充分に知られており、例えば、JR Leger, MG MoharamおよびTK Gayiord著「Diffractive Optics - An Introduction to the Feature Issue. Applied Optics, 1995, 34 (14) p. 2399-2400」に記載されている。スライドまたは回折格子の領域に、光源、例えばレーザーダイオードが設けられる。この光源の光は、スライドまたは回折格子によって対象物３０上に投影される。
【００３２】
対象物３０の三次元画像を得るために、以下で説明されるステップが、２つのカメラのうちの１つのカメラ（これは以降では第１のカメラ１ａである）の撮影された画像の個々のピクセル８ａに対して行われる。この第１のカメラ１ａによって撮影されたピクセル８ａは、以降では第１のピクセル８ａである。場合によってはこのピクセル８ａの数は、その撮影領域が、別のカメラ（これは以下では第２のカメラ１ｂである）の撮影領域によって含まれていないピクセルのぶんだけ低減される。第２のカメラ１ｂによって撮影されたピクセル８ｂは、以下で第２のピクセル８ｂである。
【００３３】
まずはじめに、各第１のピクセル８ａに対して第１の周辺区域１３ａが特定される。これは例えば、５×５のピクセルの大きさを有する周辺区域である。ここで、各ピクセル８ａは有利には、第１の周辺区域１３ａの中央箇所に位置する。
【００３４】
第１のカメラ１ａの各第１のピクセル８ａに対して、図４に示されているように、第１のカメラ１ａのエピポーラ線９ａが使用され、並びに、これに対応する、第２のカメラ１ｂのエピポーラ線９ｂが使用される。上述のように、これらのエピポーラ線９ａ、９ｂは既に、カメラ１ａ、１ｂの較正の過程において求められている。次に、エピポーラ線９ｂ上に位置する第２のカメラ１ｂの画像上の第２のピクセル８ｂに対して、５×５ピクセルの第２の周辺区域１３ｂが求められ、第１の周辺区域１３ａと比較される。この比較の過程において、一致度が求められる。この一致度は、２つの周辺区域１３ａ、１３ｂの強度値が一致しているか否かを示す。
【００３５】
２つの周辺区域１３ａ、１３ｂが、自身に割り当てられている強度値に関して一致していると、一致度が、その表現に依存して、最大値または最小値を供給し、殊に、完全一致の場合には０を供給する。例えば、２つの周辺区域に対する一致度としてユークリッド間隔が使用される。この場合にはピクセル毎に、周辺区域の強度値全体が相互に比較される。一致度を形成する別の方法は、Reinhard Klette, Andreas Koschan, Karsten Schluens著「Computer Vision - Raeumliche Information aus digitalen Bildern, 1.Auflage (1996), Friedr. Vieweg & Sohn Verlag」に記載されている。各周辺区域１３ａ、１３ｂに対する一致度は、２つのピクセルによって形成される。これらのピクセルのうちの１つは、第１のカメラ１ａの画像内に位置し、別の１つは、第１のエピポーラ線９ａに対応している第２のエピポーラ線９ｂ上に位置し、第１のエピポーラ線上には第１のカメラ１ａの画像内の第１のピクセル８ａが位置する。各第２のエピポーラ線９ｂ上には典型的に１００〜１０００個のピクセルが位置しているので、それぞれ、第２のエピポーラ線９ｂ上に位置する点全体に対する一致度が形成される。この一致度は、各ピクセルの画像位置とともに、離散して定義されている関数内に書き入れられる。その定義領域は、補間関数２０によって、全体的な第２のエピポーラ線９ｂ上に及んでいる。一致度のこの分散して定義された関数および属する補間関数２０が、図５に示されている。この補間関数２０から極大値を探し出し、極大値が見出された画像位置１４が、第１のカメラの画像からのピクセル８ａに相応する画像位置と見なされる。この画像位置１４並びに第１のカメラ１ａの画像からのピクセル８ａの画像位置上に、画像領域内の非常に近似した周辺区域並びに周辺区域の明確性に基づいて、同一の対象物領域が結像されることが仮定される。
【００３６】
これによって、第１のカメラ１ａの画像のピクセルに対して、同一の対象物領域を結像する第２のカメラ１ｂの画像の画像位置の探索は、第２のエピポーラ線９ｂ上に制限される。従って、ランダム画像全体に対する周辺区域の明確性の非常に厳しい基準から離れ、２つのカメラ１ａ、１ｂの画像内で同一のエピポーラ線９ａ、９ｂ上に位置するピクセルに対してのみ周辺区域の明確性が要求される。許容されるランダム画像の領域のこのような拡張に基づいて、多くの場合には、３×３の周辺区域のみが求められる。確実性を高めるために、ないしは正確性を高めるために、数値的にコストのかかる５×５の周辺区域を使用することができる。
【００３７】
求められた２つの画像位置は、空間位置１７を供給する較正の過程において変換の影響を受ける。この空間位置１７は、撮影の過程において２つのカメラの画像内の２つの求められた画像位置上に結像された、空間内の位置に相応する。
【００３８】
この方法が、第１のカメラ１ａの画像の幾つかの画像点８ａに対して使用されると、同様に多数の画像位置１４が、第２のカメラの同時に撮影された画像内で得られ、これと並んで同様に、撮影された対象物３０の表面上に位置する多数の空間点１７が得られる。
【００３９】
本発明による装置の拡張は図１に示されている。ここでこれは付加的に切り替え可能な光源６を有している。この光源は、結像されるべき対象物３０を、２つのカメラの撮影領域３ａ、３ｂの重畳領域４内で照明する。この光源６は可及的に短く、投影ユニット２をスイッチオンする前にスイッチオンされる。次に、２つのカメラ１ａ、１ｂのうちの１つまたは両方によってそれぞれ１つの画像が作成され、１つまたは複数のカラーチャネルに対する強度値が撮影される。その後、光源６がスイッチオフされ、投影ユニット２がスイッチオンされ、空間位置１７を求めるための上述した方法が実施される。光源６の光による画像の撮影の間および、これに続く空間位置１７の撮影の間の装置の位置は不変のままであると仮定される。画像位置１４および属する空間点１７が特定された後、各空間点１７に、変換を介して確定されたピクセル８ａおよび／または第２のエピポーラ線９ｂ上の属する第２のピクセル８ｂの強度値が割り当てられる。
【００４０】
本発明による方法の付加的な改善は、次のことによって行われる。すなわち、点を求めた後に、メッシュ分割ステップを、個別の空間点１７の求められた点集合上で用いることによって行われる。ここで求められた空間点１７は、三次元対象物の表面の点と見なされる。これは四面体によって表される。場合によっては、この表現は、別の種類のエレメント、例えば角柱または立方体によって行われる、または表面だけが三角計または四角形によって表される。メッシュ分割アルゴリズムの包括的な記載は例えば、 Joe. Simpson著「Triangular Meshes for Regions of Complicated Shape, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Wiley, Vol 23, pp.751-778. 1986」またはBorouchaki, Lo著「Fast Delaunay triangulation in three dimensions, Computer methods in applied mechanics and engineering, Eisevier, Vol 128, pp. 153-167. 1995」において見出される。
【００４１】
事前に既に、個々の空間点１７に強度値が割り当てられている場合には、これらの強度値は、補間によって、表面のエレメント上に伝達される。これによって、表面の一貫した色表現が得られる。
【００４２】
図示された装置は、１秒あたり、結像されるべき対象物３０の約１０〜２０の結像を行う。装置が図６に示されているように、結像されるべき対象物、ここでは歯に対して緩慢に動かされ、相次ぐ２つの時間区間において、重複した対象物領域が撮影される場合には、この重複した画像領域を、等長変換によって相互に移行させて、これらを同じ空間領域内に位置付けることができる。このような方法は例えば、Timothee Jost, Heinz Huegli著「Fast ICP algorithms for shape registration, Proceedings of the 24th DAGM Symposium on Pattern Recognition, pp. 91 - 99, 2002」に記載されている。複数の異なる時点で複数の画像を撮影することによって、大きい三次元画像が、複数の小さい画像から構成される。このような手法によって、図６に示された歯列全体が三次元で結像される。この撮影プロセスの間、目下撮影された各三次元の全体結像が、モニター上に示される。測定過程が次に付加的にサポートされ、測定の間、同時に、測定ヘッドの最適な配向（仮想水平）および目下の配向が、その時々の三次元画像に基づいて示される。
【００４３】
本発明による装置の以下に記載された改善によって、カメラによって撮影された画像のコントラストが改善される。撮影されるべき対象物の表面が非常に高い反射性を有する場合には、画像は時折、正しく示されない、ないしは、画像上に幾つかの意図しない反射が生じてしまう。これによって撮影の質が格段に悪くなる。このような理由から、マット化する流体、例えばアルギン酸塩が歯の上に散布される。このアルギン酸塩は、上述の手法による三次元画像の撮影を格段に容易にする。このような理由から、装置は噴霧器７を有する。この噴霧器によって、マット化する流体が、撮影されるべき対象物上に被着される。
【００４４】
装置を担う器具１０の取っ手の背面にはケーブルが設けられている。このケーブルによって、装置は処理ユニットと接続される。この処理ユニットは、カメラ１ａ、１ｂ、投影ユニット２、光源６に供給電圧を供給し、求められたデータをカメラ１ａ、１ｂから受信する。さらに、流体が、器具１０の取っ手を通る流体線路を介して噴霧器７に供給される。
【００４５】
択一的に、データを処理ユニットに伝送するために、ＷＬＡＮインタフェースを使用することができる。これは、ケーブルガイドが不必要である、という利点を呈する。この実施例では、器具１０はカメラに電圧を供給するためのバッテリー、投影ユニットおよび光源、並びに、マット化する流体のためのタンクを有している。
【００４６】
有利には、ランダム画像４０は次のように選択される。すなわち、２つのカメラ１ａ、１ｂの画像内で、同じエピポーラ線９ａ、９ｂ上に位置するピクセルが明確な周辺区域１３ａ、１３ｂを有するように選択される。
【００４７】
このようなランダム画像４０は、それ自体公知の「構造化されたライトパターン」と以下の点において異なる。すなわち、個々のピクセルの周辺区域１３ａ、１３ｂｇが相違し、殊にエピポーラ線９ａ、９ｂ上でユニークである、という点において異なる。構造化されたライトパターンは、複数のピクセルを有する。これらはそれぞれ、同一の周辺区域１３ａ、１３ｂを有する。構造化されたライトパターンとは異なり、識別方法が、１つの画像撮影ステップによって撮影されたカメラ画像内の同じ空間点の同時の識別によって行われる。これは殊に有利である。なぜならこれによって、相前後して行われる複数の撮影時に、複数の構造化されたライトパターンによって生じる運動アーチファクトが回避されるからである。このようにして、三次元画像の迅速かつ容易な検出が可能になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年6月8日(2012.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重複する撮影領域を有する２つのカメラ（１ａ、１ｂ）を用いて対象物の三次元画像を撮影するための方法であって、
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の配置を事前に較正し、この際に当該２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の相互の位置および向きを確定し、かつ、変換を特定し、当該変換は、一方のカメラ（１ａ）によって撮影された画像の画像位置（８ａ）、殊にピクセルの位置と、他方のカメラ（１ｂ）によって撮影された画像の画像位置（８ｂ）、殊にピクセルにそれぞれ、三次元撮影空間における１つの空間位置（１７）、殊にボクセルの１つの空間位置（１７）を割り当て、
さらに前記較正プロセスの過程において、前記各カメラ（１ａ、１ｂ）に対してそれぞれ１つのエピポーラ線（９ａ、９ｂ）の群を求め、この際に、一方のカメラ（１ａ）の１つのエピポーラ線（９ａ）を他方のカメラ（１ｂ）の１つのエピポーラ線（９ｂ）にそれぞれ割り当てる方法において、
予め設定されたランダム画像（４０）を、前記撮影されるべき対象物（３０）上に投影し、当該ランダム画像（４０）の個々の画像点は、相違する少なくとも２つの色値および／または強度値を有しており、次に、前記第１のカメラ（１ａ）の各ピクセルに対して、
・例えば３×３ピクセルまたは５×５ピクセルの第１の周辺区域（１３ａ）を特定し、
・前記第１のカメラ（１ａ）に対して見出され、かつ、各ピクセル（８ａ）を含んでいる第１のエピポーラ線（９ｂ）を特定し、
・当該見出された第１のエピポーラ線（９ａ）に対応する、前記第２のカメラ（１ｂ）の第２のエピポーラ線（９ｂ）を特定し、
・当該第２のエピポーラ線（９ｂ）上に位置する、前記第２のカメラ（１ｂ）の画像の全ピクセル（８ｂ）に対して、
・前記第１の周辺区域（１３ａ）と合同である第２の周辺区域（１３ｂ）を特定し、
・前記第１の周辺区域（１３ａ）の強度値と、前記第２の周辺区域（１３ｂ）の強度値を相互に比較し、
・当該２つの周辺区域に対する一致度を特定し、
・前記一致度が最大である、前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上の画像位置（１４）、殊にピクセルの画像位置を特定し、
・前記変換を用いて、前記第１のカメラ（１ａ）のピクセル（８ａ）の画像位置と、前記第２のエピポーラ線（８ｂ）上の求められた画像位置（１４）とに基づいて、空間位置（１７）を特定し、当該空間位置（１７）を記憶し、前記撮影された対象物（３０）の像を、当該見出された空間位置（１７）のセットによって特定し、さらなる処理のために供給する、
ことを特徴とする、三次元画像を撮影するための方法。
【請求項２】
前記空間位置（１７）のセットの記録の直前または直後に、前記ランダム画像の投影をオフにし、かつ場合によっては前記撮影すべき対象物（３０）を付加的に照明し、少なくとも１つのカメラ（１ａ、１ｂ）によって、前記撮影すべき対象物（３０）の画像を記録し、
前記求められた各空間点（１７）に、前記変換に基づいて前記空間点（１７）の空間位置が求められたところの画像位置（１４）の、場合によっては補間されている１つまたは複数の強度値、殊にピクセル（８ａ、８ｂ）の画像位置を割り当てる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
メッシュ分割方法を用いて、記録された点のセットに基づいて、複数の空間エレメントまたは表面エレメントを伴う表面分解または空間分解を行う、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記表面分解の表面エレメントに、前記点のセットの空間点の強度値から、殊に補間によって求められた強度経過を割り当て、場合によっては示す、請求項２および３記載の方法。
【請求項５】
対象物（３０）の三次元画像を継続的に撮影し、
当該対象物を、前記カメラ（１ａ、１ｂ）の配置に対して相対的に動かし、
ここで時間的に連続した２つの画像の前記撮影された空間領域の重畳が生じるように当該相対運動を緩慢に行い、前記求められた点のセット、表面分解または空間分解を等長変換によって見出し、これによって、複数の撮影から、１つの合成された撮影を作成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記第１の周辺区域（１３ａ）と、前記第２のカメラ（１ｂ）の画像のエピポーラ線（９ｂ）上の第２のピクセル（８ｂ）の第２の周辺区域（１３ｂ）との一致が不足している場合には、前記撮影されるべき対象物（３０）の表面をマット化する流体を、当該撮影されるべき対象物上に散布し、前記流体の散布後に、一致する周辺区域を見出す過程を続ける、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の画像内で同じエピポーラ線（９ａ、９ｂ）上に位置するピクセルが明確な周辺区域（１３ａ、１３ｂ）を有するように前記ランダム画像（４０）を選択する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
重複する撮影領域を有する２つのカメラ（１ａ、１ｂ）を用いて対象物の三次元画像を撮影するための装置であって、
ランダム画像（４０）を結像するための投影ユニット（２）を有しており、当該ランダム画像（４０）の個々のピクセルは、相違する少なくとも２つの色値および／または強度値を有しており、
当該投影ユニット（２）によって、前記ランダム画像（４０）が、２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の前記重複した撮影領域内に投影される装置において、
ａ）前記カメラ（１ａ、１ｂ）に較正ユニットが後置接続されており、当該較正ユニットによって、
・当該２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の相互の位置および向きが確定され、変換が特定され、当該変換は、一方のカメラ（１ａ）によって撮影された画像の画像位置、殊にピクセルと、他方のカメラ（１ｂ）によって撮影された画像の画像位置、殊にピクセルにそれぞれ、三次元撮影空間における１つの空間位置（１７）、殊にボクセルを割り当て、
・前記較正ユニットによって、前記各カメラ（１ａ、１ｂ）に対してそれぞれエピポーラ線（９ａ、９ｂ）の群を求め、一方のカメラ（１ａ）の１つのエピポーラ線（９ａ）に、他方のカメラ（１ｂ）の１つのエピポーラ線（９ｂ）をそれぞれ割り当て、
ｂ）前記カメラに評価ユニットが後置接続されており、当該評価ユニットによって、前記第１のカメラ（１ａ）によって撮影された画像の各ピクセルに対して、
・例えば３×３ピクセルまたは５×５ピクセルである周辺区域（１３ａ）が特定され、
・当該第１のカメラ（１ａ）に対して見出され、前記第１のカメラの各ピクセル（１ａ）を含んでいる第１のエピポーラ線（９ａ）が特定され、
・当該見出された第１のエピポーラ線（９ａ）に対応する、前記別のカメラ（１ｂ）の第２のエピポーラ線（９ｂ）が特定され、
・前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上に位置する、前記第２のカメラ（１ｂ）の画像の全ピクセル（８ｂ）に対して、
・前記第１の周辺区域（１３ａ）と合同である第２の周辺区域（１３ｂ）が特定され、
ｃ）前記第１の周辺区域（１３ａ）の強度値と前記第２の周辺区域（１３ｂ）の強度値を相互に比較する比較ユニットが設けられており、ここで
・前記比較ユニットによって、当該２つの周辺区域に対する一致度が特定され、前記一致度が最大である、前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上の画像位置、殊にピクセルの画像位置が特定され、
・前記比較ユニットによって、変換が、前記第１のカメラ（１ａ）のピクセル（８ａ）の画像位置と、前記第２のエピポーラ線（９ｂ）上の求められた画像位置（１４）とに基づいて、空間位置（１７）を特定可能であり、当該空間位置（１７）は記憶装置内に記憶可能である、
ことを特徴とする、三次元画像を撮影するための装置。
【請求項９】
有利には切り替え可能である光源（６）を有しており、当該光源は、前記２つのカメラの重複している撮影領域を照明する、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記撮影されるべき対象物上にマット化する流体を被着させるための噴霧器（７）を有している、請求項８または９記載の装置。
【請求項１１】
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の光軸はほぼ平行に配向されている、請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）と前記投影ユニット（２）は同じ担体または器具（１０）上に配置されている、請求項８から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記２つのカメラ（１ａ、１ｂ）の画像内で、同じエピポーラ線（９ａ、９ｂ）上に位置するピクセルが明確な周辺区域（１３ａ、１３ｂ）を有するように前記ランダム画像（４０）を選択する、請求項８から１２までのいずれか１項記載の装置。
【国際調査報告】
2013507601.tif 000011
2013507601.tif 000012
2013507601.tif 000013
2013507601.tif 000014
2013507601.tif 000015
2013507601.tif 000016