CN111991106B

CN111991106B - 一种牙套切割线自动生成方法及应用

Info

Publication number: CN111991106B
Application number: CN202010827783.6A
Authority: CN
Inventors: 何姗姗; 杨帆; 颜昌亚; 汪九洲; 李振瀚
Original assignee: Suzhou Hanhua Zhizao Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Hanhua Zhizao Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-17
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2040-08-17
Also published as: WO2022037105A1; CN111991106A

Abstract

本发明公开了一种牙套切割线自动生成方法及应用，涉及柔性加工技术领域；该方法包括：获取牙颌模型，分别计算所述牙颌模型中相邻两颗牙齿模型之间在沿牙龈曲面上的牙缝区域，将各牙齿模型以及相邻两颗牙齿模型之间的所述牙缝区域融合，得到全牙模型；从牙颌模型中剔除所述全牙模型，生成单孔洞的牙龈模型；识别所述牙龈模型上的边界线，基于邻域关系顺序连接形成闭环的初始切割线；对所述初始切割线进行平顺和过渡处理，并将处理后的初始切割线投影到牙颌模型上，得到最终的牙套切割线；本发明无需任何人工选点，能够全自动的计算高精度和高平顺性的牙套切割线，适用于牙齿矫正过程中牙套的全自动批量切割。

Description

一种牙套切割线自动生成方法及应用

技术领域

本发明属于柔性加工技术领域，更具体地，涉及一种牙套切割线自动生成方法及应用。

背景技术

近年来，随着三维测量、计算机图形学技术的不断发展，基于数字化建模的隐形矫治技术成为牙齿正畸矫正中的一项流行技术。佩戴隐形牙套进行牙齿矫正具有美观、清洁性好、便于摘取等优点，而隐形牙套的制作主要经过3D扫描数字建模、渐变矫正CAD建模、制造牙模和牙套毛坯、渐变矫正牙套切割加工等流程。在牙套切割加工时，需要首先从数字化的三维牙颌模型上确定牙套的切割线，这关系到后续牙套分割加工的精度和完整性，并直接影响到用户的佩戴体验和最终的矫治效果。

目前的隐形牙套的制作过程中多采用人工切割的方法，人工切割依赖工人经验，切割结果不可重用，并且切割线的准确定和稳定性差。因此，目前研究中出现了采用自动化设备，如五轴机床或工业机器人等代替人工进行牙套切割的方法。

牙套切割线的计算作为牙套切割加工的重要步骤，目前大多采用手动交互的方法识别切割线；例如：申请号CN201410505449.3的发明专利公开了一种无托槽隐性矫治器的切割方法，通过人工手动点选每颗牙齿和牙冠上的点来连接生成切割线，该方法操作复杂，耗费人力。申请号CN201910848531.9的发明专利公开了一种隐形牙套的牙齿-牙龈快速分割算法，通过分层连接的方法分割出牙齿和牙龈，但该分割方法受限于扫描方向，并且分割结果平顺性差。此外，现有技术中还出现采用基于曲率实现牙齿和牙龈的分离的方法，如申请号CN201510522490.6的发明专利公开了一种自动分割全颌牙齿三角网格模型的方法，其采用平均曲率和均方差曲率提取特征点和特征区域，并根据特征区域实现牙齿、牙龈和杂质的分割；但这种基于曲率的方法容易造成误识别，还需要人工交互进行修补，无法实现真正意义上的牙套切割线自动化生成。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种牙套切割线自动生成方法及应用，其目的在于解决目前的切割线识别方法存在的需要人工交互，以及切割线平顺性差、影响加工精度等问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种牙套切割线自动生成方法，包括：

获取牙颌模型，分别计算所述牙颌模型中相邻两颗牙齿模型之间在沿牙龈曲面上的牙缝区域，将各牙齿模型以及相邻两颗牙齿模型之间的所述牙缝区域融合，得到全牙模型；

从牙颌模型中剔除所述全牙模型，生成单孔洞的牙龈模型；

识别所述牙龈模型上的边界线，基于邻域关系顺序连接形成闭环的初始切割线；

对所述初始切割线进行平顺和过渡处理，并将处理后的初始切割线投影到牙颌模型上，得到最终的牙套切割线。

优选的，上述牙套切割线自动生成方法，对所述初始切割线进行过渡处理具体为：

确定相邻两颗牙齿模型之间的公共最近点，所述公共最近点为相邻两颗牙齿模型之间的最短路径的中点；

在初始切割线上查找与所述公共最近点距离最短的过渡点，分别在所述过渡点两侧的初始切割线上确定过渡起点和过渡终点；

分别在所述过渡起点、过渡终点沿初始切割线的切向方向上确定各自对应的控制点；

根据过渡起点、过渡终点和控制点对位于相邻两颗牙齿模型之间的初始切割线进行B样条过渡，得到过渡处理后的初始切割线。

优选的，上述牙套切割线自动生成方法，所述分别在所述过渡点两侧的初始切割线上确定过渡起点和过渡终点具体为：

分别从所述过渡点两侧的初始切割线上搜索相邻两颗牙齿模型的最低点，所述最低点为距离牙齿模型的咬合面最远的点；

根据预设的过渡参数分别在过渡点与每颗牙齿模型的最低点之间的初始切割线上确定过渡起点和过渡终点；所述过渡参数用于定义过渡点、过渡起点/过渡终点之间的距离与过渡点、最低点之间的距离的比值。

优选的，上述牙套切割线自动生成方法，所述分别在所述过渡起点、过渡终点沿初始切割线的切向方向上确定各自对应的控制点具体为：

根据预设的控制参数分别在过渡起点、过渡终点沿初始切割线的切向方向上确定过渡起点和过渡终点；所述控制参数用于定义过渡点、控制点之间的距离与过渡点、过渡起点/过渡终点之间的距离的比值。

优选的，上述牙套切割线自动生成方法，对所述初始切割线进行平顺处理具体为：

对所述初始切割线进行滤波去噪，并采用B样条曲线拟合对去噪后的初始切割线进行平顺处理。

优选的，上述牙套切割线自动生成方法，所述从牙颌模型中剔除所述全牙模型，生成单孔洞的牙龈模型具体为：

从牙颌模型中删除与所述全牙模型的距离小于预设的距离误差阈值的网格，得到只有牙龈部分的单孔洞牙龈模型；其中，该距离误差阈值可作为偏置参数来生成实际加工时的牙套切割线。

优选的，上述牙套切割线自动生成方法，所述识别所述牙龈模型上的边界线，基于邻域关系顺序连接形成闭环的初始切割线具体为：

通过模型网格的邻域关系搜索确定边界线并顺序连接，若一条边界线包含多条邻域边界，则选择夹角最小的一条邻域边界进行连接。

按照本发明的第二个方面，还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述任一项所述牙套切割线自动生成方法的步骤。

按照本发明的第二个方面，还提供了一种计算机可读介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行上述任一项所述牙套切割线自动生成方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明将各牙齿模型以及相邻两颗牙齿模型之间的牙缝区域进行融合，从牙颌模型中剔除融合得到的全牙模型，生成单孔洞的牙龈模型；然后通过边界提取和连接生成闭合的初始切割线，将该初始切割线投影到牙颌模型上，实现了牙套切割线的自动生成；该方法无需任何人工选点，能够全自动的计算高精度和高平顺性的牙套切割线，适用于牙齿矫正过程中牙套的全自动批量切割。

(2)本发明对初始切割线进行全局平顺和牙齿间过渡处理，确保切割线轨迹平顺、牙齿之间平滑过渡，能够提高牙套切割后用户佩戴的舒适性。

(3)本发明通过设置偏置参数自动实现切割工具的半径补偿，有利于高精度的五轴机床或工业机器人切割加工，切割线位于模型表面，精度高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的牙套切割线自动生成方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的三维牙颌模型的示意图；

图3是本发明实施例提供的单孔洞的牙龈模型示意图；

图4是本发明实施例提供的对初始切割线进行过渡处理的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的牙齿模型间过渡处理的示意图；

图6是本发明实施例提供的投影到牙颌模型上的牙套切割线的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例提供的一种牙套切割线自动生成方法的流程示意图，参见图1，该方法包括以下步骤：

S1：获取牙颌模型，分别计算牙颌模型中相邻两颗牙齿模型之间在沿牙龈曲面上的牙缝区域，将各牙齿模型以及相邻两颗牙齿模型之间的所述牙缝区域融合，得到全牙模型；

本实施例中，首先获取三维牙颌模型，该牙颌模型中包括牙齿和牙龈，部分牙颌模型还包含粘贴附件或基座。然后识别牙颌模型中包含的多个单颗牙齿模型，单颗牙齿模型的识别方式不做具体限制，可以直接在获取的整个牙颌模型上进行识别，也可以直接获取事先识别得到的多个单颗牙齿模型，如果采用此种方式，必须将获取的多个单颗牙齿模型与牙颌模型放置在同一坐标系中，然后将多个单颗牙齿模型按它们在牙颌模型上的生长顺序进行排列。本实施例中，牙颌模型和单颗牙齿模型均为网格模型，例如常用的三角片模型，如图2所示。

获取或识别出单颗牙齿模型之后，需要识别相邻两颗牙齿模型之间的牙缝区域，本实施例采用邻域搜索的方式计算相邻两颗牙齿模型之间的牙缝区域，然后将所有的牙齿模型以及相邻两颗牙齿模型之间的牙缝区域组成一个整体，组成的整体记为全牙模型。

S2：从牙颌模型中剔除全牙模型，生成单孔洞的牙龈模型；

图3是本实施例提供的单孔洞的牙龈模型示意图，获取全牙模型后，从牙颌模型中删除与全牙模型的距离小于预设的距离误差阈值的网格，得到单孔洞的牙龈模型；其中，该距离误差阈值可作为偏置参数来生成实际加工时的牙套切割线。

由于后续切割加工过程中所使用的切割工具存在一定的厚度/宽度，导致理论计算的牙套切割线与实际加工后产生的切割线之间不可避免存在偏差；为了解决这一问题，本实施例在从牙颌模型中剔除全牙模型时设置偏置参数(即距离误差阈值)，通过偏置参数来控制边界去除的精度；具体而言，从牙颌模型中删除与全牙模型的距离小于预设的偏置量的网格，得到只有牙龈部分的单孔洞牙龈模型；该偏置量可根据切割工具的半径进行设置，例如当采用半径0.5mm的铣刀进行切割，可将偏置量设置为0.5mm。

S3：识别牙龈模型上的边界线，基于邻域关系顺序连接形成闭环的初始切割线；

具体的，识别单孔洞的牙龈模型的边界线，该边界线可通过三角网格的邻域关系搜索得到；然后将边界线顺序连接形成闭环的初始切割线，由于模型中的三角片数量很多，采用邻域关系顺序连接时，如果一条边界线包含两条或两条以上的邻域边界，则优先选择夹角最小的一条邻域边界进行连接。

进一步的，为了得到更加平滑的初始切割线，作为一个优选的示例，在得到闭环的初始切割线之后，对该初始切割线进行滤波去噪，并采用B样条曲线拟合对去噪后的初始切割线进行平顺处理。具体的：首先对初始切割线进行全局平顺，具体是先采用高斯滤波去除初始切割线上的噪音点，当然滤波方式并不局限于高斯滤波，也可以采用其他常用的滤波方法；然后采用误差可控的三次B样条曲线拟合得到平顺切割线；全局平顺后的初始闭合切割线如图2中所示的白色闭环曲线。

进一步的，从图3可以看出，部分牙齿模型中间的初始切割线比较尖锐，按此制作的牙套可能不满足佩戴的舒适性要求，为此，需要把初始切割线上的尖锐部分去除，从而实现平滑过渡的效果。

作为一个优选示例，在生成初始切割线或者对初始切割线进行平滑处理之后，本示例还对相邻两颗牙齿模型之间的初始切割线进行过渡处理，图4是本实施例提供的对初始切割线进行过渡处理的流程示意图，参见图4，过渡处理的方法具体包括：

1)首先确定相邻两颗牙齿模型之间的公共最近点，该公共最近点为相邻两颗牙齿模型之间的最短路径的中点；

2)在初始切割线上查找与公共最近点距离最短的过渡点，分别在该过渡点两侧的初始切割线上确定过渡起点和过渡终点；具体的：

分别从过渡点两侧的初始切割线上搜索相邻两颗牙齿模型的最低点，该最低点为距离牙齿模型的咬合面最远的点；

根据预设的过渡参数分别在过渡点与每颗牙齿模型的最低点之间的初始切割线上确定过渡起点和过渡终点；本示例中，过渡参数用于定义过渡点、过渡起点/过渡终点之间的距离与过渡点、最低点之间的距离的比值。该距离可以是直线距离，也可以是曲线距离，本实施例不做具体限定；当采用曲线距离时，该曲线距离的计算方法是将构成曲线的多个直线段的长度进行叠加。

3)分别在过渡起点、过渡终点沿初始切割线的切向方向上确定各自对应的控制点；具体的：

根据预设的控制参数分别在过渡起点、过渡终点沿初始切割线的切向方向上确定过渡起点和过渡终点；本示例中，控制参数用于定义过渡点、控制点之间的距离与过渡点、过渡起点/过渡终点之间的距离的比值。由于控制点很大概率上无法定位在初始切割线上，因此，该距离优选采用直线距离进行计算。

4)最后，根据过渡起点、过渡终点和控制点对位于相邻两颗牙齿模型之间的初始切割线进行B样条过渡，得到过渡处理后的初始切割线。

下面结合图5对以上过渡处理的过程作进一步详细说明，参见图5，首先计算相邻两颗牙齿模型之间的最近点A和B，进而计算A点和B点的中点，称为公共最近点；接着在初始切割线上寻找距离公共最近点最短的点作为过渡点，图5中的C点即为过渡点。

在初始切割线上过渡点C的两侧寻找过渡起点P₁和过渡终点P₄，该过渡起点P₁和过渡终点P₄的确定方式为：首先从过渡点C向两侧搜索牙齿模型的最低点D和E，然后设置过渡参数r，过渡参数r用于确定从C到P₁的距离与从C到D的距离比例，以及从C到P₄的距离与从C到E的距离比例；过渡参数r可取0.2～1，过渡起点P₁和过渡终点P₄可以共用同一个过渡参数r，也可以分别为过渡起点P₁和过渡终点P₄设置各自对应的过渡参数r。

然后，在过渡起点P₁和过渡终点P₄的切向方向上确定控制点P₂和P₃，该控制点P₂和P₃的计算方法为：设置控制参数，该控制参数用于确定从C到P₂的距离与从C到P₁的距离比例，以及从C到P₃的距离与从C到P₄的距离比例；本实施例中，控制参数可以取大于0小于等于1的任意值，控制点P₂和P₃可以共用同一个控制参数，也可以分别为控制点P₂和P₃设置各自对应的控制参数。例如：设置过渡点C到控制点P₂的距离为过渡点C到过渡起点P₁的一半，过渡点C到控制点P₃的距离为过渡点C到过渡终点P₄的一半。

最后，可通过控制点P₁，P₂，P₃和P₄拟合生成三次B样条曲线，完成对初始切割线的过渡处理。

S4：将初始切割线投影到牙颌模型上，得到最终的牙套切割线。

将步骤S3中得到的切割线投影到牙颌模型上，若投影后的曲线存在交叉，删除交叉点，最终得到平顺、精度高的牙套切割线。

图6为投影到牙颌模型上的牙套切割线的示意图，其中，实线轨迹为步骤S4中生成的最终的牙套切割线，虚线轨迹为实际切割后得到的真正的齿龈分界线，可以看出切割线轨迹整体平顺，精度可控。实线轨迹与虚线轨迹之间的距离对应切割工具的厚度/半径，可以看出，本实施例通过设置偏置量自动实现切割工具的半径补偿，提高了切割精度，有利于高精度的五轴机床或工业机器人切割加工。

本实施例还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行上述牙套切割线自动生成方法的步骤，具体步骤参见上文，此处不再赘述；本实施例中，处理器和存储器的类型不作具体限制，例如：处理器可以是微处理器、数字信息处理器、片上可编程逻辑系统等；存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器或者它们的组合等。

该电子设备也可以与一个或多个外部设备(如键盘、指向终端、显示器等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备交互的终端通信，和/或与使得该电子设备能与一个或多个其它计算终端进行通信的任何终端(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口进行。并且，电子设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(Local Area Network，LAN)，广域网(Wide Area Network，WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。

本实施例还提供了一种计算机可读介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行牙套切割线自动生成方法的步骤。计算机可读介质的类型包括但不限于SD卡、U盘、固定硬盘、移动硬盘等存储介质。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种牙套切割线自动生成方法，其特征在于，包括：

从牙颌模型中剔除所述全牙模型，生成单孔洞的牙龈模型；

对所述初始切割线进行平顺和过渡处理，并将处理后的初始切割线投影到牙颌模型上，得到最终的牙套切割线；对所述初始切割线进行过渡处理具体为：

2.如权利要求1所述的牙套切割线自动生成方法，其特征在于，所述分别在所述过渡点两侧的初始切割线上确定过渡起点和过渡终点具体为：

3.如权利要求1所述的牙套切割线自动生成方法，其特征在于，所述分别在所述过渡起点、过渡终点沿初始切割线的切向方向上确定各自对应的控制点具体为：

4.如权利要求1所述的牙套切割线自动生成方法，其特征在于，对所述初始切割线进行平顺处理具体为：

5.如权利要求1所述的牙套切割线自动生成方法，其特征在于，所述从牙颌模型中剔除所述全牙模型，生成单孔洞的牙龈模型具体为：

从牙颌模型中删除与所述全牙模型的距离小于预设的距离误差阈值的网格，得到单孔洞的牙龈模型。

6.如权利要求1所述的牙套切割线自动生成方法，其特征在于，所述识别所述牙龈模型上的边界线，基于邻域关系顺序连接形成闭环的初始切割线具体为：

7.如权利要求3所述的牙套切割线自动生成方法，其特征在于，所述过渡参数的取值为0.2～1。

8.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

9.一种计算机可读介质，其特征在于，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行权利要求1～7任一项所述方法的步骤。