基于Haptics的牙齿曲面微变形设计技术

摘要

在口腔修复领域中,基于力触觉交互系统的牙齿曲面变形技术越来越得到人们的重视,利用该技术医生能够方便快捷的完成对患牙的修复工作。在牙齿曲面变形过程中,每个患者牙齿的三维表面信息都是唯一的,所以医生从标准冠数据库中查询到与患牙对应的标准牙后,必须进行曲面变形调整以匹配与邻牙、对颌牙的咬合。本文结合口腔临床医学的实际情况,利用美国SensAble公司的PHAN7TOM Omni力触觉交互设备对牙齿三维曲面微变形进行了研究与开发。主要研究工作和成果如下:
　　 分析了力触觉交互设备PHANTOM Omni的运行机制,并建立了基于该设备的牙齿曲面微变形设计平台。采用比例变换的方法实现了牙齿曲面的整体变形调整。
　　 提出了基于N环邻域搜索算法的网格局部变形方法,通过定义变形区完成局部变形设计。最后针对变形后网格模型存在异常三角片的情况,利用Laplacian光顺法、基于三角片面积的自适应Loop细分法对网格进行光顺、细分调整。
　　 针对局部变形中变形区域不易控制的问题,研究了基于隐式曲面投影算法和面向牙齿特征的网格区域变形技术。利用OpenGL交互功能与N环邻域搜索算法定义变形原始插值点,建立了基于径向基函数的隐式曲面方程,并完成目标插值点的定位。最后运用牛顿迭代逼近法,把其余网格顶点投影到隐式曲面上,完成曲面的区域变形。
　　 在上述研究成果的基础上,以VC++2003和OpenGL图形库作为软件开发平台,实现了基于力触觉交互设备的牙齿曲面微变形设计软件开发,将设计过程划分为整体变形、局部变形、区域变形三大模块,并在口腔修复CAD系统中得到应用,效果良好。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 口腔修复CAD/CAM系统

1.2.1 传统口腔修复方法

1.2.2 口腔修复CAD/CAM技术

1.2.3 口腔修复CAD/CAM技术的发展现状

1.3 虚拟现实

1.3.1 虚拟现实技术

1.3.2 虚拟现实的人机交互途径

1.3.3 国内外力触觉交互设备研究现状及发展趋势

1.4 口腔修复体三维曲面变形技术

1.4.1 口腔修复体变形设计方法

1.4.2 口腔修复体变形设计研究现状

1.5 本文牙齿模型变形设计的关键算法

1.6 本文的选题依据和主要研究内容

第二章 基于Haptics的力触觉交互系统

2.1 引言

2.2 基于Haptics的力触觉交互技术

2.2.1 PHANTOM Omni力触觉交互设备

2.2.2 基于PHANTOM Omni力触觉交互系统的架构

2.3 PHANTOM Omni在空间点位移中的应用

2.4 基于PC机力触觉交互系统平台搭建

2.4.1 PC机的硬件和软件环境

2.4.2 基于OpenGL图形界面搭建

2.4.3 力触觉交互系统的实现

2.5 本章总结

第三章 牙齿三维模型的曲面变形设计

3.1 牙齿三维模型的数据表示

3.1.1 STL文件数据结构

3.1.2 OpenMesh数据结构描述

3.2 三角网格曲面变形

3.3 变形技术框架设计

3.4 牙齿曲面的整体变形

3.4.1 整体变形方法描述

3.4.2 算法实例

3.5 基于N环邻域牙齿曲面的局部变形

3.5.1 N环邻域算法描述

3.5.2 牙齿曲面局部变形的流程

3.5.3 算法实例

3.6 牙齿曲面的光顺

3.6.1 Laplacian光顺算法

3.6.2 牙齿曲面的光顺流程

3.6.3 算法实例

3.7 本章总结

第四章 牙齿三维模型的曲面细分

4.1 引言

4.2 三角网格的细分

4.2.1 细分的相关概念

4.2.2 细分算法的基本要求

4.2.3 三角网格典型细分算法

4.3 Loop细分法

4.4 基于三角片面积的自适应Loop细分

4.5 牙齿曲面的细分流程

4.6 算法实例

4.7 本章总结

第五章 基于隐式曲面的牙齿曲面区域变形

5.1 引言

5.2 变形区域边界点的获取计算

5.3 基于径向基函数的隐式曲面

5.3.1 径向基函数

5.3.2 基于径向基函数隐式曲面的构建

5.4 点到隐式曲面的投影

5.5 牙齿曲面区域变形的过程

5.6 算法实例

5.7 牙齿曲面局部变形与区域变形对比

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文