全冠義齒網(wǎng)格過渡算法研究與應(yīng)用

閆國棟　賈丙輝　林曉華　賈文華　柯廣云

南京工程學(xué)院，南京，211167

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全冠義齒網(wǎng)格過渡算法研究與應(yīng)用

閆國棟賈丙輝林曉華賈文華柯廣云

南京工程學(xué)院，南京，211167

針對全冠義齒數(shù)字化設(shè)計時外冠和內(nèi)冠過渡融合的問題，提出了一種新的網(wǎng)格過渡算法。首先提取外冠和內(nèi)冠網(wǎng)格邊界進行橋接形成封閉孔洞；然后根據(jù)定義的三角片插入規(guī)則插入新的三角片填充孔洞，構(gòu)造初始過渡網(wǎng)格；最后投影到由邊界頂點插值得到的隱式曲面上，投影點構(gòu)成新的過渡網(wǎng)格，將其與外冠和內(nèi)冠拓?fù)浜喜⑿纬赏暾娜诹x齒修復(fù)體。用過渡算法得到的網(wǎng)格面片分布均勻，三角片質(zhì)量較好，而且過渡邊界光順自然，具有較好的連續(xù)性。

全冠義齒；網(wǎng)格過渡算法；隱式曲面；修復(fù)體

0　引言

網(wǎng)格過渡也稱為網(wǎng)格融合，是將各個獨立的網(wǎng)格模型融合成一個整體，在游戲創(chuàng)作、藝術(shù)造型、三維設(shè)計等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[1-2]。在全冠義齒數(shù)字化設(shè)計中，外冠網(wǎng)格是從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)冠模型，內(nèi)冠網(wǎng)格是組織面向外等距形成的，彼此分離，需要通過網(wǎng)格過渡把外冠和內(nèi)冠網(wǎng)格連接起來，形成完整的修復(fù)體模型才能用于數(shù)字化制造。滾動球法是由Choi等[3]提出的參數(shù)曲面過渡的經(jīng)典方法；Liu等[4]將滾動球法擴展到離散網(wǎng)格，通過調(diào)節(jié)滾動球半徑控制過渡半徑，滾動球法容易實現(xiàn)，但計算效率較低；Ryan[5]提出了一種DRAG-DROP方法，采用拖曳方式把不同模型放在一起，然后采用動態(tài)參數(shù)化方法實現(xiàn)網(wǎng)格過渡，適用于接觸模型的光滑過渡；林俊聰[6]利用已知網(wǎng)格頂點信息構(gòu)造隱式曲面，然后采用MC網(wǎng)格化[7]方法將隱式曲面網(wǎng)格化，缺點是構(gòu)造的三角網(wǎng)格質(zhì)量較差。從網(wǎng)格質(zhì)量、魯棒性、效率等方面考慮，現(xiàn)有算法無法滿足全冠義齒外冠和內(nèi)冠的光滑過渡要求。本文根據(jù)網(wǎng)格的拓?fù)涮匦裕捎脴蚪臃绞竭B接內(nèi)冠和外冠邊界并進行內(nèi)生性網(wǎng)格填充，再通過頂點向隱式曲面投影以提升過渡網(wǎng)格的光滑性，較好地解決了全冠義齒網(wǎng)格過渡問題。

1　網(wǎng)格過渡算法

全冠義齒網(wǎng)格過渡要求過渡網(wǎng)格光順自然，特別是過渡邊界要保持相同的連續(xù)性，不能有明顯的痕跡，否則既影響美觀，加工時還容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為此，首先通過網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)查詢外冠和內(nèi)冠模型邊界，采用橋接的方式把邊界連接在一起，形成四邊封閉的孔洞，然后從邊界開始由外向內(nèi)按照一定的規(guī)則插入新的三角片，直至孔洞閉合；這種方式得到的網(wǎng)格屬于C0階連續(xù)，在邊界連接處存在明顯痕跡，因此，利用邊界網(wǎng)格頂點和頂點法矢信息插值生成隱式曲面，再通過牛頓法把過渡網(wǎng)格曲面頂點投影到隱式曲面上，得到新的過渡網(wǎng)格，最后更新網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把它與外冠和內(nèi)冠網(wǎng)格融合成統(tǒng)一的整體。

1.1邊界橋接

圖1　搭橋網(wǎng)格

1.2網(wǎng)格孔洞填充

網(wǎng)格孔洞填充采用從邊界內(nèi)生性增長的方式，根據(jù)邊界夾角信息按照定義的規(guī)則插入新的三角片。定義的三角片插入規(guī)則如圖2所示，根據(jù)邊界上連續(xù)三個頂點構(gòu)成的夾角大小插入新的網(wǎng)格頂點，圖2a中可直接連接pi-1和pi+1；圖2b中平分∠pi-1pipi+1，長度|piA|=(|pi-1pi|+|pipi+1|)/2；圖2c中把∠pi-1pipi+1三等分，長度|piA|=|piB|=(|pi-1pi|+|pipi+1|)/2；圖2d的情況比較復(fù)雜，插入兩個頂點后構(gòu)成的Δpi-1piA和Δpipi+1B是等邊三角形。

圖2　三角片插入規(guī)則

孔洞填充時，首先計算所有邊界夾角的大小并進行排序，取夾角最小的三個頂點根據(jù)三角片插入規(guī)則構(gòu)造新的三角片，然后更新邊界信息，刪除已使用的夾角并計算插入三角片與相鄰三角片邊界所構(gòu)成的夾角大小，取下一個最小夾角繼續(xù)插入三角片，直至孔洞完全填充。因為每次都是在最小夾角處插入三角片，所以圖2c、圖2d兩種情況比較少見。需要說明的是，三角片插入過程中，可能出現(xiàn)插入的三角片與原有三角片相交導(dǎo)致網(wǎng)格畸形，所以要進行合法性檢查，張麗艷等[9]在孔洞修補中提出了一種簡便的合法性檢測方法，可避免網(wǎng)格畸形。孔洞完全覆蓋之后，將生成的網(wǎng)格與搭橋網(wǎng)格合并在一起，得到初始過渡網(wǎng)格，因三角片插入過程中未考慮網(wǎng)格光滑性，且過渡網(wǎng)格與外冠和內(nèi)冠網(wǎng)格連接邊界存在明顯痕跡，所以后續(xù)要通過隱式曲面投影優(yōu)化過渡網(wǎng)格來提升光滑性。

1.3隱式曲面投影

(1)

其中，φ(‖X-Xj‖)是徑向基函數(shù)，分為全局支撐和緊支撐，不同基函數(shù)對運算復(fù)雜度和曲面光滑性影響較大，本文選擇φ(r)=r3作為徑向基。Xj是曲面上給定的約束點，λj表示每個徑向基的權(quán)值，p(X)構(gòu)成了f(X)的線性和常量部分，定義為

p(X)=p0+p1x+p2y+p3z

(2)

為求解權(quán)值和多項式系數(shù)，要求滿足約束條件：

(3)

以及正交條件：

(4)

將各約束點代入式(3)和式(4)，組成線性方程組：

(5)

上式等號左邊矩陣是半正定的，存在唯一解。如果僅選擇曲面上的點代入方程組，每個約束點對應(yīng)的函數(shù)值fi=0，導(dǎo)致方程組只能得到零解，因此，必須增加函數(shù)值非零的約束點。實際操作中，以外冠和內(nèi)冠的邊界頂點作為零值約束點，然后將頂點沿法矢正向和負(fù)向各移動0.1單位長度作為非零約束點，利用LU分解[11]可快速求解權(quán)值和多項式系數(shù)。求出隱式方程后，采用牛頓迭代法[12]將初始過渡網(wǎng)格頂點投影到隱式曲面上，以投影點作為新的過渡網(wǎng)格頂點，得到光滑且邊界連續(xù)的過渡網(wǎng)格。

2　算法試驗與分析

圖3所示為利用網(wǎng)格過渡算法進行全冠義齒外冠和內(nèi)冠融合過渡的過程。圖3a是待過渡的全冠義齒，分別提取外冠和內(nèi)冠邊界并進行兩次橋接(圖3b)；形成兩個孔洞之后按照定義的三角片插入規(guī)則填充孔洞，將填充網(wǎng)格和搭橋網(wǎng)格合并，得到初始過渡網(wǎng)格(圖3c)，圖3c中顯示網(wǎng)格連續(xù)性較差。通過邊界頂點構(gòu)造隱式曲面，將初始過渡網(wǎng)格頂點投影到隱式曲面上，由投影點構(gòu)成新的過渡網(wǎng)格(圖3d)，光滑性得到明顯提升。更新網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把外冠、內(nèi)冠和過渡網(wǎng)格合并在一起，融合成完整的全冠義齒修復(fù)體(圖3e)。圖3f所示為合并網(wǎng)格的面片顯示效果，比較過渡區(qū)域網(wǎng)格及鄰近網(wǎng)格，可以看出頂點分布比較均勻，三角片形態(tài)較好，而且邊界連接處未出現(xiàn)明顯痕跡，說明邊界連續(xù)性較好。

圖3　全冠義齒網(wǎng)格過渡

本文算法除了用于全冠義齒網(wǎng)格過渡，還能用于其他模型融合，如圖4所示，將兔首和馬身融合在一起構(gòu)造異獸模型，這在動漫造型中應(yīng)用普遍。首先將兔首和馬身放置在合適位置(圖4a)，然后用過渡算法構(gòu)造過渡網(wǎng)格(圖4b)，更新拓?fù)鋵⑦^渡網(wǎng)格與兔首、馬身合并成統(tǒng)一網(wǎng)格(圖4c)，框選處是過渡區(qū)域細(xì)節(jié)放大圖，顯示邊界連續(xù)性好且面片繼承了原有網(wǎng)格性質(zhì)，分布比較均勻。

圖4　兔首和馬身網(wǎng)格過渡

圖5a是根據(jù)文獻[6]提出的網(wǎng)格過渡算法實現(xiàn)的全冠義齒網(wǎng)格過渡，首先通過邊界頂點構(gòu)造隱式曲面，然后用MC算法將隱式曲面網(wǎng)格化，再應(yīng)用網(wǎng)格裁剪、縫合將過渡網(wǎng)格與外冠、內(nèi)冠合并成統(tǒng)一網(wǎng)格。與圖5b中根據(jù)本文算法實現(xiàn)的過渡效果比較，隱式曲面重網(wǎng)格化算法的最大問題是網(wǎng)格面片分布不均勻，存在大量狹長不規(guī)則的三角片，網(wǎng)格質(zhì)量較差，而本文算法生成的過渡網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖5　算法比較

3　結(jié)語

本文針對全冠義齒外冠和內(nèi)冠網(wǎng)格過渡融合問題，提出了一種新的網(wǎng)格過渡算法，首先通過網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別查詢外冠和內(nèi)冠邊界，在邊界之間根據(jù)情況進行橋接形成封閉孔洞；然后按照三角片插入規(guī)則沿孔洞邊界插入新的三角片填充孔洞，把搭橋網(wǎng)格與填充網(wǎng)格合并，再將初始過渡網(wǎng)格頂點投影到由外冠和內(nèi)冠邊界頂點插值生成的隱式曲面上，得到頂點分布均勻，內(nèi)部連續(xù)性好且邊界與外冠、內(nèi)冠邊界光滑過渡的網(wǎng)格。雖然過渡效果總體較好，但是極少數(shù)情況下插入的三角片即使經(jīng)過合法性檢查，仍會出現(xiàn)畸形導(dǎo)致網(wǎng)格填充失敗的問題，如何更好地進行孔洞填充以避免網(wǎng)格畸形是今后研究的重點。

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(編輯陳勇)

Researches and Applications of Mesh Transition Algorithm for Full-coverage Crown Dentures

Yan GuodongJia BinghuiLin XiaohuaJia WenhuaKe Guangyun

Nanjing Institute of Technology, Nanjing, 211167

For the transition fusion problem of the inner and outer crown in the digital design of full-coverage crown dentures, a new mesh transition algorithm was proposed. First, mesh boundaries of the inner and outer crowns were extracted to form closed holes by bridging. Then holes were filled by triangular facets according to the definition of inserting rules, and the initial transition meshes were structured. Finally, the initial transition meshes were projected onto the implicit surface obtained by the boundary interpolation, and new transition meshes were structured by projection points, which fused the outer and inner crown topology to form a complete full-coverage crown denture restoration. Meshes obtained by mesh transition algorithm distributed equally, and the quality of triangular facets is good. What’s more, transition boundary is smooth, and it has good continuity.

full-coverage crown denture; mesh transition algorithm; implicit surface; restoration

2015-10-16

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20131341，BK20150728) ；南京工程學(xué)院引進人才基金資助項目(YKJ201302) ；南京工程學(xué)院機械學(xué)院省級建設(shè)學(xué)科項目(JXKJ201514)

R783.4; TP391.9

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.010

閆國棟，男，1986年生。南京工程學(xué)院機械學(xué)院講師。主要研究方向為計算機圖形學(xué)和合金材料切削工藝。發(fā)表論文10余篇。賈丙輝，男，1984年生。南京工程學(xué)院機械學(xué)院講師。林曉華，女，1985年生。南京工程學(xué)院機械學(xué)院講師。賈文華，女，1982年生。南京工程學(xué)院機械學(xué)院講師。柯廣云，男，1989年生。南京工程學(xué)院機械學(xué)院研究生。