【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)提供了一種初始牙齦三維模型的抽殼以及之后的模型優(yōu)化方法和裝置，使用經(jīng)典marching?cube網(wǎng)格重建算法生成初步內(nèi)殼牙齦模型，并針對它普遍存在的網(wǎng)格質(zhì)量問題，使用孔洞修補網(wǎng)格重建算法和網(wǎng)格半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，最終得到完整的、面片正常的標(biāo)準(zhǔn)抽殼牙齦模型。
技術(shù)介紹
1、近年來，口腔醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，如3d掃描、cad/cam技術(shù)的應(yīng)用、新型材料的使用，以及人工智能和數(shù)字化平臺的引入，極大地提升了隱形牙套的精確性和舒適性。此外，循證醫(yī)學(xué)提供的科學(xué)依據(jù)也驗證了其安全性和有效性。這些進步共同推動了隱形牙套在牙齒矯正領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使其成為越來越多人青睞的選擇。隱形牙套的生產(chǎn)需要3d打印出患者在仿真正畸治療后的虛擬牙齦模型，然后進行壓模。為了節(jié)省3d打印的材料，就需要在保證虛擬牙齦模型強度的前提下，對模型進行抽殼。模型抽殼是cad軟件用于3d打印的重要操作，抽殼顧名思義就是把實體抽成四周壁厚一樣的殼，這個功能既可以給未封閉的表面模型增加一個厚度，得到體模型，也可以把封閉的模型內(nèi)部掏空，得到厚度均勻的殼體，在方向上，它可以向內(nèi)收縮，也可以向外擴展。
2、目前通用經(jīng)典的抽殼算法，是基于marching?cube網(wǎng)格重建的算法。marchingcube算法是三維離散數(shù)據(jù)場中提取等值面的經(jīng)典算法，其主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可視化場景，例如ct掃描和mri掃描的3d重建等。算法的基本思想是，首先基于要網(wǎng)格重建的幾何體構(gòu)建三維體素距離場，逐個處理距離場中的立方體體素，分離出與等值面相交的立方體，采用插值計算出等值面與立方體邊的交點
3、基于marching?cube的網(wǎng)格重建算法直接用于初始牙齦三維模型的抽殼是有很多問題的，首先，因為是通過一個個小立方體里面構(gòu)建平面來達到重建網(wǎng)格的目的，這致使模型是由一個個離散面片組成的，相鄰面片沒有公用頂點，而是各自的頂點相互重疊。這樣不僅會對后續(xù)的處理造成麻煩，而且產(chǎn)生了頂點浪費。另外面片之間經(jīng)常會相互交叉，造成復(fù)雜邊、非流形邊的情況。
4、本專利技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)抽殼牙齦模型生成算法，針對初始牙齦三維模型的特殊構(gòu)造和最后的隱形牙套生產(chǎn)需求，進行了適當(dāng)?shù)臄D出預(yù)處理；并且調(diào)整符號距離場的構(gòu)建流程，提出柵格擴散+層次化的符號距離場構(gòu)建思路。另外，本專利技術(shù)提出一系列對marchingcube重建后的優(yōu)化流程：在初步內(nèi)殼牙齦模型結(jié)果的基礎(chǔ)上去除重復(fù)頂點、刪除拓撲錯誤的頂點和面片，并進行補洞修復(fù)，最終進行底面裁切和縫合。優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)抽殼牙齦模型可以更好地被3d打印軟件識別，提高了網(wǎng)格重建的質(zhì)量。使用標(biāo)準(zhǔn)抽殼牙齦模型做進一步處理的話，可用性也更高，更穩(wěn)定。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，提供一種基于marchingcube的牙齦三維模型抽殼方法和裝置。
2、本專利技術(shù)的目標(biāo)是基于經(jīng)典marching?cube網(wǎng)格重建算法，提供專用于初始牙齦三維模型的抽殼方法，以及對抽殼后的初步內(nèi)殼牙齦模型進行優(yōu)化和修復(fù)的方法，以解決抽殼牙齦模型的問題，得到健康魯棒的模型。
3、本專利技術(shù)使用經(jīng)典marching?cube網(wǎng)格重建算法生成初步內(nèi)殼牙齦模型，并針對它普遍存在的網(wǎng)格質(zhì)量問題，使用孔洞修補網(wǎng)格重建算法和網(wǎng)格半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，最終得到完整的、面片正常的標(biāo)準(zhǔn)抽殼牙齦模型，
4、網(wǎng)格優(yōu)化的輸入是初始牙齦三維模型；輸出是完整且網(wǎng)格健康的標(biāo)準(zhǔn)抽殼牙齦模型。涉及流程分別是位置校正、向下擠出、距離場與內(nèi)殼構(gòu)建、重建半邊結(jié)構(gòu)、內(nèi)殼修復(fù)、布爾運算、底面裁切、底部邊緣縫合。
5、本專利技術(shù)的第一個方面提供一種基于marching?cube的牙齦三維模型抽殼方法，具體步驟如下：
6、步驟1、導(dǎo)入初始牙齦三維模型，設(shè)為mo。該模型的底面是未封閉的，而且所有底面邊緣點都在同一平面。找出僅被一個面片使用的半邊即可得到所有底面邊緣點，將所有底面邊緣點集合設(shè)為psb。根據(jù)psb可以計算出底面平面法向，進一步計算出變換矩陣把初始牙齦三維模型變換到底面與xoy平面平行的位置(xoy平面即為世界坐標(biāo)系的x軸與y軸正交出的平面)，并將其平移到幾何中心與世界坐標(biāo)系原點重合的位置。最終得到歸位后牙齦模型mr。
7、步驟2、基于mr的底面邊緣向z軸負方向擠出2.0mm。具體實現(xiàn)是：首先把psb復(fù)制一份，得到psbc。把psbc的點向z軸負方向平移2.0mm，然后將其與psb逐點縫合出面片，添加到mr中，得到高度補償牙齦模型mh。
8、步驟3、接下來構(gòu)建符號距離場，即sdf。sdf的構(gòu)建采用柵格擴散+層次化的策略。首先是較底分辨率的柵格擴散構(gòu)建。通過mh的包圍盒體素化構(gòu)造一個空白場，其中每個體素都可以設(shè)定值。通過廣度優(yōu)先搜索(bfs)算法，從mh表面向內(nèi)以及向外逐層擴展填充對應(yīng)體素的值，由于擴散是離散的，所以這里使用并行計算，效率相對較高。
9、設(shè)抽殼要求的厚度是t毫米，找到所有值為-t的體素，把他們放入體素集合vsori中。接下來把vsori中的體素通過層次化的策略進行進一步的體素細分，從而計算出局部細分符號距離場ldsdf，每個子體素的值由附近體素值插值得到。找出所有與-t值最相近的子體素，使用經(jīng)典marchingcube生成等值面，即可得到初步內(nèi)殼牙齦模型，設(shè)為
10、步驟4、遍歷所有的面片，記錄每個面片的三個頂點位置。然后刪除模型中冗余的重復(fù)頂點，每個位置只留一個頂點，同時刪除所有面片，此時模型變?yōu)橐粋€點云模型。然后根據(jù)之前記錄的每個面片三個頂點位置和中剩余的無重復(fù)頂點，重新構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu)，具有了輕量的頂點數(shù)，以及與之前一樣的面片數(shù)。此時的模型不再是一堆分散的面片，而是具備半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，將其稱為流形內(nèi)殼牙齦模型，設(shè)為后續(xù)就可以利用半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性對進行進一步處理。
11、步驟5、刪除的所有錯誤頂點。具體做法是：先遍歷其所有頂點，借助半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的連接特性檢查頂點的連接情況，查找出結(jié)構(gòu)錯誤的頂點，并把它們刪除掉，得到待優(yōu)化內(nèi)殼牙齦模型，設(shè)為的錯誤頂點可能是拓撲連接不合理的頂點，也可能是被超過兩次復(fù)用的非流行邊的兩個點。去掉了錯誤頂點，所以會出現(xiàn)孔洞。接下來，遍歷查找出的所有孔洞，調(diào)用孔洞修復(fù)算法進行補洞。
12、孔洞修復(fù)算法的原理是首先根據(jù)孔洞邊界點信息，計算邊界邊長度的平均值l；然后計算每個邊界點的兩條相鄰邊的夾角大小；找出兩條邊夾出最小夾角的三個邊界點，計算三個點中左右兩個邊界點的距離s，判斷s<2×l是否成立，若成立，則增加本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(1)導(dǎo)入的初始牙齦三維模型設(shè)Mo的底面是未封閉的，而且所有底面邊緣點都在同一平面；找出僅被一個面片使用的半邊即可得到所有底面邊緣點，將所有底面邊緣點集合設(shè)為PSb；根據(jù)PSb可以計算出底面平面法向，進一步計算出變換矩陣把初始牙齦三維模型變換到底面與XoY平面平行的位置，XoY平面即為世界坐標(biāo)系的X軸與Y軸正交出的平面，并將其平移到幾何中心與世界坐標(biāo)系原點重合的位置；最終得到歸位后牙齦模型Mr。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(2)所述的向下擠出包括：基于Mr的底面邊緣向Z軸負方向擠出2.0mm；具體是：首先把PSb復(fù)制一份，得到PSbc；把PSbc的點向Z軸負方向平移2.0mm，然后將其與PSb逐點縫合出面片，添加到Mr中，得到高度補償牙齦模型Mh。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Marchi
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(4)所述的重新連接拓撲的規(guī)則是：遍歷所有的面片，記錄每個面片的三個頂點位置；然后刪除模型中冗余的重復(fù)頂點，每個位置只留一個頂點，同時刪除所有面片，此時模型變?yōu)橐粋€點云模型；然后根據(jù)之前記錄的每個面片三個頂點位置和中剩余的無重復(fù)頂點，重新構(gòu)建面片拓撲結(jié)構(gòu)，具有了輕量的頂點數(shù)，以及與之前一樣的面片數(shù)；此時的模型是具備半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，稱為流形內(nèi)殼牙齦模型利用半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性對進行進一步處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(5)所述的刪除流形內(nèi)殼牙齦模型的所有錯誤頂點，具體包括：先遍歷其所有頂點，借助半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的連接特性檢查頂點的連接情況，查找出結(jié)構(gòu)錯誤的頂點，并把它們刪除掉，得到待優(yōu)化內(nèi)殼牙齦模型，設(shè)為的錯誤頂點可能是拓撲連接不合理的頂點，也可能是被超過兩次復(fù)用的非流行邊的兩個點；去掉了錯誤頂點，所以會出現(xiàn)孔洞；接下來，遍歷查找出的所有孔洞，調(diào)用孔洞修復(fù)算法進行補洞。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(6)根據(jù)PSbc把高度補償牙齦模型Mh的底面縫合封閉，得到封閉后外殼牙齦模型把此頜面所有的牙齒模型與做布爾加運算，得到布爾后外殼牙齦模型然后拆除的縫合底面，得到未封閉的標(biāo)準(zhǔn)外殼牙齦模型
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(7)所述的將標(biāo)準(zhǔn)外殼牙齦模型和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)殼牙齦模型合并是指：標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)殼牙齦模型把和標(biāo)準(zhǔn)外殼牙齦模型模型合并在一起，得到開口抽殼牙齦模型，設(shè)為把底部的頂點裁切掉一部分，得到裁剪后抽殼牙齦模型，設(shè)為裁切頂點完畢后，的新底面邊緣點在Z軸方向進行位移，變換到同一平面，并使新的底面與XoY平面平行，為后續(xù)的縫合做準(zhǔn)備。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(8)所述的將裁切后抽殼牙齦模型的底面邊緣縫合包括：把的內(nèi)殼部分與外殼部分的兩圈底面邊緣點分別按照邊拓撲連接排序，并且保證兩者的排序起點對應(yīng)，排序方向一致；然后兩圈底面邊緣點進行逐點的縫合，得到的面片添加到中，最終得到一個封閉的完美抽殼模型，稱為標(biāo)準(zhǔn)抽殼牙齦模型即為本文方法的最終輸出結(jié)果。
10.一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼裝置，其特征在于，包括存儲器和一個或多個處理器，所述存儲器中存儲有可執(zhí)行代碼，所述一個或多個處理器執(zhí)行所述可執(zhí)行代碼時，用于實現(xiàn)權(quán)利要求1-9中任一項所述的一種基于Marching?Cube的牙齦三維模型抽殼方法。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于marching?cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于marching?cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(1)導(dǎo)入的初始牙齦三維模型設(shè)mo的底面是未封閉的，而且所有底面邊緣點都在同一平面；找出僅被一個面片使用的半邊即可得到所有底面邊緣點，將所有底面邊緣點集合設(shè)為psb；根據(jù)psb可以計算出底面平面法向，進一步計算出變換矩陣把初始牙齦三維模型變換到底面與xoy平面平行的位置，xoy平面即為世界坐標(biāo)系的x軸與y軸正交出的平面，并將其平移到幾何中心與世界坐標(biāo)系原點重合的位置；最終得到歸位后牙齦模型mr。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種基于marching?cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(2)所述的向下擠出包括：基于mr的底面邊緣向z軸負方向擠出2.0mm；具體是：首先把psb復(fù)制一份，得到psbc；把psbc的點向z軸負方向平移2.0mm，然后將其與psb逐點縫合出面片，添加到mr中，得到高度補償牙齦模型mh。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于marching?cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(3)所述的符號距離場sdf構(gòu)建采用柵格擴散+層次化的策略：首先是較底分辨率的柵格擴散構(gòu)建，通過mh的包圍盒體素化構(gòu)造一個空白場，其中每個體素都可以設(shè)定值，通過bfs廣度優(yōu)先搜索算法，從mh表面向內(nèi)以及向外逐層擴展填充對應(yīng)體素的值，由于擴散是離散的，使用并行計算；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于marching?cube的牙齦三維模型抽殼方法，其特征在于，步驟(4)所述的重新連接拓撲的規(guī)則是：遍歷所有的面片，記錄每個面片的三個頂點位置；然后刪除模型中冗余的重復(fù)頂點，每個位置只留一個頂點，同時刪除所有面片，此時模型變?yōu)橐粋€點云模型；然后根據(jù)之前記錄的每個面片三個頂點位置和中剩余的無重復(fù)頂點，重新構(gòu)建面片拓撲結(jié)構(gòu)，具有了輕量的頂點數(shù)，以及與之前一樣的面片數(shù)；此時的模型是具備半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，稱為流形內(nèi)殼牙齦模型利用半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性對進行進一步處理。
6.根據(jù)權(quán)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳佳舟，董振興，
申請(專利權(quán))人：浙江工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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