CN112927374B - 齿模对准方法及牙齿结构、三维模型对准方法及结构件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及三维齿模对准方法及牙齿结构、三维模型对准方法及结构件；所述三维齿模对准方法包括以下步骤：接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐。上述三维齿模对准方法，通过优化切割方式，一方面有利于缩短点云彼此间距离，另一方面有利于准确定位点云的初始搜寻对应点，从而极大程度地提升了三维点云的对齐成功率；再一方面由于仅保留外侧表面，简化了迭代算法计算对齐的运算量，有利于达到快速而精确的拼合效果。
Description
技术领域
本申请涉及三维模型制造领域，特别是涉及三维齿模对准方法及牙齿结构、三维模型对准方法及结构件。
背景技术
通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据集合称为点云(point cloud)，使用相机或是其他方法获取到物体的三维(3-dimension，3D)点云后，由于采集设备不同、拍摄视角不同等客观因素的影响，即使是同一个物体在同一拍摄位置所得到的点云也会有较大的差异，主要是旋转或者平移的变化。对于一组图像数据集中的两幅图像，需要通过寻找一种空间变换把一幅图像映射到另一幅图像，使得两图中对应于空间同一位置的点一一对应起来，从而达到信息融合的目的。所以，就需要对点云进行配准。
迭代最近邻近点(Iterative Closest Points，ICP)是一种三维对齐方法，其通过将两组点云进行配对，透过最小化两组点云的差异，达到对齐的方法。理论上如果知道正确的匹配，两个点云之间的相对转换就可以得到封闭解；即对源点云(source point cloud)中的每个点从参考点云(target point cloud)找寻最接近的点作为匹配；透过最小化匹配点的距离(亦称误差)，得到此次迭代的相对转换；将得到的相对转换作用在源点云上；迭代对源点云中的每个点从参考点云找寻最接近的点作为匹配，直到收敛为止，收敛包括迭代次数完成或是误差足够小。迭代最近邻近点主要用于计算机视觉中深度图像的精确拼合，通过不断迭代最小化源数据与目标数据对应点来实现精确地拼合。
但是对于复杂模型，小模型以牙齿模型或者动画模型为例，大模型以机械模型为例，即使存在多种迭代最近邻近点的变形方法，例如采用四元数方法来求解旋转矩阵，其采用四元数表示旋转关系；或是通过对协方差矩阵进行奇异值分解(Singular ValueDecomposition，SVD)以得到最终的旋转矩阵；但应用于复杂模型的两面拼合或者多面拼合时，例如牙齿模型咬合时，由于点云的重合问题难以配准，即无法实现快速而精确的拼合效果，且通常由于以下原因导致拼合失败：点云彼此间距离差距较大时容易对齐失败，点云的初始搜寻对应点不正确导致对齐失败。
发明内容
基于此，有必要提供一种三维齿模对准方法及牙齿结构、三维模型对准方法及结构件。
一种三维齿模对准方法，其包括以下步骤：
接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；
分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理；
分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；
采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐。
上述三维齿模对准方法，通过优化切割方式，一方面有利于缩短点云彼此间距离，另一方面有利于准确定位点云的初始搜寻对应点，从而极大程度地提升了三维点云的对齐成功率；再一方面由于仅保留外侧表面，简化了迭代算法计算对齐的运算量，有利于达到快速而精确的拼合效果。
在其中一个实施例中，分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴，并将中心位置移至所述空间直角坐标系的原点。
在其中一个实施例中，根据所述咬合面分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云。
在其中一个实施例中，切割时仅保留所述三维点云于所述第二坐标轴与所述第三坐标轴所确定的坐标面一侧；且切割时按第三坐标轴对所述三维点云分成N等份，对于每一等份的三维点云，采用其均值进行切割，且仅保留远离所述第三坐标轴的部分；其中，N为大于等于3的自然数。
在其中一个实施例中，对于每一等份的三维点云，按直线进行切割。
在其中一个实施例中，N为4、5、6或7。
在其中一个实施例中，对于每一等份的三维点云，按直线进行切割以形成平行于所述第三坐标轴的切割面。
在其中一个实施例中，所述三维齿模对准方法还包括步骤：验证三维点云对齐结果，当边缘距离极大值大于预设极值或点云距离差值的标准差大于预设阈值时，则N赋值为N+1，继续分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云。
在其中一个实施例中，所述三维齿模对准方法还包括步骤：验证三维点云对齐结果，当边缘距离极大值大于预设极值或点云距离差值的标准差大于预设阈值时，则重新对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理。
在其中一个实施例中，一种牙齿结构，其采用以下步骤制备得到：接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐；根据对齐后的所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模，确定牙齿模型；根据所述牙齿模型制备所述牙齿结构。
在其中一个实施例中，根据所述牙齿模型制备所述牙齿结构，包括：根据所述牙齿模型以增材制造工艺制备所述牙齿结构。
在其中一个实施例中，一种三维模型对准方法，其包括以下步骤：接收数据化的第一单模、第二单模及配对合模；分别对所述第一单模及所述第二单模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述第一单模及所述第二单模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模的三维点云对齐。
在其中一个实施例中，一种结构件，其采用以下步骤制备得到：接收数据化的第一单模、第二单模及配对合模；分别对所述第一单模及所述第二单模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述第一单模及所述第二单模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模的三维点云对齐；根据对齐后的所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模，确定三维模型；根据所述三维模型制备所述结构件。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请所述三维齿模对准方法一实施例的流程示意图。
图2为本申请另一实施例的上颚齿模示意图。
图3为本申请另一实施例的咬合齿模示意图。
图4为本申请另一实施例的下颚齿模示意图。
图5为本申请所述三维齿模对准方法另一实施例的上颚齿模进行旋转处理后的示意图。
图6为本申请所述三维齿模对准方法另一实施例的咬合齿模进行旋转处理后的示意图。
图7为本申请所述三维齿模对准方法另一实施例的咬合齿模进行旋转处理后的示意图。
图8、图9及图10分别为本申请所述三维齿模对准方法另一实施例的根据咬合面切割上颚齿模的三维点云的示意图。
图11为根据图8、图9及图10所示实施例切割上颚齿模得到仅保留外侧表面的三维点云的示意图。
图12、图13及图14分别为本申请所述三维齿模对准方法另一实施例的根据咬合面切割上颚齿模的三维点云的示意图。
图15为根据图12、图13及图14所示实施例切割上颚齿模得到仅保留外侧表面的三维点云的示意图。
图16为本申请所述三维齿模对准方法另一实施例的流程示意图。
图17为本申请所述牙齿结构一实施例的制备流程示意图。
图18为本申请所述三维模型对准方法一实施例的流程示意图。
附图标记：上颚齿模100、牙齿110、牙龈120、预设范围130、下颚齿模200、咬合齿模300、空间直角坐标系400、第一坐标轴410、第二坐标轴420、第三坐标轴430、原点440、目标门牙500、咬合面600、外侧表面700、等份800、均值线810、切割方位820。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本申请的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
除非另有定义，本申请的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本申请的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本申请一个实施例中，如图1所示，一种三维齿模对准方法，亦可称为齿模对准方法，其包括以下步骤：接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐。上述三维齿模对准方法，通过优化切割方式，一方面有利于缩短点云彼此间距离，另一方面有利于准确定位点云的初始搜寻对应点，从而极大程度地提升了三维点云的对齐成功率；再一方面由于仅保留外侧表面，简化了迭代算法计算对齐的运算量，有利于达到快速而精确的拼合效果。
在其中一个实施例中，一种三维齿模对准方法，其包括以下实施例的部分步骤或全部步骤；即，所述三维齿模对准方法包括以下的部分技术特征或全部技术特征。在其中一个实施例中，所述三维齿模对准方法中，输入上、下颚与咬合的三维齿模，先将上、下颚透过主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)做旋转，再分别切割上、下颚的三维点云，让其只保留外侧表面，后续再以迭代最近邻近点完成上下颚及咬合点云的对齐。本申请提供了三维齿模上下颚与咬合状态对齐的初始化方法，使得对齐不易失败，在其中一个实施例中，采用所述上颚齿模作为第一单模，所述下颚齿模作为第二单模，所述咬合齿模作为配对合模，所述三维齿模对准方法可扩展为一种三维模型对准方法，适合包括模具等需要合模设计的结构生产，尤其适合增材制造(Additive Manufacturing，AM，亦称3D打印)工艺生产三维模型。其余实施例以此类推，不做赘述。
为了实现齿模对准，首先需要获取上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模的数据，这些数据通常表现为图片或者照片，采用其中的点数据集合作为三维点云，在其中一个实施例中，接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；该步骤可称为数据接收步骤，后续步骤对应地可称为旋转步骤、切割步骤及对齐步骤。数据接收步骤中，上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模被数据化，体现为数据，以便于后续步骤进行处理，可以理解的是，本实施例中，可以分别接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；亦可同时接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模。进一步地，在其中一个实施例中，接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模之后，分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理之前，所述三维齿模对准方法还包括步骤：裁剪多余数据以仅保留牙齿及牙龈的相关数据，以及牙齿及牙龈的预设周边数据。牙龈即紧贴于牙颈周围及邻近的牙槽骨上淡红色的结构，其由复层扁平上皮及固有层组成，牙齿及牙龈的相关数据即为涉及或体现牙齿及牙龈的数据，牙齿及牙龈的预设周边数据即为邻近牙齿及牙龈的数据且不涉及或体现牙齿及牙龈；进一步地，在其中一个实施例中，预设周边数据包括邻近牙齿及/或牙龈至少3毫米之内的数据；在其中一个实施例中，预设周边数据包括邻近牙齿及/或牙龈3毫米、4毫米或5毫米之内的数据。这样的设计，在裁剪多余数据后，可以极大地减少后续步骤需要处理的点云数据量，且由于保留了牙齿及牙龈的预设周边数据，因此有效地保证了三维点云对齐后的牙齿模型的准确性及可制备性。
在其中一个实施例中，上颚齿模100如图2所示，牙龈120紧贴牙齿110，预设范围130即为牙齿及牙龈的预设周边数据。可以理解的是，实际上，上颚齿模100由大量的点组成，即所述点云，由于是电子文件，因此亦可称为点云数据。
为了配合后续切割步骤及对齐步骤，在其中一个实施例中，分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理；主成分分析是通过对数据的共变异数矩阵进行特征分解，以得出数据的主成分与它们的权值。对于一组包含N个三维点的三维数据，可以得到彼此正交的三个主成分向量，首先计算将第一主成分向量旋转至X轴方向所需要的旋转矩阵，再将三维点云根据该矩阵作旋转；其次同理将第二主成分向量旋转至Y轴方向，再次同理将第三主成分向量旋转至Z轴方向，最终使得主成分向量分别对齐X、Y、Z轴。可以理解的是，主成分分析法可采用传统方法，本申请各实施例对此没有额外限制。
在其中一个实施例中，分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴。在其中一个实施例中，分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴，并将中心位置移至所述空间直角坐标系的原点。进一步地，在其中一个实施例中，分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理中，通过位姿计算，即计算位置及方向，得到旋转参数及平移参数，即确定空间直角坐标系的原点、第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴。在其中一个实施例中，咬合齿模300如图3所示；在其中一个实施例中，下颚齿模200如图4所示，采用主成分分析法确定空间直角坐标系400的原点440及三个坐标轴，三个坐标轴分别为第一坐标轴410、第二坐标轴420及第三坐标轴430，其中，第一坐标轴410为X轴，第二坐标轴420为Y轴，第三坐标轴430为Z轴，原点440为O点。咬合面600朝向第二坐标轴420，即以垂直于第二坐标轴420的平面作为咬合面600，即所述空间直角坐标系的xOz面。目标门牙500朝向第三坐标轴430，即以第三坐标轴430穿过目标门牙500。由于齿模具有相当的对称程度，可以利用主成分分析法找出对应轴，再将对应轴分别旋转至X、Y、Z轴，固定齿模的初始旋转状态，使得门牙朝向Z轴，咬合面朝向Y轴，并将中心移至原点，即O(0,0,0)的位置。
进一步地，在其中一个实施例中，第三坐标轴430穿过目标门牙500的中心且垂直于目标门牙500的外表面，即朝向口腔外的一面；亦即第三坐标轴430重合于目标门牙500的中垂线；可以理解的是，由于目标门牙的外表面并非绝对意义上的数学平面，其可能难以获得非常准确的几何意义上的中垂线，在操作中第三坐标轴430近似于作为目标门牙500的中垂线即可，些许误差对于后续切割步骤及对齐步骤影响不大。目标门牙500通常取位置居中的门牙，在其中一个实施例中，当位置居中的门牙有两颗时，可以任选一颗，亦可以该两颗门牙作为一个整体，拟合形成曲面或平面，取其中垂线即可作为所述第三坐标轴。
请继续参阅图4，对于下颚齿模200，按最大变异从大到小进行排序，X轴方向大于Y轴方向，Y轴方向大于Z轴方向；透过旋转的方式使得下颚齿模200的方向按X、Y、Z轴对应，然后调整其位置，即将整个下颚齿模200的中心移至空间直角坐标系400的原点的位置。
在其中一个实施例中，旋转处理后的上颚齿模100如图5所示，其中心位于空间直角坐标系400的原点的位置。在其中一个实施例中，旋转处理后的咬合齿模300如图6所示。在其中一个实施例中，旋转处理后的咬合齿模300如图7所示，与图6所示实施例不同的是，本实施例的目标门牙500选取有异。为了体现空间直角坐标系，图6及图7所示实施例中，空间直角坐标系400的原点并未对应上颚齿模的中心位置，下同，不做赘述。
旋转步骤中，对于上颚齿模及下颚齿模分别进行旋转处理，进一步地，在其中一个实施例中，分别将所述上颚齿模及所述下颚齿模的中心位置移至对应的空间直角坐标系的原点。即在旋转步骤中，对于所述上颚齿模，将其采用主成分分析法进行旋转处理，之后将所述上颚齿模的中心位置移至空间直角坐标系的原点。并且，对于所述下颚齿模，将其采用主成分分析法进行旋转处理，之后将所述下颚齿模的中心位置移至空间直角坐标系的原点。可以理解的是，两个空间直角坐标系单独存在。
为了尽可能减少对齐步骤所涉及的点云数据量，在其中一个实施例中，分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；在其中一个实施例中，根据所述咬合面分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云。在其中一个实施例中，切割时仅保留所述三维点云于所述第二坐标轴与所述第三坐标轴所确定的坐标面一侧；即所述空间直角坐标系的yOz面，可以理解的是，无论是左侧的yOz面或者是右侧的yOz面均可，本申请各实施例对此不做额外限制。且切割时按第三坐标轴对所述三维点云分成N等份，对于每一等份的三维点云，采用其均值进行切割，且仅保留远离所述第三坐标轴的部分；其中，N为大于等于3的自然数。在其中一个实施例中，N为4、5、6或7。在其中一个实施例中，对于每一等份的三维点云，按直线进行切割。在其中一个实施例中，对于每一等份的三维点云，按直线进行切割以形成平行于所述第三坐标轴的切割面。进一步地，采用每一等份的三维点云的均值进行切割，以使切割面所分割得到的两部分三维点云的均值相同，即数量相当；在后续的对齐步骤中仅以此切割的三维点云来计算上下颚对齐至咬合面的位姿。这样的设计，实现了利用切割网格与旋转、平移来初始化，用来辅助三维齿模咬合配准；由于参考的咬合面只有齿模外侧的数据，将内侧的三维点云删除有助于后续使用迭代最近邻近点时，减少错误配对点的状况发生，使对齐更不易失败；且通过将三维齿模进行旋转与切割来达成良好的初始化，让后续的迭代最近邻近点算法在对齐的过程更准确。
在其中一个实施例中，旋转处理后的上颚齿模100如图8所示，咬合面即为空间直角坐标系400的xOz面，本实施例中，N为4，即在Z轴方向，将上颚齿模100位于yOz面一侧的三维点云，分成了四个等份800。请一并参阅图9，对于每一等份800的三维点云，采用其均值作均值线810以进行直线切割，形成平行于所述第三坐标轴的切割面，切割面所分割的每一等份800的三维点云数量相当。请继续参阅图10，根据四个等份800及相应均值线810，得到上颚齿模100的切割方位820；本实施例中，上颚齿模100的中心位置移至空间直角坐标系400的原点O处。请进一步参阅图11，切割上颚齿模100的三维点云后仅保留其外侧表面700，即上颚齿模100的外侧表面的三维点云。对比切割之前的上颚齿模100的三维点云，可见上颚齿模100切割后的外侧表面的三维点云，相应的数据量约为上颚齿模100切割前的三维点云数据量的25％；这样的设计，有利于简化后续对齐步骤的运算量，达到快速而精确的拼合效果。
在其中一个实施例中，旋转处理后的上颚齿模100如图12所示，本实施例中，N为6，在Z轴方向将上颚齿模100位于第二坐标轴与第三坐标轴所确定的坐标面一侧的三维点云，分成了六个等份800，请一并参阅图13及图14，然后进行直线切割；最后得到如图15所示外侧表面700。
在其中一个实施例中，采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐。即根据所述上颚齿模及所述下颚齿模的所述外侧表面的三维点云，以及所述咬合齿模的三维点云，采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐。可以理解的是，迭代最近邻近点算法可采用传统方法，本申请各实施例对此没有额外限制。在其中一个实施例中，如图16所示，一种三维齿模对准方法，其包括以下步骤：接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴，分别将所述上颚齿模及所述下颚齿模的中心位置移至对应的空间直角坐标系的原点；根据所述咬合面分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，切割时仅保留所述三维点云于所述第二坐标轴与所述第三坐标轴所确定的坐标面一侧，且切割时按第三坐标轴对所述三维点云分成至少三等份，对于每一等份的三维点云，采用其均值按直线进行切割以形成平行于所述第三坐标轴的切割面进行切割，且仅保留远离所述第三坐标轴的部分作为外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐。
为了确保三维点云对齐后的牙齿模型准确、可用，在其中一个实施例中，所述三维齿模对准方法还包括步骤：验证三维点云对齐结果，当边缘距离极大值大于预设极值或点云距离差值的标准差大于预设阈值时，则N赋值为N+1，继续分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云。该步骤亦可称为验证步骤。例如，当N为4进行切割步骤后，验证三维点云对齐结果发现效果不好，则N为5重新分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，然后继续对齐步骤及验证步骤。或者，在其中一个实施例中，所述三维齿模对准方法还包括步骤：验证三维点云对齐结果，当边缘距离极大值大于预设极值或点云距离差值的标准差大于预设阈值时，则重新对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理。在其中一个实施例中，所述预设极值及/或所述预设阈值可根据实际情况或者技术指标要求进行设置或调整。这样的设计，有利于进一步缩短对齐拼合之后的点云彼此间距离，确保拼合效果；牙齿的苦痛一般只有当事人才知晓，尤其是假牙难咬合的难受，因此拼合的准确性以及由此导致的准确咬合效果，对于牙齿模型及据此制备的牙齿结构是非常重要的。
为了验证三维点云对齐结果，在其中一个实施例中，采用3Shape公司的一款牙科三维口内扫描仪扫瞄某一志愿者的牙齿上颚、下颚与咬合的三个点云作为数据源，使上、下颚分别旋转来仿真扫描牙齿后的位置，再将其对齐至咬合面。然后采用三维齿模对准方法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐；再采用三维点云处理软件CloudCompare评估对齐后的所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模，评估对齐效果，即比对咬合后的点云距离与咬合面的点云距离；可以理解的是，由于咬合面的边缘处不一定会与上下颚的边界完全一致，故边缘出现的距离会较大；得到咬合后的点云距离与咬合面的点云距离的统计数据包括：平均距离(average distance，Avg dist)为0.074毫米；标准差(Sigma)为0.297。对于牙齿模型及由其制备的牙齿结构而言，该平均距离及其标准差决定了拼合效果的精准度，而0.074毫米的平均距离及其0.297的标准差，显然是足以达到足够的咬合力，即保证了咬合效果。并且，由于计算量大大减少，且进行旋转处理时已经确定空间直角坐标系及其三个坐标轴，因此初始搜寻对应点亦可准确定位，从而有利于达到快速而精确的拼合效果。
在其中一个实施例中，一种牙齿结构，其采用任一实施例所述三维齿模对准方法制备得到。在其中一个实施例中，一种牙齿结构，如图17所示，其采用以下步骤制备得到：接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐；根据对齐后的所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模，确定牙齿模型；根据所述牙齿模型制备所述牙齿结构。其余实施例以此类推，不做赘述。在其中一个实施例中，根据所述牙齿模型制备所述牙齿结构，包括：根据所述牙齿模型以增材制造工艺制备所述牙齿结构。这样的设计，有利于得到准确的牙齿模型及制备得到准确的牙齿结构，具有符合设计要求的咬合效果。
在其中一个实施例中，一种三维模型对准方法，如图18所示，其包括以下步骤：接收数据化的第一单模、第二单模及配对合模；分别对所述第一单模及所述第二单模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述第一单模及所述第二单模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模的三维点云对齐。在其中一个实施例中，所述三维模型为牙齿模型。在其中一个实施例中，所述三维模型对准方法采用任一实施例所述三维齿模对准方法实现。对应地，所述上颚齿模为所述第一单模，所述下颚齿模为所述第二单模，及所述咬合齿模为所述配对合模。其余实施例以此类推，不做赘述。这样的设计，有利于减少对齐计算涉及的三维点云数据量，且由于缩短了点云彼此间距离且初始搜寻对应点及坐标轴明确，因此提升了三维点云的对齐成功率，可以实现快速、准确地对齐效果。
在其中一个实施例中，一种结构件，其采用以下步骤制备得到：接收数据化的第一单模、第二单模及配对合模；分别对所述第一单模及所述第二单模采用主成分分析法进行旋转处理；分别切割所述第一单模及所述第二单模的三维点云，以仅保留外侧表面；采用迭代最近邻近点算法进行所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模的三维点云对齐；根据对齐后的所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模，确定三维模型；根据所述三维模型制备所述结构件。结构件包括但不限于需要合模的模具及上述牙齿结构等。
需要说明的是，本申请的其它实施例还包括，上述各实施例中的技术特征相互组合所形成的、能够实施的三维齿模对准方法及牙齿结构、三维模型对准方法及结构件。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (12)
1.一种三维齿模对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；
分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴，并将中心位置移至所述空间直角坐标系的原点；
根据咬合面分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；其中，切割时仅保留所述三维点云于所述第二坐标轴与所述第三坐标轴所确定的坐标面一侧；且切割时按所述第三坐标轴对所述三维点云分成N等份，对于每一等份的三维点云，采用其均值进行切割，且仅保留远离所述第三坐标轴的部分；其中，N为大于等于3的自然数；
采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐。
2.根据权利要求1所述三维齿模对准方法，其特征在于，接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模之后，分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理之前，所述三维齿模对准方法还包括步骤：裁剪多余数据以仅保留牙齿及牙龈的相关数据，以及牙齿及牙龈的预设周边数据。
3.根据权利要求2所述三维齿模对准方法，其特征在于，所述预设周边数据包括邻近牙齿及/或牙龈至少3毫米之内的数据。
4.根据权利要求3所述三维齿模对准方法，其特征在于，所述预设周边数据包括邻近牙齿及/或牙龈3毫米、4毫米或5毫米之内的数据。
5.根据权利要求1所述三维齿模对准方法，其特征在于，对于每一等份的三维点云，按直线进行切割。
6.根据权利要求5所述三维齿模对准方法，其特征在于，N为4、5、6或7；或者，对于每一等份的三维点云，按直线进行切割以形成平行于所述第三坐标轴的切割面。
7.根据权利要求4至6中任一项所述三维齿模对准方法，其特征在于，还包括步骤：验证三维点云对齐结果，当边缘距离极大值大于预设极值或点云距离差值的标准差大于预设阈值时，则N赋值为N+1，继续分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云。
8.根据权利要求1至6中任一项所述三维齿模对准方法，其特征在于，还包括步骤：验证三维点云对齐结果，当边缘距离极大值大于预设极值或点云距离差值的标准差大于预设阈值时，则重新对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理。
9.一种牙齿结构，其特征在于，采用以下步骤制备得到：
接收数据化的上颚齿模、下颚齿模及咬合齿模；
分别对所述上颚齿模及所述下颚齿模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴，并将中心位置移至所述空间直角坐标系的原点；
根据咬合面分别切割所述上颚齿模及所述下颚齿模的三维点云，以仅保留外侧表面；其中，切割时仅保留所述三维点云于所述第二坐标轴与所述第三坐标轴所确定的坐标面一侧；且切割时按所述第三坐标轴对所述三维点云分成N等份，对于每一等份的三维点云，采用其均值进行切割，且仅保留远离所述第三坐标轴的部分；其中，N为大于等于3的自然数；
采用迭代最近邻近点算法进行所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模的三维点云对齐；
根据对齐后的所述上颚齿模、所述下颚齿模及所述咬合齿模，确定牙齿模型；
根据所述牙齿模型制备所述牙齿结构。
10.根据权利要求9所述牙齿结构，其特征在于，根据所述牙齿模型制备所述牙齿结构，包括：根据所述牙齿模型以增材制造工艺制备所述牙齿结构。
11.一种三维模型对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收数据化的第一单模、第二单模及配对合模；
分别对所述第一单模及所述第二单模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴，并将中心位置移至所述空间直角坐标系的原点；
根据咬合面分别切割所述第一单模及所述第二单模的三维点云，以仅保留外侧表面；其中，切割时仅保留所述三维点云于所述第二坐标轴与所述第三坐标轴所确定的坐标面一侧；且切割时按所述第三坐标轴对所述三维点云分成N等份，对于每一等份的三维点云，采用其均值进行切割，且仅保留远离所述第三坐标轴的部分；其中，N为大于等于3的自然数；
采用迭代最近邻近点算法进行所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模的三维点云对齐。
12.一种结构件，其特征在于，采用以下步骤制备得到：
接收数据化的第一单模、第二单模及配对合模；
分别对所述第一单模及所述第二单模采用主成分分析法进行旋转处理，以按最大变异排序形成空间直角坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴及第三坐标轴，且咬合面朝向第二坐标轴，目标门牙朝向第三坐标轴，并将中心位置移至所述空间直角坐标系的原点；
根据咬合面分别切割所述第一单模及所述第二单模的三维点云，以仅保留外侧表面；其中，切割时仅保留所述三维点云于所述第二坐标轴与所述第三坐标轴所确定的坐标面一侧；且切割时按所述第三坐标轴对所述三维点云分成N等份，对于每一等份的三维点云，采用其均值进行切割，且仅保留远离所述第三坐标轴的部分；其中，N为大于等于3的自然数；
采用迭代最近邻近点算法进行所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模的三维点云对齐；
根据对齐后的所述第一单模、所述第二单模及所述配对合模，确定三维模型；
根据所述三维模型制备所述结构件。
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