CN107527377B - 一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法 - Google Patents
一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，使用多种视角和多种变换手段进行场景的漫游操作，能够满足当前三维虚拟地球多尺度、多视角展示的目的，能够适应当前用户浏览三维场景规模逐步变大的需求。设计了一种允许用户通过二维操作调整空间方位的三维交互技术，在三维虚拟地球中，用户需要操作的是大范围地形、影像等数据构建的虚拟地球模型，虚拟球中心能够很好地与地球模型中心重合，给用户带来的交互体验好。设计了基于移动终端的三维虚拟地球用户浏览的滑动、旋转、缩放功能，通过手势操控方式使得整个交互方式更加新颖、生动，增强了用户的交互体验。
Description
技术领域
本发明涉及一种中文字符渲染方法，特别涉及一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，属于基于移动平台的三维虚拟地球技术领域。
背景技术
伴随着无线网络和移动终端的迅捷发展，基于Mobile GIS(移动地理信息系统)的移动三维地理信息服务系统成为当今的研发热点。作为移动三维GIS的应用方向之一，移动三维虚拟地球能够整合在线的多源地理信息资源，为公众提供智能的、按需的、基于位置的多源地理信息应用服务。移动三维虚拟地球要求在移动终端有效的集成、显示全球范围内的地理空间数据，通过用户触控操作实时动态改变和更新需要预览的地理数据范围和空间尺度。现阶段，移动终端较于传统PC资源受限，已有的虚拟地球技术特别是字符渲染方法无法在移动终端正常使用，交互方式的差异更使得中文字符渲染显示方法无法实现满足用户需求。
文字是记录语言信息的符号化系统，其本质是图形化符号。字体则是可以打印和显示的字符映像，现阶段常用的字体有：点阵字体、向量字体、曲线字体，在硬件条件支持的情况下，曲线字体是现阶段PC上使用最广泛的字体，常见的有Typle字体库和True type字体库。
目前，现有技术的移动平台已有的图形驱动程序大多只提供英文字符的显示功能，完全不能满足中文字符的显示需求，不能满足中国国内市场的应用产品需求，严重降低了中文用户的体验效果。在硬件资源受限的前提下，缩放时出现较大程度的失真，渲染时需要构建较多的几何模型，带来渲染冗余。
现有技术三维悬空字符的渲染中字体无法以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染。随着用户缩放操作，中文字符将始终只能以固定大小呈现在屏幕上，因此移动三维虚拟地球系统不能满足中文字符显示位置和大小的特殊需求，现有技术指定空间几何位置的绘制方式不适合移动三维虚拟地球平台。
综合来看，现有技术主要存在以下几点缺陷：一是现有技术的移动平台已有的图形驱动程序大多只提供英文字符的显示功能，完全不能满足中文字符的显示需求，也不能满足中国国内市场的应用产品需求，严重降低了中文用户的体验效果；二是三维悬空字符的渲染无法满足字体以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染，由于移动平台的三维虚拟地球的特殊性，当字体无法对着观察者的方向时很难看清，用户体验很差；三是随着用户缩放操作，字符将始终以固定大小呈现在屏幕上，无法自动调整大小，造成用户连续缩小时，字体太小无法看清，用户连续放大时，字体太大也无法看清，因此字符将始终以固定大小的绘制方式不适合移动三维虚拟地球平台。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，使用多种视角和多种变换手段进行场景的漫游操作，能够很好地满足当前三维虚拟地球多尺度、多视角展示的目的，能够很好地适应当前用户浏览三维场景规模逐步变大的需求，同时很好地符合了用户全方位浏览地理数据的操作习惯。设计了一种允许用户通过二维操作调整空间方位的三维交互技术，在三维虚拟地球中，用户需要操作的是大范围地形、影像等数据构建的虚拟地球模型，虚拟球中心能够很好地与地球模型中心重合，给用户带来的交互体验好。设计了基于移动终端的三维虚拟地球用户浏览的滑动、旋转、缩放功能，通过手势操控方式使得整个交互方式更加新颖、生动，增强了用户的交互体验。
为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，将中文字符以字符图片的形式显示出来，将点阵图像作为字符存储方式，点阵图像将中文字符以点阵的形式展现，渲染时构建需要显示位置的几何模型，将点阵作为纹理贴图，中文字符到点阵纹理图片的生成经过中文字符编码转换、点阵图像生成、纹理数据生成、纹理映射过程；
所述中文字符编码转换将UTF-8编码转换成Unicode规范定义的四字节编码，获取字符的点阵图像；
所述点阵图像生成通过Unicode编码方法获取操作系统中任意对应编码的点阵字符，设定字体格式，对点阵进行重新排列获取需要的任意字体的点阵字符图像；
所述纹理数据生成采用32位的RGBA格式进行纹理图片的生成，将原来代表每个像素的二进制位映射为表示字符相应位置的32位无符号整数，在渲染时，通过Opengl ES渲染API附带的像素混合通道，判断字体纹理像素的alpha值大小并进行过滤，若alpha＝1，则为透明色并显示背景颜色，反之，则显示当前字体纹理图片像素颜色；
所述纹理映射采用纹理图片映射的方式实现字体的显示效果，按照需要显示字体的空间位置，在相应位置的三维立体空间中构建矩形；将三维空间矩形的几何和需要显示的字符纹理图片绑定起来，在渲染时由矩形几何控制字体的朝向，三维悬空字符的渲染要求字体以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染，实时计算需要显示中文字符的空间三维位置并按照投影和裁剪规则计算中文字符在屏幕上的位置，按照像素大小在屏幕相应位置上进行渲染；
空间三维坐标到屏幕像素位置的转换经过模型视图变换、投影变换、视口变换三个过程；经过编码转换、纹理生成后移动终端能够快速实现中文字符的栅格化和渲染，将字符空间三维位置投影到屏幕上并进行字符渲染后，用户在缩放操作中字符始终保持固定大小。
一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，进一步的，所述中文字符编码转换将基于Linux内核构建的移动系统平台默认字符编码UTF-8编码转换成Unicode规范定义的四字节编码，用于获取字符的点阵图像；
UTF-8是一种变长度的特殊字节编码方式，根据中英文字符的变化字节长度自动选择1-4个字节标示合适的字符，针对单字节字符，其中第一位为0且后七位为这个符号的Unicode编码，针对N个字节的多字节符号，第一个字节的前N位都设置为1，第N+1位设置为0，后面字节的前2位为10且剩下的为Unicode编码；
基于移动平台的UTF-8编码的字符串集，指针指向第一个字节，计算出字符串集包含的字节数n，将这n个字节进行移位相加，并将字符指针前移n位，得到字符串集的Unicode编码，转换成的Unicode编码每个字符长度一致。
一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，进一步的，所述点阵图像生成通过Unicode编码方法获取到操作系统中任意对应编码的点阵字符，设定字体格式，对点阵进行重新排列获取需要的任意字体的点阵字符图像；
开源的点阵图像生成工具选用freeType，freeType为C语言实现库，通过Unicode编码、字体、位图大小信息生成用户需要的字符点阵位图数据；
所述点阵图像生成只针对需要显示的字符数据集进行实时的编码转换和点阵生成，图像像素大小按照中英文设有差异，其中中文字符按照16*16大小设置，英文和数字字符按照8*16的大小设定。
一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，进一步的，所述纹理数据生成采用32位的RGBA格式进行纹理图片的生成，将原来代表每个像素的二进制位映射为表示字符相应位置的32位无符号整数，在渲染时，通过Opengl ES渲染API附带的像素混合通道，判断字体纹理像素的alpha值大小并进行过滤，若alpha＝1，则为透明色并显示背景颜色，反之，则显示当前字体纹理图片像素颜色；中文字符按照16*16的像素大小进行设置，表示16*16的像素大小是否填充中文字符的像素，纹理图片表示图片中每一个像素位置点的纹理信息，单个像素占用的字节数据大小分别为3*8、4*8位大小。
一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，进一步的，所述纹理映射采用纹理图片映射的方式实现字体的显示效果，按照需要显示字体的空间位置，在相应位置的三维立体空间中构建矩形，将三维空间矩形的几何和需要显示的字符纹理图片绑定起来，在渲染时由矩形几何控制字体的朝向，三维悬空字符的渲染中字体以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染，用户缩放操作时中文字符始终以固定大小呈现在屏幕上，实时计算需要显示中文字符的空间三维位置并按照投影和裁剪规则计算其在屏幕上的位置，按照像素大小在屏幕相应位置上进行渲染。
一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，进一步的，空间三维坐标到屏幕像素位置的转换经过模型视图变换、投影变换、视口变换三个过程，视图变换矩阵是指将任意点分别由虚拟相机位置和模型中心位置移动到坐标系原点构建的矩阵相乘实现的视图矩阵M，投影变换矩阵是指将3D模型投影到2D平面上的投影方式矩阵P，视口变换矩阵是指将2D平面上的像素均匀地投影到视口范围内的变换矩阵V，三维空间任意点Vertex经过视图、投影、视口变换后在屏幕上的位置为Point＝M*P*V*Vertex。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，设计了一套三维虚拟地球中文字符在移动平台端的显示方法，使得基于移动平台的三维虚拟地球能够清晰快捷、方便完整的显示中文字符，克服了现有技术的移动平台已有的图形驱动程序大多只提供英文字符的显示功能，完全不能满足中文字符的显示需求，也不能满足中国国内市场的应用产品需求，严重降低了中文用户的体验效果的缺点。
2.本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，将文字以字符图片的形式显示出来是现阶段最常用的方法，将点阵图像作为字符存储方式，点阵图像将中文字符以点阵的形式展现，渲染时构建需要显示位置的几何模型，将点阵作为纹理贴图，缩放时不会出现较大程度的失真，渲染时带来的渲染冗余较少，渲染方法切合移动端实际且显示效果较好。
3.本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，将三维空间矩形的几何和需要显示的字符纹理图片绑定起来，在渲染时由矩形几何控制字体的朝向，三维悬空字符的渲染满足字体以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染，克服了由于移动平台的三维虚拟地球的特殊性，当字体无法对着观察者的方向时很难看清的缺点，字体永远对着观察者给用户带来较好体验。
4.本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，随着用户缩放操作，字符将通过计算自动调整大小，始终以合适大小呈现在屏幕上，中文字符信息传达快速准确，方便用户理解，克服了用户连续缩小时字体太小无法看清，用户连续放大时字体太大也无法看清的缺点，字符始终以合理大小显示的动态绘制方式非常适合移动三维虚拟地球平台。
附图说明
图1是本发明基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符显示示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施。
参见图1，本发明提供的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，将中文字符以字符图片的形式显示出来，将点阵图像作为字符存储方式，点阵图像将中文字符以点阵的形式展现，渲染时构建需要显示位置的几何模型，将点阵作为纹理贴图，中文字符到点阵纹理图片的生成经过中文字符编码转换、点阵图像生成、纹理数据生成、纹理映射过程；
一、中文字符编码转换
基于Linux内核构建的移动系统平台默认字符编码为UTF-8编码，需要转换成Unicode规范定义的四字节编码，用于获取字符的点阵图像。
UTF-8是一种边长度的特殊字节编码方式，根据中英文字符的变化字节长度自动选择1-4个字节标示合适的字符。针对单字节字符，其中第一位为0且后七位为这个符号的Unicode编码。针对多字节(N个字节)符号，第一个字节的前N位都设置为1，第N+1位设置为0，后面字节的前2位为10且剩下的为Unicode编码。
Unicode编码是一种使用通用字符集发展而来的字符编码方式，它为每一种语言的每一个字符集都设定了唯一的二进制编码。Unicode编码是国际公认的万国码编码方式，大到足以代表人类所有可读字符的字符集。
基于移动平台的UTF-8编码的字符串集，指针指向第一个字节，通过按位与计算可以计算出字符串集包含的字节数n，将这n个字节进行移位相加，并将字符指针前移n位，得到字符串集的Unicode编码。将UTF-8编码转换成Unicode编码使得每个字符长度保持一致，便于生成字符并进行处理。
二、点阵图像生成
通过Unicode编码方法可以获取到操作系统中任意对应编码的点阵字符，设定字体格式从而对点阵进行重新排列能够获取到我们需要的任意字体的点阵字符图像。
开源的点阵图像生成工具主要有freeType、fontGen等，通过Unicode编码、字体、位图大小信息能够生成用户需要的字符点阵位图数据。移动系统基于Linux嵌入式系统的内核设计，选用freeType这种C语言实现库。首先，freeType遵循BSD许可证，可以使用到任何项目中。其次，freeType提供了装载字体接口、设置字符属性接口、获取字符轮廓接口等，使得开发具有极大的灵活性。最后，freeType针对多平台设计，能够在不同平台系统实现字符光栅化。
为减少移动终端硬件资源开销，只针对需要显示的字符数据集包括中文、英文进行实时的编码转换和点阵生成。图像像素大小按照中英文略有差异，其中中文字符按照16*16大小设置，英文和数字字符按照8*16的大小设定。
三、纹理生成
中文字符按照16*16的像素大小进行设置，只是表示16*16的像素大小是否填充中文字符的像素，即数据长度为16*16个二进制位。纹理图片表示了图片中每一个像素位置点的纹理信息，即可以采用像素RGB、RGBA格式进行填充。单个像素占用的字节数据大小分别为3*8、4*8位大小。
为了使字符背景颜色与屏幕背景颜色保持一致，实时生成的纹理图片背景色必须是透明色。为此，选择32位的RGBA格式进行纹理图片的生成，将原来代表每个像素的二进制位映射为表示字符相应位置的32位无符号整数。在渲染时，通过Opengl ES渲染API附带的像素混合通道，判断字体纹理像素的alpha值大小并进行过滤。若alpha＝1，则为透明色并显示背景颜色，反之，则显示当前字体纹理图片像素颜色。
四、纹理映射
嵌入式渲染API-Opengl ES通用的版本1.x和2.x不支持像素级渲染模式，因此采用纹理图片映射的方式实现字体的显示效果。
按照需要显示字体的空间位置，在相应位置的三维立体空间中构建矩形。将三维空间矩形的几何和需要显示的字符纹理图片绑定起来，在渲染时由矩形几何控制字体的朝向。
三维悬空字符的渲染要求字体以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染，如在北京经纬度显示正对这观察者的“北京”两个字符，如图1所示。
此外，随着用户缩放操作“北京”字符将始终以固定大小呈现在屏幕上，因此现有技术的指定空间几何位置的绘制方式不适合移动三维虚拟地球平台。
针对移动三维虚拟地球系统对中文字符显示位置和大小的特殊需求，实时计算需要显示中文字符的空间三维位置并按照投影和裁剪规则计算其在屏幕上的位置，按照像素大小在屏幕相应位置上进行渲染。
空间三维坐标到屏幕像素位置的转换经历模型视图变换、投影变换、视口变换三个过程。视图变换矩阵是指将任意点分别由虚拟相机位置和模型中心位置移动到坐标系原点构建的矩阵相乘实现的视图矩阵M，投影变换矩阵是指将3D模型投影到2D平面上的投影方式矩阵P，视口变换矩阵是指将2D平面上的像素均匀地投影到视口范围内的变换矩阵V。三维空间任意点Vertex经过视图、投影、视口变换后在屏幕上的位置为Point＝M*P*V*Vertex。
综上所述，通过编码转换、纹理生成的方式使得移动终端能够快速实现中文字符的栅格化和渲染。此外，将字符空间三维位置投影到屏幕上并进行字符渲染满足了用户在缩放操作中字符始终保持固定大小的需求，固定大小的悬空字符也提高了移动三维虚拟地球的用户体验效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，其特征在于，将中文字符以字符图片的形式显示出来，将点阵图像作为字符存储方式，点阵图像将中文字符以点阵的形式展现，渲染时构建需要显示位置的几何模型，将点阵作为纹理贴图，中文字符到点阵纹理图片的生成经过中文字符编码转换、点阵图像生成、纹理数据生成、纹理映射过程；
所述中文字符编码转换将UTF-8编码转换成Unicode规范定义的四字节编码，获取字符的点阵图像；
所述点阵图像生成通过Unicode编码方法获取操作系统中任意对应编码的点阵字符，设定字体格式，对点阵进行重新排列获取需要的任意字体的点阵字符图像；
所述纹理数据生成采用32位的RGBA格式进行纹理图片的生成，将原来代表每个像素的二进制位映射为表示字符相应位置的32位无符号整数，在渲染时，通过Opengl ES渲染API附带的像素混合通道，判断字体纹理像素的alpha值大小并进行过滤，若alpha＝1，则为透明色并显示背景颜色，反之，则显示当前字体纹理图片像素颜色；
所述纹理映射采用纹理图片映射的方式实现字体的显示效果，按照需要显示字体的空间位置，在相应位置的三维立体空间中构建矩形；将三维空间矩形的几何和需要显示的字符纹理图片绑定起来，在渲染时由矩形几何控制字体的朝向，三维悬空字符的渲染要求字体以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染，实时计算需要显示中文字符的空间三维位置并按照投影和裁剪规则计算中文字符在屏幕上的位置，按照像素大小在屏幕相应位置上进行渲染；
空间三维坐标到屏幕像素位置的转换经过模型视图变换、投影变换、视口变换三个过程；经过编码转换、纹理生成后移动终端能够快速实现中文字符的栅格化和渲染，将字符空间三维位置投影到屏幕上并进行字符渲染后，用户在缩放操作中字符始终保持固定大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，其特征在于，所述中文字符编码转换将基于Linux内核构建的移动系统平台默认字符编码UTF-8编码转换成Unicode规范定义的四字节编码，用于获取字符的点阵图像；
UTF-8是一种变长度的特殊字节编码方式，根据中英文字符的变化字节长度自动选择1-4个字节标示合适的字符，针对单字节字符，其中第一位为0且后七位为这个符号的Unicode编码，针对N个字节的多字节符号，第一个字节的前N位都设置为1，第N+1位设置为0，后面字节的前2位为10且剩下的为Unicode编码；
基于移动平台的UTF-8编码的字符串集，指针指向第一个字节，计算出字符串集包含的字节数n，将这n个字节进行移位相加，并将字符指针前移n位，得到字符串集的Unicode编码，转换成的Unicode编码每个字符长度一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，其特征在于，所述点阵图像生成通过Unicode编码方法获取到操作系统中任意对应编码的点阵字符，设定字体格式，对点阵进行重新排列获取需要的任意字体的点阵字符图像；
开源的点阵图像生成工具选用freeType，freeType为C语言实现库，通过Unicode编码、字体、位图大小信息生成用户需要的字符点阵位图数据；
所述点阵图像生成只针对需要显示的字符数据集进行实时的编码转换和点阵生成，图像像素大小按照中英文设有差异，其中中文字符按照16*16大小设置，英文和数字字符按照8*16的大小设定。
4.根据权利要求1所述的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，其特征在于，所述纹理数据生成采用32位的RGBA格式进行纹理图片的生成，将原来代表每个像素的二进制位映射为表示字符相应位置的32位无符号整数，在渲染时，通过OpenglES渲染API附带的像素混合通道，判断字体纹理像素的alpha值大小并进行过滤，若alpha＝1，则为透明色并显示背景颜色，反之，则显示当前字体纹理图片像素颜色；中文字符按照16*16的像素大小进行设置，表示16*16的像素大小是否填充中文字符的像素，纹理图片表示图片中每一个像素位置点的纹理信息，单个像素占用的字节数据大小分别为3*8、4*8位大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，其特征在于，所述纹理映射采用纹理图片映射的方式实现字体的显示效果，按照需要显示字体的空间位置，在相应位置的三维立体空间中构建矩形，将三维空间矩形的几何和需要显示的字符纹理图片绑定起来，在渲染时由矩形几何控制字体的朝向，三维悬空字符的渲染中字体以永远对着观察者的方向在固定的地理位置进行渲染，用户缩放操作时中文字符始终以固定大小呈现在屏幕上，实时计算需要显示中文字符的空间三维位置并按照投影和裁剪规则计算其在屏幕上的位置，按照像素大小在屏幕相应位置上进行渲染。
6.根据权利要求1所述的一种基于移动平台的三维虚拟地球悬空中文字符渲染方法，其特征在于，空间三维坐标到屏幕像素位置的转换经过模型视图变换、投影变换、视口变换三个过程，视图变换矩阵是指将任意点分别由虚拟相机位置和模型中心位置移动到坐标系原点构建的矩阵相乘实现的视图矩阵M，投影变换矩阵是指将3D模型投影到2D平面上的投影方式矩阵P，视口变换矩阵是指将2D平面上的像素均匀地投影到视口范围内的变换矩阵V，三维空间任意点Vertex经过视图、投影、视口变换后在屏幕上的位置为Point＝M*P*V*Vertex。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.68, Jindong Road, Hushan street, Wuyi County, Jinhua City, Zhejiang Province Applicant after: Ice bud Address before: Building c2-5, No. 201 Peigong Avenue, Duodao District, Jingmen high tech Zone, Jingmen City, Hubei Province Applicant before: Ice bud |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221214 Address after: Room 710, Building 3, Chuangxinhui, No. 61, Wenjing Road, Jiangbei New District, Nanjing, Jiangsu, 210000 Patentee after: Nanjing Juxian Information Technology Co.,Ltd. Address before: 321200 No. 68, Jindong Road, Hushan street, Wuyi County, Jinhua City, Zhejiang Province Patentee before: Yi Binglei |
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| TR01 | Transfer of patent right |