一種數(shù)字化完整牙頜建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字化完整牙頜建模方法。將三維掃描獲得的初始牙頜模型分割為各個牙齒模型，然后對其中的牙齒模型進(jìn)行邊緣修復(fù)，刪除外翻面片并對邊緣進(jìn)行光滑處理；進(jìn)行側(cè)面修復(fù)，填補(bǔ)側(cè)面空洞；進(jìn)行碰撞檢測和碰撞消除，對側(cè)面修復(fù)后的牙齒模型進(jìn)行修正；進(jìn)行底部修復(fù)，為牙齒模型增加底座。本發(fā)明能精準(zhǔn)地修復(fù)三維掃描后獲得的牙齒模型缺失的側(cè)邊，并修復(fù)底座，使牙齒成為一個封閉完整的三角網(wǎng)格模型，有利于后期的矯正實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】
一種數(shù)字化完整牙頜建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及了數(shù)字口腔領(lǐng)域，具體地說是涉及了一種數(shù)字化完整牙頌建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，數(shù)字口腔技術(shù)發(fā)展迅速，牙齒隱形正畸也逐漸普及。在對牙齒正畸過程中，需要建立牙齒的三維網(wǎng)格模型，用于虛擬矯治。但經(jīng)過掃描和切割之后得到的牙齒模型側(cè)邊和底座的數(shù)據(jù)缺失，需要進(jìn)行修復(fù)，形成完整獨(dú)立的牙齒模型，以方便虛擬矯治的進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明提供了一種數(shù)字化完整牙頌建模方法。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是將三維掃描獲得的初始牙頌?zāi)Ｐ头指顬楦鱾€牙齒模型，然后對其中的牙齒模型采用以下步驟進(jìn)行處理:
[0005]A.進(jìn)行邊緣修復(fù)，刪除外翻面片并對邊緣進(jìn)行光滑處理；
[0006]B.進(jìn)行側(cè)面修復(fù)，填補(bǔ)側(cè)面空洞；
[0007]由于各個牙齒模型分割后在相鄰牙齒之間的側(cè)面相接處存在空洞，因此需要對相鄰牙齒模型之間的連接側(cè)面進(jìn)行修復(fù)。
[0008]C.進(jìn)行碰撞檢測和碰撞消除，對側(cè)面修復(fù)后的牙齒模型進(jìn)行修正；
[0009]D.進(jìn)行底部修復(fù)，為牙齒模型增加底座。
[0010]初始牙頌?zāi)Ｐ蜑槿蔷W(wǎng)格模型。
[0011]所述步驟A具體是:
[0012]A-1)計(jì)算初始牙頌?zāi)Ｐ椭忻總€頂點(diǎn)的均方根曲率，并根據(jù)曲率閾值T將所有頂點(diǎn)分為曲率大和曲率小的兩類頂點(diǎn)；
[0013]A-3)遍歷初始牙頌?zāi)Ｐ椭械乃醒例X模型，對每個牙齒模型遍歷多次將牙齒模型邊緣含有曲率大頂點(diǎn)的邊界三角面片刪除，直到牙齒模型邊緣的所有邊界三角面片均不存在曲率大的頂點(diǎn)；
[0014]A-4)遍歷所有牙齒模型，對每個牙齒模型遍歷多次將牙齒模型邊緣三個頂點(diǎn)均是邊界點(diǎn)的邊界三角面片刪除，直到牙齒模型邊緣的所有邊界三角面片至少有一個點(diǎn)不是邊界點(diǎn)；
[0015]A-5)遍歷所有牙齒模型，對每個牙齒模型位于邊緣的兩層三角面片(包括邊界三角面片和邊界三角面片內(nèi)層的一層三角面片)進(jìn)行Taubin平滑操作。
[0016]所述步驟B具體是:
[0017]B-1)構(gòu)建橋，對側(cè)面空洞和底部空洞進(jìn)行分割；
[0018]B-2)對橋進(jìn)行細(xì)分和彎曲，使之與牙齒的真實(shí)弧度相符；
[0019]B-3)對橋兩端與牙齒模型側(cè)面邊緣的相連接部分進(jìn)行平滑處理，使之與牙齒部分平滑連接；
[0020]B-4)對側(cè)面的空洞進(jìn)行修復(fù)。
[0021]所述步驟B-1)中構(gòu)建橋是指在牙齒模型側(cè)面靠近底部附近的兩側(cè)邊緣對稱地選取橋墩作為橋的兩端，橋墩為邊緣三角面片的邊界邊，用兩個三角面片連接兩個橋墩而構(gòu)成橋。
[0022]所述步驟B-1)對橋進(jìn)行細(xì)分是指根據(jù)牙齒模型所有邊界三角面片的密度在橋中間插入中間點(diǎn)，即在橋的兩個三角面片的每條連接邊上插入與所有邊界三角面片相同密度的中間點(diǎn)，然后連接中間點(diǎn)重新構(gòu)建網(wǎng)格拓?fù)?，?xì)分為多個三角網(wǎng)格.
[0023]所述步驟B-1)對橋進(jìn)行彎曲是指通過構(gòu)造一元二次函數(shù)將橋細(xì)分后的每個頂點(diǎn)沿其法向方向進(jìn)行多次移動形變，以進(jìn)行彎曲，使得彎曲后的橋面與牙齒模型側(cè)面的邊界三角面片形成平滑表面。
[0024]所述的對側(cè)面空洞進(jìn)行修復(fù)是指對牙齒模型側(cè)面頂部與橋之間空洞依次進(jìn)行識別洞、三角化洞、網(wǎng)格細(xì)化、網(wǎng)格光順化和幾何修正的幾個步驟進(jìn)行修復(fù)，具體是采用《Filling Holes in Meshes》&《A lightweight approach to repairing digitizedpolygon meshes》中的網(wǎng)格空洞修復(fù)方法。
[0025]所述步驟C具體是對相鄰兩個牙齒模型之間進(jìn)行碰撞檢測，對碰撞的部分進(jìn)行多次Laplacian平滑處理用以消除碰撞，直到每相鄰的兩個牙齒模型之間均不存在碰撞。
[0026]所述的底部修復(fù)是指為每個牙齒模型創(chuàng)建虛擬牙根來填補(bǔ)其底部空洞，主要包括采用主元分析法建立局部坐標(biāo)系，對局部坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整和構(gòu)建底座模型的三個過程。
[0027]所述局部坐標(biāo)系的建立和調(diào)整對于每個牙齒模型，其具體步驟如下:
[0028]I)采用主元分析法(PCA)建立局部坐標(biāo)系
[0029]2)根據(jù)特征值和特征方向調(diào)整初始局部坐標(biāo)系，獲得最終局部坐標(biāo)系，最終局部坐標(biāo)系以牙齒模型的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，Z軸從牙齒模型的中心點(diǎn)指向牙冠面方向，X軸垂直于牙弓線方向且由舌側(cè)指向唇頰側(cè)，Y軸沿穿過牙齒兩側(cè)。
[0030]所述構(gòu)建底座模型具體步驟如下:
[0031]I)確定底座高度h，從牙齒模型的中心點(diǎn)出發(fā)，沿局部坐標(biāo)系的Z軸反方向在Z軸上取一個點(diǎn)0，點(diǎn)O與牙齒模型的中心點(diǎn)之間的距離為預(yù)設(shè)底座高度h的8倍；
[0032]2)在牙齒模型的中心點(diǎn)和點(diǎn)O之間的連線上距離牙齒模型中心點(diǎn)的h處取一點(diǎn)，過該點(diǎn)建立垂直于局部坐標(biāo)系Z軸的平面；
[0033]3)將點(diǎn)O分別與牙齒模型邊界三角面片上的所有邊界點(diǎn)進(jìn)行直線連接，直線與上述步驟獲得的平面相交的交點(diǎn)作為底座模型的邊界點(diǎn)；
[0034]4)將底座模型的邊界點(diǎn)和牙齒模型的邊界點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)溥B接，得到底座模型。
[0035]本發(fā)明的有益效果是:
[0036]本發(fā)明能夠精準(zhǔn)地修復(fù)三維掃描后獲得的牙齒模型缺失的側(cè)邊，并修復(fù)底座，使牙齒成為一個封閉完整的三角網(wǎng)格模型，有利于后期的矯正實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0037]圖1為牙齒均方根曲率標(biāo)示圖，灰度越深，表示曲率越大；
[0038]圖2為單顆牙齒均方根曲率標(biāo)示圖，灰度越深，表示曲率越大；
[0039]圖3為刪除外翻面片并完成平滑操作的牙齒模型；
[0040]圖4為單顆牙齒模型進(jìn)行平滑操作前后對比；
[0041 ]圖5為需要進(jìn)行側(cè)邊修復(fù)的牙齒模型；
[0042]圖6為修復(fù)側(cè)邊所構(gòu)建的“橋”；
[0043]圖7為“橋”的三角面片結(jié)構(gòu)；
[0044]圖8為經(jīng)過細(xì)化后的“橋”；
[0045]圖9為經(jīng)過彎曲變形后的“橋”；
[0046]圖10為經(jīng)過平滑處理后的“橋”；
[0047]圖11為側(cè)邊修復(fù)完畢的牙齒模型；
[0048]圖12為側(cè)邊修復(fù)之后，相互碰撞的牙齒模型；
[0049]圖13為消除碰撞后的牙齒模型；
[0050]圖14為底座修復(fù)方法示意圖；
[0051 ]圖15為底座修復(fù)完畢的牙齒。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0053]本發(fā)明的實(shí)施例及其具體實(shí)施過程如下:
[0054]剛切割出來的牙齒邊緣會存在很多外翻面片和毛刺，為保證牙齒模型的準(zhǔn)確性，需要對邊緣進(jìn)行修復(fù)。如圖1所示，根據(jù)曲率大小，可以對牙齒模型進(jìn)行上色進(jìn)行區(qū)分，深色區(qū)域?yàn)榍瘦^大的區(qū)域，淺色區(qū)域?yàn)榍瘦^小的區(qū)域，在本實(shí)施例中，所取的曲率閾值為6。圖2為單顆牙齒模型的曲率分布示意圖。首先遍歷所有牙齒模型，刪除牙齒模型邊緣有頂點(diǎn)被標(biāo)識為曲率較大的邊界三角面片，在本實(shí)施例中，對每個牙齒模型該操作進(jìn)行8次迭代；然后去除毛刺，遍歷所有牙齒模型，刪除牙齒模型邊緣三個頂點(diǎn)都是邊界點(diǎn)的邊界三角面片，在本實(shí)施例中，對每個牙齒模型該操作進(jìn)行5次迭代。隨后遍歷所有牙齒模型，對每個牙齒模型的邊界的兩層三角面片進(jìn)行標(biāo)記，并對標(biāo)記部分進(jìn)行Taubin平滑操作。邊界修復(fù)后的牙齒模型如圖3所示，單顆牙齒模型邊緣修復(fù)前后對比圖如圖4所示。
[0055]在切割牙齒模型的時候，因?yàn)橐恍┫噜徰例X距離較近，導(dǎo)致切割出來的牙齒模型在側(cè)面部分存在缺失。為了得到完整的單顆牙齒模型，需要對這些側(cè)面缺失的牙齒模型進(jìn)行側(cè)面修復(fù)。需要修復(fù)的牙齒模型如圖5所示。在側(cè)面空洞邊緣選取兩個點(diǎn)，構(gòu)建橋來分割偵W空洞和底部空洞，如圖6所示。剛構(gòu)建的“橋”的三角面片如圖7所示，根據(jù)邊界點(diǎn)的密度對橋進(jìn)行細(xì)分，在橋上插入一定數(shù)目的點(diǎn)，重新構(gòu)建拓?fù)?，得到圖8所示的橋。隨后對橋進(jìn)行彎曲，調(diào)整橋的彎曲程度，使之與實(shí)際情況相符，如圖9所示。最后對橋的兩端進(jìn)行平滑操作，使之與牙齒三角面片平滑連接，如圖10所示，最后對側(cè)面空洞進(jìn)行識別和填補(bǔ)，如圖11所示。
[0056]修復(fù)后的牙齒側(cè)面會與實(shí)際情況有一定的差異，并可能出現(xiàn)相鄰牙齒發(fā)生碰撞的情況，如圖12所示。為消除碰撞，需要對相鄰的兩顆牙齒進(jìn)行碰撞檢測，若發(fā)生了碰撞，則對碰撞部分的網(wǎng)格進(jìn)行一次Laplacian平滑，若平滑之后碰撞依舊存在，則重復(fù)平滑步驟，若碰撞消除，則進(jìn)入下一對牙齒的碰撞檢測和消除步驟。消除碰撞后的牙齒如圖13所示。
[0057]牙齒側(cè)面處理完畢后還需對底座進(jìn)行修復(fù)，以得到一個封閉的牙齒模型。首先采用主元分析法，初步構(gòu)建牙齒的局部坐標(biāo)系，并對坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整，使得局部坐標(biāo)滿足Z軸從模型重心指向牙冠面方向，X軸垂直于牙弓線方向，由舌側(cè)指向唇頰側(cè)，Y軸穿過牙齒兩偵U。然后根據(jù)坐標(biāo)軸，對底部空洞進(jìn)行修復(fù)。如圖14所示，首先確定底座的高度h，在本實(shí)施例中，h取值為8。然后確定Z軸反方向的一個點(diǎn)O，點(diǎn)O與重心之間的距離為8h。在點(diǎn)O與重心之間距離重心h處取一點(diǎn)，過該點(diǎn)確定一個垂直于局部坐標(biāo)系Z軸的平面，然后連接模型所有的邊界點(diǎn)與點(diǎn)O，與該平面產(chǎn)生一圈交點(diǎn)，將交點(diǎn)和模型的邊界點(diǎn)按照一定規(guī)則進(jìn)行拓?fù)溥B接，便可得到一個形狀較為規(guī)則的底座。
[0058]由此本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)修復(fù)三維掃描后獲得的牙齒模型缺失的側(cè)邊，并修復(fù)底座，形成封閉完整的三角網(wǎng)格模型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于將三維掃描獲得的初始牙頌?zāi)Ｐ头指顬楦鱾€牙齒模型，然后對其中的牙齒模型采用以下步驟進(jìn)行處理: A.進(jìn)行邊緣修復(fù)，刪除外翻面片并對邊緣進(jìn)行光滑處理； B.進(jìn)行側(cè)面修復(fù)，填補(bǔ)側(cè)面空洞； C.進(jìn)行碰撞檢測和碰撞消除，對側(cè)面修復(fù)后的牙齒模型進(jìn)行修正； D.進(jìn)行底部修復(fù)，為牙齒模型增加底座。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述步驟A具體是: A-1)計(jì)算初始牙頌?zāi)Ｐ椭忻總€頂點(diǎn)的均方根曲率，并根據(jù)曲率閾值T將所有頂點(diǎn)分為曲率大和曲率小的兩類頂點(diǎn)； A-3)遍歷初始牙頌?zāi)Ｐ椭械乃醒例X模型，對每個牙齒模型遍歷多次將牙齒模型邊緣含有曲率大頂點(diǎn)的邊界三角面片刪除； A-4)遍歷所有牙齒模型，對每個牙齒模型遍歷多次將牙齒模型邊緣三個頂點(diǎn)均是邊界點(diǎn)的邊界三角面片刪除； A-5)遍歷所有牙齒模型，對每個牙齒模型位于邊緣的兩層三角面片進(jìn)行Taubin平滑操作。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述步驟B具體是包括: B-1)構(gòu)建橋，對側(cè)面空洞和底部空洞進(jìn)行分割； B-2)對橋進(jìn)行細(xì)分和彎曲，使之與牙齒的真實(shí)弧度相符； B-3)對橋兩端與牙齒模型側(cè)面邊緣的相連接部分進(jìn)行平滑處理； B-4)對側(cè)面的空洞進(jìn)行修復(fù)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述步驟B-1)中構(gòu)建橋是指在牙齒模型側(cè)面靠近底部附近的兩側(cè)邊緣對稱地選取橋墩作為橋的兩端，橋墩為邊緣三角面片的邊界邊，用兩個三角面片連接兩個橋墩而構(gòu)成橋。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述步驟B-1)對橋進(jìn)行細(xì)分是指根據(jù)牙齒模型所有邊界三角面片的密度在橋中間插入中間點(diǎn)，然后連接中間點(diǎn)重新構(gòu)建網(wǎng)格拓?fù)?，?xì)分為多個三角網(wǎng)格。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述步驟B-1)對橋進(jìn)行彎曲是指通過構(gòu)造一元二次函數(shù)將橋細(xì)分后的每個頂點(diǎn)沿其法向方向進(jìn)行多次移動形變，使得彎曲后的橋面與牙齒模型側(cè)面的邊界三角面片形成平滑表面。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述步驟C具體是對相鄰兩個牙齒模型之間進(jìn)行碰撞檢測，對碰撞的部分進(jìn)行多次Laplacian平滑處理用以消除碰撞，直到每相鄰的兩個牙齒模型之間均不存在碰撞。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述的底部修復(fù)是指為每個牙齒模型創(chuàng)建虛擬牙根來填補(bǔ)其底部空洞，主要包括采用主元分析法建立局部坐標(biāo)系、對局部坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整和構(gòu)建底座模型的三個過程。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種數(shù)字化完整牙頌建模方法，其特征在于:所述構(gòu)建底座模型具體步驟如下: 1)從牙齒模型的中心點(diǎn)出發(fā)，沿局部坐標(biāo)系的Z軸反方向在Z軸上取一個點(diǎn)O，點(diǎn)O與牙齒模型的中心點(diǎn)之間的距離為預(yù)設(shè)底座高度h的8倍； 2)在牙齒模型的中心點(diǎn)和點(diǎn)O之間的連線上距離牙齒模型中心點(diǎn)的h處取一點(diǎn)，過該點(diǎn)建立垂直于局部坐標(biāo)系Z軸的平面； 3)將點(diǎn)O分別與牙齒模型邊界三角面片上的所有邊界點(diǎn)進(jìn)行直線連接，直線與上述步驟獲得的平面相交的交點(diǎn)作為底座模型的邊界點(diǎn)； 4)將底座模型的邊界點(diǎn)和牙齒模型的邊界點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)溥B接，得到底座模型。
【文檔編號】G06T5/00GK105931291SQ201610326175
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】宋雷, 田宇佳, 王春蝶, 宣夢潔
【申請人】杭州美齊科技有限公司