专利名称：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
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颂三角网格 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hvisalign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颂三维数据，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 牙銀边界，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，现有的从牙颂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；( 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颂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一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颂区域，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颂区域以提高操作速度， 待分割牙颂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.计算待分割牙颂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
权利要求
1.一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的方法，该方法包含下列步骤(A).选取包含目标牙齿三角网格曲面在内的待分割牙颂区域，在该区域上草绘前景线 标识牙齿区域，该前景线由选取的目标牙齿区域的一组三角面片组成；草绘背景线标识牙 龈区域，该背景线由选取的目标牙齿周边区域的一组三角面片组成；(B).利用步骤(A)中指定的前景线与背景线初步计算牙颂三角网格曲面中属于牙齿 的区域，从而确定目标牙齿的初始边界；(C).在步骤(B)中确定的初始边界上，根据指定采样的数目均勻采样获取节点并计算 空间控制曲线，依据牙齿、牙龈分界特征，交互式调整空间控制曲线到目标位置；(D).将步骤(C)中调整后的空间控制曲线投影为嵌入在牙颂三角网格曲面上的分割 线，该分割线与经过的三角面片共面；(E).光顺优化分割线；(F).根据步骤(E)中的分割线，分割牙颂三角网格曲面上的三角面片，得到边界光滑 的牙齿三角网格曲面。
2.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格模型的 方法，其特征在于使用场景拾取几何体选取包含目标牙齿三角网格曲面及其周边三角网格 曲面在内的待分割牙颂区域。
3.根据权利要求2所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于场景拾取几何体包括正方体、长方体、柱体。
4.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于利用输入的前景线、背景线信息作为区域增长算法的种子区域，使用贪婪 算法进行区域增长，初步计算待分割牙颂区域中属于目标牙齿的区域。
5.根据权利要求4所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的方法，其特征在于贪婪算法的距离公式基于视觉极小原理
6.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于步骤(C)中生成的空间控制曲线为大于等于2次的样条曲线。
7.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于步骤(C)中生成的空间控制曲线的节点在待分割牙颂区域的三角网格曲 面上。
8.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于空间控制曲线向待分割牙颂区域的三角网格曲面投影综合使用两种方法 实现(1)基于拓扑追踪的投影方式，利用空间控制曲线在三角网格曲面上投影的连续性 追踪在顶点邻域内的延伸方向进行投影；(2)基于最近点查找的投影方式，利用空间剖分 结构快速查找节点在网格上的最近点。
9.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于光顺优化分割线利用三角网格曲面上的活动轮廓算法，采用显示欧拉方 法优化下述能量F= Γ F rk+FΗ ^mesh-curve J j^int ernal^40 ^constraint^40其中/ Eintemalds代表分割线的光滑程度，/ E。。nstaintds代表外部因素对分割线形状的 影响。
10.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于分割线分割牙颂三角网格曲面上的三角面片时，可根据拓扑情况细分成 两个或三个三角面片。
11.根据权利要求1所述的一种适用于从牙颂三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的 方法，其特征在于分割的操作对象牙颂三角网格曲面可以是牙齿全颂或部分颂的三角网格 曲面。
全文摘要
本发明属于数字几何处理中的模型分割技术领域，名称为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，该方法综合精确、高效、边界光顺三大优点，通过交互拾取待分割牙颌区域，区域增长初步分割，空间控制曲线自动生成、精确定位，分割线投影生成，分割线光顺优化等操作，最终实现牙齿三角网格曲面的分割。
文档编号G06T17/30GK102147935SQ20101011173
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者范然, 金小刚, 钮叶新, 顾书华 申请人:常州高新技术产业开发区三维工业技术研究所有限公司