(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211256795.3 (22)申请日 2022.10.14 (71)申请人 北京大学口腔医学院 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 32号中关村科技发展大厦A座5层 (72)发明人 赵一姣　温奥楠　王勇　朱玉佳　 高梓翔　秦庆钊　 (74)专利代理 机构 北京神州华茂知识产权有限 公司 11358 专利代理师 吴照幸 (51)Int.Cl. G06T 7/30(2017.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06V 10/75(2022.01)G06V 10/24(2022.01) G06V 10/74(2022.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种颜面缺损三维目标参照数据自动构建 方法 (57)摘要 本发明涉及一种颜面缺损三维目标参照数 据自动构建方法， 有以下步骤： (1)区域权重非刚 性配准算法函数和权重策略的实现:在经典非刚 性算法函数中加入距离项权重系数Wd和刚度项 权重系数Ws， 建立具有权重参数约束的非刚性配 准变形能量方程； (2)颜面缺损数据三维目标参 照数据的自动构建方法； 本发明的方法首次实现 了针对三维缺损人脸数据的高效、 精确、 自动化 补全， 可为颜面赝复体的数字化 设计和制作提供 参考依据。 权利要求书3页 说明书10页 附图4页 CN 115546265 A 2022.12.30 CN 115546265 A 1.一种颜面 缺损三维目标参照数据自动构建方法， 其特 征在于有以下步骤： (1)区域权 重非刚性配准 算法函数和权 重策略的实现: 在经典非刚性算法函数中加入距离项权重系数Wd和刚度项权重系数Ws， 建立具有权重 参数约束的非刚性配准变形能量方程， 能量方程、 距离项权重系数Wd和刚度项权重系数Ws， 见公式①、②、③： E(X)＝WdEd(X)+WsEs(X)+El(X)    公式① 算法函数中的距离项： 公式 ②， 展开后的函数表达为： 式中， 权重系数矩阵Wd为对角矩阵， 其对角线上的元素值对应三维人脸模板 上每个数据 点在当前算法内循环中的距离误差权重， n为模板人脸的点数， Wd范围介于0和1之间； 是 Kronecker乘积； I3表示3×3的单位矩阵； X矩阵对角线元素Xi表示模板中各点的仿 射变换矩 阵， v矩阵代表模板人脸点集， μ矩阵代表目标人脸点集， 其中μi是目标人脸上距离vi最近的 点； 距离项为表征当前算法内循三维人脸模板形变后各点与目标三维人脸之间的接近程 度， 为整体能量方程贡献点集距离误差影响； 基于三维人脸模板功能分区： 主动变形区、 约 束变形区和过渡变形区； 为避免引入缺损区域点集的 “错误”匹配误差， 算法对距离权重矩 阵Wd的对角线各 元素赋予不同的权值策略， 采用的权值 参考范围如以下分段 形式： 算法函数中的刚度项公式 ③， 展开后的函数表达为： 式中， 权重系数矩阵Ws为对角矩阵， 其对角线上的元素值对应三维人脸模板 上所有三角 网格边在当前算法内循环中 的变形刚度权重， k为人脸模板三角形网格的三角形边数， Ws范 围介于0和1之间； X矩阵对角线元素Xi表示人脸模板中各点的仿射变换矩阵， n为人脸模板 点集的点数， 即三角网格的顶 点数； 为了方便刚度误差的计算， 此处引入了node ‑arc矩阵M， M矩阵表征模板上点与点之间的连接关系， 其行代表三角形网格的边， 列代表网格顶点， 当 第k条边连接着第i个顶点和第j个顶点时， i＜j， Mki的元素为 ‑1， 同时Mkj的元素为1， 该行其 他元素为0；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115546265 A 2刚度项为表征当前算法内循环三维人脸模板变形前后的三维形态相似性， 为整体能量 方程贡献人脸模板形变 的平滑度误差影响， 较大的刚度系数Ws接近1时人脸模板具有较好 的形变平滑性， 反之， Ws接近0时则平滑性较差； 由于颜面缺损人脸数据的匹配需求在不同 功能分区有所差异， 统一同质化的Ws变形策略使对应于患者颜面缺损区域的人脸模板发生 “过度形变 ”； 因此， 针对三维人脸模板3个功能分区， 对刚度权重矩阵Ws各对角线元素在外 循环中的递减规 律加以不同约束； 基于上述 区域变形权重参数策略， 对区域权重非刚性配准算法变形能量方程—损失函 数， 求导数为0时， 即误差最小时， 求解线性方程组， 获得具有分区域： 3个功能分区自适应效 果的三维人脸模板变形匹配结果； (2)颜面缺损数据三维目标参照数据的自动构建方法： 收集口腔临床颜面形态完整的患者及志愿者三维颜面数据， 在Geomagic软件中对原始 人脸数据进行局部数据删减， 构建出 “虚拟患者 ”颜面缺损数据； 将三维人脸模板与虚拟患者人脸首先基于对应的解剖标志点进行模板数据的尺寸缩 放和位置对齐， 并将患者人脸的缺损区域边缘3D曲线投影至三维人脸模板， 形成主要变形 区与过渡变形区分界线； 再将此分界线向内部沿模板曲率形态偏置3—5mm宽度， 构建过渡 变形区与约束变形区分界线。 2.根据权利要求1所述的一种颜面 缺损三维目标参照数据自动构建方法， 其特 征在于： 所述距离项基于三维人脸模板功能分区： ①约束变形区： 三维人脸模板上对应于略小于患者颜面缺损范围的区域， 该区域人脸 模板上的vi点在目标人脸T上找不到对应点， 即对应目标点缺失， 然而算法仍会寻找缺损区 域边缘点作为所谓的 “最近点”计算距离误差。 为了避免此区域点集的 “错误”距离误差贡 献， 赋予Wd极低的权值范围， 降低该区域 点集距离误差对能量方程的影响； ②主要变形区： 三维人脸模板上对应于患者颜面非缺损范围的区域， 该区域人脸模板 上的vi绝大部分可以在目标人脸T上找到合适的对应点， 考虑到该区域对应于缺损边缘的 点仍可能存在一定不理想的距离误差贡献， 赋予Wd一较高的权值范围； ③过渡变形区： 三维人脸模板上对应于约束变形区和主要变形区之间的区域， 该区域 模板点集的内外边缘需要分别对接主要变形区和 约束变形区， 该区域虽然点集分布范围不 大， 但距离权值需兼顾由 “积极变形 ”到“限制变形 ”的功能需求， 赋予Wd合适的过渡范围权 值； 所述刚度项三维人脸模板 3个功能分区： ①约束变形区： 三维人脸模板上对应于略小于患者颜面缺损范围的区域， 该区域三维 人脸模板的解剖形态需要在整个算法流程中具有适度的特征存续能力， 即在受人脸模板整 体变形趋势引导下 的随变过程中， 还需维持足够的区域特征表达能力， 以弥补缺失区域应 修复的正常组织形态。 该区域 点集的Ws从初始值1呈极缓慢的下降变化趋势； ②主要变形区： 三维人脸模板上对应于患者颜面非缺损范围的区域， 该区域主要实现 三维人脸模板整体形态的匹配功能， 应充分体现非刚性配准算法先整体后局部的算法策 略， 该区域 点集的Ws从初始值1呈初期略缓、 后期显著的下降趋势； ③过渡变形区： 三维人脸模板上对应于约束变形区和主要变形区之间的区域， 该区域 模板点集的变形起到对主要变形区和 约束变形区三维形态上的曲率衔接和光滑移形， 该区权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115546265 A 3