口腔3D建模綜述

1、口腔3D建模一、基于CBCT與三維掃描的數(shù)字化建模1.1數(shù)據(jù)采集：3維數(shù)據(jù)的采集是模型制作的重要一步。目前常用方式有CT技術(shù)和光學(xué)掃描技術(shù)。在口腔醫(yī)學(xué)中，其研究的對象一牙齒的大部分都在骨骼里面，無法從體外直接觀察到，要了解牙根的信息，必須借助于X光與CT等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。CT成像能夠提供骨骼乃至牙齒內(nèi)部的細(xì)節(jié)，為診斷與治療提供大量的信息，然而由于其成像的特點與技術(shù)的限制，其輸出的數(shù)據(jù)形式是一層層的斷層圖像，不夠直觀.這就要求有一種技術(shù)能夠?qū)T體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目前已在工程領(lǐng)域發(fā)展較為完善的各種三維模型處理方法所能夠識別的模型，以利用現(xiàn)有的計算機模型處理與設(shè)計技術(shù)，進(jìn)行譬如輔助義齒設(shè)計、輔助義齒制造等

2、等應(yīng)用。除CT技術(shù)外，三維掃描技術(shù)也為口腔數(shù)據(jù)采集做出了巨大的貢獻(xiàn)。技術(shù)即是采用機械或光學(xué)方法，而獲取物體的三維計算機模型。采集三維物體表面的形狀、顏色等信息。目前的三維掃描技術(shù)可以達(dá)到微米級的精度，可以提供牙齒可見部分表面的細(xì)節(jié)但無法獲取牙齒的完整體信息，而齒科常用的CBCT（ConeBeamCT，錐形束計算機斷層成像術(shù)）雖能獲取牙齒的體數(shù)據(jù)，其精度卻僅為毫米級。如能將兩種采集技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)合到一起，則可以獲得一個既能滿足獲取牙齒完整結(jié)構(gòu)信息的要求又能保證領(lǐng)面精度用于輔助設(shè)計的三維模型。醫(yī)學(xué)圖像普遍存在邊緣模糊、噪聲等缺陷，這些缺陷將對基于圖像信息的算法產(chǎn)生不利影響，為降低這些缺陷對于三維重建

3、的影響，研究平面圖像的處理技術(shù)，找到不同處理方法的一個有效組合，以濾去圖像中的噪聲，增強圖像邊緣。1.3基于CBCT體數(shù)據(jù)的三維重建：CBCT設(shè)備輸出的斷層圖像序列是人體被采集區(qū)域內(nèi)空間的三個方向上均勻分布的采樣點，這種掃描實際上是一種空間上的數(shù)據(jù)采集，包含了人體一定體積內(nèi)的信息，每個采樣點（稱為體素）的位置需要用三個坐標(biāo)來描述，因此稱為體數(shù)據(jù)。體數(shù)據(jù)為離散的數(shù)據(jù)，體素之間除了與相鄰體素的鄰接關(guān)系外，不存在其他的聯(lián)系，無法從中區(qū)分哪些體素屬于特定的組織和器官，為利用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有意義的工作，首先需要將屬于不同組織與器官的體素區(qū)別開來，即圖像的分割。屬于同一組織的體素構(gòu)成一個連通區(qū)域，對這一連

4、通區(qū)域進(jìn)行建模，得到組織的三維模型，稱為體數(shù)據(jù)的三維重建。進(jìn)行體數(shù)據(jù)的三維重建首先遇到的問題是應(yīng)該以何種方式表達(dá)組織的三維模型。自從計算機輔助技術(shù)出現(xiàn)以來，廣大的學(xué)者設(shè)計了各種三維模型在計算機內(nèi)的表示方法，按照模型的幾何特點，可以分為表面模型和實體模型;表面模型又可以分為多邊形網(wǎng)格和參數(shù)曲面等形式。這些方法各有優(yōu)勢和不足，人體的結(jié)構(gòu)如牙齒等幾何形狀往往非常復(fù)雜，要使用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)的連續(xù)曲面來描述是不現(xiàn)實的，而且其各項屬性的計算在數(shù)學(xué)上也可能無法找到解析解。多邊形網(wǎng)格能夠以任意精度逼近任何復(fù)雜幾何體的形狀，而且在數(shù)值計算上具有簡單性，因而在計算機圖形學(xué)以及計算機輔助設(shè)計與制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)

5、用，多種數(shù)控機床也支持三角網(wǎng)格模型的直接加工。三角網(wǎng)格模型是多邊形網(wǎng)格中最簡單的一種形式，對三角網(wǎng)格模型的處理技術(shù)研究也較為成熟。圖像分割與三維重建算法的主要過程是:首先，在體數(shù)據(jù)中放置一個初始的三角網(wǎng)格模型，根據(jù)圖像信息與網(wǎng)格屬性計算模型中每個頂點的“受力”，以及在力作用下的位移，然后每個頂點按照計算出的位移變動其位置，當(dāng)所有頂點處理完畢后即完成一次迭代。經(jīng)過多次的迭代之后，初始網(wǎng)格模型就會逐漸接近體數(shù)據(jù)中目標(biāo)物體的形狀，同時完成分割與三維重建工作。為保證模型網(wǎng)格的均勻性，在經(jīng)過若干次迭代后需進(jìn)行一次重新參數(shù)化。模型融合：CBCT圖像由于目前技術(shù)水平的限制其分辨率較低,像素間距的數(shù)量級在10

6、-lmm,從而導(dǎo)致重建出的三維模型也無法達(dá)到很高的精度，無法準(zhǔn)確描述牙冠部分的精細(xì)結(jié)構(gòu)。為獲取牙冠表面的精確形狀，目前多采用三維掃描技術(shù)，即是利用機械或光學(xué)的方法獲取被測物體表面的形狀、顏色等信息,其掃描的結(jié)果一般輸出為點云或STL等三角網(wǎng)格模型。用于齒科的掃描多采用光學(xué)方法如結(jié)構(gòu)光或激光,掃描精度可以達(dá)到微米級,但其獲取的僅是表面信息,無法得到牙齒的體信息。因此,為了綜合兩種方法各自的優(yōu)點,得到更為精確的牙齒模型,需將三維掃描的高精度表面信息和CT掃描的體信息結(jié)合起來，將三維掃描模型與CBCT重建模型融合在一起形成一個三角網(wǎng)格模型。模型融合的總體流程為：步驟1.牙列配準(zhǔn)在進(jìn)行融合之前,首先需

7、要將不同來源的模型對齊,使兩模型中的相同部分在空間上的位置也相同;步驟2.牙列分割在對牙列進(jìn)行配準(zhǔn)之后,利用CT重建模型的信息對掃描模型進(jìn)行分割,分離出獨立的牙齒;步驟3.牙冠配準(zhǔn)對獨立牙齒的掃描模型的牙冠部分與重建模型再次進(jìn)行精配準(zhǔn),以確保牙冠部分重合;步驟4.模型融合對掃描模型與重建模型進(jìn)行預(yù)處理,然后應(yīng)用融合算法合并為一個模型?；贏CID柵格的三角網(wǎng)格模型融合算法：ACID柵格能夠自動適應(yīng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,因此只需將待融合的兩個三角網(wǎng)格模型在數(shù)據(jù)表示上合并為一個模型，使用ACID柵格合并后的模型進(jìn)行重新參數(shù)化，即可完成兩個模型的融合。掃描模型分割得到的單顆牙齒包括牙冠與牙齦等部分,我

8、們只需要其中的牙冠部分;此外，ACID柵格僅能處理封閉的模型，基于以上的原因，在進(jìn)行融合之前，需要進(jìn)行一些準(zhǔn)備工作，包括牙冠的分離、偏置以及CT重建模型牙冠部分的修整。重建結(jié)果的可視化：三維重建結(jié)果的形式為三角網(wǎng)格模型，該模型可以通過三維繪圖的方式呈現(xiàn)在計算機上，供用戶觀察。然而僅繪制出三角網(wǎng)格模型無法與原始的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，無法了解重建出的模型與原始數(shù)據(jù)的差別以及重建的模型在體數(shù)據(jù)中的位置。因此，有必要設(shè)計一種可視化的方式，將模型與CT數(shù)據(jù)同時呈現(xiàn)在計算機屏幕上，一方面方便用戶使用，另一方面也為重建效果的定性評價提供了一種方法。由于CT體數(shù)據(jù)是由一系列的斷層平面圖像堆疊而成的，CT數(shù)據(jù)在計

9、算機上通用的顯示方法也是顯示其中的一個斷層，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作切換當(dāng)前的斷層，因此我們采用將三維網(wǎng)格投影到圖像上的方法，即在一個斷層圖像上疊加三維網(wǎng)格在該斷層的切片的圖像。二、基于多目立體視覺的牙模三維數(shù)字化采集與重建采用2臺高像素CMOS數(shù)字相機，從不同的角度采集牙模圖像來分析獲取數(shù)字化的三維牙領(lǐng)模型。在具體的研究中，圖像的采集模塊，主要是設(shè)計成像模型并搭建視覺環(huán)境，用軟件同步驅(qū)動2臺相機從不同角度獲取高質(zhì)量的牙模圖像。相機的標(biāo)定模塊，提出了一種基于角點引導(dǎo)的改進(jìn)型自標(biāo)定方法，不依靠標(biāo)定板直接獲取相機的內(nèi)外參數(shù)，把圖像坐標(biāo)、相機坐標(biāo)與真實世界坐標(biāo)對應(yīng)起來，并用極線約束理論校正了牙模圖像。圖像

10、的立體匹配模塊，提出一種改進(jìn)型的基于邊緣特征區(qū)域的置信傳播立體匹配算法，得到稠密的視差圖。三維配準(zhǔn)及顯示模塊，主要是把不同角度的點云數(shù)據(jù)拼接成一個完整的牙模型并三維重建顯示。2.13維數(shù)據(jù)獲取2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件部分主要包括相機、相機支架、轉(zhuǎn)臺、機器照明系統(tǒng)。采用2個相機，從一個角度拍攝牙模型的照片后，通過按一定的角度轉(zhuǎn)動牙模型再進(jìn)行拍照，從而實現(xiàn)整個牙領(lǐng)表面的覆蓋。機器照明系統(tǒng)通過照明方式設(shè)計和光照條件來突出牙模的輪廓和紋理信息，得到高質(zhì)量的圖像，具體采用的是兩個環(huán)形LED光源，采用的是低角度暗場照明方式。2.3圖像采集研究基于牙領(lǐng)模型的三維數(shù)字化采集與重建系統(tǒng)，在標(biāo)定和匹配環(huán)節(jié)都需要

11、有高質(zhì)量的圖像。同時，相機成像模型也具有非常重要的作用，所以需要設(shè)計并搭建硬件平臺來采集圖像，主要包括相機擺放、相機觸發(fā)控制、機器視覺照明設(shè)計等。2.4相機標(biāo)定相機標(biāo)定的主要目的是把圖像中的點與真實的物理世界聯(lián)系起來，從而來反應(yīng)真實場景，即求解相機的內(nèi)、外參數(shù)。相機內(nèi)參數(shù)指焦距、畸變系數(shù)。相機外參數(shù)主要表示相機之間的相對位置，用一個平移量和一個旋轉(zhuǎn)量來表示。相機標(biāo)定研究經(jīng)過一系列的發(fā)展，目前己經(jīng)取得了很大的進(jìn)展?，F(xiàn)有的相機標(biāo)定方法一般可歸結(jié)為兩類:傳統(tǒng)相機標(biāo)定和相機自標(biāo)定方法。其中，傳統(tǒng)標(biāo)定方式是需要借助形狀、尺寸己知的參照物來進(jìn)行取景，對拍攝到的圖像進(jìn)行處理，通過相關(guān)的數(shù)學(xué)計算出透射矩陣和基

12、礎(chǔ)變換矩陣，從而得到相機模型的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。傳統(tǒng)相機標(biāo)定方法一般分為三類:線性方法、非線性優(yōu)化方法、Tsai兩步法。自標(biāo)定方法是不需要標(biāo)定板，而直接通過分析圖像之間共有的特征信息，建模計算得到相機參數(shù)。相機自標(biāo)定方法主要有:利用基本矩陣和本質(zhì)矩陣的相機自標(biāo)定法、利用絕對二次曲線和極限變換性質(zhì)的相機自標(biāo)定方法、利用主動視覺系統(tǒng)的相機自標(biāo)定方法。立體匹配立體匹配，就是從兩幅圖中找到正確的對應(yīng)點。以某副圖像中的點為參考，從另一幅圖像搜索其對應(yīng)的點。通過這兩個點分別在圖像中的像素坐標(biāo)，構(gòu)建模型來逆向計算出空間中某點的真實坐標(biāo)。然而，由于圖像中存在噪聲、大小差異、畸變等，故要精確的找到圖像中每個點的對應(yīng)點是一個比較困難的求