一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法和装置制造方法及图纸

技术编号：41595625 阅读：33 留言：0更新日期：2024-06-07 00:06

一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法和装置，其方法包括：步骤1、加载带牙根的牙齿模型及牙龈线数据；步骤2、根据牙齿位置和姿态，自动调整侧面参数；步骤3、根据参数生成底部控制点，构建三次样条曲线得到底面曲线；步骤4、根据参数生成唇侧和舌侧侧面控制点，重采样控制点以保证控制点间距均匀，得到侧面曲线；步骤5、采样侧面曲线和底面曲线，构建网格并进行Laplacian光顺；步骤6、进行碰撞检测，若牙龈顶点嵌入牙齿，尝试进行干涉解除，得到重构的虚拟牙龈；本发明专利技术利用牙龈线生成虚拟牙龈网格模型，根据牙齿姿态自适应调整牙龈参数，使重建的虚拟牙龈接近真实牙龈，无突变且光滑，通过碰撞检测后处理，降低牙根外露风险，确保生成的虚拟牙龈符合实际。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种使用图形学技术的三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法和装置，通过输入三维牙齿模型、牙齿标准轴和牙龈线，生成出牙龈的底面曲线和侧面曲线的控制点，通过自适应或者人工的方式调整控制点生成位置，快速构建出牙龈面片所需的曲线后对曲线进行采样，连接曲线上顶点的拓扑生成牙龈，对生成的牙龈进行光顺和漏根修复得到最终的虚拟牙龈网格模型。

技术介绍

1、牙齿健康问题一直是人们非常关心的一个问题，牙齿的健康问题不只是美观，健康的口腔还能预防许多疾病的发生。传统的正畸方式需要医生观察患者的牙齿并给出正畸方案，并在中间过程中不断根据牙齿矫正程度做出治疗上的调整，而患者也只有在正畸结束后才能看到正畸的效果。

技术实现思路

1、本专利技术要克服现有技术的上述缺点，提出了一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法和装置。

2、本专利技术方法的输入是牙齿的三维模型、牙齿局部坐标轴、牙齿标准轴、牙龈线，输出是重建的虚拟牙龈网格模型。

3、牙齿局部坐标轴(coordtruth)用于标识当前牙齿姿态(如图1所示)，局部坐标轴的零点为牙齿的中心点，x轴为牙齿舌侧指向唇侧的轴，y轴为牙齿当前中心点指向下一牙位牙齿中心点，x轴和y轴标识牙齿的扭转情况，z轴代表牙体长轴，由牙根指向咬合面中心，z轴标识牙齿的倾倒情况。

4、牙齿标准轴(coordtraget)是正畸过后牙齿整齐排列时牙齿的局部坐标轴，是正畸的目标位，一般采用一套排列整齐的模板牙齿的局部坐标轴作为牙齿标准轴。

<p>5、为了使重构出来的牙龈能够较为准确的反应出真实牙龈的情况，本技术采用了基于牙龈线构建虚拟牙龈网格模型的方法，牙龈线是在三维口扫模型中将牙齿面片和牙龈面片分割开来的一圈点，牙龈线是牙齿与牙龈的分界线，在牙齿移动后，牙龈线也会相应的发生变化，牙龈线的形态能反应牙龈的状态，所以我们可以根据牙龈线来模拟原始牙龈的形态。

6、大体思路是:加载牙齿模型和牙龈线，自适应调整侧面曲线参数，根据参数生成控制点，生成底面曲线，生成侧面曲线，牙龈拓扑生成，牙龈光顺，漏根检测并修复。

7、本专利技术的第一个方面涉及一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，具体的步骤如下：

8、步骤1、加载牙齿模型、牙龈线。

9、步骤2、根据牙齿的位置和姿态，对每一颗牙的侧面曲线参数进行自适应调整。

10、步骤3、用牙齿重心按照底面曲线参数生成唇侧底面控制点和舌侧底面控制点，根据控制点构造三次样条曲线得到底面曲线，对曲线进行参数化后，将每个牙齿都对应到曲线上的某个参数区间内，保证每个参数区间不重合。

11、步骤4、用牙龈线上的点按照调整后的侧面曲线参数生成唇侧侧面控制点和舌侧侧面控制点，然后将所有的控制点分段重采样来保证控制点之间的间距均匀。

12、步骤5、对侧面曲线和底面曲线采样得到一系列顶点，连接这些顶点构建出网格拓扑，对生成出来的网格进行拉普拉斯laplacian光顺。

13、步骤6、牙龈模型和牙齿模型进行碰撞检测，检查牙龈顶点是否嵌入牙齿既出现牙根外露的状况，如果存在牙龈顶点在牙齿模型内部，将顶点按照当前牙龈的面法线方向移动来解除嵌入状态，最后得到重构的牙龈。

14、其中，步骤2所述的调整每一颗牙的侧面曲线参数，具体包括：根据牙齿模型的局部坐标轴来判断牙齿当前的姿态，对牙龈侧面曲线的控制点生成参数唇侧侧面控制点偏移量(sv1)和舌侧侧面控制点偏移量(sv2)进行自适应的调整，使用了以下公式来计算侧面曲线的参数：

15、vzx＝z.dot(x′) (1)

16、

17、sv1＝max(0.7,min(5.0,sv1)) (3)

18、

19、sv2＝max(1.5,min(5.0,sv2)) (5)

20、其中x′轴是coordtruth的x轴将z坐标置为0得到的，根据coordtruth的z轴在x′轴上的投影值vzx来判断牙齿的姿态，如果这个值大于0，该牙齿姿态呈向唇侧前倾，自适应调整使sv1减少，sv2增加，如果这个值小于0，该牙齿姿态呈向舌侧倒伏，自适应调整使sv2减少，sv1增加。

21、其中，步骤3中构建底面曲线，具体包括：将牙齿重心分别沿着牙齿标准轴的x轴的正、反方向移动唇侧底面控制点偏移量(bv1)、舌侧底面控制点偏移量(bv2)参数个单位向量，然后将z坐标统一置为底面高度的固定值(valuez)，得到唇侧底面控制点(bp1)和舌侧底面控制点(bp2)；由于唇侧和舌侧的操作基本上类似，所以接下来以舌侧底面曲线来描述整个过程；用每颗牙生成的bp2来拟合三次样条曲线curve，然后将curve按照t∈[0.0,1.0],step＝0.001离散参数化成1001个点；每一颗牙齿按照舌侧牙龈线的两个端点去找curve上欧式距离最近的离散参数点，获得对应的t参数区间，每一颗牙齿对应的t参数区间需要满足互不重叠且不存在距离过近(共点)的情况；遍历每颗牙齿的t参数区间，如果有重叠情况，就和邻牙交换端点的参数值来解除重叠；如果有距离过近(共点)的情况，使两个端点的参数值分别增加和减少到最小区间间隔值的一半；在分配好对应的参数区间后，在该颗牙齿对应的参数区间内平均采样和舌侧牙龈线采样点个数同样多的参数点，利用这些参数点在底面曲线上计算出对应的离散点。

22、进一步，所述的最小区间间隔值设置为0.005。

23、其中，步骤4生成侧面曲线控制点，具体包括：将将唇、舌侧牙龈线上的采样点沿着牙齿标准轴的x轴的正、反方向移动唇侧侧面控制点偏移量(sv1)、舌侧侧面控制点偏移量(sv2)个单位向量，再下降valued个高度，得到唇侧侧面控制点(sp1)和舌侧侧面控制点(sp2)；因为牙齿在牙龈线上的采样点呈圆弧形分布，所以偏移过后的控制点也大致呈圆弧形，这样在牙缝的位置就处于两个圆弧形的夹缝之间，会有很大程度的凹陷导致整体牙龈侧面不平滑，所以就需要对圆弧末端的控制点增加补偿值使整个圆弧的曲率半径变大；

24、为了保证牙龈侧面的疏密一致性，对已生成的sp2点集和sp1点集进行重采样，将相邻两牙的侧面控制点点集拟合成三次样条曲线，在曲线上均匀采样相同个数的点作为控制点的新位置。

25、其中，步骤5生成初始的虚拟牙龈网格，具体包括：输入根据现有的牙龈控制点，使用catmull-rom曲线生成牙龈曲线，在曲线上采样一定数目的采样点作为牙龈网格的顶点，按照一定的规则连接拓扑，在实际应用中使用了以下方式连接拓扑：对于底面网格和顶面网格，采用分治的方式连接拓扑；底面曲线和牙龈线都是按照一定顺序排列的且分为了舌侧和唇侧两段，假设cback、cfront是舌侧曲线和和唇侧曲线曲线采样的点集；将两个点集中个数较多的点集设置为cbig，较小的点集设置为csmall；当cbi本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于：步骤2所述的调整每一颗牙的侧面曲线参数，具体包括：根据牙齿模型的局部坐标轴来判断牙齿当前的姿态，对牙龈侧面曲线的控制点生成参数唇侧侧面控制点偏移量(sv1)和舌侧侧面控制点偏移量(sv2)进行自适应的调整，使用了以下公式来计算侧面曲线的参数：

4.如权利要求3所述的一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于：所述的最小区间间隔值设置为0.005。

5.如权利要求1所述的一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于：步骤4生成侧面曲线控制点，具体包括：将将唇、舌侧牙龈线上的采样点沿着牙齿标准轴的x轴的正、反方向移动唇侧侧面控制点偏移量(sv1)、舌侧侧面控制点偏移量(sv2)个单位向量，再下降valued个高度，得到唇侧侧面控制点(sp1)和舌侧侧面控制点(sp2)；因为牙齿在牙龈线上的采样点呈圆弧形分布，所以偏移过后的控制点也大致呈圆弧形，这样在牙缝的位置就处于两个圆弧形的夹缝之间，会有很大程度的凹陷导致整体牙龈侧面不平滑，所以就需要对圆弧末端的控制点增加补偿值使整个圆弧的曲率半径变大；为了保证牙龈侧面的疏密一致性，对已生成的sp2点集和sp1点集进行重采样，将相邻两牙的侧面控制点点集拟合成三次样条曲线，在曲线上均匀采样相同个数的点作为控制点的新位置。

6.如权利要求1所述的一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于：步骤5生成初始的虚拟牙龈网格，具体包括：输入根据现有的牙龈控制点，使用Catmull-Rom曲线生成牙龈曲线，在曲线上采样一定数目的采样点作为牙龈网格的顶点，按照一定的规则连接拓扑，在实际应用中使用了以下方式连接拓扑：对于底面网格和顶面网格，采用分治的方式连接拓扑；底面曲线和牙龈线都是按照一定顺序排列的且分为了舌侧和唇侧两段，假设Cback、Cfront是舌侧曲线和和唇侧曲线曲线采样的点集；将两个点集中个数较多的点集设置为Cbig，较小的点集设置为Csmall；当Cbig和Csmall的个数都为n时，Cbib和Csmall两两相连成n-1个矩形再拆分成2n-2个三角形网格；当Cbig和Csmall不相等时，取Cbig中间的两个点和Csmall中间的一个点连接成三角形,Cbig变为了Cbig1和Cbig2，Csmall变为了Csmall1和Csmall2，按照上述算法分治计算Cbig1和Csmall1，Gbig2和Csmall2；得到牙龈上表面和牙龈底面的拓扑；对于侧面网格，每一条侧面曲线都和相邻的侧面曲线进行拓扑连接；对初始的牙龈网格做Laplacian光顺，对于网格中的每个顶点，根据局部信息计算出Laplacian坐标，并将顶点朝Laplacian坐标的位置移动；具体公式如下：

7.如权利要求1所述的一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于：步骤6所述的牙根外露的修复，具体包括：漏根修复对牙齿模型和牙龈侧面网格做碰撞检测，确保牙龈网格顶点都在牙齿模型的外部；每个牙龈侧面网格顶点去找和自身距离最近的牙齿模型上的顶点，利用了KD-tree的数据结构来加速找最近点的过程，对于牙龈顶点p1找到最近牙齿顶点p2，牙齿顶点p2的顶点法向为n，pn为p2指向p1的向量；当pn和n的向量点乘大于0时，可以判断p1在牙齿外部，不做任何操作；当pn和n的向量点乘...

【技术特征摘要】

1.一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.如权利要求1所述的一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于：步骤3中构建底面曲线，具体包括：将牙齿重心分别沿着牙齿标准轴的x轴的正、反方向移动唇侧底面控制点偏移量(bv1)、舌侧底面控制点偏移量(bv2)参数个单位向量，然后将z坐标统一置为底面高度的固定值(valuez)，得到唇侧底面控制点(bp1)和舌侧底面控制点(bp2)；由于唇侧和舌侧的操作基本上类似，所以接下来以舌侧底面曲线来描述整个过程；用每颗牙生成的bp2来拟合三次样条曲线curve，然后将curve按照t∈[0.0,1.0],step＝0.001离散参数化成1001个点；每一颗牙齿按照舌侧牙龈线的两个端点去找curve上欧式距离最近的离散参数点，获得对应的t参数区间，每一颗牙齿对应的t参数区间需要满足互不重叠且不存在距离过近(共点)的情况；遍历每颗牙齿的t参数区间，如果有重叠情况，就和邻牙交换端点的参数值来解除重叠；如果有距离过近(共点)的情况，使两个端点的参数值分别增加和减少到最小区间间隔值的一半；在分配好对应的参数区间后，在该颗牙齿对应的参数区间内平均采样和舌侧牙龈线采样点个数同样多的参数点，利用这些参数点在底面曲线上计算出对应的离散点。

4.如权利要求3所述的一种三维虚拟牙龈网格模型的快速构建方法，其特征在于：所述的最小区间间隔值设置为0.005。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佳舟，徐潇逸，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：

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