Real-time three-dimensional shape measurement is becoming increasingly important in various fields, including medical sciences, high-technology industry, and microscale measurements. However, there are not so many 3D profile tools specially designed for specifically narrow space, for example, to sca...
Real-time three-dimensional shape measurement is becoming increasingly important in various fields, including medical sciences, high-technology industry, and microscale measurements. However, there are not so many 3D profile tools specially designed for specifically narrow space, for example, to scan the tooth shape of a human jaw. In this paper, a real-time 3D intraoral scanner is proposed for the measurement of tooth profile in the mouth cavity. The proposed system comprises a laser diode beam, a micro charge-coupled device, a graticule, a piezoelectric transducer, a set of optical lenses, and a polhemus device sensor. The phase-shifting technique is used along with an accurate calibration method for the measurement of the tooth profile. Experimental and theoretical inspection of the phase-to-coordinate relation is presented. In addition, a nonlinear system model is developed for collimating illumination that gives the more accurate mathematical representation of the system, thus improves the shape measurement accuracy. Experiment results are presented to verify the feasibility and performance of the developed system. The experimental results indicate that overall measurement error accuracy can be controlled within 0.4 mm with a variability of ${\pm}0.01$.
Real-time three-dimensional shape measurement is becoming increasingly important in various fields, including medical sciences, high-technology industry, and microscale measurements. However, there are not so many 3D profile tools specially designed for specifically narrow space, for example, to scan the tooth shape of a human jaw. In this paper, a real-time 3D intraoral scanner is proposed for the measurement of tooth profile in the mouth cavity. The proposed system comprises a laser diode beam, a micro charge-coupled device, a graticule, a piezoelectric transducer, a set of optical lenses, and a polhemus device sensor. The phase-shifting technique is used along with an accurate calibration method for the measurement of the tooth profile. Experimental and theoretical inspection of the phase-to-coordinate relation is presented. In addition, a nonlinear system model is developed for collimating illumination that gives the more accurate mathematical representation of the system, thus improves the shape measurement accuracy. Experiment results are presented to verify the feasibility and performance of the developed system. The experimental results indicate that overall measurement error accuracy can be controlled within 0.4 mm with a variability of ${\pm}0.01$.
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문제 정의
본 논문에서는 환자의 구강 내에서 치아의 형상을 스캐닝하는 실시간 3D 구강 내 스캐너를 제안한다. 이 시스템은 레이저 다이오드 빔(LD)과 격자를 이용하여 프린지 패턴을 만들어 투영하고 피에조 구동장치(piezoelectric transducer: PZT)를 이용하여 프린지패턴의 위상을 이동하고 그 영상을 CCD 카메라로 획득하여 형상을 측정하는 방법을 사용하였다.
8은 구강내 스캐너의 측정정밀도를 측정하기 위한 지그를 보여준다. 육면체와 구면으로 이루어진 치수를 알고 있는 형상을 측정하여 측정오차를 알아보기 위한 지그이다.
현재 시장에는 외국에서 개발된 여러 종류의 구강 내 스캐너가 판매되고 있으며 그 기술의 적용 분야 또한 커지고 있다. 하지만 아직 국내에는 해당기술을 미확보한 상태이며 본 연구를 통하여 이를 개발하고자 한다.
제안 방법
좌표를 계산해야 한다. 본 논문에서는 수직 프린지 패턴을 사용하기 때문에 Xh 좌표는 위상변화를 이용하여 계산되어지고, Yh 좌표는 위상변화에 관계없이 픽셀의 위치를 이용하여 계산된다.
본 논문에서는 환자의 구강 내에서 치아의 형상을 스캐닝하는 실시간 3D 구강 내 스캐너를 제안한다. 이 시스템은 레이저 다이오드 빔(LD)과 격자를 이용하여 프린지 패턴을 만들어 투영하고 피에조 구동장치(piezoelectric transducer: PZT)를 이용하여 프린지패턴의 위상을 이동하고 그 영상을 CCD 카메라로 획득하여 형상을 측정하는 방법을 사용하였다.
7은 구강내 스캐너에 사용되는 카메라를 보정하는데 사용된 체커보드와 보정지그이다. 카메라를 보정하기 위해서는 이 체커보드를 다양한 자세로 고정하여 촬영하여야 하는데, 체커보드를 임의의 자세로 변경시켜도 체커보드의 센터가 이미지의 중심에 항상 오도록 고정시켜주는 지그를 개발하여 특허출원을 하였다.
프린지 투영법을 이용한 구강내 스캐너를 개발 하였다. 구강내와 같이 좁은 공간에서 삼차원 형상을 실시간으로 측정할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어, 그리고 보정에 필요한 지그 등이 개발되었다.
대상 데이터
이 때 삼차원 형상을 계산하기 위해서는 격자가 미세하게 4번 이동되어야 한다. 이를 위하여 피에조 구동장치(PZT)가 사용되었다. 카메라와 PZT, LD, Polhemus 장치들은 모두 USB 인터페이스를 이용하여 컴퓨터에 연결된다.
카메라는 1280 × 1024 픽셀의 해상도를 갖는 usb 디지털 카메라를 사용하였고, 입력된 이미지 중 가운데의 512 × 512 영역을 획득하여 스캔에 사용하였다.
구강내 스캐너는 핸드핼드 하드웨어와 PC에서 구동되는 SW로 구성된다. 하드웨어는 레이저 다이오드(LD), 렌즈, 격자, 카메라, 피에조 구동장치, Polhemus 장치로 구성된다. LD에서 나온 레이저광은 격자와 렌즈를 통과하여 평행한 프린지 패턴 광으로 변환되어 물체에 투영된다.
성능/효과
구강내와 같이 좁은 공간에서 삼차원 형상을 실시간으로 측정할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어, 그리고 보정에 필요한 지그 등이 개발되었다. 개발된 구강내 스캐너는 실험을 통하여 치아를 측정하는데 충분한 정밀도와 속도를 보여 주었다. 향후 PZT와 레이저의 품질 향상을 통하여 측정 정밀도 개선을 할 예정이다.
후속연구
개발된 구강내 스캐너는 실험을 통하여 치아를 측정하는데 충분한 정밀도와 속도를 보여 주었다. 향후 PZT와 레이저의 품질 향상을 통하여 측정 정밀도 개선을 할 예정이다.
현재 제작된 시작품은 시중에 판매되고 있는 카메라와 렌즈들의 조합으로 제작되어 크기 및 형상이 최적화되지 못한 상태이기 때문이다. 향후 구강내 스캐너 전용 렌즈와 카메라를 설계 제작하여 형상을 최소화 할 계획이다. 프린지 패턴을 생성하는 초소형 격자는 피에조 구종장치에 의해서 약 5 mm 씩 4번 이동된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프린지 투영 방법이란 무엇인가?
그 중에서도 프린지 투영 방법은 많은 측정 포인트를 짧은 시간에 측정할 수 있어서 고해상도 실시간 스캐닝 시스템을 위한 방법으로서 관심을 받고 있다. 프린지 투영 방법은 사인파 형태의 프린지 패턴을 물체의 표면에 투영하여 그 패턴이 물체 표면의 요철에 의해서 왜곡되는 양을 측정하여 그 점의 높이를 계산해내는 방식이다.
프린지 투영 방법이 고해상도 실시간 스캐닝 시스템을 위한 방법으로서 관심을 받고 있는 이유는 무엇인가?
그 중에서도 프린지 투영 방법은 많은 측정 포인트를 짧은 시간에 측정할 수 있어서 고해상도 실시간 스캐닝 시스템을 위한 방법으로서 관심을 받고 있다. 프린지 투영 방법은 사인파 형태의 프린지 패턴을 물체의 표면에 투영하여 그 패턴이 물체 표면의 요철에 의해서 왜곡되는 양을 측정하여 그 점의 높이를 계산해내는 방식이다.
기존의 프린지 투영 방법이 구강내의 치아형상과 같은 아주 작은 영역의 스캔에는 적합하지 않은 이유는 무엇인가?
하지만 기존의 프린지 투영방식은 패턴을 빔프로젝터를 이용하여 투영하기 때문에 구강내의 치아형상과 같은 아주 작은 영역의 스캔에는 적합하지 않았다. 구강 내를 스캔하기 위해서는 빔프로젝터를 대체할 소형의 패턴생성장치가 필요하며, 실시간으로 스캔이 가능해야 한다.
참고문헌 (8)
Gorthi, S. S. and Rastogi, P., 2010, Fringe Projection Techniques: Whither We Are?, Opt. Lasers Eng., 48, pp. 133-140.
Malacara, D., Servin, M. and Malacara, Z., 2005, Interferogram Analysis for Optical Testing. Second Edition. Taylor & Francis Group.
Greivenkamp, J.E. and Bruning, J.H., 2007, Phase Shifting Interferometry. In Malacara D (Ed.): Optical Shop Testing, Third Edition. pp. 547-655, John Wiley.
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