CN112206064A - 一种数字化牙模生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种数字化牙模生成方法及系统，该方法包括：扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。本发明实施例对口内扫描采集的牙齿三维曲面进行处理，自动生成封闭的三维模型，提高了数字化牙模设计的效率。

Description

一种数字化牙模生成方法及系统

技术领域

本发明涉及口腔医学技术领域，尤其涉及一种数字化牙模生成方法及系统。

背景技术

牙模是牙齿的模型，在口腔临床医学中可用于辅助分析牙齿咬合情况、设计矫正方案和种植手术术前模拟等多个方面。传统的石膏牙模制作工艺，包括制取口腔印模和灌注石膏牙模，制作流程繁琐。随着数字化技术在口腔医学上的广泛应用，3D打印牙模替代传统石膏牙模成为一种必然的趋势。3D打印牙模产品制造周期短，流程简单，可实现个性化制造的大批量生产。

通过数字化方式制作牙模，需要采用口内扫描仪器获取口腔数字化模型，然后在计算机上对三维模型进行一系列处理，如优化边缘、平滑曲面、添加底座等，最终输出为STL模型打印制作。然而，现有的数字化牙模制作方法的效率还不够完善，牙模的设计及制作效率较低。

因此，现在亟需一种数字化牙模生成方法及系统来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种数字化牙模生成方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种数字化牙模生成方法，包括：

扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；

平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；

将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

进一步地，所述平滑所述口扫模型的孔洞边界，包括：

确定所述口扫模型上的最大孔洞；

遍历所述孔洞边缘上每一个边界点，确定出不平滑程度超过预设阈值的目标边界点位置；

将所述目标边界点位置朝预定方向移动，以减少所述目标边界点对应的不平滑程度。

进一步地，所述遍历所述孔洞边缘上每一个边界点，确定出不平滑程度超过预设阈值的目标边界点位置，包括：

对于每一个边界点，确定所述边界点的前一点与后一点位置，组成第一向量和第二向量；

计算所述第一向量和所述第二向量的夹角弧度，若所述夹角弧度小于预设阈值，则判定边界不平滑；

按照预设计算公式计算移动的方向和距离。

进一步地，所述将所述目标边界点位置朝预定方向移动，包括：

将边界点按照移动的距离由小至大在预设数组内进行排序，并按照排序顺序进行移动；

每一次移动后重新计算移动的方向和距离，直至所述预设数组内边界点数量为零。

进一步地，所述将所述边界线投影到所述封口平面，包括：

通过所述封口平面切割所述口扫模型，得到切割后口扫模型；

确定所述切割后口扫模型中最大孔洞上所有点组成的闭合曲线，以及所述闭合曲线的封口平面投影曲线；

判定所述闭合曲线的封口平面投影曲线上是否存在线段交叉，以确定非法点。

进一步地，所述对所述口扫模型进行封闭，包括：

计算所述闭合曲线和所述闭合曲线的封口平面投影曲线之间的距离，并按照间隔在投影射线上进行插点；

遍历每一组点，并与相邻的一组点之间进行三角网格划分，生成三角面。

进一步地，在所述将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭之后，所述方法还包括：

进行光顺处理和孔洞填补，以形成完整封闭的三维模型。

第二方面，本发明实施例提供了一种数字化牙模生成系统，包括：

封口平面确定模块，用于扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；

平滑边界模块，用于平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；

封闭模块，用于将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的一种数字化牙模生成方法及系统，对口内扫描采集的牙齿三维曲面进行处理，自动生成封闭的三维模型，提高了数字化牙模设计的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的数字化牙模生成方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的生成封闭的牙模示意图；

图3为本发明实施例提供的边界平滑示意图；

图4为本发明实施例提供的调整与边界点相邻的点的位置示意图；

图5为本发明实施例提供的投影线段自相交的情况；

图6为本发明实施例提供的连线与模型相交的情况；

图7为本发明实施例提供的划分网格示意图；

图8为本发明实施例提供的调整三角片的法向示意图；

图9为本发明实施例提供的数字化牙模生成系统的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的数字化牙模生成方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种数字化牙模生成方法，包括：

步骤101，扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；

步骤102，平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；

步骤103，将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

在本发明实施例中，通过指定一个封口平面，此平面用于切割口扫模型并进行封口，该平面可与口扫模型相交或不相交。

进一步地，通过对口扫模型的孔洞边界进行平滑处理，保证了封口后模型的平滑；最后，将边界线投影到封口平面来将模型进行封闭。图2为本发明实施例提供的生成封闭的牙模示意图，最终封闭的示意图如图2所示。

本发明实施例提供的数字化牙模生成方法，对口内扫描采集的牙齿三维曲面进行处理，自动生成封闭的三维模型，提高了数字化牙模设计的效率。

在上述实施例的基础上，所述平滑所述口扫模型的孔洞边界，包括：

确定所述口扫模型上的最大孔洞；

遍历所述孔洞边缘上每一个边界点，确定出不平滑程度超过预设阈值的目标边界点位置；

将所述目标边界点位置朝预定方向移动，以减少所述目标边界点对应的不平滑程度。

在本发明实施例中，口内扫描模型的孔洞边界一般都是曲折或锯齿状不光滑的，为了保证封口后模型的平滑，需要先对口扫模型的孔洞边界进行平滑处理。具体地，首先需要获取口扫模型上的最大孔洞，即图2中口扫模型边缘围成的区域。

在上述实施例的基础上，所述遍历所述孔洞边缘上每一个边界点，确定出不平滑程度超过预设阈值的目标边界点位置，包括：

对于每一个边界点，确定所述边界点的前一点与后一点位置，组成第一向量和第二向量；

计算所述第一向量和所述第二向量的夹角弧度，若所述夹角弧度小于预设阈值，则判定边界不平滑；

按照预设计算公式计算移动的方向和距离。

在本发明实施例中，遍历孔洞边缘上每一个点p，找到它的前一个点p₁和后一个点p₂，并将这三个点沿封口平面的法向投影到封口平面上，形成三个新的点p′、p′₁和p′₂，其中，p′与p′₁的连线构成向量

p′与p′₂的连线构成向量

进一步地，计算向量

和

之间的夹角弧度，如果小于3弧度，则说明此处边界不够平滑，p点需要沿特定方向移动，来减小不平滑程度，移动的方向和距离根据向量

给出。如果夹角大于3弧度则说明此处边界足够平滑，不需要调整点的位置，设对应的向量

为零。在本发明实施例中，将所边界点对应的向量

记录下来存储在数组array中。

图3为本发明实施例提供的边界平滑示意图，如图3所示，将p点沿向量

移动后，对应位置处的边界线将变得更平滑。

在上述实施例的基础上，所述将所述目标边界点位置朝预定方向移动，包括：

将边界点按照移动的距离由小至大在预设数组内进行排序，并按照排序顺序进行移动；

每一次移动后重新计算移动的方向和距离，直至所述预设数组内边界点数量为零。

在本发明实施例中，根据向量

的长度按从小到大的顺序对数组array进行排序，取数组array中第一个值对应的边界点(该点需要移动的距离最小)，将其按对应的

进行移动。移动后，查看其在孔洞边缘上的前一个点和后一个点，如果该点还没有移动过，则重新计算它的移动向量

并根据向量长度将其移动到数组array的合适位置保持升序排列。需要说明的是，在本发明实施例中，每次都选择移动距离最小的点来进行移动调整位置，移动后其前后相邻点的移动距离可能也会减小(因为移动该点后使得这一局部位置的边界线更平滑)，因此需重新计算相邻点的移动向量并对数组排序。这样可以使得整个边界平滑过程中对点的移动调整尽量小，避免因调整过大导致模型出现错误。

进一步地，在移动完成之后，删除数组array中的第一个点，并继续遍历进行上述过程的处理，直到数组为空。此时，口扫模型的孔洞边界线经过调整已经变得平滑。需要说明的是，调整孔洞边界线上的点平滑边界之后，由于边界线的三角片上其它点没有移动，边界处的三角片可能会产生畸形，因此也要对与边界点相连的点进行移动。具体方式如下：

步骤S1，遍历所有边界点p，找到所有与该点相邻的非边界点n，设点n的初始移动向量

为零，将点p的移动向量与点n的移动向量进行累加，作为新的n点移动向量，并对该过程进行计数，设n点向量累加过N次。

步骤S2，在遍历完成后，对点n的移动向量取均值，即

并对该点沿计算出的向量进行移动。

步骤S3，将步骤S2中遍历的一系列n点设置为新边界点，按上述步骤的方法继续寻找新的非边界点n，并调整其位置。总共执行3次遍历。此时，最初始边界线上向外扩展三层的点都被移动，从而尽量避免它们所在位置的三角片产生畸形。

图4为本发明实施例提供的调整与边界点相邻的点的位置示意图，如图4所示，图中非边界点n与3个边界线上的点相邻，对n点的移动参考其邻近的多个边界点，其移动向量取这三个边界点移动向量的平均值，即

为了减小因调整边界点的位置对模型产生的不利影响，上述步骤迭代进行三次。即相当于初始边界线上向外扩展三层的点都进行相应的调整，避免三角片产生畸形，使模型表面的三角片过渡的更平滑。

为了避免平滑边界时因点的移动量过大使三维模型产生畸形，每次平滑设置的系数都是0.05，这是一个较小的数值，所以每次平滑的效果比较细微，要多次平滑才能达到预期的效果。因此，设定每次平滑边界时执行50次上述步骤。

在上述实施例的基础上，所述将所述边界线投影到所述封口平面，包括：

确定所述封口平面切割所述口扫模型，得到切割后口扫模型；

确定所述切割后口扫模型中最大孔洞上所有点组成的闭合曲线，以及所述闭合曲线的封口平面投影曲线；

判定所述闭合曲线的封口平面投影曲线上是否存在线段交叉，以确定非法点。

在本发明实施例中，经过边界平滑后，可以考虑将边界线投影到封口平面来将模型进行封闭。但在进行封闭处理前需要考虑模型自相交的情况，如果出现自相交，则不能进行封闭处理。具体步骤为：

步骤S11，用封口平面切割上一步经边界平滑后的口扫模型，该模型在封口平面法线方向的部分被保留，法线反向的部分被抛弃，生成新的口扫模型M。

步骤S12，获取步骤S11得到的口扫模型M上最大的孔洞(由于口扫模型形状不规则或封口平面设置的位置等因素影响，切割模型时可能出现多个孔洞)，该最大孔洞上所有的点组成一条闭合的曲线L₁。

步骤S13，将L₁投影到封口平面上，生成一条新的闭合曲线L₂。

步骤S14，遍历L₂上的所有线段，判断是否存在线段交叉的情况，图5为本发明实施例提供的投影线段自相交的情况，如图5所示，如果存在交叉，则将L1上与交叉线段对应的点标记为非法点。

步骤S15，将L₁和L₂上对应的点相连，判断连线是否与口扫模型M相交，图6为本发明实施例提供的连线与模型相交的情况，如图6所示，如果相交，则将L₁上对应的点标记为非法点。

步骤S16，遍历L₁上的非法点，找到其在口扫模型M上的三角片，标记为非法三角片。

步骤S17，将非法三角片向外扩展三圈，并设置其表面颜色为红色，以提示用户。

步骤S18，如果存在非法三角片，需要调整封口平面的位置或方向，或修剪非法三角片所在区域，然后重新判断是否可以进行封口操作。

在上述实施例的基础上，所述对所述口扫模型进行封闭，包括：

计算所述闭合曲线和所述闭合曲线的封口平面投影曲线之间的距离，并按照间隔在投影射线上进行插点；

遍历每一组点，并与相邻的一组点之间进行三角网格划分，生成三角面。

在本发明实施例中，用封口平面切割上一实施例中调整后的口扫模型，保留封口平面法线方向的部分，并找到它的最大孔洞，以及孔洞的边界线L₁及其向封口平面投影的曲线L₂。由于切割模型后可能出现游离的模型碎块，即可能产生多个孔洞，而与最大孔洞对应的三维模型才是我们想要处理的。因此，为了避免程序自动处理时发生错误，提取与最大孔洞相连的所有三角片(其它不相连的部分抛弃掉)，作为预处理的模型。

进一步地，计算L₁和L₂上每一对对应点之间的距离d，设置点与点之间的间隔s，则在投影射线上需要插入的点数为N＝d/s并取整，在两点之间均匀插入N个点，将这对点及其中间插入的点构成一组点(若L₁与L₂上对应的点为同一点，则将之合并)。

进一步地，遍历每一组点，与其相邻的一组点之间进行三角网格划分，即根据这一系列点生成三角面。生成三角面时，先取得两组点的前两个点p₁₀、p₁₁和p₂₀、p₂₁(中间插入的点的顺序按从L₁到L₂的方向排列)。计算d₁为p₁₀和p₂₁的距离，d₂为p₁₁和p₂₀的距离，若d₁<d₂，则连接p₁₀、p₂₀、p₂₁三个点构成一个三角片，并将p₂₁设置为新的p₂₀，同组中下一个点设置为新的p₂₁，继续对这四个点之间进行网格划分。反之，如果d₁>＝d₂，则连接p₁₀、p₁₁和p₂₀这三个点形成三角片，并将p₁₁设置为新的p₁₀，同组中的下一个点设置为新的p₁₁，继续进行三角剖分，直到两组点剖分完毕。

图7为本发明实施例提供的划分网格示意图，如图7所示，每次在四个选定点之间划分三角形网格时，考虑按边长最小的进行划分，可以保证网格划分的尽量均匀，避免三角形网格出现畸形。划分完一个三角形网格后，继续对后续的四个点进行判断和划分，划分网格的步骤相当于在牙模的侧面生成了三角片。

图8为本发明实施例提供的调整三角片的法向示意图，如图8所示，调整剖分出来的三角片的点的连接顺序，使得每一条边上的两个点在相邻的两个三角片中的连接顺序相反，以确保三角片的法线方向一致。

在上述实施例的基础上，在所述将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭之后，所述方法还包括：

进行光顺处理和孔洞填补，以形成完整封闭的三维模型。

在本发明实施例中，对L₁和L₂所在的边界处的三角片进行光顺处理，避免产生高度折射边。然后删除并修补光顺之后可能产生的自相交。最后，在对经过上述实施例各步骤处理后的模型上，寻找其它未填充的孔洞进行填补(模型底部还留有一个较大的孔洞)，生成一个完成且封闭的三维模型，即生成最终的数字化牙模。

图9为本发明实施例提供的数字化牙模生成系统的结构示意图，如图9所示，本发明实施例提供了一种数字化牙模生成系统，包括封口平面确定模块901、平滑边界模块902和封闭模块903，其中，封口平面确定模块901用于扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；平滑边界模块902用于平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；封闭模块903用于将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

本发明实施例提供的数字化牙模生成系统，对口内扫描采集的牙齿三维曲面进行处理，自动生成封闭的三维模型，提高了数字化牙模设计的效率。

本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图10为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图10，该电子设备可以包括：处理器(processor)1001、通信接口(Communications Interface)1002、存储器(memory)1003和通信总线1004，其中，处理器1001，通信接口1002，存储器1003通过通信总线1004完成相互间的通信。处理器1001可以调用存储器1003中的逻辑指令，以执行如下方法：扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

此外，上述的存储器1003中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的数字化牙模生成方法，例如包括：扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种数字化牙模生成方法，其特征在于，包括：

扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；

平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；

将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

2.根据权利要求1所述的数字化牙模生成方法，其特征在于，所述平滑所述口扫模型的孔洞边界，包括：

确定所述口扫模型上的最大孔洞；

遍历所述孔洞边缘上每一个边界点，确定出不平滑程度超过预设阈值的目标边界点位置；

将所述目标边界点位置朝预定方向移动，以减少所述目标边界点对应的不平滑程度。

3.根据权利要求2所述的数字化牙模生成方法，其特征在于，所述遍历所述孔洞边缘上每一个边界点，确定出不平滑程度超过预设阈值的目标边界点位置，包括：

对于每一个边界点，确定所述边界点的前一点与后一点位置，组成第一向量和第二向量；

计算所述第一向量和所述第二向量的夹角弧度，若所述夹角弧度小于预设阈值，则判定边界不平滑；

按照预设计算公式计算移动的方向和距离。

4.根据权利要求3所述的数字化牙模生成方法，其特征在于，所述将所述目标边界点位置朝预定方向移动，包括：

将边界点按照移动的距离由小至大在预设数组内进行排序，并按照排序顺序进行移动；

每一次移动后重新计算移动的方向和距离，直至所述预设数组内边界点数量为零。

5.根据权利要求1所述的数字化牙模生成方法，其特征在于，所述将所述边界线投影到所述封口平面，包括：

通过所述封口平面切割所述口扫模型，得到切割后口扫模型；

确定所述切割后口扫模型中最大孔洞上所有点组成的闭合曲线，以及所述闭合曲线的封口平面投影曲线；

判定所述闭合曲线的封口平面投影曲线上是否存在线段交叉，以确定非法点。

6.根据权利要求5所述的数字化牙模生成方法，其特征在于，所述对所述口扫模型进行封闭，包括：

计算所述闭合曲线和所述闭合曲线的封口平面投影曲线之间的距离，并按照间隔在投影射线上进行插点；

遍历每一组点，并与相邻的一组点之间进行三角网格划分，生成三角面。

7.根据权利要求1所述的数字化牙模生成方法，其特征在于，在所述将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭之后，所述方法还包括：

进行光顺处理和孔洞填补，以形成完整封闭的三维模型。

8.一种数字化牙模生成系统，其特征在于，包括：

封口平面确定模块，用于扫描口内三维曲面，得到口扫模型，并在所述口扫模型中确定封口平面，所述封口平面用于切割所述口扫模型并封口；

平滑边界模块，用于平滑所述口扫模型的孔洞边界，并获取平滑后的边界线；

封闭模块，用于将所述边界线投影到所述封口平面，以对所述口扫模型进行封闭。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述数字化牙模生成方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述数字化牙模生成方法的步骤。

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