传统方法与快速曲面方法进行复杂曲面重建的比较

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.17.007

摘要/Abstract

摘要：

背景：逆向工程技术在外科手术中的应用越来越广泛，如何快速、高效地制作出满足快速原型加工所需的模型越来越受到医务人员的关注。
目的：在对常用曲面重构方法建模技术进行总结的基础上，针对传统方法和快速曲面方法对面部复杂曲面进行了重建比较分析。
方法：采用日本Konica公司生产的VIVID9i非接触式三维数字化仪对30名在校大学生面部进行三维坐标测量。采用传统方法和快速曲面方法对扫描得到的面部点云数据进行曲面重建，并对结果进行误差分析和光顺性评价。
结果与结论：传统方法和快速曲面方法重建曲面与原始点云的最大误差分别为2.99 mm和0.69 mm，传统方法重建曲面的光顺性优于快速曲面方法。综合比较得出了快速曲面方法是更适合复杂曲面重建的高效的方法，为复杂曲面的三维重建提供了参考依据。

关键词: 骨关节植入物, 数字化骨科, 逆向工程, 曲面重构, 复杂曲面重建, 面部整形, Imageware, Geomagic, 省级基金

Abstract:

BACKGROUND: Reverse engineering technology has been widely used in surgery, and how to produce the model that meet the rapid prototyping processing rapidly and effectively has attracted more and more attention.
OBJECTIVE: To compare the classical surfacing and rapid surfacing for complex surface reconstruction based on the summary of the commonly used surface reconstruction modeling technique.
METHODS: VIVID9i non-contact three-dimensional digital scanner produced by Konica, Japan was used to perform the three-dimensional coordinate measuring on faces of 30 college students. The classical surfacing and rapid surfacing approaches were used to surfacing reconstruct the facial point cloud data, and to perform error analysis and smoothness evaluation.
RESULTS AND CONCLUSION: The results show that the maximum distance of surfaces and point clouds reconstructed with the classical surfacing and rapid surfacing approaches were 2.99 mm and 0.69 mm. The surface made by classical surfacing approach was smoother than that made by rapid surfacing approach. There is a conclusion that rapid surfacing approach is more efficient method for complex surface reconstruction, and provides a reference for the three-dimensional reconstruction of complex surfaces.

Key words: bone and joint implants, digital orthopedics, reverse engineering, surface reconstruction, complex surface reconstruction, facial plastic, Imageware, Geomagic, provincial grants-supported paper

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 5

传统方法面部复杂曲面的重建

将采集到的点云数据导入imageware软件，传统曲面造型方式有两种建模策略：①由点云直接拟合曲面片，而后对所有曲面进行优化、裁剪和桥接等处理，生成最终曲面模型。②对点云进行切片处理并拟合出特征线或是在点云上构建3D样条曲线，再通过适当的曲面构建方式创建各特征对应的曲面片，其余的操作同①。

传统方法面部复杂曲面重建的难点是如何将整个点云划分成不同的曲面片以及采用哪种方法来拟合点云成曲面^[18]。面部点云中眼睛、鼻子、嘴唇部位的特征比较复杂^[19]，为了使生成的曲面能够最大限度的保留这些特征，选择将这些部位划分出来，最后点云的划分如图2所示，其中不同的颜色代表不同的区域。

根据划分点云的特点采用曲面片拟合和曲线放样方法重构，然后将各个曲面片拼接，形成整个面部曲面。

快速曲面方法面部复杂曲面的重建

快速曲面造型方式面向的是模型整体，通常也有两种建模策略：①点云多边形化处理后，使用Beizer曲面片进行拟合，并由此创建各曲面片之间满足G1联系的Beizer曲面片模型，然后转换成NURBS曲面。②多边形化之后，先对多边形模型用四边形做进一步划分，而后对四边形化处理的模型使用NURBS曲面片进行拟合，直接得到NURBS曲面模型。

对面部点云进行了去噪、重采样等处理，使得保留面部特征的基础上尽可能减少点数。用30 000个三角形处理，经过填充孔、松弛和细化多边形等操作得到多边形模型。根据面部点云的特点，修改轮廓线，保证曲面能够最大限度保留点云特征，使用1 000个曲面片拟合，划分网格并生成NURBS曲面如图3所示，对曲面检测发现有一些细小的缝隙，但是不影响快速成型加工。

曲面与点云的误差以及光顺性分析

误差分析就是测量点云与生成曲面的距离，由此来评估重构曲面的精度。本文采用等照度线的方法来进行光顺性分析，照度是平行光源的单位方向与曲面某一点处的法矢两向量的内积，将曲面上具有相等的照度的点连接而成的线叫做等照度线，可以根据等照度线的走向和分布来分析曲面的光顺性^[20]。等照度线的分布越均匀表明曲面的光顺性越好。

利用传统方法和快速曲面方法得到的曲面与原始点云误差分析结果如图4，5所示。图4中正误差最大的区域为鼻孔部位，其原因是扫描得到鼻孔内部的点云数据，但是在曲面重建中没有重建其内表面，所以造成局部误差较大。负误差最大的区域主要出现在眼部和鼻孔，其原因是扫描得到的对应部位点云缺失。图5中误差大于0.25 mm的区域主要分布在眼部、鼻部和唇部，是由于这些区域的特征复杂，重建难度大。传统方法重建曲面与点云的最大误差为2.99 mm，快速曲面方法为0.69 mm，所以传统曲面方法重建曲面的精度不及快速曲面方法。

对两种方法重建的额头曲面的光顺性分析如图6所示。由曲面反射线的分布均匀情况，可知传统方法重构曲面的光顺性优于快速曲面方法。

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