[发明专利]一种适用于从牙颌三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字几何处理中的模型分割技术，提出了一种适用于从牙颌三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的方法。

背景技术

近年来口腔CAD正畸系统发展迅速，各种综合运用扫描技术、数字几何处理等软硬件技术而组成的新型口腔计算机辅助治疗系统层出不穷。其中最为典型的两个系统是OrthoCAD与Invisalign隐形矫治系统。口腔计算机辅助治疗系统的典型模式是通过光学方法扫描石膏模型获取牙颌三维数据，再利用数字几何处理技术分离牙齿牙龈数据，修复牙齿，最终进行矫治方案设计。牙齿分割是口腔计算机辅助治疗系统的基础功能，后续功能如矫治方案设计均需要牙齿作为独立的模型进行刚体运动、干涉检测等操作。由于牙齿具有不同的形状并且不同个体之间也有很大的差异，所以快速、精确地分离出单颗牙齿比较困难。

2004年Kondo使用两幅距离图像识别相邻两牙齿的分裂边界，该方法将三维空间问题转化为图像问题，但是该方法最终是用平面去裁剪牙齿数据，无法精确定位牙齿牙龈边界，参见Toshiaki Kondo，S.H.Ong，Kelvin W.C.Foong.Tooth segmentation of dental study models using range images.IEEETransactions on Medical Imaging，2004，23(3)：350-362.郝国栋等人通过计算三角网格顶点的曲率，根据顶点曲率值筛选出特征区域，由用户交互连接特征区域，之后对特征区域进行形态学操作得到特征区域的骨架线，依据获得的骨架线可以把牙齿精确地分离出来。该方法分离牙齿模型的主要思路是寻找牙齿之间的边界线，主要方法是基于曲率的自动特征计算，但通常得到的特征线并不能完全符合牙齿边界，因此需要提供更加精确的边界确定方法，参见郝国栋，程筱胜，戴宁，俞青.基于形态学的牙齿模型交互分割[J].中国制造业信息化，2008，(01)：36-39。设计牙齿分割系统时可以采用多种常用的三维模型分割算法，Chen等人论证了没有任何一种分割算法能够适合所有种类的模型，参见Xiaobai Chen，Aleksey Golovinskiy and Thomas Funkhouser.A benchmark for 3D mesh segmentation.ACM Transactions on Graphics，2009，28(3).

总体而言，现有的从牙颌三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的方法通常有两种思路：(1)确定区域从而确定边界；(2)确定边界直接根据边界分割。前者无法获得光滑精确的分割边界，后者所需要的用户交互过于烦杂、效率低下。

发明内容

本发明提供了一种适用于从牙颌三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的方法。该方法使用数字几何处理中的多种技术并提出新的分割线定位算法—采用拓扑追踪进行空间控制曲线向三角网格曲面投影，实现快速自动分割与边界精确调整两种模式的结合，使得牙齿裁剪快速、精确、边界光滑。

本发明主要包括六个步骤，流程如下所示：

A.选取包含目标牙齿三角网格曲面在内的待分割牙颌区域，在该区域上草绘前景线标识牙齿区域，草绘背景线标识牙龈区域。该步骤提供了新颖的交互方式用于确定目标牙齿区域。

(1)使用场景拾取几何体作为空间包围盒拾取待分割牙颌区域以提高操作速度，待分割牙颌区域包括目标牙齿三角网格曲面及其周边三角网格曲面。景拾取几何体主要包括但不限于：正方体、长方体、柱体。场景拾取几何体可以进行平移、旋转、缩放操作及其组合操作。

(2)在上述待分割区域上草绘前景线与背景线。其中前景线为用户选取的目标牙齿三角网格曲面上的一组三角面片，标识目标牙齿区域；背景线为用户选取的目标牙齿周边三角网格曲面上的一组三角面片，标识目标牙齿周边的牙龈区域。

B.计算待分割牙颌区域中属于目标牙齿的区域，确定目标牙齿的初始边界。

将步骤A中的前景线，背景线信息作为区域增长算法的种子区域，采用贪婪算法进行区域增长，使得目标牙齿区域近似分出，得到目标牙齿的初始边界，为后续操作提供基础。贪婪算法的距离公式基于视觉极小原理：