一种数字化完整牙颌建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种数字化完整牙颌建模方法。将三维扫描获得的初始牙颌模型分割为各个牙齿模型，然后对其中的牙齿模型进行边缘修复，删除外翻面片并对边缘进行光滑处理；进行侧面修复，填补侧面空洞；进行碰撞检测和碰撞消除，对侧面修复后的牙齿模型进行修正；进行底部修复，为牙齿模型增加底座。本发明能精准地修复三维扫描后获得的牙齿模型缺失的侧边，并修复底座，使牙齿成为一个封闭完整的三角网格模型，有利于后期的矫正实现。
【专利说明】
一种数字化完整牙颌建模方法
技术领域
[0001]本发明涉及了数字口腔领域，具体地说是涉及了一种数字化完整牙颂建模方法。
【背景技术】
[0002]近年来，数字口腔技术发展迅速，牙齿隐形正畸也逐渐普及。在对牙齿正畸过程中，需要建立牙齿的三维网格模型，用于虚拟矫治。但经过扫描和切割之后得到的牙齿模型侧边和底座的数据缺失，需要进行修复，形成完整独立的牙齿模型，以方便虚拟矫治的进行。
【发明内容】
[0003]为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明提供了一种数字化完整牙颂建模方法。
[0004]本发明所采用的技术方案是将三维扫描获得的初始牙颂模型分割为各个牙齿模型，然后对其中的牙齿模型采用以下步骤进行处理:
[0005]A.进行边缘修复，删除外翻面片并对边缘进行光滑处理；
[0006]B.进行侧面修复，填补侧面空洞；
[0007]由于各个牙齿模型分割后在相邻牙齿之间的侧面相接处存在空洞，因此需要对相邻牙齿模型之间的连接侧面进行修复。
[0008]C.进行碰撞检测和碰撞消除，对侧面修复后的牙齿模型进行修正；
[0009]D.进行底部修复，为牙齿模型增加底座。
[0010]初始牙颂模型为三角网格模型。
[0011]所述步骤A具体是:
[0012]A-1)计算初始牙颂模型中每个顶点的均方根曲率，并根据曲率阈值T将所有顶点分为曲率大和曲率小的两类顶点；
[0013]A-3)遍历初始牙颂模型中的所有牙齿模型，对每个牙齿模型遍历多次将牙齿模型边缘含有曲率大顶点的边界三角面片删除，直到牙齿模型边缘的所有边界三角面片均不存在曲率大的顶点；
[0014]A-4)遍历所有牙齿模型，对每个牙齿模型遍历多次将牙齿模型边缘三个顶点均是边界点的边界三角面片删除，直到牙齿模型边缘的所有边界三角面片至少有一个点不是边界点；
[0015]A-5)遍历所有牙齿模型，对每个牙齿模型位于边缘的两层三角面片(包括边界三角面片和边界三角面片内层的一层三角面片)进行Taubin平滑操作。
[0016]所述步骤B具体是:
[0017]B-1)构建桥，对侧面空洞和底部空洞进行分割；
[0018]B-2)对桥进行细分和弯曲，使之与牙齿的真实弧度相符；
[0019]B-3)对桥两端与牙齿模型侧面边缘的相连接部分进行平滑处理，使之与牙齿部分平滑连接；
[0020]B-4)对侧面的空洞进行修复。
[0021]所述步骤B-1)中构建桥是指在牙齿模型侧面靠近底部附近的两侧边缘对称地选取桥墩作为桥的两端，桥墩为边缘三角面片的边界边，用两个三角面片连接两个桥墩而构成桥。
[0022]所述步骤B-1)对桥进行细分是指根据牙齿模型所有边界三角面片的密度在桥中间插入中间点，即在桥的两个三角面片的每条连接边上插入与所有边界三角面片相同密度的中间点，然后连接中间点重新构建网格拓扑，细分为多个三角网格.
[0023]所述步骤B-1)对桥进行弯曲是指通过构造一元二次函数将桥细分后的每个顶点沿其法向方向进行多次移动形变，以进行弯曲，使得弯曲后的桥面与牙齿模型侧面的边界三角面片形成平滑表面。
[0024]所述的对侧面空洞进行修复是指对牙齿模型侧面顶部与桥之间空洞依次进行识别洞、三角化洞、网格细化、网格光顺化和几何修正的几个步骤进行修复，具体是采用《Filling Holes in Meshes》&《A lightweight approach to repairing digitizedpolygon meshes》中的网格空洞修复方法。
[0025]所述步骤C具体是对相邻两个牙齿模型之间进行碰撞检测，对碰撞的部分进行多次Laplacian平滑处理用以消除碰撞，直到每相邻的两个牙齿模型之间均不存在碰撞。
[0026]所述的底部修复是指为每个牙齿模型创建虚拟牙根来填补其底部空洞，主要包括采用主元分析法建立局部坐标系，对局部坐标系进行调整和构建底座模型的三个过程。
[0027]所述局部坐标系的建立和调整对于每个牙齿模型，其具体步骤如下:
[0028]I)采用主元分析法(PCA)建立局部坐标系
[0029]2)根据特征值和特征方向调整初始局部坐标系，获得最终局部坐标系，最终局部坐标系以牙齿模型的中心点为原点，Z轴从牙齿模型的中心点指向牙冠面方向，X轴垂直于牙弓线方向且由舌侧指向唇颊侧，Y轴沿穿过牙齿两侧。
[0030]所述构建底座模型具体步骤如下:
[0031]I)确定底座高度h，从牙齿模型的中心点出发，沿局部坐标系的Z轴反方向在Z轴上取一个点0，点O与牙齿模型的中心点之间的距离为预设底座高度h的8倍；
[0032]2)在牙齿模型的中心点和点O之间的连线上距离牙齿模型中心点的h处取一点，过该点建立垂直于局部坐标系Z轴的平面；
[0033]3)将点O分别与牙齿模型边界三角面片上的所有边界点进行直线连接，直线与上述步骤获得的平面相交的交点作为底座模型的边界点；
[0034]4)将底座模型的边界点和牙齿模型的边界点进行拓扑连接，得到底座模型。
[0035]本发明的有益效果是:
[0036]本发明能够精准地修复三维扫描后获得的牙齿模型缺失的侧边，并修复底座，使牙齿成为一个封闭完整的三角网格模型，有利于后期的矫正实现。
【附图说明】
[0037]图1为牙齿均方根曲率标示图，灰度越深，表示曲率越大；
[0038]图2为单颗牙齿均方根曲率标示图，灰度越深，表示曲率越大；
[0039]图3为删除外翻面片并完成平滑操作的牙齿模型；
[0040]图4为单颗牙齿模型进行平滑操作前后对比；
[0041 ]图5为需要进行侧边修复的牙齿模型；
[0042]图6为修复侧边所构建的“桥”；
[0043]图7为“桥”的三角面片结构；
[0044]图8为经过细化后的“桥”；
[0045]图9为经过弯曲变形后的“桥”；
[0046]图10为经过平滑处理后的“桥”；
[0047]图11为侧边修复完毕的牙齿模型；
[0048]图12为侧边修复之后，相互碰撞的牙齿模型；
[0049]图13为消除碰撞后的牙齿模型；
[0050]图14为底座修复方法示意图；
[0051 ]图15为底座修复完毕的牙齿。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0053]本发明的实施例及其具体实施过程如下:
[0054]刚切割出来的牙齿边缘会存在很多外翻面片和毛刺，为保证牙齿模型的准确性，需要对边缘进行修复。如图1所示，根据曲率大小，可以对牙齿模型进行上色进行区分，深色区域为曲率较大的区域，浅色区域为曲率较小的区域，在本实施例中，所取的曲率阈值为6。图2为单颗牙齿模型的曲率分布示意图。首先遍历所有牙齿模型，删除牙齿模型边缘有顶点被标识为曲率较大的边界三角面片，在本实施例中，对每个牙齿模型该操作进行8次迭代；然后去除毛刺，遍历所有牙齿模型，删除牙齿模型边缘三个顶点都是边界点的边界三角面片，在本实施例中，对每个牙齿模型该操作进行5次迭代。随后遍历所有牙齿模型，对每个牙齿模型的边界的两层三角面片进行标记，并对标记部分进行Taubin平滑操作。边界修复后的牙齿模型如图3所示，单颗牙齿模型边缘修复前后对比图如图4所示。
[0055]在切割牙齿模型的时候，因为一些相邻牙齿距离较近，导致切割出来的牙齿模型在侧面部分存在缺失。为了得到完整的单颗牙齿模型，需要对这些侧面缺失的牙齿模型进行侧面修复。需要修复的牙齿模型如图5所示。在侧面空洞边缘选取两个点，构建桥来分割侦W空洞和底部空洞，如图6所示。刚构建的“桥”的三角面片如图7所示，根据边界点的密度对桥进行细分，在桥上插入一定数目的点，重新构建拓扑，得到图8所示的桥。随后对桥进行弯曲，调整桥的弯曲程度，使之与实际情况相符，如图9所示。最后对桥的两端进行平滑操作，使之与牙齿三角面片平滑连接，如图10所示，最后对侧面空洞进行识别和填补，如图11所示。
[0056]修复后的牙齿侧面会与实际情况有一定的差异，并可能出现相邻牙齿发生碰撞的情况，如图12所示。为消除碰撞，需要对相邻的两颗牙齿进行碰撞检测，若发生了碰撞，则对碰撞部分的网格进行一次Laplacian平滑，若平滑之后碰撞依旧存在，则重复平滑步骤，若碰撞消除，则进入下一对牙齿的碰撞检测和消除步骤。消除碰撞后的牙齿如图13所示。
[0057]牙齿侧面处理完毕后还需对底座进行修复，以得到一个封闭的牙齿模型。首先采用主元分析法，初步构建牙齿的局部坐标系，并对坐标系进行调整，使得局部坐标满足Z轴从模型重心指向牙冠面方向，X轴垂直于牙弓线方向，由舌侧指向唇颊侧，Y轴穿过牙齿两侦U。然后根据坐标轴，对底部空洞进行修复。如图14所示，首先确定底座的高度h，在本实施例中，h取值为8。然后确定Z轴反方向的一个点O，点O与重心之间的距离为8h。在点O与重心之间距离重心h处取一点，过该点确定一个垂直于局部坐标系Z轴的平面，然后连接模型所有的边界点与点O，与该平面产生一圈交点，将交点和模型的边界点按照一定规则进行拓扑连接，便可得到一个形状较为规则的底座。
[0058]由此本实施例实现了精准修复三维扫描后获得的牙齿模型缺失的侧边，并修复底座，形成封闭完整的三角网格模型。
【主权项】
1.一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于将三维扫描获得的初始牙颂模型分割为各个牙齿模型，然后对其中的牙齿模型采用以下步骤进行处理: A.进行边缘修复，删除外翻面片并对边缘进行光滑处理； B.进行侧面修复，填补侧面空洞； C.进行碰撞检测和碰撞消除，对侧面修复后的牙齿模型进行修正； D.进行底部修复，为牙齿模型增加底座。2.根据权利要求1所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述步骤A具体是: A-1)计算初始牙颂模型中每个顶点的均方根曲率，并根据曲率阈值T将所有顶点分为曲率大和曲率小的两类顶点； A-3)遍历初始牙颂模型中的所有牙齿模型，对每个牙齿模型遍历多次将牙齿模型边缘含有曲率大顶点的边界三角面片删除； A-4)遍历所有牙齿模型，对每个牙齿模型遍历多次将牙齿模型边缘三个顶点均是边界点的边界三角面片删除； A-5)遍历所有牙齿模型，对每个牙齿模型位于边缘的两层三角面片进行Taubin平滑操作。3.根据权利要求1所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述步骤B具体是包括: B-1)构建桥，对侧面空洞和底部空洞进行分割； B-2)对桥进行细分和弯曲，使之与牙齿的真实弧度相符； B-3)对桥两端与牙齿模型侧面边缘的相连接部分进行平滑处理； B-4)对侧面的空洞进行修复。4.根据权利要求3所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述步骤B-1)中构建桥是指在牙齿模型侧面靠近底部附近的两侧边缘对称地选取桥墩作为桥的两端，桥墩为边缘三角面片的边界边，用两个三角面片连接两个桥墩而构成桥。5.根据权利要求3所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述步骤B-1)对桥进行细分是指根据牙齿模型所有边界三角面片的密度在桥中间插入中间点，然后连接中间点重新构建网格拓扑，细分为多个三角网格。6.根据权利要求3所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述步骤B-1)对桥进行弯曲是指通过构造一元二次函数将桥细分后的每个顶点沿其法向方向进行多次移动形变，使得弯曲后的桥面与牙齿模型侧面的边界三角面片形成平滑表面。7.根据权利要求1所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述步骤C具体是对相邻两个牙齿模型之间进行碰撞检测，对碰撞的部分进行多次Laplacian平滑处理用以消除碰撞，直到每相邻的两个牙齿模型之间均不存在碰撞。8.根据权利要求1所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述的底部修复是指为每个牙齿模型创建虚拟牙根来填补其底部空洞，主要包括采用主元分析法建立局部坐标系、对局部坐标系进行调整和构建底座模型的三个过程。9.根据权利要求8所述的一种数字化完整牙颂建模方法，其特征在于:所述构建底座模型具体步骤如下: 1)从牙齿模型的中心点出发，沿局部坐标系的Z轴反方向在Z轴上取一个点O，点O与牙齿模型的中心点之间的距离为预设底座高度h的8倍； 2)在牙齿模型的中心点和点O之间的连线上距离牙齿模型中心点的h处取一点，过该点建立垂直于局部坐标系Z轴的平面； 3)将点O分别与牙齿模型边界三角面片上的所有边界点进行直线连接，直线与上述步骤获得的平面相交的交点作为底座模型的边界点； 4)将底座模型的边界点和牙齿模型的边界点进行拓扑连接，得到底座模型。
【文档编号】G06T5/00GK105931291SQ201610326175
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】宋雷, 田宇佳, 王春蝶, 宣梦洁
【申请人】杭州美齐科技有限公司