CN106504234B - 一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三维图像处理技术领域，尤其涉及一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法，结合模型数据多种特征值来选取牙齿牙龈的分割线，且本发明遵从模块化的思想，对分解结果并不进行任何平滑或者细分处理，能够最大程度保证分割的模型与实际牙齿相符合，并辅以人工的引导，能够提高分割方法的准确性和分割效率。

Description

一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法
技术领域
本发明涉及三维图像处理技术领域，尤其涉及一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法。
背景技术
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。现有的分割算法，在识别牙龈线等方面，仅仅依靠平均曲率以及曲率方差，并不能够完全识别正确。通过对许多模型进行统计，发现牙齿牙龈分割线处三角形面积以及曲率具有比较明显的规律性，即相邻三角形面积相似，最长边最短边比例且明显小于牙齿其他等处的三角形面积与最长边最短边的比例，且分割线处大部分是曲率变化巨大的曲面，因此本发明提出一种采用多种特征值对牙齿牙龈进行分割的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法，该方法通过设定模型中牙齿牙龈分割线附近三角片大小、边长比例以及曲面变化率，辅以人工修正分割线的方法进行牙齿的分割。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法，包括如下步骤：
(1)人工确定牙齿牙龈分割线上的一个三角片作为所求分割线的起点，标记该三角片为x，然后人工选取牙齿牙龈分界线上的任意片段，计算该片段内所有三角片的面积的平均值s以及最长边maxL与最短边minL的比值的平均值avg(maxL/minL)；
(2)设定s为面积的阈值，对模型中所有三角片进行遍历，筛选出面积值小于等于s的三角片并标记；
(3)人工查看步骤(2)中标记区域，如果标记区域覆盖了70％的牙齿牙龈分割线则进行步骤(4)，否则则修改面积的阈值，转至步骤(2)重新标记；
(4)计算标记区域内的三角片的曲面曲率，得到一个曲面曲率区间A(a，b)，其中A的范围要求标记区域内至少有95％的三角片的曲面曲率落在该区间范围内；
(5)人工对标记区域中的三角片进行选择，选中位于牙齿牙龈分割线上的三角片，然后将这些三角片从标记区域中删除，重新计算曲面曲率区间A(a，b)，其中A的范围要求标记区域内至少有95％的三角片的曲面曲率落在该区间范围内，然后将A添加到一个曲面曲率区间集合set中；
(6)对标记部分的三角片向未标记部分的三角片进行广度搜索，搜索方法是：
(61)对于标记的三角片，如果其相邻的三角片中存在未标记的三角片，则计算该未标记的三角片的曲面曲率值，将曲面曲率值落在集合set中的三角片进行标记；
(62)对于新标记的三角片再进行步骤(61)，直到没有新的三角片再被标记；
(7)如果标记区域中的三角片不能够连接成一条不间断的环形区域，则人工在未标记的牙齿牙龈分割线上选取一块区域，标记该区域，计算该区域内三角片的曲面曲率区间B(c，d)，并将B添加到集合set中，转至步骤(6)，只对新标记的三角片进行广度搜索；如果标记区域中的三角片能够连接成一条不间断的环形区域则进行步骤(8)；
(8)将步骤(7)中标记区域中的三角片，从所求分割起点x开始进行深度搜索，对每个进行深度搜索的三角片进行新标记，选择当前正进行深度搜索的三角片相邻的三角片中最长边与最短边的比值最接近avg(maxL/minL)比值的三角片，如果该三角片仅与有新标记的三角片中当前正进行深度搜索的三角片相邻，那么将该三角片作为下一个进行深度搜索的三角片进行深度搜索，不存在满足条件的三角片，则清除当前进行深度搜索的三角片的新标记，如果当前进行深度搜索的三角片的相邻三角片有一个恰好是起点x，则停止搜索；
(9)步骤(8)中得到新标记的区域即为所求分割线，按照所求分割线将模型分割成若干牙齿以及牙龈。
本发明的交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法，结合模型数据多种特征值来选取牙齿牙龈的分割线，且本发明遵从模块化的思想，对分解结果并不进行任何平滑或者细分处理，能够最大程度保证分割的模型与实际牙齿相符合，并辅以人工的引导，能够提高分割方法的准确性和分割效率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的方法做进一步的详细说明：
分割全颌牙齿模型，需要确定一条分割线，这条线可以是三角片边的集合，也可以是三角片面的集合，本方法采用的是三角片面的集合。
一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)人工确定牙齿牙龈分割线上的一个三角片作为所求分割线的起点，标记该三角片为x，然后人工选取牙齿牙龈分界线上的任意片段，计算该片段内所有三角片的面积的平均值s以及最长边maxL与最短边minL的比值的平均值avg(maxL/minL)；此处人工标定所求分割线的起点以及人工选定牙齿牙龈分界线上的任意片段，在算法的开始首先根据统计的结论，即分割线上相邻三角形面积相似，最长边及最短边的比例小于牙齿其他地方最长边最短边的比例计算出人工标定的牙齿牙龈分割线上三角片的面积的平均值，以及最长边最短边的比例的平均值作为以下步骤的阈值，能提高本方法的正确性并且能提高计算效率。
(2)设定s为面积的阈值，对模型中所有三角片进行遍历，筛选出面积值小于等于s的三角片并标记；
(3)人工查看步骤(2)中标记区域，如果标记区域覆盖了70％的牙齿牙龈分割线则进行步骤(4)，否则则修改面积的阈值，转至步骤(2)重新标记；用面积阈值对模型中的三角片进行筛选，虽然人工标定的三角片是准确的，但是整体来说可能不具有代表性，因此要反复修正阈值，使得标记区域能够较多的覆盖真正的牙齿牙龈分割线。
(4)计算标记区域内的三角片的曲面曲率，得到一个曲面曲率区间A(a，b)，其中A的范围要求标记区域内至少有95％的三角片的曲面曲率落在该区间范围内；采用面积的特征进行筛选过后再采用曲面曲率进行筛选，以提高准确率。
(5)人工对标记区域中的三角片进行选择，选中位于牙齿牙龈分割线上的三角片，然后将这些三角片从标记区域中删除，重新计算曲面曲率区间A(a，b)，其中A的范围要求标记区域内至少有95％的三角片的曲面曲率落在该区间范围内，然后将A添加到一个曲面曲率区间集合set中；
(6)对标记部分的三角片向未标记部分的三角片进行广度搜索，搜索方法是：
(61)对于标记的三角片，如果其相邻的三角片中存在未标记的三角片，则计算该未标记的三角片的曲面曲率值，将曲面曲率值落在集合set中的三角片进行标记；该步骤中相邻的三角片是指与所标记的三角片有一条公共边到的相邻三角片。
(62)对于新标记的三角片再进行步骤(61)，直到没有新的三角片再被标记；
虽然用面积值作为特征值进行筛选，能够选出大部分的位于牙齿牙龈分割线上的三角片，但是单一的特征值会漏选一部分位于牙齿牙龈分割线上的三角片，因此再选用曲面曲率对一些符合条件的特征值进行添加，能够进一步提高算法的准确率。
(7)如果标记区域中的三角片不能够连接成一条不间断的环形区域，则人工在未标记的牙齿牙龈分割线上选取一块区域，标记该区域，计算该区域内三角片的曲面曲率区间B(c，d)并将B添加到集合set中，转至步骤(6)，只对新标记的三角片进行广度搜索；如果标记区域中的三角片能够连接成一条不间断的环形区域则进行步骤(8)；人工辅助，提高了整个算法的准确率。
(8)将步骤(7)中标记区域中的三角片，从所求分割起点x开始进行深度搜索，对每个进行深度搜索的三角片进行新标记，选择当前正进行深度搜索的三角片相邻的三角片中最长边与最短边的比值最接近avg(maxL/minL)比值的三角片，如果该三角片仅与有新标记的三角片中当前正进行深度搜索的三角片相邻，那么将该三角片作为下一个进行深度搜索的三角片进行深度搜索，不存在满足条件的三角片，则清除当前进行深度搜索的三角片的新标记，如果当前进行深度搜索的三角片的相邻三角片有一个恰好是起点x，则停止搜索；该步骤中相邻的三角片是指与所标记的三角片有公共顶点的相邻的三角片；该步骤借助最长边与最短边的比值作为特征值进行了深度搜索，提高了准确率与计算效率。
(9)步骤(8)中得到新标记的区域即为所求分割线，按照所求分割线将模型分割成若干牙齿以及牙龈。
本发明的分割结果一定程度上依赖人工判断，因此可以保证较高的分割的准确性；且本发明遵从模块化的思想，对分解结果并不进行任何平滑或者细分处理，能够通过最大程度保证分割的模型与实际牙齿相符合；通过使用离散曲面曲率计算以及其他的三角形特征而不是采用单纯在模型上画分界线来选择牙龈线，能够提高人工分割效率。

Claims (1)

1.一种交互式分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)人工确定牙齿牙龈分割线上的一个三角片作为所求分割线的起点，标记该三角片为x，然后人工选取牙齿牙龈分界线上的任意片段，计算该片段内所有三角片的面积的平均值s以及最长边maxL与最短边minL的比值的平均值avg(maxL/minL)；
(2)设定s为面积的阈值，对模型中所有三角片进行遍历，筛选出面积值小于等于s的三角片并标记；
(3)人工查看步骤(2)中标记区域，如果标记区域覆盖了70％的牙齿牙龈分割线则进行步骤(4)，否则则修改面积的阈值，转至步骤(2)重新标记；
(4)计算标记区域内的三角片的曲面曲率，得到一个曲面曲率区间A(a，b)，其中A的范围要求标记区域内至少有95％的三角片的曲面曲率落在该区间范围内；
(5)人工对标记区域中的三角片进行选择，选中位于牙齿牙龈分割线上的三角片，然后将这些三角片从标记区域中删除，重新计算曲面曲率区间A(a，b)，其中A的范围要求标记区域内至少有95％的三角片的曲面曲率落在该区间范围内，然后将A添加到一个曲面曲率区间集合set中；
(6)对标记部分的三角片向未标记部分的三角片进行广度搜索，搜索方法是：(61)对于标记的三角片，如果其相邻的三角片中存在未标记的三角片，则计算该未标记的三角片的曲面曲率值，将曲面曲率值落在集合set中的三角片进行标记；(62)对于新标记的三角片再进行步骤(61)，直到没有新的三角片再被标记；
(7)如果标记区域中的三角片不能够连接成一条不间断的环形区域，则人工在未标记的牙齿牙龈分割线上选取一块区域，标记该区域，计算该区域内三角片的曲面曲率区间B(c，d)，并将B添加到集合set中，转至步骤(6)，只对新标记的三角片进行广度搜索；如果标记区域中的三角片能够连接成一条不间断的环形区域则进行步骤(8)；
(8)将步骤(7)中标记区域中的三角片，从所求分割起点x开始进行深度搜索，对每个进行深度搜索的三角片进行新标记，选择当前正进行深度搜索的三角片相邻的三角片中最长边与最短边的比值最接近avg(maxL/minL)比值的三角片，如果该三角片仅与有新标记的三角片中当前正进行深度搜索的三角片相邻，那么将该三角片作为下一个进行深度搜索的三角片进行深度搜索，不存在满足条件的三角片，则清除当前进行深度搜索的三角片的新标记，如果当前进行深度搜索的三角片的相邻三角片有一个是起点x，则停止搜索；
(9)步骤(8)中得到新标记的区域即为所求分割线，按照所求分割线将模型分割成若干牙齿以及牙龈。
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