（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）基于hoops的義齒cad關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

中文摘要 為研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的義齒c a d c a m 系統(tǒng)，本文在前期研究成果的 基礎(chǔ)上，利用h o o p s 圖形平臺(tái)，對(duì)義齒c a d 若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，全文內(nèi) 容如下： 奪邊緣線是義齒設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)，現(xiàn)有的提取方法一種為純手工逐點(diǎn)拾取，費(fèi)時(shí)費(fèi) 力；一種為全自動(dòng)提取，計(jì)算量大，不能一次得到最終結(jié)果。本文以智能剪 刀的基本原理為指導(dǎo)利用邊緣線曲率較大的特點(diǎn)，研究開發(fā)能夠快速準(zhǔn)確提 取預(yù)備體邊緣線的算法。最終結(jié)果表明，該算法能夠交互式的提取邊緣線， 速度快，準(zhǔn)確度高。 義齒的修復(fù)是牙齒上缺失特征的修復(fù)，牙齒的解剖學(xué)特征決定了牙齒的基本 形態(tài)，是義齒修復(fù)的依據(jù)。本文以s n a k e 模型為基礎(chǔ)研究提取標(biāo)準(zhǔn)牙特征的 算法，并以此建立標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)文件。最后以標(biāo)準(zhǔn)牙特征為模板提取預(yù)備體特 征。提取得到的特征將為義齒的c a d 設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。 奪義齒的表面設(shè)計(jì)是義齒c a d 的核心內(nèi)容，傳統(tǒng)的n u r b s 曲面雖然能夠?qū)?現(xiàn)曲面的變形，但是控制點(diǎn)數(shù)量太多，調(diào)整不便。本文研究以徑向基函數(shù)來(lái) 控制標(biāo)準(zhǔn)牙曲面變形的算法。結(jié)果表明，利用此算法，能夠?qū)崿F(xiàn)用少量控制 點(diǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)牙整體曲面和局部區(qū)域的變形，為義齒的表面設(shè)計(jì)提供必要的工 具。 奪義齒c a d 軟件系統(tǒng)是本文研究的最終目標(biāo)，通過(guò)對(duì)義齒設(shè)計(jì)過(guò)程的分析， 得到義齒設(shè)計(jì)c a d 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，然后以h o o p s 圖形內(nèi)核為開發(fā)平臺(tái)， 研究開發(fā)義齒c a d 原型系統(tǒng)，并給出冠和嵌體的設(shè)計(jì)實(shí)例。 本文研究的邊緣線提取算法、特征提取算法和牙齒表面設(shè)計(jì)技術(shù)是開發(fā)義齒 c a d 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為義齒c a d 軟件系統(tǒng)的進(jìn)一步研發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：固定義齒；h o o p s ；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；特征 a b s t r a c t i no r d e rt oc r e a t eo u ro w nd e n t a lc a d s y s t e m ，t h ek e yt e c h n i q u eo fd e n t a l c a di ss t u d i e do nt h eb a s i so fo u rf i n i s h e dw o r k su s i n gh o o p s g r a p h i cp l a t f o r m t h ef o l l o w i n ga r et h ec o n t e n t s ： 奪t h em a r g i nl i n ei st h er e f e r e n c eo fd e n t a lc a d b u tt h e r ea r eo n l yt w oe x i s t e n t m e t h o d s t h ef n s to n ei saf u l l yh a n d w o r kw h i c ha l w a y sc o s t sm u c ht i m e t h e s e c o n do n ei sf u l l ya u t o m a t i c ，i ti sn o ts a t i s f i e de i t h e r i nt h i sp a p e r , ai n t e r a c t i v e m a r g i n - d e t e c ta l g o r i t h mi ss t u d i e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fi n t e l l i g e n ts c i s s o r , i t c a nd e t e c tt h em a r g i nl i n eq u i c k l ya n df r e e l ya c c o r d i n gt ot h ec u r v a t u r eo ft h e m e s h t h er e s t o r a t i o no ft h et o o t hi sa c t u a l l yt h er e s t o r a t i o no fi t sa n a t o m i cf e a t u r e w h i c hd e f i n e st h ef o r mo ft h et o o t h i nt h i sp a p e r , t h ef e a t u r eo ft h es t a n d a r dt o o t h i sd e t e c t e du s i n gt h es n a k em o d e l ，a n dt h e nu s e df o rt h ee x t r a c t i o no ft h a to nt h e p r e p a r a t i o na sam a s k a f t e rt h a tt h ed a t af i l eo ft h es t a n d a r dt o o t hi sc r e a t e d u s i n gt h ee x t r a c t e df e a t u r e a l lo ft h e s ea r et h er e f e r e n c eo fd e n t a lc a d s u r f a c ed e s i g ni st h ek e yo ft h ed e n t a lc a d a l t h o u g hn u b r sc a nd ot h i s ；t h e n u m b e ro fi t sc o n t r o lp o i n ti st o ol a r g et ob ea d j u s t e d i no r d e rt oi m p r o v et h e s i t u a t i o n , a na l g o r i t h mt h a tc a nd e f o r mt h et o t a la n dl o c a lm e s hb yr a d i a lb a s i s f u n c t i o ni ss t u d i e d t h i sm e t h o di sg o o df o rt h a ti tc a nm o r p ht h em e s hb yo n l ya f e wf e a t u r ep o i n t s 奪i no r d e rt ob u l i dad e n t a lc a ds y s t e m t h ef u n c t i o nd i a g r a mi ss t u d i e db y a n a l y z i n gt h ep r o c e s so fd e n t a ld e s i g n a f t e rt h a t ，ad e n t a lc a ds y s t e mi sb u i l t o nt h eh o o p sg r a p h i cp l a t f o r m , a n dt w or e s t o r a t i o n s ，c r o w na n di i l l a y ，a r e c r e a t e d t h ea l g o r i t h mo fm a r g i nl i n ea n df e a t u r ed e t e c t i o na n dt h et e c h n i q u eo ft o o t h s u r f a c ed e s i g nm e n t i o n e di nt h i sp a p e ra r et h ek e yt e c h n i q u e so ft h ed e n t a lc a d s y s t e m , m e yw i l ll a yab a s i sf o rt h ef u t u r ew o r k ， k e yw o r d s ：f i x e dd e n t a lp r o s t h e s i s ，h o o p s ，c a d ，f e a t u r e 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本入聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)瘁指導(dǎo)下進(jìn)行麓研究工俸和聯(lián)褥斡 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過(guò)的研究成果，也不氡含為獲得苤童蕉莖或箕毽教育奉梵構(gòu)的學(xué)位藏證 書囂使用過(guò)的材料。與我一慰工作的同志對(duì)本研究所徽的任何貢獻(xiàn)均邑在論文孛 作了明確的說(shuō)盟并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：叢眾孝簽字岡鞘：嘔 年，月p 霹 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解墨連蠢堂一肖關(guān)保譬、使用學(xué)位論文的娥定。 特授權(quán)苤盎燾堂可以將學(xué)位論文的全部藏部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 彝國(guó)家毒關(guān)部f j 或楓構(gòu)送交論文斡復(fù)印件秘磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者簽名：甜灰辛 簽字閂鬻：p 移善年霹胃 奄曩 導(dǎo)師簽名：翻 導(dǎo)師簽名：鄉(xiāng)h 簽字曩期：弘茹簿多莠，舅 第一章緒論 1 1 課題研究背景和意義 第一章緒論 近年來(lái)，由于人們飲食習(xí)慣的改變以及對(duì)口腔衛(wèi)生的不夠重視，齲齒發(fā)病率 越來(lái)越高。2 0 0 4 年2 月2 4 日，w h o 通報(bào)了全球口腔疾病狀況。據(jù)估計(jì)，全世 界有5 0 億居民患有齲齒，其中相當(dāng)一部分需要采用固定義齒進(jìn)行修復(fù)【l j 。目前 國(guó)內(nèi)外常規(guī)使用的修復(fù)方法一失蠟法，加工工藝繁瑣，制作效率低，病人就診次 數(shù)多，時(shí)間長(zhǎng)，并且難以獲得對(duì)位良好的猞接觸，為病人的治療帶來(lái)諸多不便。 2 0 世紀(jì)7 0 年代初期，法國(guó)學(xué)者f r a n c o i sd u r e t 開創(chuàng)性地將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算 機(jī)輔助制造( c a d c a m ) 技術(shù)引入到口腔固定修復(fù)體的設(shè)計(jì)與制作中，引發(fā)了 口腔修復(fù)學(xué)界一場(chǎng)重大的技術(shù)革命【2 】。應(yīng)用c a d c a m 技術(shù)制作義齒，與失蠟法 相比，極大地縮短了義齒的制作周期，如圖1 1 【2 3 】所示，同時(shí)可以制作出生物相 融性很好的全陶瓷義齒，受到人們的廣泛歡迎。 瘸人i 一一 頒釜勿：體 一h ll 內(nèi)數(shù)姑漿斃 0 5 1 0 m i 傳 l 制作蠟攫卜丑= l = 份援型卜+ l 門辮數(shù)據(jù)鬈鏹 統(tǒng) 。、! 失 u 包埋 5 - l o m i 粥 再 lcad 法 八 + ： 鑄選 l cam 2 h 6 0 塒 - ：。i1 ： l 。l 浩確 ?；辸 i 。 7 lf 列j i ! 叫坪：乙r + 城戴捻l ! 至 0 修復(fù)俘裝婊 圖1 1c a d c a m 修復(fù)方法和傳統(tǒng)失蠟法比較 二十多年來(lái)，國(guó)外市場(chǎng)出現(xiàn)了一系列固定義齒修復(fù)c a d c a m 系統(tǒng)產(chǎn)品， 實(shí)現(xiàn)了修復(fù)體的設(shè)計(jì)制作自動(dòng)化。但這些系統(tǒng)價(jià)格昂貴，其功能仍在不斷完善中， 第一章緒論 不可能大規(guī)模的引進(jìn)解決我國(guó)的臨床需要。隨著c a d c a m 技術(shù)的不斷發(fā)展， 它將成為口腔修復(fù)技術(shù)的主流。因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固定義齒 c a d c a m 系統(tǒng)勢(shì)在必行。 據(jù)1 9 9 8 年7 月完成的第二次全國(guó)口腔健康流行病調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)人口 恒牙患齲齒率達(dá)4 9 8 8 ，有近3 0 億顆齲齒需要治療【3 1 。但是縱觀國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，尚無(wú) 相關(guān)的c a d c a m 產(chǎn)品出現(xiàn)。為此，提出研發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)固定義齒 c a d c a m 系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)幾年的研究，課題組前期已經(jīng)在商品化軟件上探索了冠、 冠橋和嵌體設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，下一步的工作就是要開發(fā)自主的義齒c a d c a m 系 統(tǒng)，本文就是在這樣的背景下提出來(lái)的。 1 2 固定義齒c a d 技術(shù)研究狀況 固定義齒c a d c a m 系統(tǒng)是一套專門用于義齒修復(fù)體設(shè)計(jì)和制作的系統(tǒng)， 它是c a d c a m 技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的一次革命性突破。該技術(shù)將常規(guī)治療中 獲取“物理印模和“物理模型”技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用光電原理和數(shù)字化處理技術(shù)獲 取光學(xué)印模和模型：將應(yīng)用材料制作修復(fù)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯釉赾 a d 軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)； 將失蠟鑄造術(shù)、填充技術(shù)制作修復(fù)體轉(zhuǎn)變?yōu)橛稍O(shè)計(jì)結(jié)果生成數(shù)控指令輸入數(shù)控機(jī) 床進(jìn)行加工。 其中，進(jìn)行修復(fù)體設(shè)計(jì)的c a d 部分是整個(gè)固定義齒c a d c a m 系統(tǒng)的核心技 術(shù)，它包括不同人種的標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)庫(kù) 4 1 ，修復(fù)體設(shè)計(jì)的c a d 軟件等。這一核心技 術(shù)主要完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，修復(fù)體的形態(tài)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并為后續(xù)的數(shù)控加工提供 所需的數(shù)據(jù)和模型。此外該系統(tǒng)需要具有一定的人機(jī)交互功能，能較真實(shí)地模擬 口腔高級(jí)修復(fù)專家的臨床檢查、診斷、并給出修復(fù)前的治療計(jì)劃和最終的義齒修 復(fù)方案。自固定義齒c a d c a m 技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，世界上眾多科研機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)企業(yè) 爭(zhēng)相投入開發(fā)研究，相繼取得了一定的成果，特別是在修復(fù)體c a d 系統(tǒng)方面，一 些產(chǎn)品能夠設(shè)計(jì)冠、嵌體和冠橋等修復(fù)體，并且有的已經(jīng)應(yīng)用在了臨床治療中。 1 2 1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 迄今為止，國(guó)外市場(chǎng)上先后出現(xiàn)數(shù)十種固定義齒c a d c a m 系統(tǒng)產(chǎn)品。其 中主要有法國(guó)的d u r e t 系統(tǒng)，瑞士的c e r e c 系統(tǒng)，日本的g n i 系統(tǒng)，德國(guó) 的e v e r e s t 系統(tǒng)以及d e n t a c a d 系統(tǒng)等。 1 9 8 3 年，第一個(gè)固定義齒c a d c a m 系統(tǒng)- - d u r e t 系統(tǒng)【5 】在法國(guó)問(wèn)世，并于 1 9 8 8 年投入市場(chǎng)，該系統(tǒng)只能用于簡(jiǎn)單的修復(fù)體設(shè)計(jì)，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì) 醫(yī)生的操作技能要求較高，在實(shí)際臨床中的應(yīng)用很少。 第章緒論 1 9 8 6 年1 1 月1 3 日，在瑞士蘇黎世大學(xué)牙科學(xué)院m o r m a r m 博士和b z a n d e s t i m 博士的帶領(lǐng)下，瑞士s 1 r o n a 公司和德國(guó)西門子公司聯(lián)手推出了首臺(tái)固定義齒 c a d c a m 系統(tǒng)商業(yè)化產(chǎn)品- - c e r e ci 系統(tǒng)1 6 j 。發(fā)展至今，s i r o n a 公司已經(jīng)開 發(fā)出四代產(chǎn)品，并且在臨床得到了實(shí)際的應(yīng)用。 該系統(tǒng)是迄今為止開發(fā)最為成功的固定義齒c a d 軟件。它的c a d 系統(tǒng)具 有友好的人機(jī)交互界面( 圖卜2 ( a ) ) 具備能夠適用于不同人群的標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)庫(kù) ( 圖i - 2 ( b ) ) ，能夠完成單冠。嵌體，貼面等修復(fù)體的設(shè)計(jì)。 a ) 操作界面( b ) 標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)庫(kù) 霪潞 ( c ) 修復(fù)體設(shè)計(jì)實(shí)例 圈1 2 瑞士c e r e c 系統(tǒng)咧 為了能夠設(shè)計(jì)出符合要求的修復(fù)體，該系統(tǒng)提供了e x t r a p o l a t i o n 、c o r r e l a t i o n 、 f u n c t i o n 法p - 1 0 , ”。5 1 三種形態(tài)設(shè)計(jì)方法，e x t r a p o l a t i o n 方法首先調(diào)用義齒的數(shù)學(xué) 模型，然后根據(jù)相鄰矛的豬面數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)義齒豬面形態(tài)，該種方法只適用于咬合 關(guān)系基本正常的患牙，修復(fù)體形態(tài)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性多依靠操作者經(jīng)驗(yàn)。c o r r e l a t i o n 方法首先預(yù)制出一修復(fù)體蠟型，然后掃描蠟型獲得修復(fù)體外表面數(shù)據(jù)，最后以預(yù) 備體數(shù)據(jù)作為義齒內(nèi)表面數(shù)據(jù)，通過(guò)將修復(fù)體外表面數(shù)據(jù)和預(yù)備體數(shù)學(xué)重構(gòu)在一 起，來(lái)獲得完整義齒。f u n o t i o n i 過(guò)功能咬合記錄來(lái)設(shè)計(jì)豬面形態(tài)，采用該方法 獲得的義齒形態(tài)較為精確，但需將義齒模型和咬合牙印模型重合，操作復(fù)雜，不 易完成。 圖l 一3 給出的g n i 系統(tǒng) i s , j 7 惶由日本c - c 公司開發(fā)出來(lái)的第一代固定義齒 靄函 第一章緒論 c a d c a m 系統(tǒng)，該系統(tǒng)的c a d 部分主要針對(duì)嵌體和后牙全冠的設(shè)計(jì)制作。但是 在設(shè)計(jì)過(guò)程，需要通過(guò)選擇參考線的尺寸、指定范圍，確定牙齒表面外形輪廓； 通過(guò)模仿斷層面，確定牙冠厚度 通過(guò)模擬接觸，設(shè)計(jì)咬合面和近遠(yuǎn)中接觸面， 而且缺少對(duì)不同形態(tài)雅面的設(shè)計(jì)，很難建立個(gè)性化的咬合關(guān)系。 圖】4 德國(guó)e v e r e s t 系統(tǒng) 第一章緒論 1 2 2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 與國(guó)外技術(shù)相比，我國(guó)的固定義齒c a d c a m 技術(shù)研究還處于起步階段，仍 局限于基本理論和基本方法的探討。在義齒c a d 技術(shù)方面的研究與開發(fā)與國(guó)外還 有很大的差距沖國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院的王樹杰等以s u r f a c e 逆向工程軟件為平臺(tái) 進(jìn)行二次開發(fā)”q ，對(duì)修復(fù)體中的牙冠和嵌體的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，但是其使用過(guò)程 中過(guò)多地涉及到了逆向工程的相關(guān)知識(shí)，對(duì)使用者相關(guān)知識(shí)的要求很高。北京大 學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院呂培軍領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)小組用m a i l a b 平臺(tái)編寫程序，建立了標(biāo)準(zhǔn)牙的自 由曲面模型【l 蛸”( 見(jiàn)圖1 - 5 ) ，并實(shí)現(xiàn)了牙冠三維數(shù)據(jù)預(yù)處理和模型形態(tài)變換調(diào) 整。后來(lái)叉在s u r f a c e b ! f , l i 程軟件上開發(fā)了相應(yīng)的功能。但是系統(tǒng)的用戶交互界 面復(fù)雜，義齒的形態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整繁瑣。 a ) 義齒形態(tài)調(diào)整( b ) 標(biāo)準(zhǔn)牙模型 圖i - 5 北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院的研究成果 天津大學(xué)與天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院合作，致力于開發(fā)具有國(guó)人自主知識(shí)產(chǎn) 權(quán)的固定義齒c a d c a m 系統(tǒng)，也取得了階段性成果。利用商品化軟件完成標(biāo)準(zhǔn) 牙數(shù)據(jù)的獲取口”，單冠、嵌體和冠橋的設(shè)計(jì)技術(shù)路線瑚3 1 的探索如圖1 - 6 所示， 但是還未開發(fā)自主的義齒c a d 軟件系統(tǒng)。 第章緒論 a ) 標(biāo)準(zhǔn)牙冠m ) 單冠修復(fù)體 一 c ) 冠橋修復(fù)體 1 3h o o p s 圖形平臺(tái) 國(guó)16 天津大學(xué)的研究成果 f d ) 嵌體修復(fù)體 h o o p s3 da p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ( h o o p s 3 d a f ) 是由t e e hs o f ta r n i c a 公 司開發(fā)并由s p 撕m 再次銷售的產(chǎn)品1 2 | 】該產(chǎn)品為當(dāng)今世界上領(lǐng)先的3 d 應(yīng)用程序 提供了核心的圖形架構(gòu)和圖形功能，這些3 d 應(yīng)用程序涉及c a d c a m c a e 、工 程、可視化和仿真等領(lǐng)域。 h o o p s 是一個(gè)建立在o p e n g l 、d i r e c t e d 等圖形編程接口之上的更高級(jí)別 的開發(fā)平臺(tái)，提供了很多應(yīng)用層的功能| 三【及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)源碼如文檔視圖管理、 打印、事件處理、視圖瀏覽( 包括3 d 虛擬行走) 、檢取和動(dòng)態(tài)高亮、動(dòng)畫、材 質(zhì)貼圖、測(cè)量和批注、動(dòng)態(tài)干涉檢查以及和造型引擎接口等。它為用戶提供了高 級(jí)的2 d 和3 d 圖形功能包括圖形的創(chuàng)建、編輯、存儲(chǔ)、操作、查詢和渲染等各 種操作。除此之外，h o o p s 3 d a f 具備大模型顯示的能力，為此，即使對(duì)于非常 復(fù)雜的模型數(shù)據(jù)，比如具有龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三角片面模型，用戶也可以實(shí)現(xiàn)實(shí) 時(shí)渲染和便捷的人機(jī)交互。不僅如此，h o o p s 還提供了一系列獨(dú)立于平臺(tái)和g u i 的c + + 類，為用戶的使用提供了豐富的a p i 接口。 雖然直接使用o p 衄g l 或d i r e e t 3 d 等圖形編程接r l 就可以滿足一般的可視 化需要，但如果3 d 應(yīng)用程序需要更加高級(jí)的圖形功能或需要對(duì)圖形性能進(jìn)行 優(yōu)化時(shí)開發(fā)人員還需要傲大量的工作，如建立自己的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)包括 第一章緒論 o p e n g l 、d i r e c t 3 d 在內(nèi)的多種硬件驅(qū)動(dòng)提供支持等，而這些圖形功能的實(shí)現(xiàn)需 要很多專業(yè)圖形開發(fā)人員通過(guò)多年的努力才可能完成。如果以h o o p s 為開發(fā)平 臺(tái)，所有這些底層的技術(shù)都不需要用戶來(lái)編寫，這樣一來(lái)，開發(fā)人員就可以將精 力集中于高層次技術(shù)的研發(fā)上。鑒于h o o p s 的這些優(yōu)點(diǎn)，本文擬以其為圖形平 臺(tái)，研究固定義齒c a d 系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)義齒c a d 的原型系統(tǒng)。 1 4 本文研究?jī)?nèi)容 本文從建立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固定義齒c a d c a m 系統(tǒng)的總體目標(biāo)出發(fā)，以 h o o p s 圖形平臺(tái)為基礎(chǔ)，以v c + + 為開發(fā)語(yǔ)言，研究開發(fā)固定義齒c a d 系統(tǒng)的 關(guān)鍵技術(shù)。全文研究?jī)?nèi)容如下： 第一章介紹課題的研究背景和意義，國(guó)內(nèi)外研究狀況以及開發(fā)平臺(tái)h o o p s 的介紹，并提出本文主要研究?jī)?nèi)容。 第二章利用智能剪刀的原理研究預(yù)備體邊緣線的交互式提取算法，并對(duì)該 算法進(jìn)行優(yōu)化。 第三章依據(jù)牙齒解剖學(xué)特征在幾何上的特點(diǎn)，引入s n a k e 模型，研究提取 標(biāo)準(zhǔn)牙和預(yù)備體特征的算法。 第四章研究義齒表面設(shè)計(jì)技術(shù)，包括牙齒的整體變形和局部調(diào)整技術(shù)，并 在h o o p s 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。 第五章實(shí)現(xiàn)義齒c a d 系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)和人機(jī)界面，并給出設(shè)計(jì)的實(shí) 例。 第六章全文主要結(jié)論及工作展望。 第二章邊緣線提取算法研究 2 1 概述 第二章邊緣線提取算法研究 如圖2 l 所示，在待修復(fù)預(yù)備體上，邊緣線為預(yù)備區(qū)與殘留區(qū)的交線，是修 復(fù)體和預(yù)備體配合的基準(zhǔn)，其提取的速度和精度會(huì)影響整個(gè)修復(fù)體設(shè)計(jì)的速度和 精度，因此邊緣線的提取是進(jìn)行義齒c a d 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資料分析發(fā)現(xiàn)，邊緣線的提取主要有兩種方法。一是手動(dòng)拾取若 干點(diǎn)，最終連成線：二是利用曲率等幾何特征來(lái)自動(dòng)的提取阱】。手動(dòng)提取需要用 戶逐點(diǎn)拾取，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，速度慢，精度受操作者的影響很大。而利用基于曲率的 算法對(duì)邊緣線進(jìn)行識(shí)別時(shí)，由于所參照的標(biāo)準(zhǔn)只有曲率，不能自動(dòng)分辨出目標(biāo)區(qū) 域，所以許多不必要的區(qū)域會(huì)被計(jì)算，如圖2 - 2 所示其中很大的一部分是不需 要的區(qū)域因此這種算法計(jì)算量很大。不僅如此，在得到符合曲率要求的區(qū)域后， 還要對(duì)邊緣線所在區(qū)域單獨(dú)處理瞄】，才能得到能夠用于義齒設(shè)計(jì)的邊緣線，因此 這種方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也很不方便。 智能剪刀是二維圖像處理中一種很好的交互式工具，它可以讓用戶通過(guò)在感 興趣的區(qū)域移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)交互式的邊界提取。由于在提取的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一 條不斷隨著鼠標(biāo)位置變化，同時(shí)又自動(dòng)吸引到圖像邊緣上的曲線，因此有的文章 稱之為“活線技術(shù)”或者“磁性套索工具”。鑒于這種良好的交互式特點(diǎn)，本文 以智能剪刀的基本原理為指導(dǎo)，開發(fā)一種適用于三維預(yù)備體模型的邊緣線提取算 法。 圖2 - 1 冠的預(yù)備體 圖2 - 2 利用曲率得到的區(qū)域 r 一 蹦v j 越 第二章邊緣線提取算法研究 2 2 智能剪刀模型 智能剪刀算法最早w i l l i a m 提出1 2 6 1 ，它是一種全新的交互式工具，最初應(yīng) 用于圖像的分割與合成。眾所周知，全自動(dòng)的圖像分割和純手工邊界提取要么由 于計(jì)算量大，考慮因素太多而無(wú)法實(shí)現(xiàn)，要么提取過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而智能剪刀能 夠通過(guò)鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單動(dòng)作，快速而又準(zhǔn)確的提取數(shù)字圖像中目標(biāo)對(duì)象的邊界。當(dāng)光 標(biāo)位置接近對(duì)象的邊緣時(shí)，一條“活動(dòng)邊界 就會(huì)捕捉并圍繞在目標(biāo)對(duì)象上，并 且隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)改變形狀和位置。因此智能剪刀也稱為“活線技術(shù)。 在智能剪刀算法中，最關(guān)鍵的一步是將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為無(wú)向剛2 7 】的形式。這 需要將圖像中的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化為圖中的節(jié)點(diǎn)，像素之間的鄰接關(guān)系轉(zhuǎn)化為圖中的節(jié) 點(diǎn)連接。連接的代價(jià)量【27 j 用相鄰像素之間灰度值的變化來(lái)計(jì)算。在建立了無(wú)向連 通圖之后，就可以利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃來(lái)完成最短路徑的搜索。其中最短路徑是在開始 節(jié)點(diǎn)和結(jié)束節(jié)點(diǎn)之間的一條最優(yōu)路徑，路徑上節(jié)點(diǎn)的局部代價(jià)量之和為所有可能 路徑中的最小值。 ggg gpg 口gg 圖2 3 像素的相鄰情況 在智能剪刀算法中，局部代價(jià)量l ( p ，g ) 的計(jì)算包含零交叉點(diǎn)正，梯度值兀， 梯度方向廠d 三個(gè)分能量，這三個(gè)部分按照一定的比例組合為最終的局部代價(jià)量， 如式2 1 所示。 l ( p ，q ) = 國(guó)z 厶( q ) + g o d 厶( p ，q ) + 兀( g ) ( 2 1 ) 其中，彩是每一種局部代價(jià)量的加權(quán)值。 ( 經(jīng)驗(yàn)值：國(guó)：= 0 4 3 ，國(guó)d = 0 4 3 ， 鱗；= 0 1 4 ) ，現(xiàn)對(duì)每一個(gè)分能量進(jìn)行闡述： 1 、拉普拉斯過(guò)零函數(shù)左b ) y z ( q ) = ：；乒乏擦善 協(xié)2 ) t 是對(duì)原數(shù)據(jù)( 后) 進(jìn)行l(wèi) o g ( 高斯拉普拉斯變換) 得到的結(jié)果，對(duì)于t ， 零交叉點(diǎn)的定義如下：( 1 ) 該點(diǎn)為o ；( 2 ) 若相鄰兩點(diǎn)pq 為從正到負(fù)，且 i ，p 一，。l t h r e s h o m ，則取絕對(duì)值小者為零交叉點(diǎn)。其中砌陽(yáng)s 辦d 塒為閾值，一般 取1 6 6 3 8 1 能夠取得很好的效果。 第二章邊緣線提取算法研究 梯度等級(jí)函數(shù)兀q ) 厶= 鼉箬小面g 協(xié)3 ) 梯度等級(jí)函數(shù)g 可以采用不同的算子，因?yàn)橛绊懽罱K計(jì)算能量的是模板的寬度而 不是類型。在本文中，梯度的計(jì)算采用圖2 4 所示的s o b e l 算子來(lái)實(shí)現(xiàn)。令， 表示x ，y 方向的梯度，則梯度g 可由式2 - 4 計(jì)算得到。 g = e 砭 圖2 - 4s o b e l 算子 ( 2 4 ) 最后，為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，需要對(duì)得到的梯度等級(jí)能量作這樣的處理：若q 是 p 的對(duì)角鄰點(diǎn)，厶q ) 不變，若g 是p 的水平或垂直鄰點(diǎn)， 兀( g ) 除以互。 3 、梯度方向能量厶 當(dāng)p ，g 兩點(diǎn)相似時(shí)，其梯度方向所占的能量較小，因此這種能量因子能夠 使相似點(diǎn)歸于同一條可能路徑，具有歸類相似點(diǎn)的功能，可以對(duì)變化劇烈的邊緣 產(chǎn)生平滑的作用。 厶o ，g ) = 蘭 o s p ，o ，g 汗1 c o s d 。o ，g 汗1 ) ( 2 5 ) 其中 d p 0 ，q ) - - d 0 ) 上0 ，g ) ( 2 6 ) 吃0 ，q ) - - 三惦g ) d q ) 7 為常數(shù)3 1 4 ，“”表示矢量點(diǎn)乘。矢量d q ) ，d 0 ) 可由式2 - 7 得到。 d ) = 也0 ) ，一l 0 ) ) d 白) = 也( g ) 一l g ) ) 三。，g ) = 。q p - 一p 留；籮：2 ；：g 二；三：l p 一留； ， 巾j 舊一p ，su ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中式( 2 - 7 ) 中的) ，i y ( p ) ，i x ( g ) ，i y ( 9 ) 分別為p ，g 點(diǎn)在x ，y 方向的 梯度，式( 2 8 ) 中加黑的p ，g 表示p ，q 點(diǎn)的坐標(biāo)向量。上協(xié)g ) 為像素p 和g 第二章邊緣線提取算法研究 之間的連接矢量。該矢量可以是水平的、垂直的或者是斜向的，這取決于q 相對(duì) 于點(diǎn)p 的位置。 起始點(diǎn) 圖2 - 5 動(dòng)態(tài)規(guī)劃示意圖 終點(diǎn) 如前所述，最優(yōu)路徑是通過(guò)在無(wú)向圖中使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法來(lái)得到的，動(dòng)態(tài)規(guī) 劃( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) k i r k ，d 。e1 9 8 5 是一種最佳路徑的搜索方法。任 何一條給定起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)的路徑，中間一般存在許多的節(jié)點(diǎn)用來(lái)連接始末兩個(gè) 端點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的任意組合都是可能的最優(yōu)路徑。假設(shè)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)其直接相 鄰的節(jié)點(diǎn)要付出一部分代價(jià)量，如果存在這樣的一條路徑：從起點(diǎn)到終點(diǎn)所經(jīng)過(guò) 的所有節(jié)點(diǎn)的總的代價(jià)量最小，那么這條路徑就是最終要找的路徑。 如圖2 5 所示，在使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法時(shí)，從起點(diǎn)開始，雖然每個(gè)節(jié)點(diǎn)被多條 可能路徑所共享，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一一個(gè)指向前一節(jié)點(diǎn)的方向指針( 如圖中 箭頭所示) 。這樣一來(lái)，在完成搜索以后，就可以從終點(diǎn)開始逆向回溯，根據(jù)每 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的前向指針，最終找到起始點(diǎn)的位置。那么從終點(diǎn)到起點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的所有 節(jié)點(diǎn)連在一起就是要找的最優(yōu)路徑。如圖2 6 t 2 6 】所示，在搜索的過(guò)程中。每計(jì)算 一步都要比較從起始點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的總的代價(jià)量，并且要隨時(shí)對(duì)路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)的 修改。這一過(guò)程的算法流程如圖2 7 所示。 、 2 07295 一_ 9 、i i f 氣 1 6 + 4 叫0 卜l + 61 3 夕、 1 81 3761 4 圖2 - 6 動(dòng)態(tài)規(guī)劃在數(shù)字圖像中的運(yùn)算過(guò)程 第二章邊緣線提取算法研究 圖2 7 智能剪刀算法流程圖 一1 2 第二章邊緣線提取算法研究 2 3 邊緣線提取 2 3 1 局部代價(jià)量的生成 智能剪刀在二維圖像的分割和合成中已得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出它的方 便性和快捷性。但是用它來(lái)提取預(yù)備體的邊緣線還需要一定的工作，首先就是局 部代價(jià)量的生成，本文用曲率來(lái)計(jì)算局部代價(jià)量。邊緣線在曲面上表現(xiàn)為曲率較 大的區(qū)域，對(duì)于離散的曲面，曲率在一定程度上與相鄰頂點(diǎn)在曲面上的法矢的夾 角有關(guān)，如圖2 8 所示，法矢的夾角越大，反映出這一區(qū)域的曲率越大，視覺(jué)上 越是陡峭；而法矢的夾角越小，表明這一區(qū)域的曲率越小，視覺(jué)上越是平坦。圖 中訂v 2 ，嵋?jiàn)A角較大，對(duì)應(yīng)曲率較大的區(qū)域，而p 4 p 5 ，v 6 近似平行，對(duì)應(yīng) 曲率較小的區(qū)域。 v 6 圖28 曲面截面上頂點(diǎn)的法矢 蹦2 - 9 預(yù)備體的曲率云圈 第二章邊緣線提取算法研究 h o o p s 中提供了得到曲面法矢的函數(shù)： h p o i n tn r ； h c _ o p e n _ g e o m e t r y ( m _ p m e s h k e y ) ；打開曲面 h co p e nv e r t e x ( k ) ；打開第k 個(gè)頂點(diǎn) h c s h o w _ n e t _ n o r m a l ( & n r x ，& n r y ，& n r z ) ；得到所在位置的法矢 h cc l o s ev e r t e x ( ) ；關(guān)閉頂點(diǎn) h cc l o s eg e o m e t r y0 ；關(guān)閉曲面 利用上面的函數(shù)可以得到曲面上指定頂點(diǎn)處的法向矢量，并最終存儲(chǔ)在變量 h i 中。考慮到實(shí)際的應(yīng)用，本文沒(méi)有直接計(jì)算相鄰頂點(diǎn)法矢的夾角，而是通過(guò)中 間矢量z ( 0 ，0 ，1 ) 來(lái)間接的得到。以每個(gè)頂點(diǎn)的法矢與z 矢量的夾角作為原始數(shù)據(jù) ( 相當(dāng)于數(shù)字圖象的像素值) ，利用前面提到的三個(gè)能量函數(shù)( 在這里，梯度等 級(jí)函數(shù)反映的就是曲率的大小) ，計(jì)算每一個(gè)頂點(diǎn)處的局部代價(jià)量，作為后面提 取物體邊緣線的基礎(chǔ)。圖2 - 9 顯示了用這種方法得到的預(yù)備體上曲率的分布圖， 明亮的區(qū)域表示該處的曲率較小，黑暗的地方表示的曲率比較大。從圖中可以看 到，此方法能夠正確地反映曲率的大小情況。 2 3 2 人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn) 利用智能剪刀提取預(yù)備體邊緣線的另一個(gè)需要做的工作就是人機(jī)交互的實(shí) 現(xiàn)，即怎樣交互式的提取曲面的頂點(diǎn)并實(shí)時(shí)地顯示提取的邊緣線和“活線 。 1 、曲面頂點(diǎn)拾取 在提取預(yù)備體的邊緣線時(shí)，需要用鼠標(biāo)交互式的提取光標(biāo)所在位置的曲面 頂點(diǎn)，用來(lái)引導(dǎo)搜索過(guò)程的進(jìn)行。這一功能在h o o p s 中是通過(guò)一系列的坐標(biāo)變換 得到的：首先要得到光標(biāo)處的像素坐標(biāo)，然后將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為窗口坐標(biāo)，最后 利用窗口坐標(biāo)得到光標(biāo)處的曲面和曲面上距離光標(biāo)最近的頂點(diǎn)。具體代碼實(shí)現(xiàn)如 下： m p t f i r s t = e v e n t g e t m o u s e p i x e l p o s 0 ； 得到光標(biāo)所在位置的像素坐標(biāo) h c _ c o m p u t e _ c o o r d i n a t e s ( s c e n e o v e r w r i t e ”，”l o c a lp i x e l s ”， & m _ p t f i r s t , l o c a lw i n d o w ”，& n e w _ _ p o i n t ) ；將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為窗口坐標(biāo) h c _ c o m p u t e s e l e c t i o n ( ”，”，”v , n e w _ p o i n t x ，n e w _ p o i n t ”；計(jì)算選擇的模 型 h c s h o ws e l e c t i o ne l e m e n t ( & k e y ，& t e m p ，& x p l ，& x p 2 ) ；得到所選模型的鍵 值 h c s h o w _ k e y _ t y p e ( k e y ，m a m e ) ；得到模型的類型 i f ( s t r e q ( m a m e , m e s h ”) ) 判斷選擇的模型是否為m e s h l 拄l 面 第二章邊緣線提取算法研究 i f 阻c _ k s h o w _ o w n e r _ b y _ i h y ( k c y ) 一k e y s w 判斷是否選擇了目標(biāo)曲面 x p 0 = r e c a p 返回光標(biāo)所在位置下的頂點(diǎn)坐標(biāo) ) 如果曲面的尺寸為w * h ，那么所選擇的頂點(diǎn)在曲面上的具體位置為： r o w s = x p 0 h ； c o l s = x p o - r o w s w ： 2 、邊緣線的實(shí)時(shí)顯示 為了讓使用者能夠清楚地了解當(dāng)前邊緣線的提取情況，以便進(jìn)行下一步的工 作。固定下來(lái)的邊緣線和活線需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。其中活線的實(shí)時(shí)顯示可以用 下面的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 h c _ o p e m _ s e g m e n t ( ”l i v e w i r e ”) ；坩r 開活線所處的段 h c _ f i u s h _ s e g m e m ( ”) ；艨除前次所繪制的活線 h c _ l n s e n _ l i n c ( p s 2x , p s 2y ，p s 2 z , p s lx , p s ly , p s lz )；，插入新的活線 h c _ c l o s e _ s e g m e n t o ； h c _ u p d a t e _ d i s p l a y o ；更新顯示 圖2 - 1 0 為提取過(guò)程的顯示 位置固定下來(lái)的邊緣線活線 圖2 - 1 0 提取過(guò)程中的邊緣線 第二章邊緣線提取算法研究 2 3 3 算法的改進(jìn) 雖然上述算法能夠?qū)崿F(xiàn)交互式的邊緣線提取，但是算法在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中仍進(jìn) 行了許多不必要的運(yùn)算，增加了計(jì)算量。如圖2 1 1 所示，在邊緣線的提取的過(guò)程 中，雖然光標(biāo)的移動(dòng)由使用者控制，有確定的移動(dòng)的方向，但是搜索的范圍卻是 發(fā)散的，導(dǎo)致在邊緣線的提取過(guò)程中，許多根本不可能存在邊緣線的地方也進(jìn)行 了大量運(yùn)算。為了提高邊緣線提取的速度盡量減少這些不必要計(jì)算量，本文在 原始算法的基礎(chǔ)上，提出了兩種改進(jìn)方案t 搜索距離的限定和搜索方向的限定。 本文初始使用的距離限定是限制搜索點(diǎn)到光標(biāo)的距離，即如果要搜索的點(diǎn)到 光標(biāo)的距離超過(guò)給定的閾值，就放棄對(duì)該點(diǎn)的進(jìn)一步擴(kuò)展，這樣就相當(dāng)于人為的 將搜索限定在了咀光標(biāo)為圓心，以指定閾值為半徑的區(qū)域內(nèi)，避免了遠(yuǎn)處不必要 的搜索，經(jīng)過(guò)這樣處理后的搜索情況如圖2 1 2 所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)距離 限定后的搜索范圍明顯變小了，搜索范圍限定在最優(yōu)路徑兩側(cè)一個(gè)很窄的區(qū)域 內(nèi)。這種方法在一般的情況下能夠得到很好的效果，但是當(dāng)使用者移動(dòng)光標(biāo)的速 度太快，或者用戶的機(jī)器運(yùn)行較慢時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)搜索過(guò)程中斷的現(xiàn)象。這是因?yàn)?光標(biāo)移動(dòng)的速度超過(guò)了搜索的速度，導(dǎo)致最近搜索點(diǎn)到光標(biāo)的距離超過(guò)了所設(shè)定 的閾值。圖2 1 3 顯示了這種情況。上一次光標(biāo)點(diǎn)所限定的搜索范圍和最新光標(biāo)點(diǎn) 限定的搜索范圍沒(méi)有交集，造成搜索的中斷。 光標(biāo)所在位置最優(yōu)路徑起始點(diǎn)的位置不必要的搜索 圖二1 i 原始算法的搜索情況 第二章邊緣線提取算法研究 圖2 一1 2 經(jīng)距離限定后的搜索情況 國(guó)2 - 13 搜索中斷示意圖 為了改變這一情況，本文將搜索點(diǎn)到光標(biāo)點(diǎn)的距離改為到光標(biāo)點(diǎn)與起始點(diǎn)連 線的距離，通過(guò)編程發(fā)現(xiàn)，這種方法雖然能夠不受光標(biāo)移動(dòng)速度的影響，但是計(jì) 算范圍比上一方案變大了，主要體現(xiàn)在從起始點(diǎn)反方向搜索，如圖2 - 1 4 所示。 圖2 1 4 距離限定后搜索情況 17 第二章邊緣線提取算法研究 經(jīng)綜臺(tái)考慮這兩種情況，決定在第二種距離限定方案基礎(chǔ)上加上方向限制， 如圖2 1 5 所示，具體通過(guò)計(jì)算起始點(diǎn)到搜索點(diǎn)的方向矢量與搜索方向( 起始點(diǎn)到 光標(biāo)點(diǎn)的方向矢量) 的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)夾角大于9 0 度時(shí)就放棄對(duì)該點(diǎn)的擴(kuò)展。這 樣就能使搜索范圍即落在限定線內(nèi)，又僅能在鼠標(biāo)移動(dòng)的方向去搜索節(jié)點(diǎn)。因此， 經(jīng)過(guò)綜臺(tái)限定后，既能解決第一種方案出現(xiàn)的搜索速度小于鼠標(biāo)移動(dòng)速度時(shí)搜索 中斷的情況，又能避免第= 種距離限定時(shí)出現(xiàn)的大范圍反向搜索的情況。圖2 1 6 顯示了原始算法的搜索范圍以及經(jīng)過(guò)綜合限定后的搜索范圍。 囝215 綜合限定后搜索情況 圈2 一1 6 原始算法和改進(jìn)算法的搜索范圍 由于邊緣線的提取不能靠一兩次的鼠標(biāo)拾取來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以在提取到每一小段 的邊緣線之后，還要對(duì)邊緣線進(jìn)行拼接，使其形成完成的封閉的曲線。這樣得到 第二章邊緣線提取算法研究 的邊緣線實(shí)際上是曲面上一系列直接相鄰的頂點(diǎn)的集合，但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái) 說(shuō)，這些點(diǎn)的數(shù)量未免顯得過(guò)于龐大，因此在得到初始的邊緣線之后，還要經(jīng)過(guò) 一步簡(jiǎn)化過(guò)程，最終得到少量點(diǎn)組成的預(yù)備體邊緣線。如圈2 1 7 至圖2 1 9 所示， 其中的白色點(diǎn)就是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化篩選的點(diǎn)。 圖2 1 7 冠預(yù)備體的邊緣線圖2 1 8 嵌體1 的邊緣線 圈2 1 9 嵌體1 i 的邊緣線 在實(shí)際的應(yīng)用中，該算法不僅可以提取預(yù)備體的邊緣線，還可以用來(lái)提取其 它具有相同特點(diǎn)的邊界線，比如牙齒與牙齦的接觸線，預(yù)備牙和鄰牙的邊界線等。 第二章邊緣線提取算法研究 2 4 本章小結(jié) 智能剪刀算法在二維圖像中可以方便的提取圖像的邊界，以用來(lái)進(jìn)行圖像的 分割和合成，本文將該算法加以擴(kuò)展，開發(fā)了能夠用于交互式提取三維預(yù)備體邊 緣線的算法。為了解決原始算法計(jì)算量大的缺點(diǎn)，本文給出了搜索距離限定和搜 索方向限定兩種規(guī)則，使搜索的范圍限定在鼠標(biāo)移動(dòng)方向很窄的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，極 大地減少了運(yùn)算量。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，此算法能夠快速而準(zhǔn)確的提取預(yù)備體的邊緣線， 達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。 第三章牙齒特征提取算法研究 3 1 概述 第三章牙齒特征提取算法研究 牙齒的解剖學(xué)特征反映了牙齒的基本形態(tài)，不管是手工制作修復(fù)體還是利用 計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，最終目的都是為了修復(fù)牙齒上缺失的特征，使義齒能夠完 成咀嚼、發(fā)音等功能。換言之，牙齒的缺損和缺失，實(shí)際上是牙齒表面特征的缺 失；而牙齒的修復(fù)實(shí)際上就是為牙齒補(bǔ)充其已經(jīng)缺損的特征，并使其與牙齒上殘 留的特征以及鄰牙、對(duì)頜牙的特征相匹配田】。在進(jìn)行義齒的c a d 修復(fù)時(shí)，一般 的技術(shù)方案是利用標(biāo)準(zhǔn)牙去修復(fù)缺失的同名牙。通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)牙和預(yù)備牙上的特征 進(jìn)行匹配來(lái)使他們的形狀變得吻合，然后從標(biāo)準(zhǔn)牙上裁下與預(yù)備體上缺失部分相 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)用作修復(fù)體的洞項(xiàng)曲面，再加上預(yù)備體上的相應(yīng)部分產(chǎn)生最終的修復(fù) 體。因此，牙齒特征是義齒修復(fù)的關(guān)鍵所在，特征提取的準(zhǔn)確性和快速性是義齒 c a d 軟件能否應(yīng)用到臨床的關(guān)鍵因素之一。 牙齒表面形態(tài)同時(shí)具有復(fù)雜性和規(guī)律性圓，復(fù)雜性指牙齒表面分布著形狀不 同的牙尖、牙窩、隆突、牙嵴和牙溝，而且不同人的牙齒的特征也存在著差異。 而規(guī)律性則指同名牙的牙尖、牙窩數(shù)量相同，分布相同，隆突的位置、秸面上牙 嵴和牙溝的位置與走向、軸面上牙嵴的位置與走向均相似。根據(jù)牙齒解剖學(xué)關(guān)于 牙齒表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的解釋，可以將牙齒表面特征一一列出 2 2 1 。圖3 - 1 顯示了下頜 第一磨牙的解剖學(xué)特征。 + 一近遠(yuǎn)中 向_ + 熬霧 + 牙寓十一牙尖 ，蓊澍出 ”嵴 + l ，搽吖瀚濁 黔籬簍l品# 穗義裊j 鑫 圖3 1f 頜第磨牙特征 第三章牙齒特鑷提取算法研究 本章以s n a k e 模型為基礎(chǔ)，結(jié)合牙齒解剖學(xué)特征在幾何模型中的特點(diǎn)，利用 能量驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)自動(dòng)的提取標(biāo)準(zhǔn)矛的特征和預(yù)備體上的殘留特征。 3 。2s n a k e 模型 s n a k e 模型有時(shí)也被稱為a c t i v ec o n t o u rm o d e l 3 2 1 ，它是由k a s s 最早提出的一 種能量最小化的參數(shù)曲線。在開始的時(shí)候，可以人為的給定一條初始的s n a k e 曲 線，此曲線在內(nèi)力和外力合力的作用下，會(huì)越來(lái)越短，越來(lái)越光滑，同時(shí)不斷地 逼近圖像的邊緣，當(dāng)與之相關(guān)的能量達(dá)到最小時(shí)，邊緣也就找到了。 e c o n t o u r = 僅夯e e l a s t i c + 聲幸e b e n d i n g + y 水e e x t e r n a l ( 3 1 ) 式3 1 是s n a k e 模型茲能量方程，從中可以看出，麓線的能量e c o n t o u r 包括三個(gè)部 分：彈性能量e e l a s t i c ，彎曲能最e b e n d i n g 和外部能量e e x t e r n a l 。其中彈性能量 和彎睦能量合稱為內(nèi)能，它們僅和睦線本身的特性相關(guān)而與要搜索的特征沒(méi)有任 何的關(guān)系。內(nèi)能會(huì)影響最終得到的結(jié)果，讓最終的輪廓曲線變得連續(xù)和光滑。外 部能量是圖像本身決定的能量，用戶可以根據(jù)自己的需要來(lái)設(shè)定不同的能量。d ， 聲，y 是三種熊量的權(quán)值，它們的比鍘會(huì)決定三種能量的影響能力。由于在二維 圖像中的邊界為梯度較大的區(qū)域，所以在通常的應(yīng)用中，一般將為圖像的梯度用 作終郝能量，它可以將髓線推向圖像孛的黌標(biāo)區(qū)域。k a s s 提出的s n a k e 模型是一 種連續(xù)的曲線，當(dāng)用在處理圖像時(shí)，曲線就變成了離散的多段線，如圖3 2 所示， 其中只表示s n a k e 曲線上的第f 個(gè)節(jié)點(diǎn)矢量。 圖3 - 2 離散s n a k e 模型 這樣來(lái)s n a k e 的彈性能量和彎曲能量就可以如式3 。2 和式3 ，3 來(lái)計(jì)算： 1 、彈性能量e e l a s t i c ： 彈性麓量可以由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的歐式距離代表 e e l a s t i c = l c 一只一j i ( 3 2 ) 所以彈性能量豹減小意味著曲線長(zhǎng)度靜縮短。 2 、彎曲能量e b e n d i n g ： 第三章牙齒特征提取算法研究 e b e n d i n g = i p i + - 2 只+ 只一， ( 3 3 ) k a s s 的s n a k e 模型受初始輪廓的影響很大，并且對(duì)噪聲特別的敏感，如果初 始輪廓選擇的不合適或者圖像存在噪聲點(diǎn)，將得不到