淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-0107201920222400
中文論文名稱 雙攝影機數位條紋投影技術應用於人類牙齒三維形貌量測
英文論文名稱 3-D shape measurements of human tooth by using dual-camera digital fringe projection techniques
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 鄧力瑋
研究生英文姓名 Li-Wei Teng
學號 606370061
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-27
論文頁數 133頁
口試委員 指導教授-陳冠辰
共同指導教授-劉承揚
委員-李泉
委員-劉昭華
中文關鍵字 三維曲面量測  結構光  相位移技術  牙齒量測 
英文關鍵字 Three-dimensional surface measurement  Digital structured light  Phase-shifting method  Tooth measurement 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文成功建立出一套雙攝影機數位相位移量測系統,用以量測各式牙齒之三維輪廓,如3D列印牙齒、牙齒石膏模型以及真實人類牙齒,結合數位結構光投影技術、七步相位移法、相位展開技術、參考平面扣除法、二值化來進行量測與影像處理運算,並運用透視變換以及影像影像座標與空間平面座標轉換將影像座標轉為物體所在平面座標,並將原影像相位值轉換至原物體所在之平面,改善原本因拍攝角度相位的誤差。在系統方面,使用數位投影機作結構光源,投影出黑白餘弦結構光,攝影機作為影像擷取裝置,擷取圖像回傳至電腦進行計算。於實驗結果比較15、25、35與45度共四種角度的量測效果,其中以15度量測效果最佳,並比較週期0.95 mm與週期1.9 mm黑白餘弦條紋對於各種牙齒形狀的量測效果,以週期1.9 mm的黑白餘弦條紋效果最佳。本量測系統量測精度可達17.5 "μm" ,可用於進行牙模工程檢測與牙醫診斷,提升牙模效率和品質與醫師診斷之正確性。
英文摘要 In this thesis, a dual-camera digital fringe projection system is used to measure various kinds of tooth 3D profilometry, such as 3D printed tooth, Plaster tooth mold and Human tooth. The system integrated digital structured light projection, seven-step phase-shifting, phase unwrapping, reference plane subtraction and binarization. The algorithms transfer the image phase onto the plate which the object is located by using perspective transformation, image and spatial coordinate transformation. It reduces the phase error due to detecting angle. In the experimental system, a DLP projector is used to project black-and-white cosine fringe pattern onto tooth surface and two CMOS cameras are used to capture image and transmit data to computer for calculation. Four detecting angles (15° , 25° , 35° and 45° ) and two period of structure light (0.95 mm and 1.95 mm) are used in the experiment. Detecting angle of 15° and structured light period of 1.95 mm show the best result. The resolution of this measurement system reach 17.5 μm, and can be applied to plaster tooth mold detection to improve quality, efficiency, and accuracy of dental diagnosis.
論文目次 目錄
誌謝 Ⅰ
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅲ
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XVI
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究方法 12
1.4 論文架構 13
第2章 相位移技術原理 14
2.1 相位移技術 14
2.2 結構光理論 17
2.3 數位相位移法 18
2.4 相位展開技術 21
2.5 參考平面扣除法 23
2.6 相位高度值換算 26
2.7 二值化 29
2.8 透視變換 31
2.9 影像座標與空間平面座標轉換 33
第3章 相位移量測系統 35
3.1 系統架構 35
3.1.1 結構光源 37
3.1.2 攝影機與鏡頭組 38
3.2 多步相位移之運算程式 41
3.3 實驗步驟 42
3.4 量測系統的尺寸校正 44
3.4.1 相位與實際高度校正 44
3.4.2 透視變換校正 45
3.4.3 影像座標與空間平面座標校正 47
3.5 消除表面反射光 48
3.6 量測系統之角度比較 51
第4章 實驗結果 55
4.1 3D列印大臼齒 55
4.1.1 週期0.95 mm條紋 55
4.1.2 週期1.9 mm條紋 60
4.2 3D列印犬齒 65
4.2.1 週期0.95 mm條紋 65
4.2.2 週期1.9 mm條紋 70
4.3 3D列印門牙 75
4.3.1 週期0.95 mm條紋 75
4.3.2 週期1.9 mm條紋 80
4.4 大臼齒牙模 85
4.4.1 週期0.95 mm條紋 85
4.4.2 週期1.9 mm條紋 90
4.5 小臼齒牙模 95
4.5.1 週期0.95 mm條紋 95
4.5.2 週期1.9 mm條紋 100
4.6 門牙牙模 105
4.6.1 週期0.95 mm條紋 105
4.6.2 週期1.9 mm條紋 110
4.7 人類大臼齒 115
4.7.1 週期0.95 mm條紋 115
4.7.2 週期1.9 mm條紋 120
4.8 量測系統比較 125
第5章 結論與未來展望 128
5.1 結論 128
5.2 未來展望 129
參考文獻 130

圖目錄
圖 1-1相位移光學量測系統架構圖[30] 5
圖 1-2相機擷取待測物錢幣之量測範圍[30] 5
圖 1-3重建後錢幣上數字99之三維輪廓[30] 5
圖 1-4微型量測管系統架構圖[31] 6
圖 1-5微型量測管內部架構圖[31] 6
圖 1-6量測直徑8 mm的標準圓球:(a)直徑8 mm的標準圓球 (b)相位還原圖 (c)三維表面輪廓 (d)剖面曲面圖[31] 7
圖 1-7三維指紋量測設備架構圖[7] 8
圖 1-8計算後的最佳三條紋數:(a)25 (b)24 (c)20 (d)相位展開圖[7] 8
圖 1-9影像校正流程圖[32] 9
圖 1-10量測於不同物體之結果圖:(a)桌上型風扇 (b)大衛雕像 (c)牙齒模型 (d)多拉A夢模型[32] 9
圖 1-11即時量測3D輪廓:(a)人類手掌 (b)人類臉部[32] 10
圖 1-12沙姆定律運用於三維量測系統上示意圖[33] 11
圖 1-13先前技術與此研究技術物體成像結果對比圖: 先前技術的物體成像圖 (a)左視圖、(b)右視圖、(c)正視圖;此技術的物體成像圖 (b)左視圖、(d)右視圖、(f)正視圖[33] 11
圖 2-1餘弦條紋與環境光強度疊加分布示意圖 16
圖 2-2數位條紋投影的架構圖 17
圖 2-3七步相移條紋圖 20
圖 2-4反正切函數之分子分母正負號求得2π模數示意圖: (a)象限判別圖 (b)π模數轉換成2π模數[39] 22
圖 2-5相位包裹及相位展開示意圖 22
圖 2-6參考平面扣除法流程[41] 24
圖 2-7 M2螺紋及平坦面之三步相移量測實驗照片[41] 24
圖 2-8三步相移之相位展開圖:(a)M2螺絲量測 (b)平坦面量測相位高度值換算[41] 25
圖 2-9條紋投影系統之光學幾何關係 26
圖 2-10二值化閾值示意圖 29
圖 2-11二值化前後對比圖:(a)原始影像 (b)二值化影像 30
圖 2-12封閉補足後的二值化影像 30
圖 2-13透視變換示意圖 31
圖 2-14影像座標與空間平面座標轉換 34
圖 3-1系統之電腦三維建模圖 36
圖 3-2實際系統架構 36
圖 3-3 DLP投影機 37
圖 3-4 CMOS相機 39
圖 3-5可變焦鏡頭 39
圖 3-6影像處理程式介面 41
圖 3-7實驗步驟 43
圖 3-8陶瓷校正塊規:(a)陶瓷校正塊規之尺寸 (b)陶瓷校正塊規之相位值 44
圖 3-9校正板 45
圖 3-10透視變換前後比照:(a)透視變換前 (b)透視變換後 46
圖 3-11塊規之影像座標與空間平面座標轉換 47
圖 3-12人類牙齒噴塗消光劑之比較:(a)未噴消光劑之人類牙齒 (b)噴上消光劑之人類牙齒 49
圖 3-13 SKD-S2消光劑 49
圖 3-14 影像測量儀 51
圖 3-15 實際量測圖 52
圖 3-16 牙峰之尺寸 52
圖 3-17 牙谷之尺寸 52
圖 3-18各角度量測之剖面比較圖 53
圖 3-19本系統拍攝角度之比較:各角度量測結果圖 (a)15度 (b)25度 (c)35度 (d)45度 與各角度量測之剖面圖 (a)15度 (b)25度 (c)35度 (d)45度 54
圖 4-1 0.95 mm週期各相位條紋於3D列印大臼齒之左側相機擷取影像 55
圖 4-2 0.95 mm週期各相位條紋於3D列印大臼齒之右側相機擷取影像 56
圖 4-3 0.95 mm週期條紋3D列印大臼齒之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 56
圖 4-4 0.95 mm週期條紋3D列印大臼齒之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 57
圖 4-5 0.95 mm週期條紋3D列印大臼齒之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 57
圖 4-6 0.95 mm週期條紋3D列印大臼齒經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 58
圖 4-7 0.95 mm週期條紋3D列印大臼齒經影像與空間平面座標轉換後三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 58
圖 4-8 0.95 mm週期條紋3D列印大臼齒 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際3D列印大臼齒 59
圖 4-9 1.9 mm週期各相位條紋於3D列印大臼齒之左側相機擷取影像 60
圖 4-10 1.9 mm週期各相位條紋於3D列印大臼齒之右側相機擷取影像 61
圖 4-11 1.9 mm週期條紋3D列印大臼齒之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 61
圖 4-12 1.9 mm週期條紋3D列印大臼齒之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 62
圖 4-13 1.9 mm週期條紋3D列印大臼齒之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 62
圖 4-14 1.9 mm週期條紋3D列印大臼齒之經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 63
圖 4-15 1.9 mm週期條紋3D列印大臼齒經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 63
圖 4-16 1.9 mm週期條紋3D列印大臼齒 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際3D列印大臼齒 64
圖 4-17 0.95 mm週期各相位條紋於3D列印犬齒之左側相機擷取影像 65
圖 4-18 0.95 mm週期各相位條紋於3D列印犬齒之右側相機擷取影像 66
圖 4-19 0.95 mm週期條紋3D列印犬齒之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 66
圖 4-20 0.95 mm週期條紋3D列印犬齒之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 67
圖 4-21 0.95 mm週期條紋3D列印犬齒之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 67
圖 4-22 0.95 mm週期條紋3D列印犬齒之經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 68
圖 4-23 0.95 mm週期條紋3D列印犬齒經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 68
圖 4-24 0.95 mm週期條紋3D列印犬齒 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際3D列印犬齒 69
圖 4-25 1.9 mm週期各相位條紋於3D列印犬齒之左側相機擷取影像 70
圖 4-26 1.9 mm週期各相位條紋於3D列印犬齒之右側相機擷取影像 71
圖 4-27 1.9 mm週期條紋3D列印犬齒之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 71
圖 4-28 1.9 mm週期條紋3D列印犬齒之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 72
圖 4-29 1.9 mm週期條紋3D列印犬齒之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 72
圖 4-30 1.9 mm週期條紋3D列印犬齒經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 73
圖 4-31 1.9 mm週期條紋3D列印犬齒經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 73
圖 4-32 1.9 mm週期條紋3D列印犬齒 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際3D列印犬齒 74
圖 4-33 0.95 mm週期各相位條紋於3D列印門牙之左側相機擷取影像 75
圖 4-34 0.95 mm週期各相位條紋於3D列印門牙之右側相機擷取影像 76
圖 4-35 0.95 mm週期條紋3D列印門牙之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 76
圖 4-36 0.95 mm週期條紋3D列印門牙之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 77
圖 4-37 0.95 mm週期條紋3D列印門牙之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 77
圖 4-38 0.95 mm週期條紋3D列印門牙經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 78
圖 4-39 0.95 mm週期條紋3D列印門牙經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 78
圖 4-40 0.95 mm週期條紋3D列印門牙 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際3D列印門牙 79
圖 4-41 1.9 mm週期各相位條紋於3D列印門牙之左側相機擷取影像 80
圖 4-42 1.9 mm週期各相位條紋於3D列印門牙之右側相機擷取影像 81
圖 4-43 1.9 mm週期條紋3D列印門牙之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 81
圖 4-44 1.9 mm週期條紋3D列印門牙之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 82
圖 4-45 1.9 mm週期條紋3D列印門牙之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 82
圖 4-46 1.9 mm週期條紋3D列印門牙之經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 83
圖 4-47 1.9 mm週期條紋3D列印門牙經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 83
圖 4-48 1.9 mm週期條紋3D列印門牙 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際3D列印門牙 84
圖 4-49 0.95 mm週期各相位條紋於大臼齒牙模之左側相機擷取影像 85
圖 4-50 0.95 mm週期各相位條紋於大臼齒牙模之右側相機擷取影像 86
圖 4-51 0.95 mm週期條紋大臼齒牙模之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 86
圖 4-52 0.95 mm週期條紋大臼齒牙模之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 87
圖 4-53 0.95 mm週期條紋大臼齒牙模之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 87
圖 4-54 0.95 mm週期條紋大臼齒牙模經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 88
圖 4-55 0.95 mm週期條紋大臼齒牙模經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 88
圖 4-56 0.95 mm週期條紋大臼齒牙模 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際大臼齒牙模 89
圖 4-57 1.9 mm週期各相位條紋於大臼齒牙模之左側相機擷取影像 90
圖 4-58 1.9 mm週期各相位條紋於大臼齒牙模之右側相機擷取影像 91
圖 4-59 1.9 mm週期條紋大臼齒牙模之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 91
圖 4-60 1.9 mm週期條紋大臼齒牙模之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 92
圖 4-61 1.9 mm週期條紋大臼齒牙模之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 92
圖 4-62 1.9 mm週期條紋大臼齒牙模經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 93
圖 4-63 1.9 mm週期條紋大臼齒牙模經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 93
圖 4-64 1.9 mm週期條紋大臼齒牙模 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際大臼齒牙模 94
圖 4-65 0.95 mm週期各相位條紋於小臼齒牙模之左側相機擷取影像 95
圖 4-66 0.95 mm週期各相位條紋於小臼齒牙模之右側相機擷取影像 96
圖 4-67 0.95 mm週期條紋小臼齒牙模之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 96
圖 4-68 0.95 mm週期條紋小臼齒牙模之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 97
圖 4-69 0.95 mm週期條紋小臼齒牙模之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 97
圖 4-70 0.95 mm週期條紋小臼齒牙模經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 98
圖 4-71 0.95 mm週期條紋小臼齒牙模經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 98
圖 4-72 0.95 mm週期條紋小臼齒牙模 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際小臼齒牙模 99
圖 4-73 1.9 mm週期各相位條紋於小臼齒牙模之左側相機擷取影像 100
圖 4-74 1.9 mm週期各相位條紋於小臼齒牙模之右側相機擷取影像 101
圖 4-75 1.9 mm週期條紋小臼齒牙模之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 101
圖 4-76 1.9 mm週期條紋小臼齒牙模之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 102
圖 4-77 1.9 mm週期條紋小臼齒牙模之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 102
圖 4-78 1.9 mm週期條紋小臼齒牙模經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 103
圖 4-79 1.9 mm週期條紋小臼齒牙模經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 103
圖 4-80 1.9 mm週期條紋小臼齒牙模 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際小臼齒牙模 104
圖 4-81 0.95 mm週期各相位條紋於門牙牙模之左側相機擷取影像 105
圖 4-82 0.95 mm週期各相位條紋於門牙牙模之右側相機擷取影像 106
圖 4-83 0.95 mm週期條紋門牙牙模之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 106
圖 4-84 0.95 mm週期條紋門牙牙模之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 107
圖 4-85 0.95 mm週期條紋門牙牙模之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 107
圖 4-86 0.95 mm週期條紋門牙牙模經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 108
圖 4-87 0.95 mm週期條紋門牙牙模經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 108
圖 4-88 0.95 mm週期條紋門牙牙模 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際門牙牙模 109
圖 4-89 1.9 mm週期各相位條紋於門牙牙模之左側相機擷取影像 110
圖 4-90 1.9 mm週期各相位條紋於門牙牙模之右側相機擷取影像 111
圖 4-91 1.9 mm週期條紋門牙牙模之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 111
圖 4-92 1.9 mm週期條紋門牙牙模之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 112
圖 4-93 1.9 mm週期條紋門牙牙模之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 112
圖 4-94 1.9 mm週期條紋門牙牙模經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 113
圖 4-95 1.9 mm週期條紋門牙牙模經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 113
圖 4-96 1.9 mm週期條紋門牙牙模 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際門牙牙模 114
圖 4-97 0.95 mm週期各相位條紋於人類大臼齒之左側相機擷取影像 115
圖 4-98 0.95 mm週期各相位條紋於人類大臼齒之右側相機擷取影像 116
圖 4-99 0.95 mm週期條紋人類大臼齒之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 116
圖 4-100 0.95 mm週期條紋人類大臼齒之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 117
圖 4-101 0.95 mm週期條紋人類大臼齒之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 117
圖 4-102 0.95 mm週期條紋人類大臼齒經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 118
圖 4-103 0.95 mm週期條紋人類大臼齒經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 118
圖 4-104 0.95mm週期條紋人類大臼齒 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際人類大臼齒 119
圖 4-105 1.9 mm週期各相位條紋於人類大臼齒之左側相機擷取影像 120
圖 4-106 1.9 mm週期各相位條紋於人類大臼齒之右側相機擷取影像 121
圖 4-107 1.9 mm週期條紋人類大臼齒之相位包裹圖:(a)左側 (b)右側 121
圖 4-108 1.9 mm週期條紋人類大臼齒之相位展開圖:(a)左側 (b)右側 122
圖 4-109 1.9 mm週期條紋人類大臼齒之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 122
圖 4-110 1.9 mm週期條紋人類大臼齒經二值化扣除與透視變換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 123
圖 4-111 1.9 mm週期條紋人類大臼齒經影像與空間平面座標轉換後之三維曲面影像圖:(a)左側 (b)右側 123
圖 4-112 1.9 mm週期條紋人類大臼齒 (a)正視、(b)側視實驗結果圖與 (c)實際人類大臼齒 124
圖 4-113市售量測系統 125
圖 4-114市售量測系統量測 (a)3D列印大臼齒、(b)大臼齒牙模、(c)人類大臼齒之結果圖 與本研究量測系統量測 (d) 3D列印大臼齒、(e)大臼齒牙模、(f)人類大臼齒之結果圖 127

表目錄
表 1-1研究步驟 12
表 3-1 DLP投影機規格表 38
表 3-2 CMOS相機規格表 40
表 3-3消光劑規格表 50
表 4-1市售量測系統規格表 126



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