CN114820982A - 一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法 - Google Patents

一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法。本发明包括如下步骤：1、获取需要计算碰撞深度的三维网格模型；2、根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类；3、初始化每个模型的轴对齐包围盒树T；4、对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点vi到其它模型的有向距离；5、输出所有模型的碰撞深度计算结果。本发明基于对数字化口腔正畸设计软件中所遇到的场景及对应需求的深入分析，针对不同场景下不同模型种类的内外判定问题，提出不同解决策略。本发明能够在保证计算效率的前提下满足了数字化口腔正畸设计软件对计算准确度的要求，能够有效提高正畸设计方案的准确性和有效性。

Description

一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法
技术领域
本发明涉及口腔正畸技术领域，具体涉及一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法。
背景技术
随着计算机技术的飞速发展，口腔正畸领域也迎来了数字化浪潮。通过数字化口腔正畸设计软件，正畸设计师能够直观了解到患者的口腔情况，并利用数字化交互技术对三维牙齿模型进行拖拽、编辑等操作，模拟实际矫正流程，这使得口腔诊疗更加直观、精确、安全和有效。
在数字化口腔正畸设计软件的设计流程中，离不开精确的碰撞深度计算算法，软件中的许多功能都是在此基础上实现的，例如上下颌咬合调整、牙齿片切区域计算以及牙齿移动路径等等。面对不同类型的输入模型和应用场景，就需要一套灵活且符合精度要求的碰撞深度计算方法。
发明内容
本发明的目的是针对该需求，结合不同场景的计算需求以及不同输入模型的类型特征，提出了一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，该方法在应对软件的各种场景时，都能保证较高的精度和计算速度。
本发明所采用的技术方案如下：
步骤1、获取需要计算碰撞深度的三维网格模型；
步骤2、根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类；
步骤3、初始化每个模型的轴对齐包围盒树T；
步骤4、对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点vi到其它模型的有向距离；
步骤5、输出所有模型的碰撞深度计算结果；
进一步的，本发明步骤2所述的根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类。本发明根据实际需求将三维网格模型的种类分为三类：水密模型、原始牙颌模型和原始牙冠模型；具体确定方式如下：
检测模型是否为水密模型，若模型为水密模型则生成虚拟牙根桩后的牙齿模型；否则测算该模型的规模，若输入模型的顶点数超过104个，则为原始牙颌模型；否则为分割得到的原始牙冠模型。
进一步的，本发明步骤4所述的对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点vi到其它模型的有向距离；具体实施流程为：
4-1.使用目标模型Mj的轴对齐包围盒树Tj计算目标模型Mj上离当前模型Mi中顶点vi的最近点p，并计算两点间欧氏距离dij；
4-2.判定顶点vi是否在目标模型Mj内部；若顶点vi在目标模型Mj内部，则返回di，否则返回0表示未发生碰撞；
4.3.对于顶点vi，取该顶点对其他所有目标模型得到的碰撞深度数据中取最大值作为顶点vi的最终结果。
4.4.输出所有模型的碰撞深度计算结果。
进一步的，为提高目标模型Mj内外判定的准确性，本发明根据软件中可能遇到的不同场景提出了不同的判定策略：
现有判定策略通常情况下多使用最近点p处的法向np判定顶点vi是否在目标模型Mj内部：从最近点p到顶点vi的向量(vi-p)与法向np点乘，若结果小于0表示顶点vi在目标模型Mj内部，等于0表示顶点vi在目标模型Mj表面，大于0则表示vi在目标模型Mj外部。但是，在数学上仅面片法向具有准确的定义，当最近点p落在边或是某个顶点上时就需要定义对应的伪法向计算方法。
本发明针对生成虚拟牙根桩后的牙齿模型，由于该类模型经过优化及修补，具有水密性且网格质量良好，本发明采用更为简单的基于角度权的法向，顶点处定义为：
Figure BDA0003616583930000021
其中αi和ni分别是与顶点相邻的面片fi中对应的内角和面片fi的单位法向。计算位于边上的法向时，令相邻的两个面片法向的权重均为π，带入上式(1)，得到最近点p处的法向np；
针对原始牙颌模型，因其不具有水密性，所以需要处理法向在边界处的定义，且网格质量不稳定，若采用与上述相同的方法鲁棒性不足。因此针对原始牙颌模型，本算法采用基于法向凸包的法向定义：将与最近点p相邻的所有面片的法向集合N放置到单位球的原点，计算这些法向集合N在单位球中组成的凸包的最近点，连接原点与该最近点得到目标法向np；
针对分割得到的原始牙冠模型，由于牙冠模型的相对位置关系更复杂，以及牙冠边缘可能存在的分割不完全的翘边区域，基于法向的模型内外侧判定鲁棒性不足。故本发明基于对牙冠模型形态的观察，提出使用最小二乘法拟合模型对应的椭球体，得到其虚拟碰撞中心vc。在判断内外时使用碰撞中心vc到最近点p的向量(p-vc)替代法向np参与计算。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种准确且高效的面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，该方法基于对数字化口腔正畸设计软件中所遇到的场景及对应需求的深入分析，针对各个应用场景下不同模型种类的内外判定问题，提出了不同解决策略，使得该算法能够在保证计算效率的前提下满足了数字化口腔正畸设计软件对计算准确度的要求，能够有效提高正畸设计方案的准确性和有效性。
本发明根据实际需求将三维网格模型的种类分为三类：水密模型、原始牙颌模型和原始牙冠模型，且针对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点到其它模型的有向距离；并且对于指定顶点，取该顶点对其他所有目标模型得到的碰撞深度数据中取最大值作为指定顶点的最终结果；因此本发明方法能够应对不同类型的输入模型和应用场景，同时本发明方法更加灵活且符合计算精度要求。
附图说明
图1为本发明算法的实施流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明的算法实施流程如下：
步骤1、获取需要计算碰撞深度的三维网格模型；
步骤2、根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类；
步骤3、初始化每个模型的轴对齐包围盒树T；
步骤4、对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点vi到其它模型的有向距离；
步骤5、输出所有模型的碰撞深度计算结果；
进一步的，本发明步骤2所述的根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类。本发明根据实际需求将三维网格模型的种类分为三类：水密模型、原始牙颌模型和原始牙冠模型；具体确定方式如下：
检测模型是否为水密模型，若模型为水密模型则生成虚拟牙根桩后的牙齿模型；否则测算该模型的规模，若输入模型的顶点数超过104个，则为原始牙颌模型；否则为分割得到的原始牙冠模型。
进一步的，本发明步骤4所述的对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点vi到其它模型的有向距离；具体实施流程为：
4-1.使用目标模型Mj的轴对齐包围盒树Tj计算目标模型Mj上离当前模型Mi中顶点vi的最近点p，并计算两点间欧氏距离dij；
4-2.判定顶点vi是否在目标模型Mj内部；若顶点vi在目标模型Mj内部，则返回di，否则返回0表示未发生碰撞；
4.3.对于顶点vi，取该顶点对其他所有目标模型得到的碰撞深度数据中取最大值作为顶点vi的最终结果。
4.4.输出所有模型的碰撞深度计算结果。
进一步的，为提高目标模型Mj内外判定的准确性，本发明根据软件中可能遇到的不同场景提出了不同的判定策略：
现有判定策略通常情况下多使用最近点p处的法向np判定顶点vi是否在目标模型Mj内部：从最近点p到顶点vi的向量(vi-p)与法向np点乘，若结果小于0表示顶点vi在目标模型Mj内部，等于0表示顶点vi在目标模型Mj表面，大于0则表示vi在目标模型Mj外部。但是，在数学上仅面片法向具有准确的定义，当最近点p落在边或是某个顶点上时就需要定义对应的伪法向计算方法。
本发明针对生成虚拟牙根桩后的牙齿模型，由于该类模型经过优化及修补，具有水密性且网格质量良好，本发明采用更为简单的基于角度权的法向，顶点处定义为：
Figure BDA0003616583930000041
其中αi和ni分别是与顶点相邻的面片fi中对应的内角和面片fi的单位法向。计算位于边上的法向时，令相邻的两个面片法向的权重均为π，带入上式(1)，得到最近点p处的法向np；
针对原始牙颌模型，因其不具有水密性，所以需要处理法向在边界处的定义，且网格质量不稳定，若采用与上述相同的方法鲁棒性不足。因此针对原始牙颌模型，本算法采用基于法向凸包的法向定义：将与最近点p相邻的所有面片的法向集合N放置到单位球的原点，计算这些法向集合N在单位球中组成的凸包的最近点，连接原点与该最近点得到目标法向np。
针对分割得到的原始牙冠模型，由于牙冠模型的相对位置关系更复杂，以及牙冠边缘可能存在的分割不完全的翘边区域，基于法向的模型内外侧判定鲁棒性不足。故本发明基于对牙冠模型形态的观察，提出使用最小二乘法拟合模型对应的椭球体，得到其虚拟碰撞中心vc。在判断内外时使用碰撞中心vc到最近点p的向量(p-vc)替代法向np参与计算。
进一步的，本发明提供一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算系统，包括数据获取模块、种类划分模块、模型初始化模块、模型策略模块以及计算结果模块。
进一步的，所述的数据获取模块用于获取需要计算碰撞深度的三维网格模型；
进一步的，所述的种类划分模块用于根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类；
进一步的，所述的模型初始化模块用于初始化每个模型的轴对齐包围盒树T；
进一步的，所述的模型策略模块用于对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点到其它模型的有向距离；
进一步的，所述的计算结果模块用于输出所有模型的碰撞深度计算结果。

Claims (7)

1.一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1、获取需要计算碰撞深度的三维网格模型；
步骤2、根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类；
步骤3、初始化每个模型的轴对齐包围盒树T；
步骤4、对每个模型根据模型种类使用不同策略，计算当前模型的每个顶点vi到其它模型的有向距离；
步骤5、输出所有模型的碰撞深度计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，其特征在于步骤2所述的根据获取的三维网格模型的模型信息确定该三维网格模型的种类，根据实际需求将三维网格模型的种类分为三类：水密模型、原始牙颌模型和原始牙冠模型。
3.根据权利要求2所述的一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，其特征在于三维网格模型的种类划分确定方式如下：
检测模型是否为水密模型，若模型为水密模型则生成虚拟牙根桩后的牙齿模型；否则测算该模型的规模，若输入模型的顶点数超过104个，则为原始牙颌模型；否则为分割得到的原始牙冠模型。
4.根据权利要求2或3所述的一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，其特征在于步骤4所述的对每个模型根据模型种类使用不同策略，针对生成虚拟牙根桩后的牙齿模型即水密模型，采用简单的基于角度权的法向，顶点处定义为：
Figure FDA0003616583920000011
其中αi和ni分别是与顶点相邻的面片fi中对应的内角和面片fi的单位法向；计算位于边上的法向时，令相邻的两个面片法向的权重均为π，带入上式(1)，得到最近点p处的法向np。
5.根据权利要求2或3所述的一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，其特征在于针对原始牙颌模型，采用基于法向凸包的法向定义：将与最近点p相邻的所有面片的法向集合N放置到单位球的原点，计算这些法向集合N在单位球中组成的凸包的最近点，连接原点与该最近点得到目标法向np。
6.根据权利要求2或3所述的一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，其特征在于针对分割得到的原始牙冠模型，提出使用最小二乘法拟合模型对应的椭球体，得到其虚拟碰撞中心vc；在判断内外时使用碰撞中心vc到最近点p的向量(p-vc)替代法向np参与计算。
7.根据权利要求2或3所述的一种面向数字化口腔正畸设计软件的碰撞深度计算方法，其特征在于步骤4所述的计算当前模型的每个顶点vi到其它模型的有向距离，具体实现如下：
4-1.使用目标模型Mj的轴对齐包围盒树Tj计算目标模型Mj上离当前模型Mi中顶点vi的最近点p，并计算两点间欧氏距离dij；
4-2.判定顶点vi是否在目标模型Mj内部；若顶点vi在目标模型Mj内部，则返回di，否则返回0表示未发生碰撞；
4.3.对于顶点vi，取该顶点对其他所有目标模型得到的碰撞深度数据中取最大值作为顶点vi的最终结果。
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