牙颌模型的三维激光测量及模型重建

牙颌模型的数据测量是进行口腔修复CAD/CAM的基础。本文采用自制三维激光测量仪对牙颌表面数据进行三维测量,获得了单颗后磨牙缺失的牙颌模型多片三维点云数据。将各片数据在反求软件Surfacer平台上通过三点定位法进行数据拼合,准确地表示出缺失牙上下颌的咬合关系,重建牙颌的实体模型。     

龈缘轮廓三维统计模型建模技术研究

为建立龈缘轮廓统计模型,提出了一种利用三角网格牙颌模型进行龈缘形态建模的方法。首先对牙颌模型进行离散曲率分析、最短路径搜索来探测龈缘特征线;根据特征线的微分特性进行单颗牙龈缘划分;然后通过B样条曲线拟合构建出每颗牙齿封闭光滑的龈缘轮廓线,并利用曲线的控制顶点作为龈缘训练形状向量;最后通过对形状训练集进行主成分分析来建立统计形状模型。实验结果表明该方法不仅能够自动而快速地提取出单颗牙齿龈缘轮廓,而且建立的统计模型能够正确而有效地捕获牙弓以及龈缘形态的重要变化特征。     

一种新的网格曲面上的特征线提取方法

提出一种新的三角网格模型的特征线提取方法。首先交互地选取几个初始特征点,利用追踪投影法确定初始特征线;对初始特征线进行均匀采样,找出采样点n环邻域内平均曲率最大的点作为新的特征点;利用这些新的特征点拟合B样条曲线;将B样条曲线投影在三角网格曲面上。实验结果表明,利用该方法获得的特征线比较光滑而且逼近特征。     

基于形态学的牙齿模型交互分割

精确地分离出单颗牙齿是计算机辅助正畸设计的重要步骤,由于牙齿有不同的形状并且不同个体之间也有很大的差异,所以分离出单颗牙齿比较困难.介绍了一种从三维网格牙颌模型上精确分割单颗牙齿的方法.首先,计算三角网格顶点的曲率,根据顶点曲率值筛选出特征区域;由用户封闭特征区域,之后对特征区域进行形态学操作得到特征区域的骨架线;依据获得的骨架线可以把牙齿精确地分离出来.     

基于形态学的牙齿模型交互分割

精确地分离出单颗牙齿是计算机辅助正畸设计的重要步骤,由于牙齿有不同的形状并且不同个体之间也有很大的差异,所以分离出单颗牙齿比较困难。介绍了一种从三维网格牙颌模型上精确分割单颗牙齿的方法。首先,计算三角网格顶点的曲率,根据顶点曲率值筛选出特征区域;由用户封闭特征区域,之后对特征区域进行形态学操作得到特征区域的骨架线;依据获得的骨架线可以把牙齿精确地分离出来。     

医学牙颌石膏模型数字化技术研究

研究牙颌数字模型的获取技术。对逆向工程领域中的多种数字化技术进行分析，针对牙颌模型数字化的特点，全面比较了三维激光扫描法和层析法，确定选择层析法进行单颌石膏模型的批量数字化，采用三维激光扫描法获取牙颌模型的咬合信息。实际应用表明该方法能以较高效率获取到较高质量的牙颌数字模型。     

基于棋盘格的线结构光平面标定方法

线结构光的三维扫描测量系统中,除摄像机标定之外线结构光平面的标定也是至关重要的环节,因为其与最终得到的三维坐标的准确性有直接的关系。由于传统的方法大多需要借助其它设备,且价格昂贵、步骤复杂、效率低下。因此,文章提出了一种全新的线结构光平面标定方法。该方法仅仅使用棋盘格作为平面靶标,在保证线结构光投射到棋盘格的前提下,平面靶标可自由移动位置。通过在摄像机坐标系中提取激光平面上的特征点,并利用这些特征点计算出激光平面的方程,从而得出激光平面与空间坐标系的位置关系。实验证明该方法成本低、步骤简单、效率高、具有很好的通用性。     

基于条件生成对抗网络的缺失牙体功能性咬合面形态设计方法

针对牙齿修复体设计中未考虑牙齿磨耗形态分布以及标准牙难以表达天然牙形态多样性的问题,提出基于颌位空间约束以及牙齿磨耗面引导的缺失牙体功能性咬合面形态设计方法。利用启发式搜索算法半自动提取牙齿磨耗面,并采用自适应视距的正交投影法计算出牙冠及其磨耗面在正视方向上的深度图像。通过对缺失牙齿功能性咬合面特征分级表达,采用基于颌位空间约束的生成网络获得牙齿咬合面的整体形貌,然后以磨耗面为约束条件,合成具有天然牙冠细节特征的功能性咬合面。最后,利用网格重建算法及蒙皮方法设计出满足正常咀嚼功能的全冠修复体。实验结果表明,通过该方法设计出的全冠修复体具有足够的天然牙解剖形态特征以及较高的临床适用性。     

基于自由靶标的线结构光视觉测量系统标定研究

针对现有的线结构光视觉测量系统现场标定方法存在效率低、操作复杂等不足,提出了一种基于自由移动平面靶标的标定方法。该方法以平面靶标作为标定对象,首先采用张正友的方法标定出了摄像机内部参数,然后引入了线结构光和自由移动平面靶标,以各种位姿下靶标内的激光条纹与棋盘格角点边线交点作为特征点,求取了特征点在摄像机坐标系下的坐标,并拟合出了结构光面平面方程,从而完成了整个测量系统的标定。试验结果表明,采用上述方法标定后的线结构光视觉测量系统测量误差小于1%,达到了较高的标定精度,能够满足使用要求。     

三角网格模型特征线识别

给出了新的三角网格模型顶点法矢计算公式,据此对模型中的边进行了分类;在此基础上,提出了一种曲面三角网格模型特征线识别的新方法,该方法根据网格中边的分类结果形成含特征边的特征域,再由这些特征域得到初始特征线,最后对初始特征线进行优化处理,从而识别出网格模型的特征线。     

口腔修复体咬合面虚拟调整

研究了口腔修复体的计算机辅助设计中牙齿咬合面的虚拟调整。首先采用同名标准冠获得需要冠修复的患牙的最初[牙合]面形态；然后利用基于图形空间的OpenGL的选择模式，生成当上下颌牙齿处于牙尖交错位时标准冠[牙合]面到对颌牙[牙合]面的法向距离图；进一步利用得到的距离图，并引入体样条插值算法，选择合适的控制顶点，完成对标准冠[牙合]面与对颌牙牙A面的冲突区域的调整。以标准三单位固定桥模型为例，对[牙合]面调整算法进行验证。调[牙合]后的标准冠较好保持了[牙合]面基本形态，满足与对颌牙的咬合及表面光顺的要求，而且调[牙合]过程由程序自动完成，满足临床使用的要求。     

The feature-based posterior crown design in a dental CAD/CAM system

This paper presents a newly developed CAD approach for a quick and accurate design of a dental posterior prosthesis. The approach arises from the basic idea that every human tooth has its own specific features. Based upon the features of the standard posterior tooth, the initial data containing the defined feature points are firstly acquired from the scanned points of the standard tooth. The standard prosthetic profile is thereby formulated using the bicubic Nurbs surface fitting technique. This profile has the two functions of possessing the same features with the patient’s missing posterior tooth, and the adjustability with the feature points and the defined B-spline profile feature curves. For the purpose of the adjustment of the established model, the global and occlusal feature curves are proposed considering the individual patient’s original information. According to these curves, the corresponding standard prosthetic profile is locally adjusted to meet the fit of the global size and occlusal surface. Finally, a close and continuous profile of a posterior crown is generated. Using this design, a posterior prosthesis is successfully manufactured in the computer-aided machining process.     

复杂曲面特征线自动提取技术研究

复杂曲面零件的几何模型重构是逆向工程的研究重点之一,由零件表面的数字化数据提取特征线是构造几何模型的重要步骤。针对由CMM获取的三维数据“点云”,提出了基于扫描线的三维分层式方法实现特征线的自动提取,提出了基于局部增量网格扩张的三维散乱数据三角剖分算法,实现任意曲面尖锐棱线的自动提取。实践说明,通过该算法得到的复杂曲面的边界线能够满足模型重建的工程需求。     

可重用零件特征的快速设计技术

针对零件建模中复杂结构设计重用困难的问题,提出了一种基于网格融合的建模方法。采用离散指数映射(DEM)方法对基网格目标区域进行局部参数化;利用最小二乘网格以特征网格边界为条件进行补洞处理,进而采用DEM方法对补洞网格进行参数化,得到特征网格边界点的参数坐标和法矢;依据参数坐标将特征网格边界映射至基网格目标区域,并以目标区域映射边界点的位置和法矢作为初始形变条件,利用基于层的网格变形优化算法对特征网格进行变形重建,使特征网格具有较好的保形性;通过修正特征网格边界点法矢来控制重建网格体积膨胀收缩情况,进一步提高保形性;依据法矢、曲率对基网络和特征网格提取特征图元并以此添加几何约束,控制特征网格在基网格上的位置形态,保证两网格相对位置关系。实验结果表明：该方法便捷高效、精度高,可在新模型设计中有效实现设计重用。     

Complete 3D surface reconstruction from unstructured point cloud

In this study, a complete 3D surface reconstruction method is proposed based on the concept that the vertices of surface model can be completely matched to the unstructured point cloud. In order to generate the initial mesh model from the point cloud, the mesh subdivision of bounding box and shrink-wrapping algorithm are introduced. The control mesh model for well representing the topology of point cloud is derived from the initial mesh model by using the mesh simplification technique based on the original QEM algorithm, and the parametric surface model for approximately representing the geometry of point cloud is derived by applying the local subdivision surface fitting scheme on the control mesh model. And, to reconstruct the complete matching surface model, the insertion of isolated points on the parametric surface model and the mesh optimization are carried out. Especially, the fast 3D surface reconstruction is realized by introducing the voxel-based nearest-point search algorithm, and the simulation results reveal the availability of the proposed surface reconstruction method.     

基于支持向量机的点云曲面刀具路径规划

针对单值散乱点云曲面刀具路径规划问题,提出了一种基于最小二乘支持向量机的计算方法。在计算过程中,将点云数据向平面投影,得到二维点集。应用网格划分和边界网格内测量点高斯映射技术,提取平面区域内的边界特征点。用边界特征点定义点云曲面的实际加工区域,在此区域内规划平行等间距刀具路径。应用最小二乘支持向量机拟合点云数据,求得被加工曲面的连续表达模型,经此模型将二维刀具路径数据向三维空间映射,求出刀触点数据。将刀触点经法向偏置计算,求得刀位点。实例验证证明,该方法能较好地解决信息不完备散乱点云曲面刀具路径生成问题。      

融合通用形变模型信息的面部三维重建

基于图像对的立体重建是用于获取人脸三维信息的通用方法,但根据图像数据和重建算法所得到的三维重建结果存在各种误差,本文对通用形变模型进行改进并与三维立体重建融合以得到更精确的重建结果。首先使用Max-Margin对象检测算法来获取面部边界框,其中回归树集合法能直接从像素强度的稀疏子集识别面部特征点。然后通过PCA颜色模型生成形状和颜色的三维面部统计模型,利用ISOMAP算法将三维网格转换为二维表面并提取纹理信息,得到面部模型。最后在源网格上进行两步非刚性表面配准的变形过程:先通过对源网格进行二次采样来选择少量网格点来表示源的全局变化,并选取径向基函数(RBF)进行非刚性全局变形;再对源顶点进行Procrustes分析获得非刚性变换,再通过加权方案来进行k-近邻变换,得到平滑的局部变形。将单图像重建的面部模型,立体重建的面部模型和本文的面部变形模型与高质量扫描云图进行对齐比较,得到面部变形模型的3个RMS值分别为2.795 2,2.102 8和2.153 4,相比于其他模型,面部变形模型更接近高质量扫描云图,即与原图像一致性更高,误差更小。面部变形模型的定性和定量分析表明,立体重建与人脸一般形状信息的组合在几何信息的表达上优于基于通用模型的单个图像重建以及未考虑通用模型的立体重建。     

An adaptive mesh model for 3D reconstruction from unorganized data points

Reconstructing exact topology mesh from data points is one of the most important tasks in the fields of industrial CAD/CAE/CAM, computational vision and reverse engineering. In this paper, a deflation algorithm that integrates an adaptive mesh and physical constraint model is presented for the 3D reconstruction of geometric-closed shape (genus 0) from unorganized data points. First, an initial mesh is formed using the Delaunay algorithm. Second, an asymptotic deforming performance is accomplished to deflate initial mesh towards the local concave boundary step-by-step. In this phase, a physical constraint model of coupled particle systems based on particle dynamics and Newtonian law of motion is constructed, and the model dynamically controls mesh deformation as a behavior constraint. To guarantee that the resultant mesh is homeomorphous to the original surface of data points, a continuously deforming mechanism, visibility cone and collision-detecting criterions are designed. At last, experimental results in reverse engineering which supports the usefulness of this method for reconstruction .     

基于线结构光参考平面的多摄像机标定方法研究

多摄像机视觉测量系统中不同视觉传感器空间分布广,无公共视角,现场标定十分困难。针对多摄像机标定问题,研究了一种基于线结构光参考平面的灵活标定方法。标定过程中,以空间中同时覆盖相邻摄像机视角的结构光平面作为标定参考基准,在不同摄像机视角中,自由移动平面靶标多次,确保每次移动后靶标与结构光相交,并能在各自摄像机中清晰成像,摄像机拍摄靶标图像。提取靶标图像中角点坐标、激光光条特征点坐标。借助靶标平面与摄像机坐标系外部参数矩阵,求解激光光条特征点在对应摄像机坐标系中坐标。通过结构光基准平面内,不同摄像机坐标系中至少3组非共线特征点坐标信息,求解相邻摄像机外部参数。分别进行标定试验和精度验证试验,试验结果表明该方法切实可行。     

Tool-path generation from densely scattered measure points based on CQEM

An algorithm of tool-path generation from densely scattered measure points is presented in this paper based on constraint quadratic error metrics (CQEM). In the algorithm where the surface to be machined is represented directly with measured points, first, a mesh interpolating the points is dynamically constructed according to cutter sizes and slicing plane locations. Second, the initial C-C points are generated from the intersection points between the mesh and the slicing planes. Finally, the initial C-C points are optimized with CQEM. The algorithm shows capability to save memory usages and to achieve a higher precision in path location calculation.