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1、(10)申请公布号 CN 103942827 A (43)申请公布日 2014.07.23 C N 1 0 3 9 4 2 8 2 7 A (21)申请号 201310021209.1 (22)申请日 2013.01.22 G06T 17/00(2006.01) G06F 17/50(2006.01) (71)申请人林凤飞 地址 351100 福建省莆田市秀屿区东庄镇营 边村下营边19号 (72)发明人林凤飞 (54) 发明名称 一种三维动态可视化毛发种植设计方法 (57) 摘要 一种三维动态可视化毛发种植设计方法；本 发明公开一种三维动态可视化毛发种植设计方 法，该方法包括三维人体毛发生长外。
2、形模型的构 建和毛发种植外形信息数据的三维动态可视化实 现。所述三维人体毛发生长外形模型的构建包 括数据预处理、数据分层分块、三维人体毛发生长 外形模型的生成步骤；毛发种植外形信息数据三 维动态可视化实现包括毛发种植外形信息数据预 处理、三维图像绘制、三维图像显示步骤。本发明 的实施以三维人体毛发生长外观形态模型为背景 场，将不同部位毛发生长外形信息要素绘制并显 示出来，从而实现各部位毛发种植外形信息数据 生动、直观地设计表达，以满足人们对种植毛发日 益多样化的个性化需求，达到对毛发种植手术“自 然美”的更高标准。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 (19)中华人民。
3、共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103942827 A CN 103942827 A 1/1页 2 1.一种三维动态可视化毛发种植设计方法，该方法包括三维人体毛发生长外形模型的 构建和毛发种植外形信息数据的三维动态可视化实现；所述三维人体毛发生长外形模型的 构建包括数据预处理、数据分层分块、三维人体毛发生长外形模型的生成步骤；毛发种植外 形信息数据三维动态可视化实现包括毛发种植外形信息数据预处理、三维图像绘制、三维 图像显示步骤。 权 利 要 求 书CN 103942827 A 1/6页 3 一种三维动态可视化毛发种植。
4、设计方法 技术领域 0001 本发明属于三维动态可视化计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种三维动态可 视化毛发种植设计方法。 背景技术 0002 随着计算机辅助设计技术的不断发展，三维动态可视化设计方法已广泛应用于各 个领域。三维动态可视化设计方法可以将真实的三维信息还原到三维场景中，还可以通过 三维场景仿真模拟出真实三维信息的变化、发展规律，实现动态模拟、再现实际场景信息的 功能，使人们能够更加清楚、直观地认识事物。 0003 近年来，随着人们对整形美容手术“自然美”标准的不断提高，各种新的技术和设 计手段逐渐被用于毛发种植手术操作和术前设计中，由此也积累了大量的毛发种植手术临 床实施经验。。
5、伴随着毛发种植技术开发过程中人们对种植毛发日益多样化的个性化需求， 采用原有的二维静态设计方法对新生种植毛发外观形态进行模拟设计已经日渐不能满足 实际需要。三维、动态的数据模型，逼真、可视化的三维场景渲染方式，日益成为毛发种植手 术术前设计的一种趋势。 0004 目前，三维动态可视化辅助设计方法在医学美容整形信息处理方面虽有一些应 用，但还处于初级层次，还没有专利对三维动态可视化毛发种植设计方法进行研究。如何有 效利用人们提供的待接种毛发区域的手术信息数据，如何直观、动态地设计表达出人体毛 发种植区域 种植毛发后的外观形态，已成为毛发种植美容领域的重点研究方向和趋势。 发明内容 0005 本发。
6、明公开了一种三维动态可视化毛发种植设计方法，该方法以三维人体毛发生 长外观形态模型为背景场，将不同部位毛发生长区域的外形要素以不同绘制方法进行绘制 并显示出来，从而实现各部位毛发种植区域外形信息生动、直观地设计表达。 0006 本发明提出一种三维动态可视化毛发种植设计方法，该设计方法主要包括三维人 体毛发生长外形模型的构建和各部位毛发种植外形信息数据的三维动态可视化实现，具体 叙述如下。 0007 一：三维人体毛发生长外形模型的构建 0008 (1)数据预处理 0009 在构建三维人体毛发生长外形模型之前，需要对扫描数据和影像数据进行预处 理，包括扫描数据和影像数据的数据格式转换和坐标系转化。。
7、 0010 1)数据格式转换：利用Geospatial Data Abstraction Library库完成把扫描数 据和影像数据转换成栅格数据。 0011 2)坐标系转化：利用ERDAS软件对转换为栅格数据后的影像数据重新定位坐标系 统，将转换为栅格数据后的影像数据的坐标系统转化为与转换为栅格数据后的扫描数据相 一致的坐标系统。 说 明 书CN 103942827 A 2/6页 4 0012 (2)数据分层分块 0013 构律三维人体毛发生长外形模型时，利用细节层次技术建立同一地区 的多分辨 率金字塔结构模型，绘制场景时，在满足精度要求的前提下，根据视点的变化，动态调度不 同分辨率的扫描数。
8、据和影像数据，通过构建金字塔模型，直接从不同层调用不同分辨率的 扫描数据和影像数据，避免实时重采样的时间，具体操作为：金字塔的最底层包含一个瓦 片，为一个外形单元，其顶点的行、列数为6464，该层外形表达的信息量最小，精细度最 低；第1层在第0层的基础上分为4个瓦片，每个瓦片的顶点行、列数仍为6464，因此整个 外形区域内第1层的瓦片数为第0层瓦片数的四倍，分辨率变为第0层的2倍，以此类推， 第n+1层所含瓦片数为第n层瓦片数的4倍，分辨率为第n层的2倍，从而扫描数据和影像 数据变为四叉树结构的多分辨率分层数据。 0014 (3)三维人体毛发生长外形模型的生成。 0015 利用分层分块处理后的。
9、多分辨率分层数据，应用建模技术来构建三维人体毛发生 长外形模型，并按照层级关系命名三维人体毛发生长外形模型文件，建立有效索引机制，便 于扫描数据和影像数据的动态加载，实现过程是：从第0层开始，以瓦片(tile)为单位，通 过构建不规则三角网来创建三维人体毛发生长外形模型，具体构建方法如下。 0016 取瓦片内任意相邻的、可构成矩形的四个顶点A、B、C、D行列序号分别为(r，c)， (r，c+1)，(r+1，c)，(r+1，c+1)，其中r代表顶点的行号，c代表顶点的列号，分别计算AD，BC 之间的高差，若AD之间高差较大，则连接A、D两点，构成ACD、ABD两个三角形，若BC之 间 高差较大，。
10、则连接B、C两点，构成BAC，BDC两个三角形，该瓦片内其他顶点也按照此方法依 次构建三角形，直到所有顶点构建完为止，其他各层按照第0层的构建方法依次构建不规 则三角网，实现三维人体毛发生长外形模型的构建。 0017 构建好的三维人体毛发生长外形模型以二进制ive的文件格式存储到硬盘上，对 同一层的多个ive格式的三维人体毛发生长外形模型文件按照File_L_X_Y的命名规则进 行命名，其中File为目标索引文件名；L为扫描数据和影像数据所在的金字塔模型层数；X 为三维人体毛发生长外形模型文件在该层中的行号；Y为三维人体毛发生长外形模型文件 在该层中的列号，利用三维渲染引擎OSG加载生成的三维。
11、人体毛发生长外形模型文件，实 现三维人体毛发生长外形模型的动态显示。 0018 二：毛发种植外形信息数据三维动态可视化实现。 0019 在建立的三维人体毛发生长外形模型的基础上，根据不同部位的毛发生长外形信 息要素，设计不同的绘制方法进行绘制并显示出来，实现在三维毛发生长外形模型上动态、 形象地展示各部位毛发种植外形信息数据，具体步骤如下。 0020 (1)毛发种植外形信息数据预处理。 0021 根据毛发种植手术部位的不同，对毛发种植外形信息数据分为两种情况处理，一 种是对分布密集的毛发种植外形信息数据，在不影响可视化效果的前提下，按照一定的平 面横、纵向坐标范围加以精炼和选择，以减少数据量；。
12、当数据分布过分稀疏而影响可视化的 效果时， 对其进行有效的插值处理采用反距离权重插值法进行处理，插值公式为： 说 明 书CN 103942827 A 3/6页 5 0022 0023 其中Z p 为内插点p的估计值，Z i 为采样点i的统计值；d i 为采样点i与内插点p 之间的距离，n为邻近的采样点数目，k为指定的幂数。 0024 (2)三维图像绘制。 0025 对于属于标量场数据采用伪彩色法进行绘制；对于属于矢量场数据采用箭头表示 法进行绘制： 0026 1)属于标量场数据的可视化：对于属于标量场数据采用伪彩色法进行绘制，在颜 色和毛发种植外形信息数据之间建立一种映射关系，用不同的颜色来表。
13、示不同数值的毛发 种植外形信息数据。 0027 2)属于矢量场数据的可视化：由于矢量场数据既有大小，又有方向，为了表达出 属于矢量场的毛发种植外形信息数据的信息，采用箭头表示法进行绘制。 0028 (3)三维图像显示。 0029 将绘制好的毛发种植外形信息数据的三维图像显示在以三维人体毛发生长外形 模型为背景的场景中，实现毛发种植外形信息展示，绘制的毛发种植外形信息数据的三维 图像经过坐标变换显示在屏幕上， 具体操作如下。 0030 1)模型变换：通过模型视图矩阵将绘制的毛发种植外形信息数据的三维图像正 确地放置在以三维人体毛发生长外形模型为背景的场景中。 0031 2)投影变换：利用投影矩阵。
14、将以三维人体毛发生长外形模型为背景的场景中绘 制的毛发种植外形信息数据的三维图像投影到垂直于视线方向的二维成像平面上，从而得 到设备坐标。 0032 3)视口变换：通过视口变换矩阵将投影变换之后得到的设备坐标转换为窗口坐 标，最终使图像在屏幕上显示。 0033 本发明的优点在于： 0034 1、本发明提出一种三维动态可视化毛发种植设计方法，利用计算机辅助设计技术 实现了毛发种植手术术前的三维动态可视化设计，构建了三维人体毛发生长外形模型，为 毛发种植外形信息动态地表达提供了直观的背景场。 0035 2、本发明提出一种三维动态可视化毛发种植设计方法，结合人体各部位毛发种植 外形信息的特点，针对不。
15、同部位的毛发种植外形信息要素，设计了不同的三维动态可视化 方法，使毛发种植外形信息更加形象、逼真地展示出来。 附图说明 0036 图1为三维人体毛发生长外形模型构建流程图。 0037 图2为毛发种植外形信息三维动态可视化实现流程图。 0038 图3为图像坐标变换流程图。 说 明 书CN 103942827 A 4/6页 6 具体实施方式 0039 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 0040 本发明提出一种三维动态可视化毛发种植设计方法，主要包括有以下二个步骤。 0041 一：三维人体毛发生长外形模型的构建。 0042 为了生动、直观地将毛发种植外形信息以三维动态可视化方式表达出来，本。
16、发明 以三维人体毛发生长外形模型为背景场，实现毛发种植外形信息的三维动态可视化。主要 是采用扫描数据和影像数据来构建三维人体毛发生长外形模型，扫描数据用来构建三维人 体毛发生长外形模型的基本形状，影像数据用来增加三维人体毛发生长外形模型的真实 感。通过对扫描数据和影像数据进行处理，生成人体各部位毛发生长外形模型文件，来实现 三维人体毛发生长外形模型的构建，具体模型构建流程如图1所示，实施过程具体如下。 0043 (1)数据预处理 0044 为了构建出一个逼真、形象的三维人体毛发生长外形模型，在构建三维人体毛发 生长外形模型之前，需要对扫描数据和影像数据进行预处理，包括扫描数据和影像数据的 数据。
17、格式转换、坐标系转化工作。 0045 1)数据格式转换 0046 由于用来生成人体各部位毛发生长外形模型文件的数据需为栅格数据，故 需对扫描数据和影像数据进行格式转换。本发明利用eospatial DataAbstraction Library(GDAL)库完成把扫描数据和影 像数据转换成栅格数据。 0047 2)坐标系转化。 0048 为保证构建三维人体各部位毛发生长外形模型时，扫描数据和影像数据建立正确 的映射关系，构建三维人体毛发生长外形模型的扫描数据和影像数据的坐标系统必须为同 一坐标系统。本发明利用ERDAS软件对转换为栅格数据后的影像数据重新定位坐标系统， 将转换为栅格数据后的影像。
18、数据的坐标系统转化为与转换为栅格数据后的扫描数据相一 致的坐标系统。 0049 (2)数据分层分块。 0050 为实现经过上述数据预处理流程处理后的扫描数据和影像数据的有效组织管理， 构建三维人体毛发生长外形模型时，利用细节层次技术(LOD)建立同一部位的多分辨率金 字塔结构模型。绘制场景时，在满足精度要求的前提下，根据视点的变化，动态调度不同分 辨率的扫描数据和影像数据。通过构建金字塔模型，可以直接从不同层调用不同分辨率的 扫描数据和影像数据，避免了实时重采样的时间。 0051 构建金字塔结构分层数据的基本思想为：金字塔的最底层(第0层)包含一个瓦 片(tile)，即一个外形单元，其顶点的行。
19、、列数为6464，该层外形表达的信息量最小，精 细度最低。第1层在第0层的基础上分为4个瓦片，每个瓦片的顶点行、列数仍为6464， 因此整个地形区域内第1层的瓦片数为第0层瓦片数的四倍，分辨率变为第0层的2倍，对 外形描述更为精细。以此类推，第n+1层所含瓦片数为第n层瓦片数的4倍，分辨率为第n 层的2倍，从而扫描数据和影 像数据变为四叉树结构的多分辨率分层数据。 0052 (3)三维人体毛发生长外形模型的生成。 0053 利用分层分块处理后的多分辨率分层数据，应用建模技术来构建三维人体毛发生 长外形模型，并按照层级关系命名三维人体毛发生长外形模型文件，建立有效索引机制，便 说 明 书CN 1。
20、03942827 A 5/6页 7 于扫描数据和影像数据的动态加载。实现过程是：从第0层开始，以瓦片为单位，通过构建 不规则三角网来创建三维人体毛发生长外形模型，具体构建方法如下。 0054 取瓦片内任意相邻的、可构成矩形的四个顶点A、B、C、D，行列序号分别为(r，c)， (r，c+1)，(r+1，c)，(r+1，c+1)，其中r代表顶点的行号，c代表顶点的列号。分别计算AD， BC之间的高差，若AD之间高差较大，则连接A、D两点，构成ACD，ABD两个三角形，若BC之 间高差较大，则连接B、C两点，构成BAC，BDC两个三角形。该瓦片内其他顶点也按照此方法 依次构建三角形，直到所有顶点构建。
21、完为止。其他各层按照第0层的构建方法依次构建不 规则三角网，从而实现三维人体毛发生长外形模型的构建。 0055 构建好的三维人体毛发生长外形模型以二进制ive的文件格式存储到硬盘上，为 便于管理和调度，对同一层的多个ive格式的三维人体毛发生长外形模型文件按照File_ L_X_Y的命名规则进行命名，其中File为目标索引文件名；L为扫描数据和影像数据所在的 金字塔模型层数；X为三维人体毛发生长外形模型文件在该层中的行号；Y为三维人体毛发 生长外形模型文件在该层中的列号。利用三维渲染引擎OSG加载生成的三维人体毛发生长 外形模型文件，实现三维人体毛 发生长外形模型的显示。 0056 二：毛发种。
22、植外形信息数据的三维动态可视化实现。 0057 在建立的三维人体毛发生长外形模型的基础上，根据不同部位的毛发种植外形信 息要素，设计不同的绘制方法进行绘制并显示出来，实现在三维外形上生动、直观地展示毛 发种植外形信息，实现流程如图2所示，实施流程具体如下。 0058 (1)毛发种植外形信息数据预处理。 0059 根据毛发种植手术部位的不同，对毛发种植外形信息数据分为两种情况处理。一 种是对分布密集的毛发种植外形信息数据，在不影响动态可视化效果的前提下，按照一定 的平面横、纵向坐标范围加以精炼和选择，以适当减少数据量。相反地，当数据分布过分稀 疏而有可能影响动态可视化的效果时，需要对其进行有效的。
23、插值处理。 0060 本发明采用反距离权重插值法进行处理，插值公式如下： 0061 0062 其中Z p 为内插点p的估计值，Z i 为采样点i的统计值；d i 为采样点i与内插点p 之间的距离，n为邻近的采样点数目，k为指定的幂数。 0063 (2)三维图像的绘制。 0064 由于不同部位的毛发种植外形信息数据所具有的属性信息是不一 样的，所以本 发明根据不同部位毛发种植外形信息要素，设计了不同的绘制方法进行绘制。对于属于标 量场数据采用伪彩色法进行绘制；对于属于矢量场数据采用箭头表示法进行绘制。 0065 1)属于标量场数据的动态可视化。 0066 对于属于标量场数据采用伪彩色法进行绘制，。
24、即在颜色和毛发种植外形信息数据 之间建立一种映射关系，用不同的颜色来表示不同数值的毛发种植外形信息数据，具体绘 说 明 书CN 103942827 A 6/6页 8 制方法如下。 0067 建立几何节点，在几何节点上绘出小四边形格点，每个格点的几何形状用2个三 角形表示，每个三角形顶点的颜色由毛发种植外形信息数据及分层设色带(用颜色表示要 素的值)之间的映射关系确定。用户可通过界面编辑来管理分层设色带，分层设色带有一 定数目的颜色块，并且每个颜色块由红、绿、蓝和透明度4个值构成，对于不需要显示的内 容及毛发种植外形信息数据中的空值，需设置透明度为0，最终实现毛发种植外形信息数据 的三维图像绘制。
25、。 0068 2)属于矢量场数据的动态可视化。 0069 由于矢量场数据既有大小，又有方向，所以为了更形象地表达出属于矢量场的毛 发种植外形信息数据的信息，本发明采用箭头表示法进行绘制，具体绘制方法如下。 0070 建立几何节点，在几何节点上绘出每个矢量箭头，箭头绘制的大小、方向依据要素 值大小及方向来确定，具体确定时还要根据要素所在区域的视图比例而定。为了提高绘制 的速度，将矢量箭头的绘制提前存入显示列表中，每次在网格点上显示矢量箭头时，只需调 用显示 列表即可实现毛发种植外形信息数据的三维图像绘制。 0071 (3)三维图像的显示。 0072 将绘制好的毛发种植外形信息数据的三维图像显示在。
26、以三维人体毛发生长外形 模型为背景的场景中，实现毛发种植外形信息生动、直观地展示。由于绘制的毛发种植外形 信息数据的三维图像的坐标是三维坐标，而屏幕坐标是二维坐标，因此，绘制的毛发种植外 形信息数据的三维图像需要经过坐标变换才能显示在屏幕上，毛发种植外形信息数据的三 维图像的坐标变换流程如图3所示，具体步骤如下。 0073 1)模型变换：通过模型视图矩阵将绘制的毛发种植外形信息数据的三维图像正 确地放置在以三维人体毛发生长外形模型为背景的场景中。 0074 2)投影变换：利用投影矩阵将以三维人体毛发生长外形模型为背景的场景中绘 制的毛发种植外形信息数据的三维图像投影到垂直于视线方向的二维成像平面上，从而得 到设备坐标。 0075 3)视口变换：通过视口变换矩阵将投影变换之后得到的设备坐标转换为窗口坐 标，最终使图像在屏幕上显示。 说 明 书CN 103942827 A 1/1页 9 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 103942827 A 。