Nghiên cứu phương pháp quét 3d răng ứng dụng trong nha khoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN HÒA NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP QUÉT 3D RĂNG ỨNG DỤNG TRONG NHA KHOA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN HÒA NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP QUÉT 3D RĂNG ỨNG DỤNG TRONG NHA KHOA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS HOÀNG HỒNG HẢI Hà Nội - 2018 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 10 1.1.Phƣơng pháp truyền thống (Lấy dấu răng): 10 1.2.Phƣơng pháp kỹ thuật số (không tiếp xúc) 11 a) Phương pháp kỹ thuật số thông thường 11 b) Phương pháp kỹ thuật số siêu tốc (không tiếp xúc): 12 CHƢƠNG II: KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH TRONG NHA KHOA VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY QUÉT 3D 16 2.1.Kỹ thuật xử lý ảnh Nha khoa 16 2.1.1 Các vấn đề xử lý ảnh 16 2.1.2 Kĩ thuật mặt nạ 18 2.1.3 Các kỹ thuật lọc nhiễu 19 2.1.4 Các kĩ thuật dò cạnh 22 2.1.5 Các kĩ thuật dị góc 29 2.2.Nguyên lý hoạt động máy quét 3D 34 CHƢƠNG III: THUẬT TOÁN ICP VÀ GO-ICP 39 3.1.Tổng quan thuật toán ICP 39 a) Giải thuật ICP 39 b) Phương pháp ghép thô SAC-IA 44 c) Quá trình liên kết cặp đám mây điểm thành vật thể hoàn chỉnh 59 3.2.Thuật toán GO-ICP 65 CHƢƠNG IV: HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 69 4.1.Quét mẫu hàm dƣới thạch cao máy Quét 3D Laserdenta 69 a) Hiệu chỉnh máy Quét 3D 69 b) Tiến hành quét mẫu 75 HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải c) Sử dụng thuật toán GO - ICP (Global Optimization – Iterative Closest Point) 78 d) Sử dụng phần mềm Geomagic Control 79 4.2.Sử dụng phần mềm 3D builder để chỉnh sửa tạo khối 85 4.3.Thiết kế giả dựa file stl đƣợc hoàn chỉnh 87 4.4.Sử dụng phần mềm Sum3D để đƣa file G-code gia công máy CNC 91 KẾT LUẬN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, công nghệ quét 3D nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu cơng ty ứng dụng quy trình tạo mẫu ngược vào sản xuất Các ứng dụng công nghệ quét 3D ứng dụng nhiều lĩnh vực quét mẫu đúc, tạo hình khí, phục hình nha khoa, Trong nha khoa, công nghệ quét 3D áp dụng rộng rãi với vai trò hỗ trợ gia cơng xác biên dạng Tuy nhiên, với biên dạng phức tạp hàm người, việc đưa mơ hình 3D hồn thiện trở ngại lớn công nghệ quét 3D Để nâng cao độ xác mơ hình 3D, thuật tốn interative closest point viết ngơn ngữ lập trình C++ áp dụng giúp cho việc xây dựng biên dạng người cách xác, hạn chế việc mơ hình bị vỡ điểm ảnh Mặc dù hạn chế việc mơ hình bị vỡ điểm ảnh Tuy nhiên, kiến thức hạn hẹp thời gian thực hạn chế nên đề tài chưa tối ưu Tơi mong đóng góp sửa chữa để đề tài mang lại kết tốt Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Hồng Hồng Hải hướng dẫn tơi hồn thành luận văn HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải Lời cam đoan Tơi tên là: Nguyễn Văn Hịa Lớp: 16BCTM.KT Khóa 2016B Chuyên ngành: Chế tạo máy Đề tài: Nghiên cứu phương pháp quét 3D ứng dụng Nha khoa Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu luận văn riêng chưa công bố cơng trình nghiên cứu Hà nội, ngày tháng năm Học viên HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tạo giả phương pháp truyền thống 10 Hình 1.2: Tạo giả phương pháp kỹ thuật số 12 Hình 1.3: Tạo giả phương pháp kỹ thuật số siêu tốc 13 Hình 2.1: Phương pháp dùng mặt nạ để tìm đường biên theo chiều dọc 20 Hình 2.2: Nhiễu phụ thuộc vào liệu 21 Hình 2.3: Nhiễu Gaussian trước sau xử lí 21 Hình 2.4: Nhiễu muối tiêu trước sau xử lí 22 Hình 2.5: Kết trích xuất cạnh sử dụng phương pháp dò cạnh Robert Cross 25 Hình 2.6: Kết trích xuất cạnh sử dụng phương pháp dị cạnh Sobel 26 Hình 2.7: Kết trích xuất cạnh sử dụng phương pháp dị cạnh Canny 28 Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động máy quét 3D 34 Hình 3.2: Phương pháp tam giác điểm 36 Hình 3.3: Hình ảnh trình quét 37 Hình 4.1: Kết ghép nối hai đám mây điểm dùng ICP 40 Hình 4.2: Kết ghép nối hai đám mây điểm dùng ICP góc lệch hai đám mây điểm gần 30° 41 Hình 4.3: Kết ghép nối ICP sai số nhiều đám mây điểm có góc lệch lớn 42 Hình 4.4: Ước lượng vector pháp tuyến bề mặt: pháp tuyến điểm ước lượng từ lân cận nằm mặt cầu có bán kính 0,03 m 45 Hình 4.5: Biểu diễn khung Darboux góc đặc tính PFH cho cặp điểm 𝑝𝑠 𝑝t với vector pháp tuyến tương ứng ns nt 48 Hình 4.6: Biểu đồ vùng tính tốn PFH Điểm truy vấn (đỏ) k-điểm lân cận (xanh) nối với thành lưới 49 Hình 4.7: Ví dụ biểu diễn PFH hai lớp điểm đám mây điểm 50 Hình 4.8: Biểu đồ vùng tính tốn đặc tính Fast Point Feature Histogram 51 HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải Hình 4.9: Vector pháp tuyến bề mặt can nhựa 52 Hình 4.10: Biểu đồ FPFH đám mây điểm can nhựa 53 Hình 4.11: Hai đám mây điểm chưa ghép nối nhìn từ hai góc khác 57 Hình 4.12: Hai đám mây điểm ghép nối, bên trái sử dụng ICP, bên phải SAC-IA 57 Hình 4.13: Các đám mây điểm sau ghép nối thô sử dụng SAC-IA, ghép nối tinh chỉnh sử dụng ICP 57 Hình 4.14: Hình ảnh 2D vật thể sử dụng làm mẫu 58 Hình 4.15: Mười hai đám mây điểm thu từ góc nhìn khác vật thể, đủ để tái tạo hồn tồn mơ hình vật thể 61 Hình 4.16: Sơ đồ ghép nối cặp đám mây điểm 62 Hình 4.17: Hai đám mây điểm nửa trái, phải vật thể, (mỗi đám mây ghép từ sáu đám mây ban đầu phía) 62 Hình 4.18: Đám mây điểm hồn chỉnh sau ghép nối, nhìn từ hai góc khác 63 Hình 5.1: Trình tự thực hành 67 Hình 5.2: Màn hình khởi động 68 Hình 5.3: Chỉnh tâm camera 68 Hình 5.4: Chỉnh gốc tọa độ 69 Hình 5.5: Bật đèn phát laser 69 Hình 5.6: Điều chỉnh đèn phát Laser 70 Hình 5.7: Cài đặt gốc tọa độ cho tất phận 70 Hình 5.8: Màn hình tạo liệu 71 Hình 5.9: Chọn vị trí tương ứng 72 Hình 5.10: Quét mẫu 73 Hình 5.11: Mơ hình 3D hàm 73 Hình 5.12: Mơ hình 3D hàm 75 Hình 5.13: Thông số ma trận ghép đám mây điểm 76 HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải Hình 5.14: Q trình ghép thơ 76 Hình 5.15: Quá trình ghép tinh 77 Hình 5.16: Mơ hình 3D hồn thiện 77 Hình 5.17: Mơ hình 3D hàm quét máy imetric L1m mơ hình 3D hàm tối ưu hóa thuật tốn GO-ICP 78 Hình 5.18: So sánh sai lệch mơ hình 79 Hình 5.19: Bảng so sánh sai lệch 79 Hình 5.20: Màn hình khởi động phần mềm 3D builder 80 Hình 5.21: Mơ hình 3D hàm tạo khối 81 Hình 5.22: Cắt bỏ phần khơng cần thiết mơ hình 3D 81 Hình 5.23: Chọn đường hồn tất thơ 82 Hình 5.24: Chọn đường hồn tất tinh 82 Hình 5.25: Chọn mẫu thư viện 83 Hình 5.26: Chọn thơng số độ dày 83 Hình 5.27: Chỉnh sửa biên dạng 84 Hình 5.28: Mơ hình hồn chỉnh 84 Hình 5.29: Màn hình khởi động phần mềm Sum3D 85 Hình 5.30: Chọn phơi vật liệu 85 Hình 5.31: Chỉnh vị trí gia cơng chân 86 HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơng nghệ quét 3D trình xác định hình dạng bề mặt vật thể không gian ba chiều để tạo mơ hình kỹ thuật số 3D Qt 3D mở bước ngoặt công nghệ 3D, mơ hình vật chất tồn giới mơ hình hóa liệu kỹ thuật số vòng vài đồng hồ Công nghệ ứng dụng nhiều lĩnh vực từ sản xuất, khảo cổ học, y tế đến giao thông, xây dựng… Trong y học, công nghệ quét 3D phát triển nhanh Từ nhu cầu việc cần thiết tạo xác số lượng lớn mơ hình 3D hàm ngành Nha khoa phục hồi chỉnh hình Hiện nay, có nhiều thiết bị quét 3D cho ngành Nha khoa phục hồi phát triển toàn giới Tuy nhiên, thiết bị gặp phải vấn đề mơ hình qt đa số bị phân mảnh, khơng thể qt tồn đám mây điểm vật thể, điều gây ảnh hưởng đến việc gia cơng xác biên dạng Xuất phát từ tầm quan trọng việc nâng cao độ xác mơ hình 3D Do vậy, tơi chọn đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp quét 3D ứng dụng Nha khoa” Đối tượng sử dụng để nghiên cứu mơ hình mẫu thạch cao người Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ quét 3D Nha khoa xây dựng thuật toán ghép đám mây điểm vào mơ hình 3D tổng thể hàm người để khắc phục việc mô hình 3D hàm bị vỡ điểm ảnh qua hỗ trợ việc gia công sử dụng máy quét 3D Laserdenta Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết quét 3D - Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động máy quét 3D Laserdenta HV: Nguyễn Văn Hòa Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải Hình 5.13: Thông số ma trận ghép đám mây điểm Bước 3: Ghép thô Chọn thẻ Align Between Measured Data chọn đối tượng cần ghép, đối tượng gốc điểm vị trí cần ghép Hình 5.14: Q trình ghép thô Bước 4: ghép tinh Chọn Global and fine Chọn đối tượng gốc, đối tượng cần ghép, số lần lặp lại ta kết Hình 5.15: Quá trình ghép tinh Bước 5: Ghép đối tượng Chọn thẻ Measured → Merge Kết ta mẫu file quét 3D hoàn chỉnh, đường biên dạng khơng cịn bị phân mảnh HV: Nguyễn Văn Hịa 81 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải Hình 5.16: Mơ hình 3D hồn thiện Bước 6: So sánh kết với file quét máy imetric L1m 3Shape D700 Insert file quét máy imetric L1m HV: Nguyễn Văn Hòa 82 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải Hình 5.17: Mơ hình 3D hàm quét máy imetric L1m mơ hình 3D hàm tối ưu hóa thuật toán GO-ICP Bước 6: Ghép đám mây điểm Chọn Align between measure data → Local Based on auto guess Chọn đối tượng gốc, đối tượng cần so sánh HV: Nguyễn Văn Hòa 83 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải Hình 5.18: So sánh sai lệch mơ hình Bước 7: So sánh kết đám mây điểm Chọn điểm cần so sánh với file gốc xuất báo cáo Hình 5.19: Bảng so sánh sai lệch Kết thu được: - Sai số điểm thứ 1: 0,0341 mm - Sai số điểm thứ 2: -0,1194 mm - Sai số điểm thứ 3: -0,0249 mm - Sai số điểm thứ 4: 0,0155 mm - Sai số điểm thứ 5: 0,083 mm - Sai số điểm thứ 6: 0,0787 mm - Sai số điểm thứ 7: 0,0106 mm - Sai số điểm thứ 8: 0,68 mm - Sai số điểm thứ 9: 0,0724 Như vậy, với sai số nhỏ, thuật toán GO-ICP hoạt động tốt đưa ma trận ghép đám mây điểm xác Qua đánh giá phần ảnh bị vỡ phục hồi xác HV: Nguyễn Văn Hịa 84 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải 4.2 Sử dụng phần mềm 3D builder để chỉnh sửa tạo khối Hình 5.20: Màn hình khởi động phần mềm 3D builder - Sử dụng chức repair để sửa lỗi tạo khối cho hàm HV: Nguyễn Văn Hòa 85 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải - Xoay vật thể dùng lệnh split để cắt bỏ phần khơng cần thiết hàm Hình 5.21: Mơ hình 3D hàm tạo khối HV: Nguyễn Văn Hịa 86 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải Hình 5.22: Cắt bỏ phần khơng cần thiết mơ hình 3D 4.3 Thiết kế giả dựa file stl đƣợc hoàn chỉnh Bước 1: Chọn đường hồn tất thơ để giới hạn phạm vi chỉnh sửa Hình 5.23: Chọn đường hồn tất thơ Bước 2: Chọn đường hồn tất tinh cho trùng khít với biên dạng chân chọn hướng lắp HV: Nguyễn Văn Hịa 87 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải Hình 5.24: Chọn đường hồn tất tinh HV: Nguyễn Văn Hòa 88 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải Bước 3: Chọn thư viện mẫu gần giống với cần thiết kế Hình 5.25: Chọn mẫu thư viện Bước 4: Chỉnh sửa biên dạng chọn thông số chiều dày Tùy mà ta điều chỉnh độ dày khác nhau, trung bình chiều dày từ 0,3mm – 0,5mm Hình 5.26: Chọn thơng số độ dày HV: Nguyễn Văn Hòa 89 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải Bước 5: Điều chỉnh độ dày vị trí báo lỗi khơng đảm bảo u cầu chiều dày cài đặt Hình 5.27: Chỉnh sửa biên dạng Bước 6: Hoàn thiện thiết kế Xuất file stl cần gia cơng Hình 5.28: Mơ hình hồn chỉnh HV: Nguyễn Văn Hòa 90 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải 4.4 Sử dụng phần mềm Sum3D để đƣa file G-code gia công máy CNC Bước 1: insert file stl thiết kế Hình 5.29: Màn hình khởi động phần mềm Sum3D Bước 2: Chọn vật liệu, phôi để gia công Hình 5.30: Chọn phơi vật liệu HV: Nguyễn Văn Hịa 91 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hồng Hồng Hải Bước 3: Điều chỉnh vị trí răng, chân giữ để tiết kiệm vật liệu đảm bảo độ vững gia công để không bị rơi Hình 5.31: Chỉnh vị trí gia cơng chân Đến ta xuất file G-code để gia công máy CNC Sản phẩm sau gia công xong đưa vào máy nung để tăng cứng Đối với việc sử dụng thuật toán Go-ICP hạn chế việc sản phẩm sau hoàn thiện bị lỗi, không khớp với hàm khách hàng loại bỏ hoàn toàn vùng bị vỡ điểm ảnh HV: Nguyễn Văn Hòa 92 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ quét 3D Nha khoa, em hoàn thành luận văn với nội dung gồm chương: - Chương I: Nghiên cứu tổng quan quy trình làm - Chương II: Nghiên cứu kỹ thuật xử lý ảnh, cấu tạo, nguyên lý hoạt động máy quét 3D - Chương III: Nghiên cứu sở lý thuyết ứng dụng thuật toán ICP thuật toán GO-ICP - Chương IV: Hệ thống thí nghiệm, sử dụng máy quét Laser Denta để quét mẫu Ứng dụng thuật toán GO-ICP nâng cao chất lượng mơ hình 3D trình tự bước thiết kế dựa mơ hình 3D tối ưu để đưa file G-code chạy cho máy CNC Kết đạt được: - Đề tài xác định nguyên nhân gây tượng vỡ điểm ảnh mơ hình 3D sử dụng máy qt Laser denta - Việc ứng dụng thuật toán GO-ICP cải thiện chất lượng mơ hình 3D, qua nâng cao độ xác gia cơng, hạn chế việc phải chỉnh sửa sản phẩm sau hồn thành Với việc ứng dụng thuật tốn GO-ICP để nâng cao chất lượng quét máy quét Laser denta làm tiền đề cho thiết kế phần mềm chỉnh sửa mơ hình 3D tích hợp dùng cho máy quét Laser denta giúp cho việc chỉnh sửa, thiết kế biên dạng trở nên thuận lợi Hướng phát triển luận văn: Đề tài phát triển cao theo hướng “Nghiên cứu, xây dựng phần mềm chỉnh sửa mơ hình 3D cho máy qt 3D” HV: Nguyễn Văn Hòa 93 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trường Sơn Luận văn tốt nghiệp: Ứng dụng giải thuật ICP kết hợp tái tạo mơ hình 3D vật thể từ ảnh Depth Map, ĐHQG TP HCM, 2012 [2] Jens Berkmann and Terry Caelli, Computation of Surface Geometry and Segmentation Using Covariance Techniques, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, November 1994 [3] Radu Bogdan Rusu, Nico Blodow, and Michael Beetz, Fast Point Feature Histograms (FPFH) for 3D Registration, In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Kobe, Japan, May 12-17-2009 [4] Paul J Besl and Neil D McKay A Method for Registration of 3-D Shapes IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence., Vol 14, No 2, February 1992 [5] Jiaolong Yang, Hongdong Li, Yunde Jia Go-ICP: Solving 3D Registration Efficiently and Globally Optimally [6] Silvia Logozzo, Elisabetta M Zanetti, Giordano Franceschini, Ari Kilpela Recent advances in dental optics – Part I: 3D intraoral Quétners for restorative dentistry Optics and Lasers in Engineering, March 2014 [7] Li Zhang, Kazem Alemzadeh IEEE EMBS Annual International Conference New York City, USA, Aug 30-Sept 3, 2006 [8] Logozzo S, Franceschini G, Kilpela A, Caponi M, Governi L, Blois L, A Comparative analysis of intraoral 3D digital quétners for restorative dentistry Internet J, Med Technol, 2011;5 [9] Birnbaum NS, Aaronson HB, Stevens C, Cohen B 3D digital quétners: a high-tech approach to mỏ accurate dental impressions Inside Dent, 2009;5:70-4 [10] F Duret, C Termoz, Method of and apparatus for making a prosthesis, especially a dental prosthesis, US Patent US4663720 (2010) [11] M Minsky, Microscopy apparatus, US Patent 3013467 (1961) HV: Nguyễn Văn Hòa 94 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Hoàng Hồng Hải [12] A W Fitzgibbon, Robust registration of 2d and 3d point sets, Image Vision Computing, 2003 [13] 3Shape, 3Shape TRIOS Digital Impression Solution, (http://www.3shapedental.com/), Last access: April 2018 [14] Forb, Cad/Cam odontoiatrico – Forb, (http://www.forb.it/viewdoc.asp?co_id=29), Last access: Aprill 2018 [15] Nguyễn Thanh Hải Xử lý ảnh, NXB ĐHQG TP HCM, 2014 HV: Nguyễn Văn Hòa 95 ... lớn sử dụng Để nghiên cứu cách tổng quan, đầy đủ quy trình làm giả Nha khoa phục hồi ứng dụng công nghệ quét 3D Nha khoa Bài luận văn nghiên cứu ứng dụng công nghệ quét 3D phương pháp Nha khoa. .. hình 3D Do vậy, chọn đề tài ? ?Nghiên cứu phƣơng pháp quét 3D ứng dụng Nha khoa? ?? Đối tượng sử dụng để nghiên cứu mơ hình mẫu thạch cao người Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu ứng dụng. .. quét 3D nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu công ty ứng dụng quy trình tạo mẫu ngược vào sản xuất Các ứng dụng công nghệ quét 3D ứng dụng nhiều lĩnh vực quét mẫu đúc, tạo hình khí, phục hình nha