基于三維配準的口腔三維測量數據融合技術

高鳳嬌，費 磊，王云龍

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

基于三維配準的口腔三維測量數據融合技術

高鳳嬌，費 磊，王云龍

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

由于口腔測量空間狹小，現有口內的微型測量系統視場小，單視角下視場內的測量范圍有限，給出基于三維配準的口腔三維測量數據融合技術，實現被測牙齒的大范圍覆蓋甚至全周覆蓋，為口腔數字化修復提供基礎。

口腔修復；數據融合；三維測量

數字化口腔修復是基于計算機輔助設計和計算機輔助制作技術實現口腔修復體測量、設計、制作的一種全新義齒修復工藝。數字化口腔三維測量又是數字化口腔修復設計和制造能夠進行的前提和基礎。本文的研究意在獲取待修復區的完整口腔數據，利用三維數據進行數字化口腔修復設計，指導數字化口腔修復3D打印。由于口腔測量空間狹小、現有的入口式的微型測量系統視場有限，在單視角下視場內進行三維測量時，一般只能獲取平均兩顆牙齒的測量范圍。數字化口腔修復設計和制造首先要將三維測量數據融合拼接成完整的待修復區域甚至完整的口腔數據模型，然后再進行嵌入體、牙冠、橋體等對象的重構。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匹配的準確度[1-5]。本文提出的基于三維配準的口腔三維測量數據融合技術直接提取三維數據的三維特征點，利用ICP算法實現口腔三維數據的拼接。有文獻總結了運用ICP算法進行三維拼接或配準過程中選點的策略，主要有均勻抽樣、隨機抽樣和法向量空間抽樣，并對基于均勻抽樣，隨機抽樣和法向量空間均勻抽樣下的ICP收斂性能進行了比較，其中法向量空間均勻抽樣的方式獲得了對不規則曲面更好的描述，配準能夠收斂于更小的RMSE[6-8]。我們經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進行抽取，利用它們達到對目標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大多為曲面的邊界點或角點，即三維曲面上曲率較大的點。因此，針對口腔牙齒和牙模表面光滑的特點，本文以曲面曲率為依據作為ICP抽樣選點的策略。

1 基于三維配準的口腔三維測量數據融合技術

本文給出的基于三維配準的口腔三維測量數據融合技術，以曲面曲率為依據作為ICP抽樣選點的策略，根據計算所得的三維曲面曲率來提取三維特征點[8]。本文方法所用的三維特征點是三維數據上局部區域內所有三維點構成的曲面上曲率較大的點，直觀來說就是由口腔三維點云的角點和邊界上的點組成的特征點。提取這些點需要計算各三維點處的曲面曲率，其中曲率的求解需要計算曲面法向量。我們運用協方差分析估計曲面法向量，根據曲面的法向量提取三維特征點。

將基于三維曲面曲率計算提取的三維特征點，將其應用于口腔數據的ICP配準流程中，口腔數據的具體拼接流程如文獻[9]所描述。

2 實驗結果與分析

我們以石膏牙模為例，在口內測量環境下對模型進行測量，從不同視角不同位置獲取三維點云數據。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云數據測量結果。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系。利用本文給出的方法對數據進行拼接融合，得到如圖1(c)的拼接結果，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果。利用本文方法對部分口腔掃描數據依次進行拼接融合，就得到如圖1(e)所示，得到的完整下部口腔待修復拼接融合結果。

圖1 牙模拼接結果Fig.1 Dental cast joint results

3 小結

由于口腔測量空間有限，而且現有口內微型測量系統視場狹小，單視角視場內只有平均兩顆牙齒的測量范圍，本文給出基于三維配準的口腔三維測量數據融合技術，實現被測牙齒的大范圍甚至全周覆蓋。本文以石膏牙模為對象，驗證了提出方法的有效性。口腔三維測量數據融合為口腔數據進一步數字化修復提供了基礎。

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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