滑雪鏡人機(jī)尺寸個(gè)性化定制研究

黃雨晨 楊洪君

摘要：滑雪鏡人機(jī)尺寸的個(gè)性化設(shè)計(jì)是滑雪鏡個(gè)性化定制的重要指標(biāo)，人機(jī)尺寸適宜不但會(huì)增加滑雪鏡舒適度，同時(shí)也會(huì)提高滑雪鏡使用安全性。由于不同人面部尺寸的差異致使不同人對(duì)滑雪鏡尺寸要求均有不同，因此需要對(duì)用戶面部尺寸進(jìn)行測(cè)量，為其推薦最符合其面部的尺寸規(guī)格，并在合適規(guī)格中微調(diào)滑雪鏡與面部接觸弧度，使其與用戶面部完全貼合，最終形成最適宜用戶面部尺寸的滑雪鏡。

本文通過分析人臉結(jié)構(gòu)與滑雪鏡之間的關(guān)系，定義出人臉的五個(gè)測(cè)量點(diǎn)，然后根據(jù)三維掃描人臉測(cè)量測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，將滑雪鏡分為不同的尺寸，并運(yùn)用樸素貝葉斯分類器將輸入的用戶尺寸進(jìn)行自動(dòng)分類，為用戶推薦最適合其面部尺寸的滑雪鏡邊框尺寸，經(jīng)過測(cè)點(diǎn)個(gè)人調(diào)節(jié)，從而使滑雪鏡與面部達(dá)到最適合狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：滑雪鏡 人機(jī)尺寸 個(gè)性化定制

引言

現(xiàn)如今個(gè)性化定制模式市場(chǎng)份額越來越大，已成為企業(yè)發(fā)展重要趨勢(shì)。對(duì)于滑雪鏡而言，舒適性和安全性是該產(chǎn)品基本需求，因此滑雪鏡尺寸的個(gè)性化定制為滑雪鏡個(gè)性化定制的重要部分，獲取滑雪鏡個(gè)性化尺寸成為完成滑雪鏡個(gè)性化定制的關(guān)鍵步驟。

一、滑雪鏡鏡框尺寸獲取方法

人體測(cè)量學(xué)是人機(jī)工程學(xué)的重要分支，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了重要標(biāo)準(zhǔn)。頭部測(cè)量為人體測(cè)量學(xué)的重要部分，為防護(hù)目鏡的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)。在滑雪鏡的個(gè)性化研究中以傳統(tǒng)頭部裝備僅參考頭部長(zhǎng)寬一維數(shù)據(jù)，難以滿足符合個(gè)性化尺寸調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，隨著三維掃面部技術(shù)的發(fā)展，通過掃描面部尺寸得到面部三維模型，獲取人機(jī)參數(shù)的方法已被廣泛應(yīng)用。

本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，從點(diǎn)云模型中獲取滑雪鏡的尺寸型號(hào)，再根據(jù)用戶的面部尺寸數(shù)據(jù)，為用戶推薦最適合的滑雪鏡型號(hào)，根據(jù)用戶面部曲線，細(xì)調(diào)滑雪鏡與面部及鼻部接觸面，使之達(dá)到緊貼又不壓迫的狀態(tài)，避免因滑雪鏡尺寸不合適導(dǎo)致的漏風(fēng)、壓迫等不適帶來安全隱患的發(fā)生。

具體步驟（如圖1）所示，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，首先通過三維掃面分別獲取男、女模型，形成面部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去燥并建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系定義原點(diǎn)而后進(jìn)行測(cè)點(diǎn)識(shí)別，將有效點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，根據(jù)測(cè)點(diǎn)間距離得到滑雪鏡尺寸型號(hào)。

獲取滑雪鏡鏡框尺寸首先應(yīng)了解人面部的生理狀況，即肌肉與骨骼的分布情況和人頭部重要穴位分布情況。在避免人頭部穴位受到長(zhǎng)期壓迫的條件下，分析滑雪鏡在人臉上的合理位置，基于幾何特征分析方法（例如高斯曲率、局部極值等）獲取滑雪鏡位于面部的測(cè)點(diǎn)。

二、人面部生理狀態(tài)分析

（一）滑雪鏡直接接觸面部骨骼及肌肉

滑雪鏡佩戴時(shí)主要由鏡框及后部的綁帶兩部分與頭部接觸，鏡框?qū)γ娌康膲毫χ饕植加谘壑?、鼻部臉頰及眉周，綁帶環(huán)繞于經(jīng)過耳上方與后腦。

滑雪鏡框會(huì)直接壓迫的骨骼有額骨、眉弓、顴骨及鼻骨（如圖2）所示?；╃R綁帶會(huì)壓迫的骨骼分別為頂骨、顳骨及枕骨，可能觸及到的骨縫及點(diǎn)分別為冠狀縫）、人字縫及翼點(diǎn)。

滑雪鏡框直接壓迫的臉部肌肉分別為眼上方的額肌，眼裂周圍的眼輪匝肌，眼底的顴大、小肌、提上唇肌以及鼻上的鼻肌。綁帶直接壓迫顳窩的顳肌及后腦的枕肌。

（二）滑雪鏡應(yīng)規(guī)避的重要穴位

頭部有近百處學(xué)位密集排列，部分穴位當(dāng)受到強(qiáng)烈壓迫時(shí)會(huì)引起人的嚴(yán)重不適，該重要穴位分別為：人迎穴、風(fēng)池穴、啞門穴、人中穴、睛明穴、耳門穴、太陽(yáng)穴、神庭及百會(huì)穴。用戶佩戴滑雪鏡過程中可能壓迫到的學(xué)位分別是太陽(yáng)穴、耳門穴、啞門穴和風(fēng)池穴。四個(gè)穴位具體位置（如圖3）所示。太陽(yáng)穴經(jīng)屬奇穴，重度壓迫后會(huì)導(dǎo)致耳鳴、眼黑甚至頭昏。耳門穴經(jīng)屬手少陽(yáng)三焦經(jīng)，重度壓迫后會(huì)出現(xiàn)耳鳴頭暈甚至昏倒在地。啞門穴經(jīng)屬督脈、系督脈與陽(yáng)維脈之會(huì)穴，重度壓迫后會(huì)沖擊延髓中樞，導(dǎo)致失啞、頭暈甚至倒地。風(fēng)池穴經(jīng)屬足少陽(yáng)膽經(jīng)系手足少陽(yáng)陰維之會(huì)，壓迫后會(huì)沖擊延髓中樞，嚴(yán)重可導(dǎo)致昏迷。

根據(jù)以上穴位受壓迫導(dǎo)致情況分析，滑雪鏡的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮避免這幾個(gè)穴位受到長(zhǎng)期壓迫。

三、面部測(cè)點(diǎn)確定

基于以上面部肌肉及骨骼分析，滑雪鏡邊框固定及密封效果最佳狀態(tài)即滑雪鏡邊緣緊貼面部突出部分最高點(diǎn)?；╃R鏡框上邊緣緊貼額骨上的額肌，滑雪鏡下邊緣經(jīng)過顴骨上提上唇肌及鼻骨鼻肌?；╃R框應(yīng)規(guī)避的重要穴位主要為太陽(yáng)穴和耳門穴，滑雪鏡與面部接觸曲率變化的最大值位于滑雪鏡鼻部，保證滑雪鏡鼻部不透風(fēng)是滑雪鏡尺寸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。滑雪鏡鏡框大小的控制由控制點(diǎn)間間距決定，滑雪鏡的長(zhǎng)度由滑雪鏡位于臉部最邊緣控制點(diǎn)決定，由于該點(diǎn)位置不應(yīng)位于太陽(yáng)穴處，因此該點(diǎn)應(yīng)取于靠近太陽(yáng)穴內(nèi)側(cè)。滑雪鏡的寬度由滑雪鏡上下兩邊框位置決定，取眉骨處與臉頰最高處y坐標(biāo)差的絕對(duì)值控制滑雪鏡的寬?；谝陨厦娌可頎顟B(tài)分析，選取面部測(cè)點(diǎn)，（如圖4）所示。

根據(jù)以上分析，選取人臉上與滑雪鏡相關(guān)關(guān)鍵九個(gè)點(diǎn)如圖所示，但由于人臉基本對(duì)稱，因此在測(cè)量中以上圖a、b、c、d、e作為測(cè)點(diǎn)，選取具體位置如下表所示。

（一）測(cè)點(diǎn)識(shí)別

測(cè)點(diǎn)識(shí)別是測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程中的難點(diǎn)，本文將采用基于幾何特征的分析識(shí)別方法識(shí)別掃描頭像中的測(cè)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)點(diǎn)的幾何特征和在人臉中的位置，可以將測(cè)點(diǎn)位置分成四類：

1.最值點(diǎn)：最值點(diǎn)可分為局部最值點(diǎn)和全局最值點(diǎn)。局部最值點(diǎn)即在局部區(qū)域范圍內(nèi)，某—方向坐標(biāo)的最值。全局最高點(diǎn)即有全局為范圍某—方向上的最值，以人臉為例，鼻尖點(diǎn)、頭頂點(diǎn)等即為全局最值點(diǎn)。

2.局部極值點(diǎn)：此類測(cè)點(diǎn)常落于輪廓線上，或曲線、曲面的凹、凸點(diǎn)上，可以通過輪廓線位置找到該點(diǎn)，以人臉為例，鼻梁點(diǎn)、眉間點(diǎn)即為局部極值點(diǎn)。

3.約束測(cè)點(diǎn)：約束測(cè)點(diǎn)通?？科渌c(diǎn)與之約束關(guān)系識(shí)別該點(diǎn)。

4.一般測(cè)點(diǎn)：一般測(cè)點(diǎn)不具備極值和峰值，不落于輪廓線上，也沒有與他點(diǎn)的約束關(guān)系，一般可以借助頭部比例關(guān)系選取該點(diǎn)。五、頭部點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集

（一）三維掃描

通過三維掃描儀（ZWSJ-3DAK）分別掃描樣本量分別為50的中國(guó)成年男子和中國(guó)成年女子面部數(shù)據(jù)，所有樣本均坐在同一位置，模型比例相同。

（二）弱處理

掃描過程中由于頭發(fā)的遮擋和陰影部分掃描不完全的現(xiàn)象，模型中會(huì)出現(xiàn)漏洞、噪聲和邊緣不規(guī)整等情況，此時(shí)需要使用Geomagic等3D軟件將模型修復(fù)、補(bǔ)洞、去噪等將模型規(guī)則化處理（如圖5）所示。

（三）測(cè)點(diǎn)識(shí)別

將每個(gè)模型的原點(diǎn)設(shè)置在兩眼球之間連線的中點(diǎn)，眼球之間連線方向?yàn)閤軸（向右為正方向），平行于面部的平面為水平面（xOY平面，向上為Y軸正方向）垂直于該平面為z軸（向內(nèi)為正方向），原點(diǎn)（如圖5）所示。

根據(jù)（表1）測(cè)點(diǎn)，在模型中識(shí)別5個(gè)測(cè)點(diǎn)，并記錄坐標(biāo)位置，（如圖6）。

（四）尺寸計(jì)算

1.貝葉斯分類

本文利用三維掃描儀（ZWSJ-3DAK）掃描出的面部數(shù)據(jù)，基于幾何特征分析識(shí)別方法選用位于鼻骨最高處（鼻梁點(diǎn)）、鼻部與臉部交匯處、面部最高點(diǎn)（顴點(diǎn)）、太陽(yáng)穴前部、眉骨處五個(gè)面部點(diǎn)位，對(duì)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行規(guī)則化處理后，將所提取的面部特征測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，作為建立樸素貝葉斯分類器的訓(xùn)練集，對(duì)其進(jìn)行尺寸分類。尺寸分類流程（如圖7）所示。

貝葉斯方法是一種推理的概率手段。假定待考查變量遵循某種概率分布，且可根據(jù)這些概率及己觀察到的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，從而作出最優(yōu)的決策。其理論基礎(chǔ)為貝葉斯公式，定義如下：

其中，P（h）代表還沒有訓(xùn)練實(shí)例集前假設(shè)擁有的初始概率。P（D）代表將要觀察的訓(xùn)練實(shí)例集的先驗(yàn)概率，即在沒有確定某一假設(shè)成立時(shí)的概率。P（Dlh）代表假設(shè)成立的情形下觀察到實(shí)例集的概率。P（hlD）代表給定訓(xùn)I練實(shí)例集時(shí)成立的概率。

2.樣本測(cè)點(diǎn)訓(xùn)練集

訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)為人頭部五個(gè)測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（如圖8、9），本文將五個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)關(guān)系劃分三個(gè)屬性值，代入樸素貝葉斯分類器進(jìn)行分類。

樣本數(shù)據(jù)集測(cè)量得出50名男子、50名女子實(shí)驗(yàn)對(duì)象適用最優(yōu)尺碼，（如表3、4、5、6、）：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，男子、女子a點(diǎn)變化范圍分別為7mm和6mm，因此可以設(shè)置1cm的調(diào)節(jié)空間_b點(diǎn)變化范圍分別為18mm和8mm，因此可以分別設(shè)置2cm和1cm的調(diào)節(jié)空間；c點(diǎn)變化范圍分別為12mm和16mm，因此均可以設(shè)置2cm的調(diào)節(jié)空間。

根據(jù)模塊劃分方法，滑雪鏡尺寸可劃分為縱模塊，即功能相同尺寸男女各九個(gè)模塊（九個(gè)尺寸），模塊選取方法為將用戶進(jìn)行頭部掃描，得到用戶頭部三維模型，取用戶的a，b，c，d，e點(diǎn)坐標(biāo)值，將用戶的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入模型，即可為用戶推薦滑雪鏡尺寸。

滑雪鏡經(jīng)樣品頭部數(shù)據(jù)測(cè)量得到高度調(diào)節(jié)范圍，當(dāng)用戶佩戴好滑雪鏡后，可根據(jù)其個(gè)人尺寸，在滑雪鏡調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到滑雪鏡尺寸貼合面部尺寸，調(diào)節(jié)范圍：男子滑雪鏡a，b，c點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍分別為：1cm，2cm，2cm。女子滑雪鏡a，b，c點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍分別為：1cm，1cm，2cmo

根據(jù)以上結(jié)論作為尺寸推薦方式的尺寸依據(jù)，運(yùn)用測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)正態(tài)分布原則得出初級(jí)尺寸方案作為基礎(chǔ)，運(yùn)用樸素貝葉斯分類方法在之后測(cè)量中不斷優(yōu)化滑雪鏡基礎(chǔ)尺寸，形成更為嚴(yán)密的滑雪鏡個(gè)性化定制尺寸，增加滑雪鏡舒適度的同時(shí)也提高了產(chǎn)品安全性。