一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法技术

本发明专利技术涉及一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，属于计算机辅助设计与图形学领域。包括以下步骤：S1：输入牙齿网格模型，将其转换为OFF格式，并设定投影方向；S2：垂直于投影方向在包围盒顶部添加投影网格面，在底部添加基面；S3：对包围盒空间中的投影面，输入网格和基面进行BVH空间划分；S4：将投影网格面按照给定的投影方向进行投影与输入网格或基面求交，将投影点放到交点上。S5：对投影网格组成的新网格进行曲率场计算；S6：基于局部网格操作与高斯曲率场自适应地对新网格进行重划分，迭代停止后输出网格。本发明专利技术能够使用计算机辅助设计技术替代牙体预备工序中的手工填充倒凹部分，降低人工操作带来的误差与成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法
本专利技术属于计算机辅助设计与图形学领域，涉及一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法。
技术介绍
随着数字化，三维扫描等相关计算机辅助技术的发展以及各种采集数据的设备和手段的不断迭代更新，数字化技术在口腔领域的创新和应用，不断突破着传统医疗技术的局限性。在以往的口腔医学技术中，很多情况下需要处理复杂的数据，同时对精度有较高的要求，而这只能通过计算机来进行模拟，可是复杂的三维空间数据仅仅使用二维的切片是很难直观表达的，因此用三维模型来可视化并处理一些医疗数据显得非常有价值。口腔医学有别于其他医学领域，其治疗手段更加类似于机械加工，并衍生出牙科技工工艺学来专门研究各种口腔医学中的预备体加工工艺，其发展大大收益于3D打印技术的进步。牙齿形状具有不规则特点，即在同一功能形态的基础上存在一定幅度的个体偏差。注塑成型是数字化口腔系统中矫治器成型的重要一步，直接关系到患者的佩戴和治疗效果，其中一般用树脂膜片冷却凝固形成牙齿的形状，最终经过脱模和裁切，就形成了患者佩戴的矫治器。正如机械加工中的一般塑料部件会面临的问题一样，在矫治器冷却脱模取出时的过程中，模型上部分区域会因为凹陷导致矫治器难以从模型上移除，这些区域被称为倒凹(也叫倒角或者底切)，同时也指牙冠预备体表面存在的影响牙冠修复体就位的不规则区域。传统的牙科技工工艺中，医生在牙齿义体预备过程中，需要进行大量的手工操作，包括翻制牙颌形状、生成石膏工作模型、测量组织形状、雕刻蜡形等。上述工艺的核心在于技师手工设计修复体形状，以及将设计的形状转化为不同材料的修复体。基于以上对工艺的分析，可以清楚的看到用CAD系统代替的可能性。牙科CAD技术具有非常多的实用价值：如大量节省治疗时间，一次就诊完成诊断、牙体预备、修复体制作及佩戴。与医院与加工厂之间的合作也节省了成本：利用数字化技术传递牙齿模型，可以省去制作石膏模型的工艺，邮寄模型的成本。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，将传统的手工去除倒凹的步骤以计算机辅助设计的形式代替。解决手工操作精度受限于技工的技术水平，且人力成本较高，模型传递及制备时间长等问题。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，包括以下步骤：S1：输入牙齿网格模型，将其转换为OFF(ObjectFileFormat)格式，并设定投影方向；S2：垂直于投影方向在包围盒顶部添加投影网格面，在底部添加基面，对包围盒空间中的投影面，输入网格和基面进行BVH空间划分；S3：将投影网格面按照给定的投影方向进行投影与输入网格或基面求交，将投影点放到交点上；S4：对投影网格组成的新网格进行高斯曲率场的计算，并根据该曲率场针对各区域产生相应目标边长；S5：基于局部网格操作与高斯曲率场自适应地对新网格进行保特征重划分迭代，迭代停止后针对网格的角度作出最终调优并输出网格。进一步，所述步骤S1中，对不同格式的输入网格模型(STL、OFF、OBJ)，都将其转换为OFF文件格式，投影方向能够调整，如果不输入指定的投影方向，默认为输入网格包围盒的负x轴方向。进一步，所述步骤S2中，垂直于一个投影方向在入射方向添加一个均匀且各向同性的三角网格平面，在出射方向添加一个平面，作为接受投影的底面；为了加速后续的网格投影，避免不必要的空间查找，采用AABB(轴对齐包围盒，AxisAlignedBoundingBox)树的形式，对整个场景进行BVH(Boundingvolumehierarchy)空间划分。进一步，所述步骤S3中，对于投影网格上的每一个顶点，按照投影网格点生成的顺序向着投影方向进行光线投射操作，该点与相交平面(可能是模型或者基面)的第一个交点即为投影的落点，将投影点移动到落点，保持投影网格的连接关系不变，直到所有网格点投影完毕，得到基于网格投影的重采样。进一步，所述步骤S4中，把曲面上的顶点映射到单位球的球心，把法线的端点映射到球面上，将曲面上的点与球面上的点建立一种对应，高斯曲率的几何意义，即球面上的面积/曲面局部面积的极限，具体到离散的几何模型上一个高斯曲率场表示为：其中的A(v)代表v点的一阶邻域的总面积，θi代表v点对应三角形的角度(该点为二维平面时一阶邻域三角形的角度和为2π，所以曲率为0)，这个公式的几何意义是比较直观的，2π减去该点邻域对应的三角形角度和再除以对应区域的面积，即刻画了该点的弯曲程度。进一步，步骤S4中，根据得到的高斯曲率场，通过如下公式生成局部区域目标边长：针对每个顶点得到其局部目标边长L(x)，对于网格上的每条边e(x1,x2)，得到每一条边对应的局部目标边长：Local(e)＝min{L(x1),L(x2)}。进一步，所述步骤S5中，按照各条边对应的目标边长对网格进行边分裂、边折叠、边翻转等局部操作让各条边适应目标边长，同时为了保证网格各向同性需要对顶点的位置进行如下调整：其中v是网格上的非边界点，N(v)是其一阶邻域，A(v)是vi和vj所在的两个三角形的面积均值，pj是点vj的坐标，将顶点置于其重心坐标位置能够有效地调整三角形的形状。进一步，所述步骤S5中，为了在网格局部操作中尽量保持网格特性，需要对顶点进行切向平移并投影，令平移后点的位置为pi，平移量为Δi＝gi-pi，则切向平移为Δi'＝Δi-＜Δi,ni＞ni，其中ni是vi的法向量，从而得到新点的位置pi'＝pi+Δi'，顶点的法向量ni由如下公式得到：再将该点沿法向投影到原网格上，从而完成点的位置调整；然后对步骤S5中引起的各项异性再次使用边分裂、边折叠、边翻转等网格局部操作来消除尖锐角和钝角，最后输出网格。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，在基于图形学半边数据结构的基础上，采用网格投影以及重采样的思路，巧妙地解决了牙齿预备体模型制备中的倒凹去除问题，并进一步研究出专门解决这种算法会带来的低质量三角形网格问题，通过对投影后的网格进行高斯曲率场的计算，使得局部网格操作在曲率较大的特征区域能够实现网格密度自适应划分，同时在全局网格重剖的过程中，尽量保持住原来网格的形状，使其拓扑结构得到了优化，同时又不会导致网格失真。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为本专利技术所述的基于网格投影的义齿模型倒凹去除的流程图；图2为本专利技术所述的添加投影网格及基面的示意图；图3为本专利技术所述的基于高斯曲率的局部自适应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1：输入牙齿网格模型，将其转换为OFF格式，并设定投影方向；/nS2：垂直于投影方向，在包围盒顶部添加投影网格面，在包围盒底部添加基面，对包围盒空间中的投影面，输入网格和基面进行BVH空间划分；/nS3：将投影网格面按照给定的投影方向进行投影与输入网格或基面求交，将投影点放到交点上；/nS4：对投影网格组成的新网格进行高斯曲率场的计算，并根据该曲率场针对各区域产生相应目标边长；/nS5：基于局部网格操作与高斯曲率场自适应地对新网格进行保特征重划分迭代，迭代停止后针对网格的角度作出最终调优并输出网格。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：输入牙齿网格模型，将其转换为OFF格式，并设定投影方向；
S2：垂直于投影方向，在包围盒顶部添加投影网格面，在包围盒底部添加基面，对包围盒空间中的投影面，输入网格和基面进行BVH空间划分；
S3：将投影网格面按照给定的投影方向进行投影与输入网格或基面求交，将投影点放到交点上；
S4：对投影网格组成的新网格进行高斯曲率场的计算，并根据该曲率场针对各区域产生相应目标边长；
S5：基于局部网格操作与高斯曲率场自适应地对新网格进行保特征重划分迭代，迭代停止后针对网格的角度作出最终调优并输出网格。


2.根据权利要求1所述的基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，其特征在于：所述步骤S1中，对不同格式的输入网格模型，都将其转换为OFF文件格式，投影方向能够调整，如果不输入指定的投影方向，默认为输入网格包围盒的负x轴方向。


3.根据权利要求1所述的基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，其特征在于：所述步骤S2中，垂直于一个投影方向在入射方向添加一个均匀且各向同性的三角网格平面，在出射方向添加一个平面，作为接受投影的底面；采用AABB树的形式，对整个场景进行BVH空间划分。


4.根据权利要求1所述的基于网格投影的义齿模型倒凹去除方法，其特征在于：所述步骤S3中，对于投影网格上的每一个顶点，按照投影网格点生成的顺序向着投影方向进行光线投射操作，该点与相交平面的第一个交点即为投影的落点，将投影点移动到落点，保持投影网格的连接关系不变，直到所有网格点投影完毕，得到基于网格投影的重采样。


5.根据权利要求1所述的基于网格投影的义齿模型倒凹去...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦红星，陈杰，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50