一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法技术

本发明专利技术公开了一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法。求出每个网格顶点的平均曲率和均方差曲率；获得边界特征点和边界特征区域；将牙颌三角网格模型分离为多个独立的网格区域并进行区分；用不同编号标记牙龈区域和牙齿区域；利用区域增长计算方法处理获得精确分割结果；通过其他牙齿分别到最后一颗磨牙的测地距离对牙齿进行排序并顺序切牙；去除毛刺，删除外翻面片，采用laplacian平滑方法处理后去除狭长三角面片，实现最终牙颌三角网格模型的分割。本发明专利技术利用三角网格模型的曲率分布对牙齿模型进行初步分割；利用区域增长法对牙齿模型进行精确的切割；对边界不光滑以及外翻现象进行了光顺化处理；达到快速自动分割牙齿的目的，分割精准、光滑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及了数字几何处理领域中的网格分割技术，尤其是涉及了一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，适用于从牙颌三角网格曲面快速自动分割牙齿三角网格曲面。
技术介绍
近年来，数字口腔技术发展迅速，牙齿隐形正畸也逐渐普及。而数字治疗辅助系统要完成的工作就是建立牙齿模型，为矫治方案的设计提供数据支持。要建立精准的牙齿模型，首先需要通过光学方法扫描石膏模型获得牙颌三维数据，再利用数字几何处理技术分离牙齿牙龈数据，并对牙齿缺失部分进行修复，建立可移动的牙齿模型，供医生确定矫治方案。但由于牙齿的形状和排列因人而异，所以要精确地分离牙齿有一定的困难。而且，目前的一些牙齿分割技术中，很难一次性自动分割所有牙齿，且严重依赖人工交互，分割效率低下。利用曲面内在属性来识别牙齿边界是一种主流切牙方法，具体包括：1)曲率估计：利用曲面的内在属性，包括主曲率(最小主曲率，平均主曲率等)，对牙齿特征进行识别；2)粗糙定位牙冠区域：利用主成分分析方法(PrincipalComponentAnalysis，简称PCA)计算输入模型的局部坐标系，并构建切割平面分离牙齿和牙龈部分，这样的方法只能得到初步的结果；3)阈值法：首先计算整体模型的曲率场，再利用曲率阈值来分割牙齿边界区域。一般来说，用户可以通过交互选择该阈值，也可以通过大量实验来获得较满意的阈值，但由于一个整体阈值难以同时满足所有牙齿分割条件，往往出现过分割或欠分割情况；4)边界优化法：由于牙冠区域存在无效特征区域，且曲率场容易受噪声影响，学者通过形态学操作对边界进行优化处理。但对于复杂牙齿模型来说，形态学操作获得的边界区域存在不完整现象；5)边界定位和优化：学者利用骨架操作抽取牙齿边界区域，然后利用边界优化方法产生平滑精确地边界。但利用该方法抽取的边界存在不闭合现象，因此，需要其他额外的操作以获得平滑精确地牙齿边界。Kondo等提出一种全自动方法，该方法使用两幅距离图像识别相邻牙齿的分裂边界，将三维空间问题转化为图像问题，但该方法采用用平面去裁剪牙齿数据，对于存在严重错颌情况来说，无法精确定位牙齿牙龈边界。Kronfeld等提出基于snake的方法，该方法给定牙龈上的初始边界区域，然后利用特征吸收场以逐渐收敛获得牙齿边界区域。但模型边界的噪声往往影响特征场，使得该自动方法得到的特征线并不完全符合牙齿边界。其他交互式方法允许用户选择多个边界控制点集，然后利用测地线来连接相邻控制点。该方法直观清晰地分割牙齿模型，但用户需要多次旋转平移模型以确定模型边界点。用户交互过于繁杂，效率低下。Zou等基于调合场交互地分割模型。但该方法需要多次迭代程序以获得全部牙齿的分割。尽管Liao等人利用一致性调和场一次性地分割所有牙齿，但方法的准确性依旧依赖于人工交互。总之，现有的从牙颌三角网格模型中分割牙齿三角网格模型的方法在应用中都有着各种缺陷，主要表现为精度低、效率底下和交互繁杂。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供了一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，本方法利用数字几何处理中的多项技术来实现快速自动分割边界与边界精确调整两种模式的结合，使得牙齿分割快速、精确且边界光滑。本专利技术主要包括六个步骤，流程如下所示：A.由牙颌三角网格模型中各顶点的曲率值求出每个网格顶点P的平均曲率Km和均方差曲率Ks；曲面曲率是微分几何中的重要概念，描述了曲面的局部弯曲程度，曲率值是切割牙齿所需要的重要参数。B.将满足平均曲率Km<t1和均方差曲率Ks>t2中任一条件的网格顶点P作为边界特征点，t1为平均曲率阈值，t2为均方差曲率阈值，所有边界特征点组成边界特征点集合，取所有边界特征点及其相邻的所有三角面片的合集作为边界特征区域；具体来说，对于一个网格顶点P，若其若其平均曲率Km<t1，则令P∈A1；若其均方差曲率Ks>t2，则令P∈A2。由于选取的集合A1和A2在牙齿表面都不是完全闭合的曲线，不能把牙齿模型分为不同的独立部分，所以取A3＝A1UA2作为边界特征点的集合。根据边界特征点来计算边界特征区域的三角面片。即对于一个三角面片，只要其任意一个顶点属于集合A3，那么该三角面片为特征三角面片。C.根据边界特征区域将牙颌三角网格模型分离为多个独立的网格区域，根据顶点数目将各个独立网格区域区分为牙龈区域、牙齿区域和杂质区域；D.将分离出来的牙龈区域和牙齿区域作为每个牙齿或牙龈的预分割区域，并进行不同编号标记；E.根据预分割结果，利用区域增长计算方法处理获取精确分割结果；F.找出最后一颗磨牙，并通过计算其他牙齿分别到该颗磨牙的测地距离，来依次对其他牙齿进行排序，然后按照排序进行顺序切牙；G.去除毛刺，删除外翻面片，并采用laplacian平滑方法对牙颌三角模型上的边缘区域进行平滑处理，然后去除狭长三角面片，完成后续边界平滑处理，实现最终牙颌三角网格模型的分割。所述步骤A中的平均曲率Km和均方差曲率Ks采用以下公式进行计算：平均曲率Km=K1+K22,]]>均方差曲率Ks=K12+K22-2K1K2]]>其中，K1、K2为网格顶点P的最大曲率和最小曲率。所述步骤B中的平均曲率阈值t1和均方差曲率阈值t2可采用以下公式进行计算：取所有顶点平均曲率的最大值Kmmax和最小值Kmmin，求出平均曲率阈值取所有顶点均方差曲率的最大值Ksmax和最小值Ksmin，求出均方差曲率阈值t2=Ksmax-Ksmax-Ksmin5.]]>所述的步骤C具体如下：牙颌三角网格模型中除边界特征区域以外的其他区域被边界特征区域分离为多个独立的网格区域，将特征区域的点和面片做Delete标记，则没有被标记的面片会被分离成独立的网格区域。这些独立的网格区域大多包含一颗牙齿或牙龈的大部分数据。然后对这些独立网格区域的顶点数目进行统计，并统计独立网格区域的顶点数目，根据独立网格区域的顶点数目确定该独立网格区域的性质，分为牙龈区域、牙齿区域和杂质区域，其中，牙龈区域的顶点数目>牙齿区域的顶点数目>杂质区域的顶点数目，即顶点数目最多的为牙龈区域，顶点数目小于整个牙颌模型总顶点数目的0.5％的独立网格区域为杂质区域，剩余的为牙齿区域。所述的步骤D具体如下：对于牙龈区域和每个牙齿区域分别标记不同编号，其所包含的顶点全部标记为该顶点所在区域相同的编号，杂质区域与边界特征区域此处不进行标记，一起归为未标记区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其特征在于该方法包含下列步骤：A.由牙颌三角网格模型中各顶点的曲率值求出每个网格顶点P的平均曲率Km和均方差曲率Ks；B.对于一个网格顶点P，提取边界特征点，取所有边界特征点及其相邻的所有三角面片的合集作为边界特征区域；C.根据边界特征区域将牙颌三角网格模型分离为多个独立的网格区域，根据顶点数目将各个独立网格区域区分为牙龈区域、牙齿区域和杂质区域；D.将分离出来的牙龈区域和牙齿区域作为每个牙齿或牙龈的预分割区域，并进行不同编号标记；E.根据预分割结果，利用区域增长计算方法处理获取精确分割结果；F.找出最后一颗磨牙，并通过计算其他牙齿分别到该颗磨牙的测地距离，来依次对其他牙齿进行排序，然后按照排序进行顺序切牙；G.去除毛刺，删除外翻面片，先采用laplacian平滑方法对牙颌三角模型上的边缘区域进行平滑处理，然后去除狭长三角面片，完成后续边界平滑处理，实现最终牙颌三角网格模型的分割。

【技术特征摘要】
1.一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其特征在于该方法包含下
列步骤：
A.由牙颌三角网格模型中各顶点的曲率值求出每个网格顶点P的平均曲率
Km和均方差曲率Ks；
B.对于一个网格顶点P，提取边界特征点，取所有边界特征点及其相邻的所
有三角面片的合集作为边界特征区域；
C.根据边界特征区域将牙颌三角网格模型分离为多个独立的网格区域，根据
顶点数目将各个独立网格区域区分为牙龈区域、牙齿区域和杂质区域；
D.将分离出来的牙龈区域和牙齿区域作为每个牙齿或牙龈的预分割区域，
并进行不同编号标记；
E.根据预分割结果，利用区域增长计算方法处理获取精确分割结果；
F.找出最后一颗磨牙，并通过计算其他牙齿分别到该颗磨牙的测地距离，来
依次对其他牙齿进行排序，然后按照排序进行顺序切牙；
G.去除毛刺，删除外翻面片，先采用laplacian平滑方法对牙颌三角模型上
的边缘区域进行平滑处理，然后去除狭长三角面片，完成后续边界平滑处理，
实现最终牙颌三角网格模型的分割。
2.根据权利要求1所述的一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其
特征在于：所述步骤B中，将满足平均曲率Km<t1和均方差曲率Ks>t2中任一条
件的网格顶点P作为边界特征点，t1为平均曲率阈值，t2为均方差曲率阈值。
3.根据权利要求1所述的一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其
特征在于：所述步骤A中的平均曲率Km和均方差曲率Ks采用以下公式进行计算：
平均曲率Km=K1+K22,]]>均方差曲率Ks=K12+K22-2K1K2]]>其中，K1、K2为网格顶点P的最大曲率和最小曲率。
4.根据权利要求1所述的一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其
特征在于：所述的步骤C具体如下：牙颌三角网格模型中除边界特征区域以外
的其他区域被边界特征区域分离为多个独立的网格区域，并统计独立网格区域
的顶点数目，根据独立网格区域的顶点数目确定该独立网格区域的性质，分为
牙龈区...

【专利技术属性】
技术研发人员：田宇佳，宣梦洁，王春蝶，
申请(专利权)人：杭州美齐科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33