高鳳嬌，費(fèi) 磊，王云龍

(黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090；黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

基于三維配準(zhǔn)的口腔三維測量數(shù)據(jù)融合技術(shù)

高鳳嬌，費(fèi) 磊，王云龍

(黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090；黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

由于口腔測量空間狹小，現(xiàn)有口內(nèi)的微型測量系統(tǒng)視場小，單視角下視場內(nèi)的測量范圍有限，給出基于三維配準(zhǔn)的口腔三維測量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被測牙齒的大范圍覆蓋甚至全周覆蓋，為口腔數(shù)字化修復(fù)提供基礎(chǔ)。

口腔修復(fù)；數(shù)據(jù)融合；三維測量

數(shù)字化口腔修復(fù)是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)口腔修復(fù)體測量、設(shè)計(jì)、制作的一種全新義齒修復(fù)工藝。數(shù)字化口腔三維測量又是數(shù)字化口腔修復(fù)設(shè)計(jì)和制造能夠進(jìn)行的前提和基礎(chǔ)。本文的研究意在獲取待修復(fù)區(qū)的完整口腔數(shù)據(jù)，利用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化口腔修復(fù)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)數(shù)字化口腔修復(fù)3D打印。由于口腔測量空間狹小、現(xiàn)有的入口式的微型測量系統(tǒng)視場有限，在單視角下視場內(nèi)進(jìn)行三維測量時，一般只能獲取平均兩顆牙齒的測量范圍。數(shù)字化口腔修復(fù)設(shè)計(jì)和制造首先要將三維測量數(shù)據(jù)融合拼接成完整的待修復(fù)區(qū)域甚至完整的口腔數(shù)據(jù)模型，然后再進(jìn)行嵌入體、牙冠、橋體等對象的重構(gòu)。以往有基于二維測量圖像特征匹配的三維拼接算法，受限于二維圖像特征點(diǎn)匹配的準(zhǔn)確度[1-5]。本文提出的基于三維配準(zhǔn)的口腔三維測量數(shù)據(jù)融合技術(shù)直接提取三維數(shù)據(jù)的三維特征點(diǎn)，利用ICP算法實(shí)現(xiàn)口腔三維數(shù)據(jù)的拼接。有文獻(xiàn)總結(jié)了運(yùn)用ICP算法進(jìn)行三維拼接或配準(zhǔn)過程中選點(diǎn)的策略，主要有均勻抽樣、隨機(jī)抽樣和法向量空間抽樣，并對基于均勻抽樣，隨機(jī)抽樣和法向量空間均勻抽樣下的ICP收斂性能進(jìn)行了比較，其中法向量空間均勻抽樣的方式獲得了對不規(guī)則曲面更好的描述，配準(zhǔn)能夠收斂于更小的RMSE[6-8]。我們經(jīng)過對比考慮到法向量空間均勻抽樣的主要思想，對三維曲面上具有顯著變化特征的點(diǎn)進(jìn)行抽取，利用它們達(dá)到對目標(biāo)對象的大概輪廓較好的描述。這些對輪廓具有較好描述能力的顯著變化的點(diǎn)大多為曲面的邊界點(diǎn)或角點(diǎn)，即三維曲面上曲率較大的點(diǎn)。因此，針對口腔牙齒和牙模表面光滑的特點(diǎn)，本文以曲面曲率為依據(jù)作為ICP抽樣選點(diǎn)的策略。

1 基于三維配準(zhǔn)的口腔三維測量數(shù)據(jù)融合技術(shù)

本文給出的基于三維配準(zhǔn)的口腔三維測量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以曲面曲率為依據(jù)作為ICP抽樣選點(diǎn)的策略，根據(jù)計(jì)算所得的三維曲面曲率來提取三維特征點(diǎn)[8]。本文方法所用的三維特征點(diǎn)是三維數(shù)據(jù)上局部區(qū)域內(nèi)所有三維點(diǎn)構(gòu)成的曲面上曲率較大的點(diǎn)，直觀來說就是由口腔三維點(diǎn)云的角點(diǎn)和邊界上的點(diǎn)組成的特征點(diǎn)。提取這些點(diǎn)需要計(jì)算各三維點(diǎn)處的曲面曲率，其中曲率的求解需要計(jì)算曲面法向量。我們運(yùn)用協(xié)方差分析估計(jì)曲面法向量，根據(jù)曲面的法向量提取三維特征點(diǎn)。

將基于三維曲面曲率計(jì)算提取的三維特征點(diǎn)，將其應(yīng)用于口腔數(shù)據(jù)的ICP配準(zhǔn)流程中，口腔數(shù)據(jù)的具體拼接流程如文獻(xiàn)[9]所描述。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

我們以石膏牙模為例，在口內(nèi)測量環(huán)境下對模型進(jìn)行測量，從不同視角不同位置獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時具有鄰近的部分牙齒，整體約兩顆牙齒的測量范圍，獲得如圖1(a)、圖1(b)所示的兩組相鄰的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量結(jié)果。由于模仿測量視場大小受限，不同視角下鄰近的部分牙齒存在相互不可見部分。圖1(a)、圖1(b)鄰近的部分牙齒的三維描述具有一定的公共部分，并且空間上不在同一坐標(biāo)系。利用本文給出的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接融合，得到如圖1(c)的拼接結(jié)果，且兩視角的拼接精度小于0.005mm。圖1(d)所示為一、二視角的拼接融合結(jié)果。利用本文方法對部分口腔掃描數(shù)據(jù)依次進(jìn)行拼接融合，就得到如圖1(e)所示，得到的完整下部口腔待修復(fù)拼接融合結(jié)果。

圖1 牙模拼接結(jié)果Fig.1 Dental cast joint results

3 小結(jié)

由于口腔測量空間有限，而且現(xiàn)有口內(nèi)微型測量系統(tǒng)視場狹小，單視角視場內(nèi)只有平均兩顆牙齒的測量范圍，本文給出基于三維配準(zhǔn)的口腔三維測量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被測牙齒的大范圍甚至全周覆蓋。本文以石膏牙模為對象，驗(yàn)證了提出方法的有效性?？谇蝗S測量數(shù)據(jù)融合為口腔數(shù)據(jù)進(jìn)一步數(shù)字化修復(fù)提供了基礎(chǔ)。

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Fusion technology for dental 3D measurement data based on 3D registration

GAO Feng-jiao, FEI Lei, WANG Yun-long

(The Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Science, Harbin 150090, China; The Institute of Advance Technology of Heilongjiang Academy of Science, Harbin 150020, China)

Due to the limitation of the field of view of dental measurement space and the existing micro measurement system, the measurement range of the single visual field is only two teeth. In this paper, we give the data fusion technology based on 3D registration, realize the large area coverage of the tested teeth, and provide the basis for dental digital reconstruction.

Dental restoration; Data fusion; 3D measurement

2016-10-08

高鳳嬌(1982-)，女，碩士，副研究員。

TP391.41

A

1674-8646(2016)22-0040-02