CN110200710A - 一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，包括下述步骤：步骤一，利用扫描装置实时快速获取患者人脸模型和牙齿模型，其中人脸模型指患者露齿微笑时脸部下颌部分的彩色三维点云数据，牙齿模型指患者口内上下牙列咬合状态下的彩色牙齿三维点云数据；本发明实时快速的获取患者彩色三维人脸模型和彩色三维全口牙齿模型，直接进行口内扫描以及实时建模，提高了工作效率；通过将牙齿模型配准到患者口腔内，模拟患者口腔环境；医师对患者三维模型的修复设计，使患者能直观地观察到牙齿修复前后的模拟效果，有助于医患沟通；同时基于三维的口腔修复设计能克服二维DSD的多种劣势，完善口腔数字化设计。

Description

一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法
技术领域
本发明涉及口腔修复技术领域，具体涉及一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法。
背景技术
近年来，口腔健康越来越受到人们的关注，人们对于口腔美容的需求也越来越大。传统上，正畸医生对患者的牙齿进行海藻酸盐印模并将其转化为石头模型，使用卡尺测量齿宽度，各种研究表明，卡钳准确可靠，其具有易于制造、便宜和准确，被认为是一种用于诊断和治疗计划的工具，但其同样存在诸如存储成本和破损、磨损的可能性的缺点。
数字微笑设计(digital smile design，DSD)是目前美学口腔医师较为常用的虚拟美学修复设计工具。DSD通过拍摄患者正面大笑照、息止颌位照、正面拉口照并将其导入Keynote、Photoshop等软件进行设计，设计过程中医师根据美学基本标准结合患者要求及审美，设计出个性化牙齿。治疗过程的可预见性，受到口腔医师以及患者的青睐。但是，DSD在二维方向(X轴和Y轴)比较成熟，在Z轴空间评估较难，无法设计出精准的牙齿三维形态；而且目前人体口腔微笑设计软件大多是二维，即通过拍摄口腔照片，将照片导入设计软件实现牙齿个性化设计，但无法反映人体牙齿三维尺寸，不够直观。
鉴于二维测量的局限性，三维成像技术展现了其价值。目前广泛采用基于结构光的三维扫描设备来重建牙齿三维数据，进而对三维牙齿数据进行矫正。然而国内针对口腔美学修复的研究与国外仍然存在较大差距，测量速度、精度等方面有待提高，针对口内牙齿的直接测量没有成熟的产品以及相应的研究，购买国外整个数字化口腔医疗系统价格昂贵，对医师患者的负担太重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，该方法能够根据患者需求，手动调整牙齿参数，实现个性化设计；可一键生成三维矫正模型，矫正前后进行对比，实现牙弓曲线测量以及方丝弓矫正器的设计。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，包括下述步骤：
步骤一，利用扫描装置实时快速获取患者人脸模型和牙齿模型，其中人脸模型指患者露齿微笑时脸部下颌部分的彩色三维点云数据，牙齿模型指患者口内上下牙列咬合状态下的彩色牙齿三维点云数据；
步骤二，将人脸模型原有牙齿扣除，用牙齿模型替换原来牙齿，并将牙齿模型附上纹理贴图；其中扣除人脸模型中牙齿方法是通过网格变形操作将其隐藏到高精度牙模内；
步骤三，隐藏人脸模型部分，依据美学标准，对牙齿模型进行参数调整；
步骤四，实现牙弓曲线测量以及方丝弓矫正器的弓丝设计；
步骤五，研究评估有关牙齿大小测量的准确度，拱的宽度和长度空间的分析，重建的牙模的形状和拱之间关系。
优选地，所述步骤一中获取患者人脸模型和牙齿模型具体为：采用彩色结构光投影装置与双目视觉系统实现三维轮廓的重建；通过彩色结构光投影装置投影彩色结构光到牙齿表面，双目视觉系统采集彩色光栅并对彩色光栅进行颜色校正处理，求解出绝对相位，建立光学三角法获取物体深度信息重建牙齿三维模型。
优选地，在双目视觉系统中，匹配空间任意一点P在左右摄像机中的成像点，根据光学三角法可得到该点在摄像机坐标系下的空间坐标：
其中Ol、Or为摄像机的光心，P为欧式空间中的任意一点，Pl(xl,yl)、Pr(xr,yr)分别为P点在左右摄像机中的成像点，f为摄像机焦距，基线距B指双目摄像机的光心距离；
定义视差D＝xl-Xr；
同理可得P点在左摄像机坐标系下的三维世界空间坐标：
优选地，所述牙齿模型的获取，分别扫描上下牙列，获得上下牙列的三维点云数据，再扫描牙齿咬合状态下牙齿两侧咬合位置的三维点云数据，采用ICP算法实现自动化配准，ICP算法指找到两个有重合区域的点集的对应关系，根据空间对应点求解其坐标变换；根据坐标变换关系将上下牙列模型进行坐标变换，实现上下牙列自动化配准。
优选地，实现牙齿模型获取后，所述牙齿模型进行坐标变换，即旋转和平移，转换到人脸模型的坐标系下，使两模型对齐，最终将牙齿模型配准人脸模型的口腔内。
优选地，所述人脸模型与牙齿模型具有纹理效果，纹理可通过外置具备成像功能的设备如纹理相机拍摄纹理，并通过手动贴图或标定方法来获取。
优选地，所述步骤三中的美学标准具体如下：
(1)笑线：上前牙切端连线与下唇弧度协调；正面看：牙齿向后逐渐抬高；
(2)前牙比例：上中切牙宽度和等于尖牙牙尖到中线宽度，上中切牙高度与宽度之比符合黄金分割比1/1.6；
(3)两上中切牙对称，宽度是高度的80％；
(4)上中切牙远中弧度与侧切牙协调且廓影其近中，同理各牙齿远中均廓影远中牙齿之近中；
(5)牙长轴：同名牙长轴与中线左右对称；
(6)龈缘：微笑时暴露小于3mm，龈缘连线与笑线协调；单个牙齿龈缘弧度要自然，同名牙齿龈缘弧度相对称，侧切牙龈缘高度比其他牙低1mm左右；
(7)切牙合面观：没有严重磨耗、牙弓狭窄及开牙合；
(8)牙色、肤色、牙龈颜色协调。
优选地，所述步骤三中依据美学标准对牙齿模型进行参数调整，可扩展为如下内容：包括各方向网格变形、牙齿形态、牙齿长宽高比例、纹理渲染、牙齿与牙列的关系、上下牙的碰撞关系、牙列与人脸模型变形关系。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
本发明实时快速的获取患者彩色三维人脸模型和彩色三维全口牙齿模型，直接进行口内扫描以及实时建模，提高了工作效率；通过将牙齿模型配准到患者口腔内，模拟患者口腔环境；医师对患者三维模型的修复设计，使患者能直观地观察到牙齿修复前后的模拟效果，有助于医患沟通；同时基于三维的口腔修复设计能克服二维DSD的多种劣势，完善口腔数字化设计。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的双目立体视觉模型示意图；
图3为本发明双目立体视觉中的对极几何关系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，获取患者人脸微笑时不同视角的三维点云数据；获取患者口内牙齿三维点云数据；对三维点云数据进行融合，并对融合后的三维点云数据进行建模，得到用户三维脸部以及全口牙齿模型；设计软件上实时显示三维点云数据以及模型；对三维模型进行虚拟设计操作，获取患者口腔调整数据以及修复前后三维模型对比效果；三维模型在扫描过程中实时建立并显示在口腔修复设计软件上，口腔修复设计软件上能实时观看牙齿的扫描状态，对牙齿三维模型；设计软件上实现牙弓曲线测量以及方丝弓矫正器的弓丝设计。
具体来说，如图1～3所示，一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，包括下述步骤：
步骤一，利用扫描装置实时快速获取患者人脸模型和牙齿模型，其中人脸模型指患者露齿微笑时脸部下颌部分的彩色三维点云数据，牙齿模型指患者口内上下牙列咬合状态下的彩色牙齿三维点云数据；
所述获取患者人脸模型和牙齿模型具体为：采用彩色结构光投影装置与双目视觉系统实现三维轮廓的重建；彩色结构光投影采用格雷码与相移法结合的投影方法，投影一系列彩色光栅图像；双目视觉系统通过两个成一定角度的摄像机采集变形条纹并对其进行解调得到包含高度信息的相位变化，通过摄像机的标定建立有效的成像模型，求解出摄像机的内外参数，进而结合图像的匹配结果得到空间的三维点坐标，从而达到三维重建的目的。
系统采集彩色光栅并对彩色光栅进行颜色校正处理，求解出绝对相位，建立光学三角法获取物体深度信息重建牙齿三维模型；
如图2和图3所示，在双目视觉系统中，匹配空间任意一点P在左右摄像机中的成像点，根据光学三角法可得到该点在摄像机坐标系下的空间坐标：
图2中ΔPXlXr和ΔPOlOr相似，则得到如下关系式：
其中Ol、Or为摄像机的光心，P为欧式空间中的任意一点，Pl(xl,yl)、Pr(xr,yr)分别为P点在左右摄像机中的成像点，f为摄像机焦距，基线距B指双目摄像机的光心距离；
定义视差D＝xl-xr；
同理可得P点在左摄像机坐标系下的三维世界空间坐标：
实际上摄像机存在透镜径向畸变，后续还需对图像进行去畸变处理。
但在进行三维重建之前需要准确找到左右图像中的匹配点，本发明利用对极几何约束关系解决这一问题，对极几何约束将匹配点二维搜索转换为一维搜索，提升匹配效率。
如图3所示，假设P点为物体三维空间任意一点，假定已知该点在左成像平面上的对应点为Pl，此时的对极平面π被基线和射线ClPl确定，由几何关系可知，点Pr在平面π与右成像平面交线lPr上，点P被约束。
所述牙齿模型的获取，分别扫描上下牙列，获得上下牙列的三维点云数据，再扫描牙齿咬合状态下牙齿两侧咬合位置的三维点云数据，采用ICP(Internative CloestPoints)算法实现自动化配准，ICP算法指找到两个有重合区域的点集的对应关系，根据空间对应点求解其坐标变换；根据坐标变换关系将上下牙列模型进行坐标变换，实现上下牙列自动化配准；实现牙齿模型获取后，所述牙齿模型进行坐标变换，即旋转和平移，转换到人脸模型的坐标系下，使两模型对齐，最终将牙齿模型配准人脸模型的口腔内。
所述人脸模型与牙齿模型具有纹理效果，纹理可通过外置具备成像功能的设备如纹理相机拍摄纹理，并通过手动贴图或标定方法来获取。
步骤二，将人脸模型原有牙齿扣除，用牙齿模型替换原来牙齿，并将牙齿模型附上纹理贴图；其中扣除人脸模型中牙齿方法是通过网格变形操作将其隐藏到高精度牙模内；
步骤三，隐藏人脸模型部分，依据美学标准，对牙齿模型进行参数调整；其中美学标准具体如下：
(1)笑线：上前牙切端连线与下唇弧度协调；正面看：牙齿向后逐渐抬高；
(2)前牙比例：上中切牙宽度和等于尖牙牙尖到中线宽度，上中切牙高度与宽度之比符合黄金分割比1/1.6；
(3)两上中切牙对称，宽度是高度的80％；
(4)上中切牙远中弧度与侧切牙协调且廓影其近中，同理各牙齿远中均廓影远中牙齿之近中；
(5)牙长轴：同名牙长轴与中线左右对称；
(6)龈缘：微笑时暴露小于3mm，龈缘连线与笑线协调；单个牙齿龈缘弧度要自然，同名牙齿龈缘弧度相对称，侧切牙龈缘高度比其他牙低1mm左右；
(7)切牙合面观：没有严重磨耗、牙弓狭窄及开牙合；
(8)牙色、肤色、牙龈颜色协调。
依据美学标准对牙齿模型进行参数调整，可扩展为如下内容：包括各方向网格变形、牙齿形态、牙齿长宽高比例、纹理渲染、牙齿与牙列的关系、上下牙的碰撞关系、牙列与人脸模型变形关系。
牙齿模型参数可通过自主开发的软件获取，该软件通过对采集到的结构光进行解码，从而获得点云数据，并对其中的特征标志点进行提取、识别以及跟踪处理，采用基于标志点的三维点云拼接算法，实现对人脸、牙齿模型的重建，这个过程在扫描牙齿时实时生成，最终保存人脸和牙齿的点云数据以及三维模型数据；在软件中打开数字图像，使用软件工具测量牙齿宽度，为了实现每个牙齿的正确可视化，充分利用程序的缩放，旋转和平移功能，同时使用分辨率较高的计算机以及标准计算机鼠标来操纵模型和标记点。
步骤四，实现牙弓曲线测量以及方丝弓矫正器的弓丝设计；
固定矫治是治疗口腔错颌畸形的有效方法，固定矫治技术关键是正畸弓丝的精确化弯制。固定矫正常用方丝弓矫正器，其有两个基本原理：一是弓丝的形变力作用，使弯曲矫治弓丝的形变复位。具有良好弹性的矫治弓丝，当被弯曲成各种形态时，便有趋于回复到原来位置的作用，而当这种弓丝的原来位置与理想的牙齿移动位置相一致时，弓丝有回复到原来位置的作用，对矫治牙产生矫治力而产生需要的移动；二是应用保持性弓丝的固定与引导作用。
牙弓曲线的设计可作为方丝弓矫正器的设计参考。牙弓曲线指牙齿的颊侧与唇侧牙尖相连形成的曲线，在牙齿正畸设计以及义齿制作等有重要作用。由于四次多项式足以满足所需精度，故牙弓曲线可用四次多项式曲线表示。先在牙列上选取左右同名牙上的两点以及牙前上的点，形成初始曲线；然后拖动曲线上的控制点将曲线调整到满意为止。
步骤五，研究评估有关牙齿大小测量的准确度，拱的宽度和长度空间的分析，重建的牙模的形状和拱之间关系。
本发明实时快速的获取患者彩色三维人脸模型和彩色三维全口牙齿模型，直接进行口内扫描以及实时建模，提高了工作效率；通过将牙齿模型配准到患者口腔内，模拟患者口腔环境；医师对患者三维模型的修复设计，使患者能直观地观察到牙齿修复前后的模拟效果，有助于医患沟通；同时基于三维的口腔修复设计能克服二维DSD的多种劣势，完善口腔数字化设计。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一，利用扫描装置实时快速获取患者人脸模型和牙齿模型，其中人脸模型指患者露齿微笑时脸部下颌部分的彩色三维点云数据，牙齿模型指患者口内上下牙列咬合状态下的彩色牙齿三维点云数据；
步骤二，将人脸模型原有牙齿扣除，用牙齿模型替换原来牙齿，并将牙齿模型附上纹理贴图；其中扣除人脸模型中牙齿方法是通过网格变形操作将其隐藏到高精度牙模内；
步骤三，隐藏人脸模型部分，依据美学标准，对牙齿模型进行参数调整；
步骤四，实现牙弓曲线测量以及方丝弓矫正器的弓丝设计；
步骤五，研究评估有关牙齿大小测量的准确度，拱的宽度和长度空间的分析，重建的牙模的形状和拱之间关系。
2.根据权利要求1所述的基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，所述步骤一中获取患者人脸模型和牙齿模型具体为：采用彩色结构光投影装置与双目视觉系统实现三维轮廓的重建；通过彩色结构光投影装置投影彩色结构光到牙齿表面，双目视觉系统采集彩色光栅并对彩色光栅进行颜色校正处理，求解出绝对相位，建立光学三角法获取物体深度信息重建牙齿三维模型。
3.根据权利要求2所述的基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，在双目视觉系统中，匹配空间任意一点P在左右摄像机中的成像点，根据光学三角法可得到该点在摄像机坐标系下的空间坐标：
其中Ol、Or为摄像机的光心，P为欧式空间中的任意一点，Pl(xl,yl)、Pr(xr,yr)分别为P点在左右摄像机中的成像点，f为摄像机焦距，基线距B指双目摄像机的光心距离；
定义视差D＝xl-xr；
同理可得P点在左摄像机坐标系下的三维世界空间坐标：
4.根据权利要求2所述的基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，所述牙齿模型的获取，分别扫描上下牙列，获得上下牙列的三维点云数据，再扫描牙齿咬合状态下牙齿两侧咬合位置的三维点云数据，采用ICP算法实现自动化配准，ICP算法指找到两个有重合区域的点集的对应关系，根据空间对应点求解其坐标变换；根据坐标变换关系将上下牙列模型进行坐标变换，实现上下牙列自动化配准。
5.根据权利要求4所述的基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，实现牙齿模型获取后，所述牙齿模型进行坐标变换，即旋转和平移，转换到人脸模型的坐标系下，使两模型对齐，最终将牙齿模型配准人脸模型的口腔内。
6.根据权利要求2所述的基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，所述人脸模型与牙齿模型具有纹理效果，纹理可通过外置具备成像功能的设备如纹理相机拍摄纹理，并通过手动贴图或标定方法来获取。
7.根据权利要求1所述的基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，所述步骤三中的美学标准具体如下：
(1)笑线：上前牙切端连线与下唇弧度协调；正面看：牙齿向后逐渐抬高；
(2)前牙比例：上中切牙宽度和等于尖牙牙尖到中线宽度，上中切牙高度与宽度之比符合黄金分割比1/1.6；
(3)两上中切牙对称，宽度是高度的80％；
(4)上中切牙远中弧度与侧切牙协调且廓影其近中，同理各牙齿远中均廓影远中牙齿之近中；
(5)牙长轴：同名牙长轴与中线左右对称；
(6)龈缘：微笑时暴露小于3mm，龈缘连线与笑线协调；单个牙齿龈缘弧度要自然，同名牙齿龈缘弧度相对称，侧切牙龈缘高度比其他牙低1mm左右；
(7)切牙合面观：没有严重磨耗、牙弓狭窄及开牙合；
(8)牙色、肤色、牙龈颜色协调。
8.根据权利要求1所述的基于三维成像与实时建模的口腔修复方法，其特征在于，所述步骤三中依据美学标准对牙齿模型进行参数调整，可扩展为如下内容：包括各方向网格变形、牙齿形态、牙齿长宽高比例、纹理渲染、牙齿与牙列的关系、上下牙的碰撞关系、牙列与人脸模型变形关系。
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