CN108338848A - 剥离式激光牙体预备方法、装置、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种剥离式激光牙体预备方法、装置、设备及介质。其中，该方法包括：获取目标牙齿的第一STL模型和目标牙齿的预备体的第二STL模型；以第二STL模型中肩台***边缘轮廓三维曲线为底边，生成与竖直方向呈预定夹角的圆锥状的剥离曲面STL模型；对剥离曲面STL模型和第一STL模型进行布尔运算，得到第三STL模型；对第二STL模型和第三STL模型进行布尔运算，得到需要被去除的第四STL模型；根据第四STL模型生成多层激光切割路径，以根据多层激光切割路径控制激光牙体预备设备完成目标牙齿的牙体预备。通过本发明，解决了层切式激光牙体预备效率低的问题，提高了针对体积较大的磨牙进行牙体预备时的效率。

Description

剥离式激光牙体预备方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及牙体预备领域，具体而言，涉及一种剥离式激光牙体预备 方法、装置、设备及介质。
背景技术
在激光牙体预备过程中，要实现利用激光切割的方法从目标牙齿中制 备出符合临床要求的预备体的目的，需要对目标牙齿进行激光切割路径规 划，规划出高精度的激光聚焦光斑运动轨迹。
激光牙体预备路径规划的作用是生成激光三维切割路径，依据该路径 激光工作头可以控制激光聚焦光斑沿着规划的路径运动实现激光牙体预 备操作。依据激光工作头的工作原理，激光工作头进行激光牙体预备时采 用逐层切割的方法，即激光工作头先用双振镜***切割一层平面二维图形 后移动透镜再进行下一层二维图形的切割。根据逐层切割的激光牙体预备 技术方法，激光切割路径规划的实现思想如下：首先获得被去除牙体组织 的几何模型，然后对该几何模型进行切片分层处理，将复杂的三维模型分 成多层二维截面轮廓数据，最后再针对每一层截面轮廓数据生成该层的激 光切割路径。如此便得到了激光牙体预备所需要的激光三维切割路径，由 多层二维激光切割路径组成。当激光工作头在进行激光牙体预备时便可以 利用路径规划生成的多层二维平面激光切割路径实现对目标牙齿的逐层 激光切割，最终切割出牙齿预备体。
现有的激光牙体预备采用层切式激光牙体预备方法。如图1所示，层 切式激光牙体预备就是以逐层切割的方式把目标牙齿上除预备体之外的 所有牙体组织完全切除的激光牙体预备方法。层切式激光牙体预备的激光 切割路径规划的实现方法如下：将目标牙齿上除预备体之外的多余牙体组 织的几何模型按照一定的厚度从上到下均匀分成若干层，得到相同层数的 截面轮廓，然后针对每一层的截面轮廓生成激光切割路径。
层切式激光牙体预备充分利用了激光工作头分层切割的工作原理，所 以其较容易实现，但是这种方法需要将目标牙齿上除预备体之外的所有牙 体组织全部用激光切割的方法去除，完成整个牙体预备需要去除大量的牙 体组织，特别是针对体积较大的磨牙进行牙体预备时，去除的大量的牙体 组织会降低牙体预备的效率。
发明内容
本发明提供了一种剥离式激光牙体预备方法、装置、设备及介质，以 至少解决相关技术中层切式激光牙体预备效率低的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种剥离式激光牙体预备方法，包括：
获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的预备体的第二STL 模型；
以所述第二STL模型中肩台***边缘轮廓三维曲线为底边，生成母线 与转轴呈预定夹角的倒圆锥状的剥离曲面STL模型；
对所述剥离曲面STL模型和所述第一STL模型进行布尔运算，得到 第三STL模型；
对所述第二STL模型和所述第三STL模型进行布尔运算，得到需要 被去除的第四STL模型；
根据所述第四STL模型生成多层激光切割路径，以根据所述多层激光 切割路径控制激光牙体预备设备完成所述目标牙齿的牙体预备。
第二方面，本发明实施例提供了一种剥离式激光牙体预备装置，包括：
获取模块，用于获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的预备 体的第二STL模型；
第一生成模块，用于以所述第二STL模型中肩台***边缘轮廓三维曲 线为底边，生成母线与转轴呈预定夹角的倒圆锥状的剥离曲面STL模型；
第二生成模块，用于对所述剥离曲面STL模型和所述第一STL模型 进行布尔运算，得到第三STL模型；
第三生成模块，用于对所述第二STL模型和所述第三STL模型进行 布尔运算，得到需要被去除的第四STL模型；
第四生成模块，用于根据所述第四STL模型生成多层激光切割路径， 以根据所述多层激光切割路径控制激光牙体预备设备完成所述目标牙齿 的牙体预备。
第三方面，本发明实施例提供了一种剥离式激光牙体预备设备，包括： 至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序 指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现第一方面所述的方 法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储 有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现第一方面 所述的方法。
通过本发明实施例提供的剥离式激光牙体预备方法、装置、设备及介 质，采用获取目标牙齿的第一STL模型和目标牙齿的预备体的第二STL 模型；以第二STL模型中肩台***边缘轮廓三维曲线为底边，生成与竖直 方向呈预定夹角的圆锥状的剥离曲面STL模型；对剥离曲面STL模型和 第一STL模型进行布尔运算，得到第三STL模型；对第二STL模型和第三STL模型进行布尔运算，得到需要被去除的第四STL模型；根据第四 STL模型生成多层激光切割路径，以根据多层激光切割路径控制激光牙体 预备设备完成目标牙齿的牙体预备的方式，解决了层切式激光牙体预备效 率低的问题，提高了针对体积较大的磨牙进行牙体预备时的效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一 部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发 明的不当限定。在附图中：
图1是层切式激光牙体预备的示意图；
图2是根据本发明实施例的剥离式激光牙体预备方法的流程图；
图3是第二磨牙突出的牙冠的示意图；
图4是根据本发明实施例的剥离式激光牙体预备的示意图；
图5是进行剥离式牙体预备存在的挡光现象的示意图；
图6是根据本发明实施例的通过拾取预备体肩台边缘点获取边缘轮廓 三维曲线的示意图；
图7是根据本发明实施例的剥离曲面STL模型的示意图；
图8是根据本发明实施例生成剥离式激光牙体预备所需要的STL模型 的示意图；
图9是STL文件表示的球形模型的示意图；
图10是读取STL文件的流程图；
图11是三角面片与切平面的五种位置关系的示意图；
图12切平面过共用顶点的示意图；
图13是根据本发明实施例的用于存储三角面片分组数据的一维结构 指针数组的示意图；
图14是根据本发明实施例的STL模型三角面片分组操作的流程图；
图15是根据本发明实施例的切平面与三角面片相交示意图；
图16是根据本发明实施例的生成无向截面轮廓线流程图；
图17是根据本发明实施例的静态结构体二维数组交点数据的示意图；
图18是根据本发明实施例的填充线与截面轮廓的求交过程的流程图；
图19是根据本发明实施例的填充线与截面轮廓线相交示意图；
图20是根据本发明实施例对激光切割线的分区处理的示意图；
图21是激光切割过程中产生的漏线现象的示意图；
图22是根据本发明实施例的搜索最优子区域生成的激光切割路径的 示意图；
图23是根据本发明实施例的激光牙体预备路径规划软件操作流程以 及软件数据流的示意图；
图24是根据本发明实施例的路径规划软件生成的软件截面轮廓和激 光切割路径的示意图；
图25是根据本发明实施例的剥离式激光牙体预备装置的结构框图；
图26是根据本发明实施例提供的剥离式激光牙体预备设备的硬件结 构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本 发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅用于解 释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以 在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述 仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用 来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者 暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语 “包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使 得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且 还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品 或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……” 限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还 存在另外的相同要素。
在本实施例中提供了一种剥离式激光牙体预备方法，图2是根据本发 明实施例的剥离式激光牙体预备方法的流程图，如图2所示，该流程包括 如下步骤：
步骤S201，获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的预备体 的第二STL模型；
步骤S202，以所述第二STL模型中肩台***边缘轮廓三维曲线为底 边，生成母线与转轴呈预定夹角的倒圆锥状的剥离曲面STL模型；
步骤S203，对所述剥离曲面STL模型和所述第一STL模型进行布尔 运算，得到第三STL模型；
步骤S204，对所述第二STL模型和所述第三STL模型进行布尔运算， 得到需要被去除的第四STL模型；
步骤S205，根据所述第四STL模型生成多层激光切割路径，以根据 所述多层激光切割路径控制激光牙体预备设备完成所述目标牙齿的牙体 预备。
可选地，在获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的预备体的 第二STL模型之前，还包括步骤：用口内三维扫描仪获取所述目标牙齿的 三维表面数据，并保存为所述第一STL模型；按照临床要求在所述第一 STL模型的基础上进行设计，得到所述第二STL模型。
可选地，上述步骤S202中的预定夹角为3°至10°。
可选地，步骤S205中根据所述第四STL模型生成多层激光切割路径 采用的生成方法与层切式激光预备方法中采用的激光切割路径生成方法 可以相同，例如：对所述第四STL模型进行分层切片处理，生成各分层切 片的截面轮廓线；采用预设间隔的平行填充线填充各分层切片的所述截面 轮廓线，并提取各分层切片的激光切割路径。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根 据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当 然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。
下面对剥离式激光牙体预备方法进行进一步的描述和说明。
在人体的32颗牙齿中，有一些牙齿的牙冠上有突出的牙体组织，图3 所示的为第二磨牙牙冠上突出的激光牙体组织。在进行激光牙体预备时， 这些突出的部分牙体组织可以不用激光去除，先切割内部的牙体组织，待 完成牙体预备操作后这些突出的牙体组织会自动脱落，从而减少激光的切 割去除量，这便是剥离式激光牙体预备的思想。
如图4所示为本发明实施例提出的剥离式激光牙体预备示意图，采用 这种剥离式激光牙体预备的激光切割路径规划的实现方法如下：首先软件 处理的方法将突出的牙冠从目标牙齿的三维模型上剥离掉，然后针对剩下 的多余的牙体组织三维模型进行分层切片处理，然后针对分层切片生成的 截面轮廓生成激光切割路径。
由此可见，采用剥离式的牙体预备方法可以减少牙体预备过程中的牙 体组织去除量，从而提高激光牙体预备的效率。
在研究过程中发现，采用剥离式激光牙体预备方法，激光切割时未切 割的突出部分的牙体组织会挡住激光，如图5所示。这种挡光现象会使得 激光无法切割最底部多余的牙体组织，因此采用剥离式激光牙体预备进行 牙体预备时还要考虑激光挡光现象的影响。
一、剥离式激光牙体预备STL模型
相比于层切式激光牙体预备，剥离式激光牙体预备所需要的STL模型 获取要复杂，首先需要对目标牙齿的STL模型进行修剪处理，后续的操作 便和层切式激光牙体预备STL模型获取方法相同。下面详细论述对目标牙 齿STL模型的修剪处理步骤：
①生成预备体肩台***边缘轮廓三维曲线
首先获得预备体肩台***边缘轮廓三维曲线，具体实现方法如下：在 软件Imageware中，拾取预备体肩台***边缘上间隔一定距离的三维点， 然后顺序连接这些点可以获得肩台边缘轮廓的三维曲线，如图6所示。
②生成剥离曲面STL模型
剥离曲面STL模型的生成方法是以预备体肩台***边缘轮廓三维曲 线为底边，生成与Z轴成一定夹角的类似圆锥状的三维曲面STL模型， 如图7a)所示。生成剥离曲面STL模型的目的是将其与目标牙齿STL模 型进行布尔运算，将目标牙齿牙冠上不需要用激光去除的牙体组织从目标 牙齿STL上剥离掉，如图7b)所示。由于挡光现象的存在，所以剥离曲 面需要与Z轴有一定的倾角，使得激光能够去除最底部多余的牙体组织。
③生成剥离式激光牙体预备STL模型
首先利用上一步生成的剥离曲面STL模型和目标牙齿STL进行布尔 运算，修剪去牙冠上突出的牙体组织，得到新的目标牙齿STL模型，如图 8a)所示；然后利用所获得的新的目标牙齿STL模型与预备体STL模型 进行相交布尔运算，最终得到剥离式激光牙体预备所需要的STL模型，如 图8b)所示。
由于牙体预备要求的精度较高，所以激光牙体预备路径规划所需要的 STL模型的精度较高，进而导致了STL模型中的三角面片数量较大，数 量超过50万个。而且，牙齿的三维形貌复杂，这也导致了切片截面轮廓 复杂多变。牙齿STL模型的这些特点会增加路径规划中的分层切片处理和 单层切片截面的激光切割路径生成过程的难度，同时降低整个路径规划的 效率。
二、STL模型的读取
激光牙体预备路径规划的关键就是对被去除牙体组织的三维模型进 行切片分层获得单层截面的二维轮廓信息，然后根据工艺要求对截面轮廓 进行激光切割路径生成处理。而三维模型文件是三维模型数据的载体，而 且不同的文件类型的三维模型的构成方式和数据结构都会不同，故所选用 的三维模型文件类型对路径规划有着重要影响。在激光牙体预备自动化系 统中，我们选择STL格式的三维模型文件来储存牙齿几何模型信息。
STL(Stereo Lithographic)文件格式由3D Systems公司于1987年推出， 目前已成为快速原型技术领域最为常用的文件格式和事实上的接口标准， 在逆向工程、有限元分析、医学成像***、文物保护等方面有广泛的应用。 图9a)所示为采用STL文件来表示球形模型。STL文件以小三角面片为 基本单位，通过由大量相连接的三角面片离散地近似描述三维实体模型的 表面。模型的数据通过给出组成三角形法向量的3个分量(用于确定三角面片的正反方向)及三角形的3个顶点坐标来实现，一个完整的STL文件 记载了组成实体模型的所有三角形面片的法向量数据和顶点坐标数据信 息。目前的STL文件格式主要有二进制文件(BINARY)和文本发明实施例 件(ASCII)两种。
如图9b)所示，STL模型的精度由弦高e和夹角余弦值α来控制，弦 高指用来逼近弧线时直线与弧线最高点之间的距离，弦高越***近越精确； 夹角余弦值指用来逼近弧线的两相邻直线之间夹角的余弦值，夹角余弦值 越接近1逼近越精确。一般情况下，STL文件采用的小三角形越多，其模 型的逼近程度越高，模型精度也就越高。当剖分三角形密度达到极限时， 表达的就是模型表面每一个点的位置。但是过高的精度势必造成文件中三 角形数目过大，增加计算机的数据处理时间和内存消耗。实际应用中，通 常在满足精度的前提下，用尽可能少的三角形去逼近实体表面。
ASCII码格式的STL文件逐行给出模型的三角化数据，每一行的数据 都由关键字标明；二进制格式的STL文件则用固定的字节数来描述三角形 面片的几何信息。二进制格式文件较小(通常是ASCII格式的1/5)，但 ASCII格式的文件信息表达直观，便于读写和修改，因此文中的研究对象 主要是ASCII格式的STL文件。ASCII格式的STL文件结构如下：
对ASCII格式的STL文件进行分析，文件中包含多个关键字：solid 标识文件的开始，在文件中只出现一次；facet normal标识三角面片的法向 量，每个三角形面片只有1个法向量；outer loop标识开始描述三角面片 的顶点，并且是逆时针顺序；vertex标识顶点，1个三角面片会出现三次； end loop表示三角面片顶点描述结束；end facet表示1个三角面片描述结 束；end solid表示整个STL文件描述结束，只出现一次。文中根据STL 文件包含的关键字对模型数据进行读取，读取算法的流程如图10所示。
三、基于STL模型的分层切片处理
分层切片处理的目的主要是将路径规划所用的STL模型复杂的三维 形貌分切成较简单的二维轮廓线，为路径规划的下一个单层切片截面的激 光切割路径生成环节做准备。常用的分层切片处理步骤是：首先是确定分 层方向，然后设定分层起点和分层厚度值△Z，再沿分层方向用一系列间 隔为△Z的切平面与STL模型相交，这样在每一切平面上形成切片截面轮 廓。
在激光牙体预备自动化过程中，由于所用的STL模型中三角面片的数 量十分庞大，为了提高整个牙体预备过程的效率，所以需要处理速度较快 的分层切片算法，以实现在较短的时间内完成分层切片过程。
通过对现有分层切片算法的分析可以看出，影响分层切片处理速度的 主要因素有以下三个：①三角面片与切平面的位置关系判断；②三角面片 与切平面的交线计算；③截面轮廓线的生成。因此要提高STL模型分层处 理的速度和效率必须考虑这个三个主要因素的影响。为了获得较高的分层 切片效率，本发明实施例在研究现有算法的基础上，提出了一种新的快速 分层切片算法，直接生成无向截面轮廓线的，无需对交线段进行排序和重建拓扑结构关系，获得高效的分层切片处理过程，同时不对后续的激光切 割论生成环节造成影响。该算法的基本思想如下：首先根据与其相交的切 平面的不同，将STL模型中所有的三角面片分为与切平面数量相同的数据 组，然后将每一组中的三角面片与其对应的切平面求交线，利用三角面片 的连续性，最终无需排序便可以得到无向封闭的截面轮廓线。
①STL模型三角面片分组处理
根据本发明实施例提出了快速分层切片算法，对STL模型中的三角面 片进行分组的依据是与其相交的切平面，所以在分组过程中要有一个判断 三角面片与切平面相交的过程。因此，首先分析三角面片与切平面的几种 位置关系。切平面与三角面片的位置关系有五种，如图11所示。在本发 明实施例提出的算法中，在判断三角面片与切平面位置关系时，只需要考 虑边与切平面相交的情况，即图11中第1)和第2)种情况可以不予考虑， 而且不会影响分组的结构。一般情况下，切平面与三角面片相交时不会出 现第1)种情况。忽略第2)情况的原因是由于在STL模型中同一个顶点 是由至少三个三角面片共用，如果其中一个三角面片与切平面存在第2) 情况的相交情况，则与其共用顶点的三角形中一定存在与该切平面存在3)、 4)、5)相交关系的一种，如图12所示。
在进行分组之前首先设计数据结构来存储三角面片的分组数据。如图 13所示，设计的数据结构为一维结构体指针数组，维数为切平面的个数， 数组中的每一个元素与切平面一一对应，指向与该切平面相交的一组三角 面片。
在新的分层切片算法中，对STL模型三角面片的分组的具体方法如下：
①选择分层方向，提取STL模型沿分层方向最大和最小高度值Zmin和 Zmax；
②设定分层的厚度△Z和分层切片的起点Z0＝Zmax-△Z/2；由此可见计算出 切平面的数量N。
③读取STL模型中一个三角面片，首先计算出该三角面片在Z方向 上的最大值Z1和最小值Z2；根据Z1、Z2、分层的起点Z0和分层间隔△Z可 以判断出该三角面片是否与切平面相交，若相交则求出相交切平面，并将 该三角面片存入与其相交切平面所指向的数据链表中；
④按照③中的方法，遍历STL模型中所有的三角面片，便可以将三角 面片分成与切平面相同数量的三角面片组。
图14所示为三角面片分组操作的详细流程图。
从新算法的分组过程可见，只需要遍历两次三角面片，便可将所有的 三角面片分成与切平面相同数据的数组，大大提高了分组的效率。同时按 照这种分组方法将所有与同一切平面相交的三角面片放到同一组中，这样 在计算截面轮廓时便无需再判断切平面与三角面片的位置关系，可以直接 进行切平面与三角面片的求交计算。
②生成无向截面轮廓线
无向截面轮廓是指组成截面轮廓线的交线段的排列是无序的。相比于 有向的截面轮廓线，生成无向的截面轮廓线更容易，无需对交线段进行排 序处理。图15所示为某一切平面与目标牙齿STL模型上的6个三角面片 相交的示意图。根据分组情况，这6个三角面片属于该切平面所指向的三 角面片组，每个面片与切平面相交都会有一个交线段，这6个交线段便组 成了一段无向的截面轮廓线。在STL模型是封闭的情况下，STL模型中 所有与该切平面相交的三角面片与切平面进行求交运算，所得到的所有交 线段便组成了无向封闭的截面轮廓线。
根据三角面片的分组结果，每一个切平面都会指向唯一一组三角面片， 并且组内的三角面片是STL模型中与该切平面相交的所有三角面片的集 合。同时，由于激光牙体预备路径规划所用的STL模型时封闭的，所以与 某一切平面相交的所有三角面片是连续的。由此可见，当某一个切平面与 其所指向的三角面片组中的每一个三角面片进行求交运算，求交结果所得 的所有交线段便组成了一个封闭无向的截面轮廓线。图16为生成无向截 面轮廓线的详细流程图。
由此可见，生成无向截面轮廓线相比于生成有向的截面轮廓要简单许 多，借助了三角面片分组无需判断切平面与三角面片的位置关系，同时无 需对生成的交线段进行排序，简化了分层切片处理过程，提高了分层切片 的效率，同时使分层切片的操作更简化。
四、单层截面轮廓的激光切割路径填充算法
单层截面轮廓的激光切割路径填充处理的目的是对分层切片处理得 到截面轮廓进行激光切割线填充处理，最终生成激光工作头可用的路径规 划数据。由于在分层切片处理过程中生成的截面轮廓线是无向，而且截面 轮廓中的交线段数量庞大，所以需要在单层截面轮廓的激光切割路径填充 环节能够以较高的效率处理无向截面轮廓线，最终生成高质量的激光切割 路径。
本发明实施例在研究平行线填充算法及其衍生算法的基础上，提出了 一种新的激光切割路径填充算法，该算法可以填充无向的截面轮廓线，生 成高质量高效的单层激光切割。该算法的主要思想如下：首先计算填充线 与无向截面轮廓的交点，然后对所得的交点进行分区，然后从最初的切割 区域开始按照一定的条件逐步搜索最优的切割区域，最终生成高效的激光 切割路径。下面详细论述本发明实施例提出激光切割路径填充算法。
①填充线与无向截面轮廓线求交计算
在平行线填充法中，填充线的方向主要有X向和Y向，即填充线平 行于X轴正向或Y轴正向，在本发明实施例中设填充线的方向为Y向。 由于截面轮廓由交线段组成，所以填充线与截面轮廓线的求交计算转化为 填充线与交线段的求交计算。
在进行求交计算之前，首先设计一定的数据结构来存储填充线与交线 段的交点数据：如图17所示，我们选用静态结构体二维数组存储交点数 据，数组的每一个元素为交点结构体类型，储存交点的三维坐标，二维数 组的行数为截面轮廓线相交的填充线的个数，数组的列数设为填充线与截 面轮廓交点数量的最大值，某一填充线与截面轮廓线的交点均存入与其序 号相同的行中。
填充线与截面轮廓的求交过程如下：
i遍历截面轮廓求出截面轮廓的X坐标最大值Xmax和最小值Xmin；
ii设填充线的起点坐标为Xmin，根据填充线间距△X进而可以计算出与 截面轮廓线相交的填充线的个数；
iii对于截面轮廓线中的一个交线段，根据该线段两端点的X坐标和 可以计算出该交线段是否与填充线相交以及与哪些填充线相交，若有填充 线与该交线段相交则计算出交点，并将交点存入与填充线序号相同的行数 组中；
iv按照iii的方法遍历截面轮廓线中的所有交线段，便可以完成填充 线与截面轮廓线的求交计算。
图18所示为填充线与截面轮廓的求交过程的详细流程图。
同分层切片中的分组原理一样，只需要遍历两次截面轮廓中的交线段 便可以完成整个填充线与截面轮廓线的求交计算，相比于其他的算法该算 法具有较高的效率。
②提取激光切割线
在完成填充线与截面轮廓线的求交计算之后，然后是对得到的交点数 据进行处理，从中提取出激光切割线。
根据上一步填充线与截面轮廓线相交计算得到的结果，在存储交点数 据的二维结构体数组中，每一行中所存储的元素为与该行序号相同的填充 线与截面轮廓的所有交点。由于每一行中交点数据的存储是无序的，所以 首先要对每一行中交点按照其Y坐标值从小到大的顺序进行排序。
图19所示为Y向的填充线与某一截面轮廓线的相交示意图，图中截 面轮廓有三个区域I、II、III，区域I为激光切割区域，封闭区域II、III为 不需要切割的区域。观察图19可得，对于封闭的截面轮廓图形，填充线 与截面轮廓线的交点数均为偶数；并且填充线与截面轮廓线的第1个点和 第2个点之间线段是激光切割线，而第2个点和第3个点之间不是激光切 割线，第3个点和第4个点之间是激光切割线。由此可得，填充线与截面 轮廓线的第2i交点与第2i+1交点之间的线段为激光切割线，而第2i+1个 交点与第2i+2个交点之间的线段不需要切割。利用上述规律，从排序后的 行数组中便可以提出激光切割线。
③对激光切割线进行分区处理
本环节主要论述如何对提取出的激光切割线进行分区处理，将复杂的 激光切割区域划分成简单的子区域。
现在以图20所示截面轮廓为例，详细论述对激光切割线的分区思想， 图中的激光切割区域I为激光切割线的集合，所以实现对所有激光切割线 的分区便是实现对激光切割区域I。首先根据填充线和截面轮廓线的交点 个数变化，将图20所示的激光切割区域I分为A、B、C、D、E五个分块： 分块A内填充线与截面轮廓有2个交点，分块B内填充线与截面轮廓有4 个交点，分块C内填充线与截面轮廓有6个交点，分块D内填充线与截 面轮廓有4个交点，分块E内填充线与截面轮廓有2个交点。然后再对上 述分块进行分区，如果某分块内的填充线与截面轮廓的交点个数大于2个， 则可以对该分块内的激光切割线分成几个小的区域，分区的方法是分别将 第2i个交点和第2i+1个交点组成的激光切割线作为一个独立区域。按照 上述次区域的分区方法，如图20中的分块C可以分为4、5、6三个独立 的子区域。根据上述的分区方法，图20所示的截面轮廓中的激光切割区 域I可以分为1-9的9个子区域，由此便完成了对该层截面轮廓所有激光 切割线的分区。
根据上述的激光切割线分区思想，对于一般的截面轮廓的激光切割线 的分区过程如下：①首先，根据二维结构体数组中的行数组所存储交点数 量的变化，对行数组进行分块；②然后对每一块中的行数组中的交点数据 进行再分区，对于每一个块的行数组，依次提取第1、2两个交点作为一 个分区，第3、4两个交点作为一个分区，按照此方法直到将行数组的交 点完全分区，每一子区域的交点数据依次存入一维结构体数组中。
④生成激光切割路径
通过分析激光切割线分区的结果，我们可以发现分区后得到的每一个 子区域都是单调的区域，接下来的操作只需要将所生成的单调子区域按照 一定的序列进行排序，便可以生成完整的激光切割路径。
激光跳转是指激光切割时遇到不需要切割部分以数倍于切割的速度 快速跳开的动作。一个高质量的激光切割路径要求尽可能减少激光跳转的 次数和距离，因为激光的高速、频繁跳转会导致电机的启停和速度的频繁 变换，最终会降低设备的寿命。因此，在利用子区域生成激光切割路径时 要尽可能地减少激光跳转的次数和距离，以获得高质量的激光切割路径。 与此同时，也要尽量减少在与填充线垂直方向上的跳转距离，原因是在垂 直于填充线方式上跳转过大容易在激光切割时产生漏线的现象，如图21 所示。
所以在生成激光切割路径时要要尽可能地减少在垂直于填充线方向 上的跳转距离，同时也要尽可能地减少激光跳转的次数和距离。为了降低 激光跳转的次数和距离，本发明实施例提出了一种搜索最优子区域的方法 生成高质量的激光切割路径，最优子区域所满足的条件是：a激光在垂直 于填充线的方向跳转距离最小；b激光的跳转距离最小，条件a的优先级 大于条件b。生成激光切割路径的详细过程如下:
i将上一步分区结果中的第一个子区域作为第一切割区域；
ii以第一切割区域的末点为基点，按照上述最优子区域的条件在余下 的子区域汇中搜索最优子区域，将搜索到的子区域作为第二切割区域；
iii然后以第二切割区域的末点作为基点，搜索余下的子区域，以此类 推直到所余下的子区域为0，便生成了整个截面轮廓的激光切割路径。
按照上述生成激光切割路径的方法，对图19中的截面轮廓线生成激 光切割路径，得到的路径如图22所示，整个切割路径的顺序为： 1→2→4→7→9→8→6→3→5，这种切割顺序可是激光跳转的次数更少， 距离更短，提高了激光切割的效率，由此可以证明该算法的优越性。
五、激光牙体预备三维路径规划软件与算法验证
为了验证本发明实施例所提出的路径规划算法和进行激光牙体预备 的实验研究，在Visual 6.0编程环境下编写了激光牙体预备三维路径规划 软件，并利用该软件对被去除牙体组织的STL模型进行分层切片实验和对 分层处理所得的截面轮廓线进行激光切割路径填充实验。
①激光牙体预备三维路径规划软件
根据上述的激光牙体预备三维路径规划算法，编写了激光牙体预备路 径规划软件，该软件所实现的主要功能是：i读取数据量大的牙齿STL模 型文件；ii对STL模型进行分层切片处理；iii对分层切片处理生成的截面 轮廓进行激光切割路径填充；iv生成可供激光工作头控制***直接使用的 激光切割路径数据文件。与此同时，该软件还能够显示STL模型、截面轮 廓图形、激光切割路径，并可以对上述图形进行旋转、移动、缩放等操作。
激光牙体预备路径规划软件的操作流程以及软件数据流如图23所示： 首先读入被去除牙体组织STL文件，由此便获取了STL模型的数据，其 基本组成单元是三角面片数据；随后针对读入的STL模型数据进行分层切 片处理，将STL模型中包含的三维模型数据转为二维截面轮廓数据，截面 轮廓数据的基本组成单元是线段数据；截面轮廓激光切割路径填充操作是 对分层切片处理生成的二维截面轮廓数据，识别出其中的激光切割区域并 填充激光切割路径，生成激光切割路径轨迹数据，主要组成单元是点数据； 最后将激光切割路径数据以text文本格式输出到激光工作头的控制***， 转化为控制信号控制激光工作头运动。
②路径规划算法验证
为了验证本发明实施例提出的路径规划算法的正确性，利用激光牙体 预备软件进行了STL模型分层切片实验和截面轮廓激光切割路径填充实 验。图24所示为实验生成的截面轮廓线及其激光切割路径，整个STL模 型所含有的三角面片数为755044，而且其三维形貌较为复杂。从实验结果 可以得出结论：本发明实施例提出的分层切片算法可以有效地对具有大量 三角面片的STL模型进行分层切片，得到正确的截面轮廓线，而且生成 100层截面轮廓线的时间是8.06s，算法具有较高的效率；本发明实施例提 出的激光切割路径填充算法可以针对无向截面轮廓生成高质量的激光切 割路径，激光跳转次数较少。不存在漏线的情况，适用于复杂程度不同的 截面轮廓，由此可见本发明实施例提出的激光切割路径填充算法是正确且 高效的。
在本实施例中还提供了一种剥离式激光牙体预备装置，该装置用于实 现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使 用的，术语“模块”、“单元”或者“子单元”等可以实现预定功能的软件 和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但 是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图25是根据本发明实施例的剥离式激光牙体预备装置的结构框图， 如图25所示，该装置包括：
获取模块251，用于获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的 预备体的第二STL模型；
第一生成模块252，用于以所述第二STL模型中肩台***边缘轮廓三 维曲线为底边，生成母线与转轴呈预定夹角的倒圆锥状的剥离曲面STL 模型；
第二生成模块253，用于对所述剥离曲面STL模型和所述第一STL 模型进行布尔运算，得到第三STL模型；
第三生成模块254，用于对所述第二STL模型和所述第三STL模型 进行布尔运算，得到需要被去除的第四STL模型；
第四生成模块255，用于根据所述第四STL模型生成多层激光切割路 径，以根据所述多层激光切割路径控制激光牙体预备设备完成所述目标牙 齿的牙体预备。
需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于 后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器 中；或者，上述模块分别位于多个处理器中。
另外，结合图2描述的本发明实施例的剥离式激光牙体预备方法可以 由剥离式激光牙体预备设备来实现。图26示出了本发明实施例提供的剥 离式激光牙体预备设备的硬件结构示意图。
剥离式激光牙体预备设备可以包括处理器261以及存储有计算机程序 指令的存储器262。
具体地，上述处理器261可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集 成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置 成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
存储器262可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非 限制，存储器262可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱 动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus， USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储 器262可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存 储器262可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器262 是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器262包括只读存储器 (ROM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程 ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
处理器261通过读取并执行存储器262中存储的计算机程序指令，以 实现上述实施例中的任意一种剥离式激光牙体预备方法。
在一个示例中，剥离式激光牙体预备设备还可包括通信接口263和总 线260。其中，如图26所示，处理器261、存储器262、通信接口263通 过总线260连接并完成相互间的通信。
通信接口263，主要用于实现本发明实施例中各模块、装置、单元和/ 或设备之间的通信。
总线260包括硬件、软件或两者，将剥离式激光牙体预备设备的部件 彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(AGP) 或其他图形总线、增强工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、 超传输(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、无限带宽互连、低引脚 数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、***组件互连 (PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA) 总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或 更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线260可包括一个或多个总 线。尽管本发明实施例描述和示出了特定的总线，但本发明考虑任何合适 的总线或互连。
该剥离式激光牙体预备设备可以基于获取到的数据，执行本发明实施 例中的剥离式激光牙体预备方法，从而实现结合图2描述的剥离式激光牙 体预备方法。
另外，结合上述实施例中的剥离式激光牙体预备方法，本发明实施例 可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有 计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的 任意一种剥离式激光牙体预备方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于 本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种剥离式激光牙体预备方法，其特征在于，包括：
获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的预备体的第二STL模型；
以所述第二STL模型中肩台***边缘轮廓三维曲线为底边，生成母线与转轴呈预定夹角的倒圆锥状的剥离曲面STL模型；
对所述剥离曲面STL模型和所述第一STL模型进行布尔运算，得到第三STL模型；
对所述第二STL模型和所述第三STL模型进行布尔运算，得到需要被去除的第四STL模型；
根据所述第四STL模型生成多层激光切割路径，以根据所述多层激光切割路径控制激光牙体预备设备完成所述目标牙齿的牙体预备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的预备体的第二STL模型之前，所述方法还包括：
用口内三维扫描仪获取所述目标牙齿的三维表面数据，并保存为所述第一STL模型；
按照临床要求在所述第一STL模型的基础上进行设计，得到所述第二STL模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定夹角为3°至10°。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第四STL模型生成多层激光切割路径包括：
对所述第四STL模型进行分层切片处理，生成各分层切片的截面轮廓线；
采用预设间隔的平行填充线填充各分层切片的所述截面轮廓线，并提取各分层切片的激光切割路径。
5.一种剥离式激光牙体预备装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标牙齿的第一STL模型和所述目标牙齿的预备体的第二STL模型；
第一生成模块，用于以所述第二STL模型中肩台***边缘轮廓三维曲线为底边，生成母线与转轴呈预定夹角的倒圆锥状的剥离曲面STL模型；
第二生成模块，用于对所述剥离曲面STL模型和所述第一STL模型进行布尔运算，得到第三STL模型；
第三生成模块，用于对所述第二STL模型和所述第三STL模型进行布尔运算，得到需要被去除的第四STL模型；
第四生成模块，用于根据所述第四STL模型生成多层激光切割路径，以根据所述多层激光切割路径控制激光牙体预备设备完成所述目标牙齿的牙体预备。
6.一种剥离式激光牙体预备设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。
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