编辑推荐：
为解决环境光对不同面部扫描方法准确性影响不明的问题，德国柏林夏里特医学院的研究人员开展相关研究。结果显示环境光影响存在扫描仪依赖性。该研究为优化面部扫描技术提供依据，推荐科研读者阅读。
德国柏林夏里特医学院（Charité – Universit?tsmedizin Berlin）的 Paul Ulrich Keil 等人在《BMC Oral Health》期刊上发表了题为 “Influence of ambient light on the accuracy of different face scanning methods: an in-vitro study” 的论文。这篇论文在口腔医学数字化领域具有重要意义，它聚焦于面部扫描技术在不同环境光条件下的精度问题，为优化面部扫描技术、提高其在口腔医学等领域的应用准确性提供了关键依据，有助于推动数字化口腔医疗技术更精准、高效地发展。
摘要解读
该研究旨在探究环境光对不同面部扫描方法准确性的影响。研究人员利用附着八枚销钉的人体头部模型，在 500 lx、5000 lx、20000 lx 三种光照水平下，对 Face Hunter、iPad、Medit i700、单相机摄影测量这四种面部扫描方法进行测试，并以工业 CT 扫描作为参考。研究采用均方根误差（RMSE，一种衡量数据差异程度的指标）来评估准确性，从准确性（trueness，指扫描仪尽可能接近物体原始几何形状进行复制的能力）和精密度（precision，描述在相同条件下同一扫描仪多次扫描结果之间的接近程度）两方面，通过单向方差分析（ANOVA，一种用于分析多个组数据均值差异的统计方法）及事后 Games - Howell 检验进行分析。结果显示，所有扫描仪在不同光照水平下均存在显著差异。Face Hunter 和 Medit i700 在 500 lx 较暗光照下表现更优；单相机摄影测量在较高光照水平下效果更好，但 5000 lx 和 20000 lx 之间差异不明显；iPad 在不同光照条件下，准确性和精密度结果因测量区域不同而不同，未显示出明显优势。总体而言，该研究表明环境光对不同面部扫描方法准确性的影响存在扫描仪依赖性。
研究背景
现代牙科正朝着数字化工作流程大步迈进，面部扫描仪成为获取患者头部软组织信息的重要工具。目前，多数现代面部扫描仪主要采用激光光技术、结构光技术和立体摄影测量这三种方法。激光光技术基于不同工作原理，有飞行时间（ToF）、相移和三角测量等类型，其中用于面部扫描的多为基于三角测量计算距离的扫描仪；结构光扫描仪通过投射光图案到目标表面，根据图案变形计算数字模型，苹果部分设备的 TrueDepth 系统也运用了类似技术，利用红外投影仪和红外相机捕捉目标；立体摄影测量系统使用至少两个相机从不同角度同时捕捉物体，单相机摄影测量则借助结构运动算法，通过单个相机从不同角度拍摄来重建物体三维信息。
这些面部扫描技术在牙科多个领域，如修复学、正畸学和颌面外科等，都发挥着重要作用，有助于医患、技师与牙医之间的沟通，还能辅助治疗结果的预测和面部假体的制作。然而，扫描仪的准确性是其有效应用的关键，准确性包含准确性和精密度两个方面。此前已有研究对比了直接人体测量与 3D 面部扫描的线性测量结果，也有研究将面部扫描仪与已有的扫描仪或原始模型文件进行对比来评估准确性。
值得注意的是，环境光被认为是影响扫描仪准确性的一个重要因素。在牙科实践中，不同区域对光照强度有不同要求，口腔操作区域通常需要 5000 lx - 15000 lx 的较亮照明，而窗边等区域光照强度甚至可达 100000 lx。虽然已有研究关注环境光对口腔内扫描仪准确性的影响，但对于面部扫描仪，相关研究较少。已知的仅有一项类似研究，因此，开展此项研究以探究环境光对不同面部扫描方法准确性的影响十分必要，研究人员提出的零假设为环境光条件的变化不会显著影响扫描仪的准确性。
研究方法
- 实验设置：研究选用一个用于美容的人体头部模型作为测试对象，在其表面附着八枚销钉，以提供额外的对齐几何结构。为使模型表面更具细节，如模拟皮肤毛孔、疤痕等，研究人员仔细喷涂了深色喷雾。之后，使用工业级计算机断层扫描（CT）创建参考模型。采用两个色温为 5500K 的 LED 灯（LX100），通过调节灯光亮度和与头部模型的距离，实现 500 lx、5000 lx 和 20000 lx 三种光照水平，并使用数字照度计实时监测环境光强度。
- 数据采集：研究采用了四种面部扫描方法。Face Hunter 基于结构光技术，通过向目标投射可见光线条纹图案进行扫描，每次扫描由三个不同角度的拍摄组成；iPad Pro（11 英寸，第 3 代）搭配 Heges 3D 应用程序，使用 TrueDepth 相机进行扫描，并设置了特定的扫描参数；Medit i700 是一款口腔内扫描仪，利用可见结构光图案（点图案）捕捉目标表面，扫描路径从口腔和下巴区域开始，向上移动扫描面部其他部位；单相机摄影测量使用尼康 Z6 相机搭配尼克尔镜头（AF - S，尼克尔，35 mm，1:1.8），根据不同光照水平设置相应的相机参数（ISO 值 = 100，光圈 = f8，不同光照下快门速度分别为 1/4（500 lx）、1/40（5000 lx）、1/100（20000 lx）），每次扫描在头部周围五个水平位置拍摄共 40 张照片，包括 5 张全景照片和 35 张不同高度的特写照片，照片使用 Agisoft Metashape 软件处理。
- 数据分析与统计：研究使用 Geomagic Control X 软件对扫描数据进行评估，以 RMSE 作为衡量指标。通过将测试扫描与参考扫描进行比较来研究准确性，在精密度分析中，选择每种扫描方法和光照水平下 RMSE 值最低的扫描作为参考，与同组其他扫描进行比较。利用变换对齐功能进行初始粗略对齐，再使用最佳拟合算法，基于全脸（AL - FF，不包括头部表面附着的销钉）和销钉及其周围区域（AL - KG）两个对齐区域进行处理，并区分全脸（UB - FF）和面部中心（UB - CF）两个调查区域，通过 3D 比较功能分析扫描结果并创建彩色地图。在统计分析方面，研究人员先进行了每组 5 次的预实验，以确定每种扫描方法所需的扫描次数。随后，使用 SPSS statistics 软件对所有采集的数据进行统计分析。通过带有 95% 置信区间的误差条直观评估对齐区域和不同扫描方法之间的差异，若误差条不重叠，则认为存在显著差异；对于光照水平和调查区域的评估，对每种扫描方法分别进行单向方差分析和事后 Games - Howell 检验，设定显著性阈值为 p < 0.05。
研究结果
- 对齐区域调查：所有扫描仪在捕捉销钉区域时均遇到困难，导致该区域出现变形，Medit i700 甚至无法完整描绘这一区域。对比两种对齐区域，多数情况下 AL - FF 的结果明显更好，或两者之间仅存在随机差异。基于此，后续研究仅考虑 AL - FF 对齐区域。
- 准确性（Trueness）分析
- Face Hunter：单向方差分析显示，光照水平对其准确性有显著影响（p < 0.001）。在 UB - CF 区域，500 lx 光照下 RMSE 值最低（0.362 mm），显著低于其他光照条件；而在 UB - FF 区域，500 lx 光照下 RMSE 值最高（0.911 mm），显著高于其他光照水平，5000 lx（0.733 mm）和 20000 lx（0.712 mm）之间差异不显著（p = 0.420）。
- iPad：其准确性受光照水平和调查区域影响显著（p < 0.001）。在 UB - CF 和 UB - FF 区域，20000 lx 光照下 RMSE 值最低（分别为 1.722 mm 和 2.444 mm）。
- Medit i700：光照对其准确性影响显著（p < 0.001）。在 500 lx 光照下，UB - CF 和 UB - FF 区域的 RMSE 值最低（均为 0.103 mm），与 5000 lx 光照下的结果相比，差异不显著（UB - CF 区域 p = 0.872，UB - FF 区域 p = 0.605）。
- 单相机摄影测量：光照对其准确性有显著影响（p < 0.001）。500 lx 光照下，UB - CF 和 UB - FF 区域的 RMSE 值显著高于 5000 lx 和 20000 lx 光照下的值；5000 lx（UB - CF = 0.086 mm，UB - FF = 0.106 mm）和 20000 lx（UB - CF = 0.095 mm，UB - FF = 0.126 mm）之间差异不显著。对比各方法最佳结果，Medit i700 和单相机摄影测量在准确性方面表现最佳，iPad 的 RMSE 值最高。
- 精密度（Precision）分析
- Face Hunter：在 500 lx 光照下，UB - CF（0.061 mm）和 UB - FF（0.063 mm）区域的 RMSE 值显著低于其他光照水平（p < 0.001）。
- iPad：在 UB - CF 区域，5000 lx 光照下 RMSE 值最低（0.106 mm）；在 UB - FF 区域，500 lx 光照下 RMSE 值最低（0.158 mm）。
- Medit i700：500 lx 光照下，UB - CF（0.193 mm）和 UB - FF（0.223 mm）区域的 RMSE 值显著低于其他光照水平。
- 单相机摄影测量：5000 lx 光照下，UB - CF（0.063 mm）和 UB - FF（0.073 mm）区域的 RMSE 值较低，与 20000 lx 光照下的结果差异不显著。Face Hunter 和单相机摄影测量在精密度方面表现最佳，Medit i700 的 RMSE 值最高。
- 定性分析：通过彩色地图对准确性和精密度结果进行定性分析。Face Hunter 在 500 lx 光照下，额头区域有负偏差，光照增强时偏差减小；在精密度方面，500 lx 光照下模型表面光滑，光照增强后表面粗糙且面部边缘描绘不完整。iPad 扫描在面部中心区域有正偏差，向周边区域逐渐变为负偏差，中间有可接受范围的圆形区域，且这种偏差在所有光照水平下均存在。Medit i700 和单相机摄影测量在彩色地图中未显示明显偏差。
研究结论与讨论
研究表明，环境光对不同面部扫描方法准确性的影响存在扫描仪依赖性，因此拒绝零假设。这一结论对于优化面部扫描技术在口腔医学中的应用具有重要意义。
Face Hunter 和 Medit i700 在 500 lx 较暗光照下整体表现最佳，这是因为它们采用的可见结构光技术在较高光照水平下会受到干扰。单相机摄影测量作为一种被动方法，依赖环境光，在 5000 lx 光照下 RMSE 值最低，尽管与 20000 lx 光照下差异不明显，但较高光照水平确实有利于其提高准确性。iPad 的 TrueDepth 系统基于红外照明，理论上不受实验中使用的 LED 灯影响，研究结果也显示不同光照条件对其扫描效果无明显优势差异。
从整体性能来看，Medit i700 和单相机摄影测量在准确性方面表现出色，两者之间差异不显著；Face Hunter 和单相机摄影测量在精密度方面表现较好，差异同样不显著。然而，研究也存在一定局限性。实验采用体外研究方式，未考虑人体毛发、因汗液和皮脂导致的皮肤表面反光等因素，且使用的是静止头部模型，未涉及运动对扫描准确性的影响。此外，光照测量仅在一个位置进行，无法保证其他区域光照均匀性，部分扫描仪的传感器位置未记录，扫描过程中环境温度也未测量。
尽管存在这些局限，该研究仍为面部扫描技术的发展提供了有价值的参考。它明确了不同面部扫描方法在不同环境光条件下的表现差异，有助于牙科从业者和研究人员根据实际需求选择合适的扫描设备和光照条件，以提高面部扫描的准确性，推动数字化口腔医疗技术的发展。未来研究可以在此基础上，进一步探究环境光与其他因素（如人体运动、不同皮肤状况等）共同作用对扫描准确性的影响，同时优化实验方法，更全面地评估面部扫描技术的性能。
