照相機提供可視參考點以進行探測，以供計算機系統使用從而追蹤該追蹤組件的位置和運動，進而追蹤該口腔夾具的位置和運動。在實施例中，該追蹤圖案可以包括追蹤組件200的表面上分隔開的一系列不可重復的快速參考(non-r印etitiveQuick Reference)或QR碼。申請序列號為14/209，500的申請描述了一些可以用于本申請的追蹤圖案。圖10繪不了可以用于本申請的2D追蹤圖案。
[0051]也可以使用條形碼、Aztec碼或其它2D碼或圖形圖像。優選地，該圖案使用有鮮明對比的顏色，諸如黑色(密集的交叉影線示出的)和白色，以便于系統探測和識別。設置棋盤方格(checkerboard squares)的布局使其可以很容地和快速地被識別。應當預計，也可以使用其他機制提供需要的參考數據，該參考數據包括LED、數據矩陣、數據圖像或者類似于盲文的高或低的特征(raised or lowered features)。該追蹤圖案208可以形成在粘附于該追蹤組件的框上的材料層上。可選地，該追蹤圖案可以塑造在或刻蝕在或者直接放置在該框上。
[0052]預計為了便于探測，可以配置夾具追蹤組件200提供逆光或其它機理以增加追蹤圖案210的對比。如果追蹤組件是背光的，那么優選地，追蹤圖案210由至少部分透明的或半透明的材料制成，從而增強對比。預計也可以使用熒光材料以便于探測。
[0053]現在參考圖7-9，示出了根據一個實施例的手術工具追蹤組件300，其安裝在手術牙科工具302諸如鉆子上或安裝在手術牙科工具302的一部分上。該工具追蹤組件300包括工具底座304，其配置為將工具圖案表面306固定至該工具302。該工具底座304包括開口 308，其以固定的方式安裝在工具302的體310周圍，使得該追蹤組件與該手術工具一起移動。可以利用本領域公知的很多不同的機械裝置完成該附接。例如，該工具追蹤組件附接有例如夾頭或類似公知的機械裝置，可以將該夾頭或機械裝置可拆卸地擰到或壓制到該工具體，從而將該工具追蹤組件固定到該工具。可以包括孔以允許沖洗管子和照相機線。
[0054]類似于該夾具追蹤圖案210，工具追蹤圖案308放置在或形成在該工具圖案表面306上。工具追蹤圖案308是光學可視圖案，其配置以為外部安裝的照相機提供可視參考點從而進行探測，以供計算機系統使用從而追蹤該工具追蹤組件300的位置和運動。圖10中不出的圖案可以用作工具追蹤圖案。
[0055]現在參考圖11，其示出了追蹤貼片400的實施例。在該實施例中，追蹤貼片400包括追蹤圖案210的部分。更具體地，當四個追蹤貼片設置為如圖11所示時，這四個貼片的交叉點限定了如由虛線指示的該追蹤圖案210。在該繪示的實施例中，輕的交叉影線框(lightly crosshatched boxed)在本發明的范圍內即可以是黑色的也可以是白色的。對輕的交叉影線框以及貼片400上的其他框的顏色的選擇允許唯一地限定貼片，使得系統可以識別單個貼片400。
[0056]使用追蹤貼片400會有幾個優點。第一，平均每個貼片包括大概50%的強度(即50%亮的和50%暗的)。這會提高計算機系統通過照相機對貼片中的框的探測能力，可以通過允許計算機系統調整照相機的增益和曝光來最大化探測性能。同樣，當將四個貼片400設置為如圖11所示時，每個追蹤貼片400包括至少13個定義點402，其在優選的實施例中是X-角，即具有相反顏色(即黑色(密集的交叉影線)和白色)的相鄰框之間的兩條交線的中心點。選擇如所定義點的X-角的優點為，可以將中心點的位置定位至亞像素精度，并且該位置在典型的圖像退化下是穩定的，尤其在照明過度和照明不足以及傳感器噪聲中。然而，可以利用其它類型的定義點以及不同類型的定義點的結合，例如圓或其它形狀的質心，以及在形狀上具有明顯角度的區域的拐點。更具體，并且參照圖11A，其是四個相鄰框具有相反顏色的放大視圖，線408將具有相反顏色(404為白色，406為黑色(密集的交叉影線))的相鄰框分開。在一個實施例中，編程系統使其探測兩個截然不同的顏色，本例中為白色和黑色，并且在具有這些顏色的相鄰框之間設置線。例如，當系統探測到兩個相鄰的截然不同的顏色時，其在這些截然不同的顏色框中尋找一系列兩個或多個相鄰點A、B，并且在該系列點A、B之間定義線408，進而在兩個相鄰的塊404、406之間定義線408。為了探測具有交替的、截然不同顏色的四個相鄰框，系統會分析該模式，該四個相鄰框形成了圖11A中的方塊。兩個框之間的線408的交點穿過定義點402。探測圖像中X-角的可選方法為本領域技術人員公知的通過分析Harris角探測器中的圖像結構張量。在最廣泛的實施例中，每個貼片都是圖案的唯一可識別(不模糊的)的子集。同樣預測，貼片可以與其它貼片重疊，并且不需要將其定形成一系列方塊形，而可以是奇怪的形狀。
[0057]在具有不是X-角的定義點的實施例中，可以使用對定義點的特定形狀敏感的替代探測算法。例如，如果定義點包括圓形特征點質心，可以使用這樣的算法，諸如拉普拉斯-高斯算法、高斯差分或海森行列式算法。
[0058]如上討論的，當將四個貼片400設置為如圖11時，每個追蹤貼片400包括至少13個定義點402。該系統包括多個圖案上的查找表或存儲的數據，包括框的尺寸和設置(例如位置)以及不同圖案中的定義點。該系統還包括用于將圖案數據轉換成目標坐標系統的變換(變換矩陣)。優選地，該變換是剛體變換或3D仿射變換，包括3D旋轉、平移、縮放以及反變換。預計該變換可以包括非線性變形以使該設置符合非平面表面。
[0059]更具體地，在一個實施例中，每個貼片具有以下特征:(i)其包含具有兩種(或更多種)截然不同顏色(優選地，白色和黑色)的方格；(ii)定義點只出現在該格的位置(交點)，并且(iii)印在平面表面上，這意味著在透視成像下(即當由記錄圖像的照相機在任意方向上觀察到的)，貼片似乎由局部仿射變換(意味著印刷的方形貼片將在圖像中看似被拉伸和歪曲成棱形)進行了變形。
[0060]對于使用了平面貼片的情況(即貼片上的格印刷在平面表面上)，諸如圖3中的圖案貼片設置，該系統對每個定義點做如下分析:
[0061]a.定位相鄰的定義點。更具體地，在一個實施例中，定義點可以是簡單的另一個定義點的鄰居(基于歐幾里得距離)。在另一個實施例中，臨近距離可以由沿著高對比度邊緣的距離替代。可以考慮很多其他距離函數。
[0062]b.利用被分析的定義點和臨近的定義點，確定該定義點和其臨近的定義點中的兩個之間的一對基向量。
[0063]c.然后利用該基向量計算校正的仿射變換，其將會將棱形圖像路徑(image path)變換成方形圖像路徑，這些角中的三個是定義點和其兩個臨近的定義點(即將探測到的圖像中定義點的位置轉換成在平面印刷的貼片中使用的方格的變換)。
[0064]d.然后，假設探測到的該三個點在貼片的角和邊緣處，那么系統利用該反射變換來預測每個格的位置將會位于圖像中什么位置(實質上根據該仿射變換在具有歪曲格的圖像上創建了覆蓋部分)。
[0065]e.在每個預測的格位置分析該圖像以計算描述符(descriptor)。描述符描述了局部區域。在一個實施例中，它是表示貼片的9 X 9矩陣，該矩陣中的每個元素是X-角類型。該X-角類型應用至局部2D坐標系統中，即該基向量定義了局部坐標系統，該局部坐標系統允許用“右”和“上”定義。在該坐標系統中，如果左上方的圖像路徑是亮的(并且右上方式暗的)，那么該X-角就是向左的，如果出現相反的圖案，那么就是向右的。因此，矩陣中的每個元素或者是向左的、向右的，或者沒有探測到X-角。
[0066]f.然后，計算出分數，該分數表示該描述符與存儲的編碼方案的匹配程度。在本發明中，可以在景象的部分位置探測到X-角，這些部分位置不在圖案之內。同樣地，很多選擇的三個臨近的定義點的結合事實上也可能不與貼片的角和邊緣對應。為了分析這些偽探測，需要證實該X-角的結構與所選的編碼方案的內部關系是一致的。在優選的實施例中，不同格的位置之間具有定義的關系(例如，每個貼片在已知的位置(即點，由于選擇的編碼方案X-角，該點保證會出現)具有四個配準標記R，所有標記具有與這四個貼片角中的每一個相同的方向)，這會便于測試該假設，即三個特征分別位于貼片角和2個臨近的貼片邊緣。配準標記是貼片的一部分，無論特定的貼片的編碼的標識是什么，該標記都是恒定的。因此，該9X9矩陣的元素之間具有預定的關系。例如，在一個實施例中，貼片角(元素[0,0] ;[8，0] ；[0,8] [8,8]以及配準標記(元素[2，2] ; [6，2] ; [2，6] ;[6，6])都是具有相同X-角類型(向左或向右)的X-角)。具有與這些預定的關系不一致的結構的描述符是被拒絕的。
[0067]g.一旦系統證實已知的關系存在，那么為了確定對被觀察的貼