專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法。特別是一種基于結(jié) 構(gòu)光投影三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，采用用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量 系統(tǒng)，對(duì)顏面缺損患者的面部形貌實(shí)現(xiàn)完整數(shù)據(jù)采集的三維測(cè)量方法。屬于光學(xué) 測(cè)量、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
各種原因造成的顏面缺損，不僅會(huì)給患者帶來(lái)生理功能的障礙，同時(shí)會(huì)使患 者產(chǎn)生嚴(yán)重的心理障礙，難以進(jìn)行正常的工作和社交，甚至使許多患者喪失生活 的信心。由于頜面器官的特殊解剖形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)及其他影響因素，顏面大面積 缺損通常采用贗復(fù)體進(jìn)行修復(fù)治療。該技術(shù)的關(guān)鍵在于患者顏面缺損區(qū)信息的精 確獲取，以滿足贗復(fù)體形狀，定位，與組織面貼合，邊緣處理及形態(tài)學(xué)等方面的 諸多精度要求。
傳統(tǒng)的患者顏面缺損區(qū)數(shù)據(jù)采集技術(shù)一直停留在印模制取的階段。它采用各 類(lèi)印模材料取得患者的缺損區(qū)的缺損狀況，翻制模型后，再由技師憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手 工的蠟形雕刻，充填后完成。這種印模制取方法存在很多缺點(diǎn)比如說(shuō)印模材料 會(huì)對(duì)組織產(chǎn)生一定的刺激性，并可能引起軟組織移位，造成模型偏差；同時(shí)存在 制作工藝復(fù)雜、制作周期長(zhǎng)、成型贗復(fù)體美學(xué)效果差，定位和貼合不準(zhǔn)等問(wèn)題。
隨著科技的發(fā)展，部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者和臨床醫(yī)生開(kāi)始采用電腦斷層掃描(CT)、 核磁共振成像(MRI)、激光掃描等技術(shù)實(shí)現(xiàn)患者缺損顏面的三維測(cè)量和圖像重 建，可替代傳統(tǒng)的印模制取方法而獲得相對(duì)較精確的缺損區(qū)信息。但這些測(cè)量方 法仍然具有一定的局限性。CT和MRI測(cè)量方法空間分辨率低、測(cè)量精度差，獲 取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)軟組織的重建有一定的欠缺，而且掃描的放射線對(duì)人體有潛在 的損害。激光測(cè)量的速度同樣較慢，無(wú)法確保整個(gè)測(cè)量過(guò)程中患者面部形貌的絕 對(duì)靜止，加上激光光源對(duì)人眼有潛在的傷害，都限制了這些方法在顏面缺損修復(fù) 中的進(jìn)一步應(yīng)用。白光三維測(cè)量是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種測(cè)量方法，它采用類(lèi)似照相的原理， 在幾秒之內(nèi)，即可獲取上百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。而且白光測(cè)量安全，對(duì)人體沒(méi)有 任何傷害，是一種有前途的人體數(shù)據(jù)測(cè)量及三維重建的好方法。然而，由于患者 顏面測(cè)量的特殊性，限制了現(xiàn)有白光三維測(cè)量技術(shù)在這領(lǐng)域的應(yīng)用。比如現(xiàn)有的 白光三維測(cè)量技術(shù)通常實(shí)現(xiàn)單一視角的測(cè)量，要獲取完整數(shù)據(jù)需要多視角測(cè)量， 并進(jìn)行軟件拼合。已有技術(shù)中，J力arnic坊在論文Three dimensional measurement of human face with structured-light illumination (Measurement Science Review, Volume 6, Section 2， No. 1， 2006)中提到在使用三維顏面單目測(cè)量系統(tǒng) (ShapeCam)來(lái)測(cè)量多個(gè)視角面部數(shù)據(jù)后，不得不再使用ShapeMatcher軟件進(jìn) 行拼合以獲得完整面部數(shù)據(jù)。由于整個(gè)測(cè)量過(guò)程中患者姿勢(shì)和面部形態(tài)不可能保 持絕對(duì)靜止不動(dòng)，所以多視角測(cè)量后拼合會(huì)引入較大的拼合誤差，從而導(dǎo)致患者 面部測(cè)量數(shù)據(jù)的不精確。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)中顏面缺損患者面部測(cè)量存在的測(cè)量精度低、測(cè)量速度慢和 對(duì)人體有潛在損害等不足，本發(fā)明根據(jù)面部測(cè)量的特點(diǎn)，提出了一種全新的測(cè)量 顏面缺損患者面部三維形貌的方法。采用用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三 維測(cè)量系統(tǒng)，在非接觸條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)患者面部自然狀態(tài)軟組織的精確數(shù)據(jù)采集， 為臨床顏面缺損修復(fù)治療提供實(shí)用可靠的患者面部三維形貌原始數(shù)據(jù)。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提出的測(cè)量顏面缺損患者面部三 維形貌的方法所使用的測(cè)量設(shè)備為經(jīng)過(guò)雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法標(biāo)定 后的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)由左單目測(cè) 量頭、右單目測(cè)量頭、測(cè)量頭支架、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)、控制柜、計(jì)算機(jī)組成。其 中左單目測(cè)量頭包括左幻燈投影儀和左攝像機(jī)。右單目測(cè)量頭包括右幻燈投影儀 和右攝像機(jī)。左幻燈投影儀和右幻燈投影儀均由白光源、隔熱玻璃、物理編碼光 柵、光柵平移機(jī)構(gòu)、投影鏡頭組成。白光源經(jīng)過(guò)隔熱玻璃隔熱，背投至物理編碼 光柵，將物理編碼光柵的結(jié)構(gòu)光條紋圖案通過(guò)投影鏡頭投射至患者面部。其中， 每幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案的切換通過(guò)移動(dòng)光柵平移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明采用的結(jié)構(gòu)光條
紋圖案由7幅格雷碼圖案和4幅相移圖案組合進(jìn)行編碼。格雷碼和相移圖案組合 編碼的方式編碼健壯性好，分辨率高，既可測(cè)量突變和不連續(xù)表面，又可獲得表面的精細(xì)紋理，適用于顏面缺損患者面部三維形貌的測(cè)量。
格雷碼圖案第一幅為黑白條紋各一半，從第二幅開(kāi)始，對(duì)條紋逐漸細(xì)分前 一幅黑條紋區(qū)域按照半黑半白進(jìn)行等分，前一幅白條紋區(qū)域按照半白半黑進(jìn)行等 分。按照黑白條紋分別表示邏輯值O和1， 7幅格雷碼圖案可得到7位的編碼序 列，可將空間分成27個(gè)區(qū)域，按一個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)一個(gè)整數(shù)索引值m(m二O， 1, 2， ...,2n-l)。格雷碼圖案編碼獲得的空間分辨率較低。
相移圖案按四步相移的編碼規(guī)則，其周期和格雷碼圖案劃分的空間區(qū)域?qū)挾?相一致，并以第一幅相移圖案為基準(zhǔn)，第二幅開(kāi)始分別比前一幅偏移半個(gè)條紋寬 度。投射相移圖案獲得的光強(qiáng)分布々(q:0, 1,2,3)由下式表示
/ = /' +尸 cos
r y 2
其中，/'為背景光強(qiáng)，,為條紋光強(qiáng)對(duì)比度，^'為相對(duì)相位。其中相對(duì)相位^'可
由下式計(jì)算得到
'1 "13
相移圖案編碼在每個(gè)格雷碼劃分的空間區(qū)域內(nèi)具有極高的空間分辨率。因?yàn)?主相位周期和格雷碼空間區(qū)域完全重合，所以這兩種編碼的組合可通過(guò)以下式子
得到
其中^為組合編碼的絕對(duì)相位。由此實(shí)現(xiàn)了空間光線投射方向的高分辨率編碼， 建立了這些方向和絕對(duì)相位之間對(duì)應(yīng)關(guān)系。
本發(fā)明提出的測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法具體包括如下步驟 1)調(diào)整左單目測(cè)量頭和右單目測(cè)量頭的位置以及調(diào)整左攝像機(jī)和右攝像機(jī) 拍攝曝光量參數(shù)。開(kāi)啟左幻燈投影儀和右幻燈投影儀，投射結(jié)構(gòu)光條紋圖 案至患者面部，打開(kāi)左攝像機(jī)和右攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)場(chǎng)景拍攝?？刂茰y(cè)量頭 平移機(jī)構(gòu)，將左單目測(cè)量頭和右單目測(cè)量頭上下和前后平移至合適測(cè)量位 置，使患者面部同時(shí)位于左攝像機(jī)和右攝像機(jī)拍攝場(chǎng)景中心。根據(jù)拍攝圖 像的結(jié)構(gòu)光條紋質(zhì)量，調(diào)整左攝像機(jī)和右攝像機(jī)拍攝曝光量參數(shù)。2) 左單目測(cè)量頭測(cè)量。關(guān)閉右幻燈投影儀，移動(dòng)左幻燈投影儀的光柵平移機(jī) 構(gòu)，左幻燈投影儀投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案至患者左側(cè)面部。左攝像機(jī)采 集投射至患者左側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案。如果己完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖 案的投射，將左幻燈投影儀的光柵平移機(jī)構(gòu)回歸原位；如果沒(méi)有完成所有 結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，控制左幻燈投影儀的光柵平移機(jī)構(gòu)移動(dòng)，再投射 一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案，左攝像機(jī)再次進(jìn)行采集，直至所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案
投射完畢。
3) 右單目測(cè)量頭測(cè)量。關(guān)閉左幻燈投影儀，開(kāi)啟右幻燈投影儀，移動(dòng)右幻燈 投影儀的光柵平移機(jī)構(gòu)，右幻燈投影儀投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案至患者右 側(cè)面部。右攝像機(jī)采集投射到患者右側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案。如果已完 成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，將右幻燈投影儀的光柵平移機(jī)構(gòu)回歸原 位；如果沒(méi)有完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，控制右幻燈投影儀的光柵 平移機(jī)構(gòu)移動(dòng)，再投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案，右攝像機(jī)再次進(jìn)行采集，直 至所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案投射完畢。
4) 結(jié)構(gòu)光條紋圖像處理、三維坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算及結(jié)果顯示。
由于患者面部三維形貌的調(diào)制作用，投射的結(jié)構(gòu)光條紋圖案發(fā)生變形。 這些變形的結(jié)構(gòu)光條紋圖案包含有面部三維形貌信息?？赏ㄟ^(guò)分別分析左 攝像機(jī)和右攝像機(jī)拍攝獲取的變形結(jié)構(gòu)光條紋圖像，實(shí)現(xiàn)患者面部形貌的 三維重建。
對(duì)左攝像機(jī)拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像按照格雷碼和相移編碼規(guī)則進(jìn)行解 碼，得到左攝像機(jī)每個(gè)圖像像素點(diǎn)的絕對(duì)相位。根據(jù)每個(gè)圖像像素點(diǎn)的絕 對(duì)相位值可確定該圖像像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的左幻燈投影儀空間光線投射方向。
圖像像素點(diǎn)位置和左攝像機(jī)參數(shù)，可確定左攝像機(jī)的成像直線；左幻 燈投影儀空間光線投射方向和左幻燈投影儀參數(shù)可確定左幻燈投影儀的 光線投射平面；根據(jù)左攝像機(jī)、左幻燈投影儀分別與左單目測(cè)量頭測(cè)量坐 標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣，可將左攝像機(jī)的成像直線和左幻燈投影 儀的光線投射平面轉(zhuǎn)換至左單目測(cè)量頭測(cè)量坐標(biāo)系，求得該直線和平面的 交點(diǎn)，即為患者左側(cè)面部三維點(diǎn)在左單目測(cè)量頭測(cè)量坐標(biāo)系下空間位置。
對(duì)右攝像頭拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像的分析處理方式與上述對(duì)左攝像機(jī)拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像的處理完全一致，最終獲得患者右側(cè)面部三維點(diǎn)在 右單目測(cè)量頭測(cè)量坐標(biāo)系下空間位置。
根據(jù)左單目測(cè)量頭和右單目測(cè)量頭測(cè)量坐標(biāo)系間旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換 矩陣關(guān)系，將患者右側(cè)面部三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至左單目測(cè)量頭測(cè)量坐標(biāo)系，
或?qū)⒒颊咦髠?cè)面部三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至右單目測(cè)量頭測(cè)量坐標(biāo)系，從而獲得 完整的患者面部三維形貌數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)上以點(diǎn)云形式進(jìn)行顯示，便于 人機(jī)交互操作。
本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明采用用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，能在非接觸
條件下實(shí)現(xiàn)自然狀態(tài)患者面部軟組織完整數(shù)據(jù)的快速采集，其測(cè)量精度在
0.03mm以?xún)?nèi)，測(cè)量時(shí)間少于8s，可獲得近200萬(wàn)數(shù)量三維點(diǎn)云。該測(cè)量方法可 取代傳統(tǒng)顏面缺損修復(fù)中贗復(fù)體制作的印模制取工藝過(guò)程，大大縮短治療周期， 減少了技師工作強(qiáng)度。由于這些數(shù)據(jù)直接來(lái)自患者自然狀態(tài)，制成的贗復(fù)體與患 者顏面缺損部位可做到十分精確的吻合，極大地減少由于人為原因造成誤差， 提高贗復(fù)體制作精度，降低了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性。相對(duì)于CT、 MRI、激光等技術(shù)， 采用白光作為背投光源，對(duì)人體不產(chǎn)生任何潛在傷害。


圖1本發(fā)明測(cè)量方法流程框圖
圖2本發(fā)明使用的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)示意圖
圖3本發(fā)明幻燈投影儀結(jié)構(gòu)示意圖
圖中1左單目測(cè)量頭、2右單目測(cè)量頭、3測(cè)量頭支架、4測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)、5 控制柜、6計(jì)算機(jī)、7左幻燈投影儀、8左攝像機(jī)、9右幻燈投影儀、10右攝像 機(jī)、11白光源、12隔熱玻璃、13物理編碼光柵、14光柵平移機(jī)構(gòu)、15投影鏡 頭、16患者顏面具體實(shí)施方式
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下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施做進(jìn)一步描述。
如圖2和圖3所示，本發(fā)明提出的測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法所 使用的測(cè)量設(shè)備為用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系 統(tǒng)由左單目測(cè)量頭l、右單目測(cè)量頭2、測(cè)量頭支架3、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4、控制柜5、計(jì)算機(jī)6組成。其中左單目測(cè)量頭1包括左幻燈投影儀7和左攝像機(jī)8。 右單目測(cè)量頭2包括右幻燈投影儀9和右攝像機(jī)10。左幻燈投影儀7和右幻燈 投影儀9均由白光源11、隔熱玻璃12、物理編碼光柵13、光柵平移機(jī)構(gòu)14、投 影鏡頭15組成。白光源11經(jīng)過(guò)隔熱玻璃12隔熱，背投至物理編碼光柵13上， 將物理編碼光柵13的結(jié)構(gòu)光條紋圖案通過(guò)投影鏡頭15投射至患者面部16。其 中，每幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案的切換通過(guò)移動(dòng)光柵平移機(jī)構(gòu)14實(shí)現(xiàn)。該測(cè)量系統(tǒng)使用雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法標(biāo)定，標(biāo)定的參數(shù)包括 左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10的焦距和主點(diǎn)，左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9的 焦距和主相位，左攝像機(jī)8和左幻燈投影儀7分別相對(duì)于左單目測(cè)量頭1測(cè)量坐 標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣，右攝像機(jī)10和右幻燈投影儀9分別相對(duì)于右 單目測(cè)量頭2測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣，左單目測(cè)量頭1和右單目 測(cè)量頭2測(cè)量坐標(biāo)系間旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣。如圖1所示，本發(fā)明提出的測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法具體包括 如下步驟1) 調(diào)整左單目測(cè)量頭1和右單目測(cè)量頭2位置以及調(diào)整左攝像機(jī)8和右攝像 機(jī)10拍攝曝光量參數(shù)。開(kāi)啟左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9，投射結(jié) 構(gòu)光條紋圖案至患者面部，打開(kāi)左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10進(jìn)行實(shí)時(shí)場(chǎng)景 拍攝。控制測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4，將左單目測(cè)量頭1和右單目測(cè)量頭2上下 和前后平移至合適測(cè)量位置，使患者面部同時(shí)位于左攝像機(jī)8和右攝像機(jī) IO拍攝場(chǎng)景中心。根據(jù)拍攝圖像中結(jié)構(gòu)光條紋圖像質(zhì)量，調(diào)整左攝像機(jī)8 和右攝像機(jī)10拍攝曝光量參數(shù)。2) 左單目測(cè)量頭l測(cè)量。關(guān)閉右幻燈投影儀9，移動(dòng)左幻燈投影儀7的光柵 平移機(jī)構(gòu)14，左幻燈投影儀7投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案至患者左側(cè)面部。 左攝像機(jī)8采集投射至患者左側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案。如果已完成所有 結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，將左幻燈投影儀7的光柵平移機(jī)構(gòu)14回歸原位; 如果沒(méi)有完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，控制左幻燈投影儀7的光柵平 移機(jī)構(gòu)14移動(dòng)，再投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案，左攝像機(jī)8再次進(jìn)行采集， 直至所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案投射完畢。3) 右單目測(cè)量頭2測(cè)量。關(guān)閉左幻燈投影儀7，開(kāi)啟右幻燈投影儀9，移動(dòng)右幻燈投影儀9的光柵平移機(jī)構(gòu)14，右幻燈投影儀9投射一幅結(jié)構(gòu)光條 紋圖案至患者右側(cè)面部。右攝像機(jī)io采集投射到患者右側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光 條紋圖案。如果已完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，將右幻燈投影儀9 的光柵平移機(jī)構(gòu)14回歸原位；如果沒(méi)有完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射， 控制右幻燈投影儀9的光柵平移機(jī)構(gòu)14移動(dòng)，再投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖 案，右攝像機(jī)10再次進(jìn)行采集，直至所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案投射完畢。 4)結(jié)構(gòu)光條紋圖像處理、三維坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算及結(jié)果顯示。對(duì)左攝像機(jī)8拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像按照格雷碼和相移編碼規(guī)則進(jìn)行 解碼，得到左攝像機(jī)8每個(gè)圖像像素點(diǎn)的絕對(duì)相位。根據(jù)每個(gè)圖像像素 點(diǎn)的絕對(duì)相位值可確定該圖像像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的左幻燈投影儀7空間光線投 射方向。圖像像素點(diǎn)位置和左攝像機(jī)8參數(shù)，可確定左攝像機(jī)8的成像直線； 左幻燈投影儀7空間光線投射方向和左幻燈投影儀7參數(shù)可確定左幻燈投 影儀7的光線投射平面；根據(jù)左攝像機(jī)8、左幻燈投影儀7分別與左單目 測(cè)量頭1測(cè)量坐標(biāo)系之間旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣，可將左攝像機(jī)8的成 像直線和左幻燈投影儀7的光線投射平面轉(zhuǎn)換至左單目測(cè)量頭1測(cè)量坐標(biāo) 系，求得該直線和平面的交點(diǎn)，即為患者左側(cè)面部三維點(diǎn)在左單目測(cè)量頭 1測(cè)量坐標(biāo)系下空間位置。對(duì)右攝像頭10拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像的分析處理方式與上述對(duì)左攝 像機(jī)8拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像的處理完全一致，最終獲得患者右側(cè)面部三 維點(diǎn)在右單目測(cè)量頭2測(cè)量坐標(biāo)系下空間位置。根據(jù)左單目測(cè)量頭1和右單目測(cè)量頭2測(cè)量坐標(biāo)系間旋轉(zhuǎn)和平移位姿 轉(zhuǎn)換矩陣關(guān)系，將患者右側(cè)面部三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至左單目測(cè)量頭1測(cè)量坐 標(biāo)系下，或?qū)⒒颊咦髠?cè)面部三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至右單目測(cè)量頭2測(cè)量坐標(biāo)系 下，從而獲得完整的患者面部三維形貌數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)上以點(diǎn)云形式進(jìn) 行顯示，便于人機(jī)交互操作。
權(quán)利要求
1. 一種測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，其特征在于該測(cè)量方法使用了用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)；該測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)過(guò)雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法的標(biāo)定；測(cè)量患者面部三維形貌的方法包括如下步驟1)調(diào)整左單目測(cè)量頭(1)和右單目測(cè)量頭(2)位置以及調(diào)整左攝像機(jī)(8)和右攝像機(jī)(10)拍攝曝光量參數(shù)開(kāi)啟左幻燈投影儀(7)和右幻燈投影儀(9)，投射結(jié)構(gòu)光條紋圖案至患者面部；打開(kāi)左攝像機(jī)(8)和右攝像機(jī)(10)進(jìn)行實(shí)時(shí)場(chǎng)景拍攝；控制測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)(4)，將左單目測(cè)量頭(1)和右單目測(cè)量頭(2)上下和前后平移，使患者面部同時(shí)位于左攝像機(jī)(8)和右攝像機(jī)(10)拍攝場(chǎng)景中心；根據(jù)拍攝圖像中結(jié)構(gòu)光條紋圖像質(zhì)量，調(diào)整左攝像機(jī)(8)和右攝像機(jī)(10)拍攝曝光量參數(shù)；2)左單目測(cè)量頭(1)測(cè)量關(guān)閉右幻燈投影儀(9)，移動(dòng)左幻燈投影儀(7)的光柵平移機(jī)構(gòu)(14)，左幻燈投影儀(7)投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案至患者左側(cè)面部；左攝像機(jī)(8)采集投射至患者左側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案；如果已完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，將左幻燈投影儀(7)的光柵平移機(jī)構(gòu)(14)回歸原位；如果沒(méi)有完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，控制左幻燈投影儀(7)的光柵平移機(jī)構(gòu)(14)移動(dòng)，再投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案，左攝像機(jī)(8)再次進(jìn)行采集，直至所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案投射完畢；3)右單目測(cè)量頭(2)測(cè)量關(guān)閉左幻燈投影儀(7)，開(kāi)啟右幻燈投影儀(9)，移動(dòng)右幻燈投影儀(9)的光柵平移機(jī)構(gòu)(14)，右幻燈投影儀(9)投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案至患者右側(cè)面部；右攝像機(jī)(10)采集投射到患者右側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案；如果已完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，將右幻燈投影儀(9)的光柵平移機(jī)構(gòu)(14)回歸原位；如果沒(méi)有完成所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案的投射，控制右幻燈投影儀(9)的光柵平移機(jī)構(gòu)(14)移動(dòng)，再投射一幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案，右攝像機(jī)(10)再次進(jìn)行采集，直至所有結(jié)構(gòu)光條紋圖案投射完畢；4)結(jié)構(gòu)光條紋圖像處理、三維坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算及結(jié)果顯示對(duì)左攝像機(jī)(8)拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像按照格雷碼和相移編碼規(guī)則進(jìn)行解碼，得到左攝像機(jī)(8)每個(gè)圖像像素點(diǎn)的絕對(duì)相位；根據(jù)每個(gè)圖像像素點(diǎn)的絕對(duì)相位值可確定該圖像像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的左幻燈投影儀(7)空間光線投射方向；圖像像素點(diǎn)位置和左攝像機(jī)(8)參數(shù)可確定左攝像機(jī)(8)的成像直線；左幻燈投影儀(7)空間光線投射方向和左幻燈投影儀(7)參數(shù)可確定左幻燈投影儀(7)的光線投射平面；根據(jù)左攝像機(jī)(8)、左幻燈投影儀(7)分別與左單目測(cè)量頭(1)測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣，可將左攝像機(jī)(8)的成像直線和左幻燈投影儀(7)的光線投射平面轉(zhuǎn)換至左單目測(cè)量頭(1)測(cè)量坐標(biāo)系，求得該直線和平面的交點(diǎn)，即為患者左側(cè)面部三維點(diǎn)在左單目測(cè)量頭(1)測(cè)量坐標(biāo)系下空間位置；對(duì)右攝像頭(10)拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像的分析處理方式與上述對(duì)左攝像機(jī)(8)拍攝的結(jié)構(gòu)光條紋圖像的處理完全一致，最終獲得患者右側(cè)面部三維點(diǎn)在右單目測(cè)量頭(2)測(cè)量坐標(biāo)系下空間位置；根據(jù)左單目測(cè)量頭(1)和右單目測(cè)量頭(2)測(cè)量坐標(biāo)系間旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣關(guān)系，將患者右側(cè)面部三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至左單目測(cè)量頭(1)測(cè)量坐標(biāo)系下，或?qū)⒒颊咦髠?cè)面部三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至右單目測(cè)量頭(2)測(cè)量坐標(biāo)系下，從而獲得完整患者面部三維形貌數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)上以點(diǎn)云形式進(jìn)行顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，其特征是所 述的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)包括左單目測(cè)量頭(1)、右單目測(cè)量頭(2)、測(cè)量頭支架(3)、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)(4)、控制柜 (5)和計(jì)算機(jī)(6);其中左單目測(cè)量頭(1)包括左幻燈投影儀(7)和左攝 像機(jī)(8)，右單目測(cè)量頭(2)包括右幻燈投影儀(9)和右攝像機(jī)(10);左 幻燈投影儀(7)和右幻燈投影儀(9)均由白光源(11)、隔熱玻璃(12)、 物理編碼光柵(13)、光柵平移機(jī)構(gòu)(14)、投影鏡頭(15)組成；白光源(11) 經(jīng)過(guò)隔熱玻璃(12)隔熱，背投至物理編碼光柵(13)上，將物理編碼光柵 (13)的結(jié)構(gòu)光條紋圖案通過(guò)投影鏡頭(15)投射至患者面部(16)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，其特征是所 述的結(jié)構(gòu)光條紋圖案由7幅格雷碼圖案和4幅相移圖案組成，每幅結(jié)構(gòu)光條紋圖案的切換是通過(guò)控制光柵平移機(jī)構(gòu)(14)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，其特征是所 述的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法標(biāo)定的測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)包括左攝像機(jī)(8) 和右攝像機(jī)(10)的焦距和主點(diǎn)，左幻燈投影儀(7)和右幻燈投影儀(9) 的焦距和主相位，左攝像機(jī)(8)和左幻燈投影儀(7)分別相對(duì)于左單 目測(cè)量頭(1)測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣，右攝像機(jī)(10)和右 幻燈投影儀(9)分別相對(duì)于右單目測(cè)量頭(2)測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移位 姿轉(zhuǎn)換矩陣，左單目測(cè)量頭(1)和右單目測(cè)量頭(2)測(cè)量坐標(biāo)系間旋轉(zhuǎn)和 平移位姿轉(zhuǎn)換矩陣。
全文摘要
測(cè)量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，屬于光學(xué)測(cè)量、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光投影三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，采用用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，控制左幻燈投影儀和右幻燈投影儀分別將格雷碼和相移編碼結(jié)構(gòu)光條紋圖案投射至顏面缺損患者左右側(cè)面部，左攝像機(jī)和右攝像機(jī)分別拍攝發(fā)生變形的結(jié)構(gòu)光條紋圖像后，通過(guò)圖像解碼、三角原理和雙單目測(cè)量數(shù)據(jù)合并，實(shí)現(xiàn)對(duì)完整患者面部三維形貌的測(cè)量。本發(fā)明可在非接觸條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)患者面部自然狀態(tài)軟組織的精確數(shù)據(jù)采集，為臨床顏面缺損修復(fù)治療提供實(shí)用可靠的患者面部三維形貌原始數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)A61B5/107GK101301200SQ200810038199
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者習(xí)俊通, 張富強(qiáng), 熊耀陽(yáng), 陳曉波 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)