Digitalisierung (CAM-Modell)

Normales Lernen

Einführung

Simulierter Intraoralscan mit der Sirona Bluecam (Streifenlichtprojektion)

Für die Digitalisierung von dreidimensionalen Objekten werden in der Zahntechnik zur Zeit verschiedene optische und ein taktiles Messverfahren angewendet. Die folgende Liste zeigt eine Auswahl der wichtigsten Verfahren zum Scannen von Modellen und Abformungen, zum Erstellen von Intraoralscans (CAI - Computer Aided Impressioning) und auch zur Erstellung von 3D-Scans des Patientengesichts zur Unterstützung der Planung und Konstruktion des Zahnersatzes (z.B. Firma Pritidenta, Zirkonzahn Face Hunter).

• Optische Verfahren
  • Nichtparalleler Strahlengang
    • Digitalisieren (Modelle, Gesicht) mit einer Laserlinie (Lichtschnittverfahren, Messprinzip Triangulation)
    • Digitalisieren (Modelle, CAI, Gesicht) mit Streifenlichtprojektion (Messprinzip Triangulation)
    • Digitalisieren (CAI) mit der Cerec Omnicam (Video und Triangulation)
  • Paralleler Strahlengang
    • Digitalisieren (CAI) mit dem konfokalen Messprinzip mit einem chromatisch konfokalen Sensor (Cadent itero Intraoralscanner)
    • Digitalisieren (Modelle) mit Hilfe der Konoskopischen Holographie (Modellscanner der Firma Nobel Biocare)
    • Digitalisieren (CAI) mit Videoaufnahmen (3D-in-Motion) (Funktionsweise des LAVA Chairside Oral Scanners COS, Messprinzip Active Wavefront Sampling - Hier steht ganz genau, wie das funktioniert ;-))
    • Digitalisieren (CAI) mit dem Optical Sectioning-Verfahren
• Mechanische (taktile) Verfahren
  • Digitalisieren (Modelle) durch Abtastung des Objektes mit einem taktilen Sensor Modellscanner der Firma Renishaw

Eine Übersicht von zugelassenen Intraoralscanner ist auf hier zu finden.

Technische Grundlagen

Das extraoral fast ausschließlich (Lichtschnittverfahren, Streifenlichtprojektion) und bei einigen Systemen auch intraoral (Streifenlichtprojektion) genutze Messprinzip der Triangulation wird hier näher erläutert und ausprobiert.

Laser und Kamera "sehen" nicht alle Bereichs des Objektes

Die Lichtquelle des 3D-Scanners wirft ein Streifenlichtmuster oder eine Laserlinie auf das Modell oder die Zähne im Mund. Eine digitale Video-Kamera nimmt dieses Muster auf. Die Software des Scanners berechnet aus der Abweichung der Linien auf dem Modell zur Blickrichtung der Kamera die dreidimensionale Struktur des Modells. Damit überhaupt eine Abweichung zu sehen ist, müssen Lichtquelle und Video-Kamera im Winkel zueinander positioniert sein bzw. dürfen nicht genau aus der selben Richtung auf das Modell "schauen". Aus den Einzelbildern der Videoaufnahmen berechnet die Scansoftware eine sogenannte "Punktewolke". Das ist eine Ansammlung von Punkten im dreidimensionalen Raum (Voxel, Volumetric Pixel), deren jeweilige Position mit jeweils drei Koordinaten genau festgelegt ist.

Punktewolke einer gescannten Kugel

Weil z.B. ein Stumpf auf deinem Modell nicht rundherum gleichzeitig von der Kamera und der Laserlinie (oder dem Steifenlichtprojektor) zu sehen ist, wird das Modell mehrfach gedreht und gekippt. So entstehen mehrere Punktewolken, die dann von der Software zusammengefügt werden. Diesen Vorgang nennt man "matchen" (engl: to match, aufeinander abstimmen). Dabei werden nur die Punkte der Punktewolke verwendet, die gut zusammenpassen. Punkte, die fehlerhaft erscheinen (weil sie z.B. weit von allen anderen weg liegen) werden dabei von der Scanner-Software verworfen.

Je nach Scanner-Qualität liegen die Punkte der Punktewolke ca. 5-50 Mikrometer auseinander. Die daraus entstehende Datenmenge für ein Modell ist ziemlich groß, daher werden für diese Arbeit leistungsstarke Computer benötigt.

Messprinzip Triangulation

Für das Messprinzip Triangulation stehen zwei unterschiedlich komplexe Erklärungsansätze zur Verfügung:

• Messprinzip Triangulation - Level 1/2
• Messprinzip Triangulation - Level 3/4

Digitalisieren und Zusammenführen mehrerer Punktewolken (Matchen)

Bei der "gespielten" Digitalisierung des Papierstumpfes mit Hilfe der Laserlinie und der Triangulation benötigten wir nur eine Blickrichtung um alle Ecken des "Stumpfes" zu erfassen. Das funktioniert mit komplexeren gekrümmten Objekten nicht mehr. Das Objekt muss mehrfach aus verschiedenen Blickwinkeln digitalisiert werden. Dazu wird das Objekt vor der Kamera und der Laserlinie gedrecht und/oder gekippt. Anschließend müssen die so entstandenen Punktewolken passend zusammengefügt werden, das sie ja in unterschiedlicher Lage Im Koordinatensystem voeliegen. Das Digitalisieren und Matchen mehrerer Punktewolken der Oberfläche eines Objektes wird nun beispielhaft mit dem David-Laserscanner und der 3D-Software Blender erläutert.

Dazu genügt die je nach Version kostenlose oder günstige Software des David-Laserscanners, die freie Software Blender, eine Webcam und ein Linienlaser.

Die Projektlehrerin bzw. der Projektlehrer zeigt dir nun, wie du mit Hilfe des David-Laserscanner ein Objekt, in diesem Fall das Gesicht einer Schülerin oder eines Schülers, digitalisieren kannst. Um keine Lücken im Gesicht zu haben, muss es, wie schon erwähnt, aus drei Ansichten digitalisiert werden! Die sich daraus ergebenden drei Punktewolken müssen mit Hilfe von Software zusammengeführt (gematcht) werden.

Das Matchen erfolgt mit Hilfe der 3d-Software Blender später im Selbstlernen. Speichere daher die Punktewolken in deinem Home_auf_Server-Laufwerk. Dazu verwendet der David-Laserscanner das OBJ-Format. es ähnelt dem STL-Format, ist auch ein offenes Format, kann aber mehr zusätzliche Informationen speichern als das STL-Format. Diese Dateien benötigst du während deiner weiteren Arbeit am digitalen Workflow.

Für Interessierte gibt es detailliertere Informationen in der Anleitung zur Benutzung des David-Laserscanners auf der DAVID-Website und in den Screencasts beim nun folgenden Selbstlernen.

Normales Lernen

Bearbeite nun im Anschluss an die Einführung in Grundlagen der Digitalisierung dieses Arbeitsblatt.

Selbstlernen

Nach Kompetenzleveln sortiert findest du in den folgenden Abschnitten alle Checklisten, Jobs to do und Lösungen zur Lernsituation 1 (Digitalisierung).

Das Selbstlernen erfolgt in dieser Lernsituation mit fortlaufender Kompetenzentwicklung – Beginne also immer bei Level 1.

Zur Referenzierung kannst du zwischen folgenden Referenzierungsmethoden wählen:

• Brief
• Interview

Kompetenz-Checkliste für die Level 1-4

{{Vorlage:Lernwerkstatt_Farbe_Auftrag|"Job to do" Level 1

Digitalisiere mindestens acht Ecken des eckigen Papierstumpfes, den du beim normalen Lernen schon kennen gelernt hast (Bastelbogen zum Herstellen des eckigen Stumpfes). Im Projektraum liegen schon fertig gebastelte Stümpfe und Laserlinien-Lampen bereit.

Schreibe die Koordinaten der digitalisierten Ecken in die Liste neben dem Koordinatensystem.

Zeichne anschließend die sich daraus ergebende Punktewolke in dieses ausdruckbare dreidimensionale Koordinatensystem.

Digitalisiere zwischendurch mit Hilfe des Projektlehrers und einer Mitschülerin bzw. einem Mitschüler drei Ansichten deines Gesichtes mit dem David-Laserscanner. Speichere die sich ergebenden Punktewolken im OBJ-Format.

(Achtung, es sollte von jeder Projektteilnehmerin und jedem Projektteilnehmer ein Gesichtsscan durchgeführt werden, wechselt euch also bitte regelmäßig ab!)

Wichtige Hinweise zur Arbeit mit CAD-Software (hier: Blender):

• Während der Arbeit immer wieder die aktuelle Datei speichern: Datei - Speichern - Dateiname.blend.
• Nach der Konstruktion/dem Matchen exportieren der Ergebnisse ins STL-Format: Datei - Exportieren - STL - Dateiname.stl. - "Selection only" auswählen, damit nur das ausgewählte Netz/Objekt exportiert wird.
• Immer kontrollieren, ob die Dateien wirklich im verzeichnis Home_auf_Srever angekommen sind!

Säubere anschließend die drei Punktewolken nach dieser Video-Anleitung und speichere sie zum Matchen im STL-Format.

"Job to do" Level 2

Digitalisiere alle restlichen Ecken des eckigen Papierstumpfes, den du im ersten Level begonnen hast.

Schreibe auch die restlichen Koordinaten der digitalisierten Ecken in die Liste.

Ergänze die Zeichnung im Koordinatensystem.

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"Job to do" Level 4

Matche die OK- und UK-Netze eines echten Intraoralscans in Blender mit Hilfe eines Vestibulärscans.

Die Punktewolke des Oberkiefers und die des Unterkiefers werden separat mit einem Vestibuläscan gematcht. Hier werden die gematchten Punktewolken aber anschließend nicht zusammengeführt, wie es beim Matchen mehrerer Punktewolken eines Objektes der Fall war. Die beiden Punktewolken müssen am Vestibulärscan ausgerichtet werden, damit sie anschließend okklusal im Koordinatensystem zueinander passen! Die Punktewolke des Vestibulärscans wird anschließend nicht weiter verwendet!

Die notwendigen STL-Dateien kannst du hier als ZIP-Archiv herunterladen.

Das Ergebnis des Matchens speicherst du in deinem Home-Verzeichnis an geeigneter Stelle als Blender-Datei und exportierst das OK- und das UK-Netz separat im STL-Format. Eine Neuberechnung der Oberflächen ist nicht notwendig, da ja nicht mehrere Punktewolken zusammengefügt wurden.

Beschreibe schriftlich in eigenen Worten, warum beim Matchen von mehreren Punktewolken kleine Fehler zu größeren werden können.

Lösungen zu den Jobs to do für Level 1-4 - Bitte nur ausdrucken, falls du die Lösung wirklich in Papierform brauchst - das spart Papier!

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Bei Bedarf: Bildschirmfotos mit Ubuntu Linux erstellen:

Screencast zur Herstellung von Bildschirmfotos in Ubuntu Linux.

<HTML5video width="320" autoplay="false" loop="false">screencast_bildschirmfoto_aufnehmen</HTML5video>

Screencast zur Einstellung der Hintergrundfarbe in Blender für bessere Bildschirmfotos.

<HTML5video width="320" autoplay="false" loop="false">screencast_blender_hintergrund</HTML5video>

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Zusatzliche weiterführende Informationen zum Messprinzip Triangulation