阅读说明：本技术 一种鼻整形仿真方法 (Nose plastic simulation method ) 是由 葛江华 于兴泉 葛逸飞 王亚萍 尹桂宾 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种鼻整形仿真方法,包括的步骤：(1)获取人脸三维点云数据,利用区域增长法将其拟合为曲面；(2)通过拟合的曲面测量鼻额角及鼻面角的角度,并求得其与公认美学标准之间的差值,得到鼻子需要增高的角度；(3)通过Bezier曲线选取鼻子需要增高的区域,确定控制点及变形点；(4)根据一种能保持细节特征的拉普拉斯网格变形方法进行变形计算,模拟鼻子整形后结果。本发明通过结合美学标准模拟鼻子整形之后的效果,能为个性化鼻子整形提供依据。(The invention discloses a nose reshaping simulation method, which comprises the following steps: (1) acquiring three-dimensional point cloud data of a human face, and fitting the data into a curved surface by using a region growing method; (2) measuring the angles of the nose frontal angle and the nose face angle through the fitted curved surface, and solving the difference between the angles and the recognized aesthetic standard to obtain the angle of the nose needing to be increased; (3) selecting an area of the nose needing to be heightened through a Bezier curve, and determining a control point and a deformation point; (4) and performing deformation calculation according to a Laplace grid deformation method capable of keeping detail characteristics, and simulating a result after nose shaping. The invention can provide a basis for personalized nose shaping by combining the aesthetic standard to simulate the effect after the nose shaping.)

一种鼻整形仿真方法

技术领域

本发明涉及外科整形技术领域，具体地，涉及一种鼻整形仿真方法。

背景技术

目前隆鼻术的效果更多地依赖于术者的经验和技术，精度和术后效果都无法保证，求术者无法参与手术设计过程和预知手术效果，手术之后患者可能会对手术效果不满意，由此就会产生很多医患纠纷。

人们对个性化的需求日益增加，对各种鼻型的要求也不尽相同。利用逆向工程技术获取相应的面部信息，利用重构技术获取人脸原始三维模型，根据患者的基础条件和医患沟通结果模拟出令医患满意的手术效果，然后再进行理想状态模型重构，就可以为鼻子整形提供依据，利用医学手段对其进行修复。

对于鼻子整形的模拟，最常用的方式是采用基于图像变形技术的仿真系统，这类系统输入患者肖像照片，对图像进行局部的拉伸和扭曲变形。但是，二维的图像模拟，不能转动察看任意视角的形态，在视觉效果上不够真实，同时对于手术指导的意义不大。

为获得三维面部形态的真实数据，应用最广泛的是采用断层CT成像技术的扫描图像进行三维重建。在此基础上，常采用弹簧质点模型和有限元方法等进行仿真模拟。弹簧质点模型计算量相对较小，变形结果精度较差。另外，少数学者研究了基于自由变形技术，对面部表面网格进行变形。FFD变形计算量小，但是需要构建额外的包围控制网格，利用控制网格对所包含的空间域进行变形，操作不方便。

发明内容

本发明所要解决的问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种鼻整形仿真方法。

一种鼻整形仿真方法，包括以下为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案步骤：

(1)获取人脸三维点云数据，利用区域增长法将其拟合为曲面；

(2)通过拟合的曲面测量鼻额角及鼻面角的角度，并求得其与公认美学标准之间的差值；

(3)通过Bezier曲线选取鼻子需要增高的区域，确定控制点及变形点；

(4)根据一种能保持细节特征的拉普拉斯网格变形方法进行变形计算，模拟鼻子整形后结果。

所述步骤(1)中，可采用激光扫描以获取人体面部数据，采集到的点往往含有噪声点、奇异点等，往往需要对点云进行预处理。利用区域增长法将其拟合为曲面，区域增长法重建曲面选取鼻根点为种子点，保证鼻根到鼻尖连线上的点都为新生成的网格顶点，新加入的三角形要满足两三角形法向量近似平行、正则度最大化准则、边的最大使用次数不超过2。

所述步骤(2)中，现在整形美容手术公认的美容角数值是鼻额角约125°～135°、鼻面角的约36°～40°，假设越接近中值越好，即鼻额角接近130°，鼻面角接近38°，隆鼻一般最高垫4mm。在此认为隆鼻的一般鼻额角较大，鼻面角较小，设患者鼻额角为x，鼻面角为y，所以需要填充需要变化的角度为：

所述步骤(3)中，Bzier曲线可通过控制输入的控制顶点参数来改变曲线的形状，将Bezier曲线内鼻根到鼻尖连线相交的网格顶点设为控制点，控制点坐标移动的新位置为隆鼻需要增加到的角度位置，Bezier曲线内除控制点之外的设置为变形点，Bezier曲线内除控制点之外的设置为变形点即需要求得的点的坐标。

所述步骤(4)中，能保持细节特征的拉普拉斯网格变形方法计算过程为：先确定网格几何信息的拉普拉斯坐标微分属性的表示式，然后利用已设置的约束条件重建修改后的网格顶点坐标，使变形后的网格具有保持细节的特点。通过拉普拉斯变形求解顶点集V所有顶点在欧式坐标系下的新位置，具体归结为求解一个带位置约束的最优化问题，最优化方程如下：

其中，Δ＝LV，Δ为n×3的矩阵，表示n个顶点的微分坐标；L表示构建的拉普拉斯矩阵；V为n×3的矩阵，表示n个顶点的欧式坐标，ui表示控制点要变形到达的欧式坐标系下的新位置，i∈C，C表示Bezier曲线内的所有顶点的集合，V′矩阵的每一行表示顶点集V所有顶点在欧式坐标系下的新位置向量；v′i表示计算得到的第i个顶点的新位置。当步骤(3)中的控制点及变形点确定后，可以调用SuperLU和TAUCS等成熟的数值计算库进行快速求解，得到变形后的网格坐标，得到隆鼻后的模型。

与现有技术相比，本发明所具的有益效果为：本发明采用保持细节特征的拉普拉斯变形技术，以美学标准为依据模拟鼻子整形之后的效果，本发明对鼻假体的制备以及玻尿酸的注射量提供一定的依据，对鼻子整形术前预测有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明的一种鼻整形仿真方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种鼻整形仿真方法的流程如图1所示，主要步骤如下：(1)获取人脸三维点云数据，利用区域增长法将其拟合为曲面；(2)通过拟合的曲面测量鼻额角及鼻面角的角度，并求得其与公认美学标准之间的差值，得到鼻子需要增高的角度；(3)通过Bezier曲线选取鼻子需要增高的区域，确定控制点及变形点；(4)根据一种能保持细节特征的拉普拉斯网格变形方法进行变形计算，模拟鼻子整形后结果。

步骤(1)，通过扫描仪获取患者人脸三维点云数据，利用区域增长法将其拟合为曲面，区域增长法重建曲面选取鼻根点为种子点，保证鼻根到鼻尖连线上的点都为新生成网格顶点，新加入的三角形要满足两三角形法向量近似平行、正则度最大化准则、边的最大使用次数不超过2。

步骤(2)，设患者鼻额角为x，鼻面角为y，所以需要填充需要变化的角度为：

步骤(3)，将Bezier曲线内鼻根到鼻尖连线相交的网格顶点设为控制点，控制点坐标移动的新位置为隆鼻需要增加到的角度位置即鼻根到鼻尖连线到达的角度，Bezier曲线内除控制点之外的设置为变形点，Bezier曲线内除控制点之外的设置为变形点即需要求得的点的坐标。

步骤(4)计算顶点集V中每个顶点的微分坐标：其中，Δ＝LV，Δ为n×3的矩阵，表示n个顶点的微分坐标；L表示构建的拉普拉斯矩阵；V为n×3的矩阵，表示n个顶点的欧式坐标；通过拉普拉斯变形求解顶点集V所有顶点在欧式坐标系下的新位置，具体归结为求解一个带位置约束的最优化问题，最优化方程如下：

其中，Δ为n×3的矩阵，表示n个顶点的微分坐标；L表示构建的拉普拉斯矩阵；V为n×3的矩阵，表示n个顶点的欧式坐标，ui表示控制点要变形到达的欧式坐标系下的新位置，i∈C，C表示Bezier曲线内所有顶点的集合，V′矩阵的每一行表示顶点集V所有顶点在欧式坐标系下的新位置向量；v′i表示计算得到的第i个顶点的新位置。当步骤(3)中的控制点及变形点确定后，可以调用SuperLU和TAUCS等成熟的数值计算库进行快速求解，得到变形后的网格坐标，得到隆鼻后的模型。