基于女性面部三維形態(tài)的貼合型防護(hù)口罩優(yōu)化研究

宋佳宇,尹 玲

(常熟理工學(xué)院 紡織服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院,江蘇 蘇州 215500)

隨著疫情防控常態(tài)化,佩戴口罩成為有效防疫的重要手段。人們主要使用的平板式口罩,尺寸規(guī)格單一,與人體面部的貼合度不高,為了提高口罩的防護(hù)性能,口罩與面部的貼合度問題亟待解決。相關(guān)文獻(xiàn)主要根據(jù)人體面部二維尺寸研究口罩結(jié)構(gòu)[1],設(shè)計(jì)匹配度更優(yōu)的口罩[2]。一些學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的口罩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析并提出口罩發(fā)展方向[3-4]。一些學(xué)者參考中國(guó)成年人的頭面部尺寸數(shù)據(jù),為口罩的號(hào)型設(shè)計(jì)提供方案[5];一些學(xué)者基于二維人臉重建三維人臉深度圖像[6];一些學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外口罩進(jìn)行分析并提出展望[7-8]。

由于人體面部是三維的,二維測(cè)量難以全面描述人體面部特征,而且男性和女性的面部特征存在極大差異。目前市場(chǎng)上存在的防護(hù)口罩基本都是男女通用的,必然會(huì)在口罩的貼合密閉性上存在缺陷。基于此,采用手持三維掃描儀采集若干年青女性的面部三維數(shù)據(jù),對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究人體面部結(jié)構(gòu)的主要特征因子,探索影響口罩貼合度的關(guān)鍵特征指標(biāo),根據(jù)這些特征指標(biāo)設(shè)計(jì)出符合人體面部三維形態(tài)的貼合度更高的防護(hù)口罩,使口罩更符合人們的防護(hù)需求,為設(shè)計(jì)與人體面部貼合度更高的防護(hù)口罩提供參考。

1 女性面部形態(tài)尺寸測(cè)量

招募75位江蘇地區(qū)女大學(xué)生作為受試者。三維測(cè)量參照GB/T 23698—2009《三維掃描人體測(cè)量方法的一般要求》,相關(guān)測(cè)量點(diǎn)的定義及測(cè)量指標(biāo)的方法參閱GB/T 5703—2010《用于技術(shù)設(shè)計(jì)的人體測(cè)量基礎(chǔ)項(xiàng)目》。由于測(cè)量和錄入時(shí)可能存在一定的差錯(cuò),造成個(gè)別數(shù)據(jù)的過大過小,剔除可疑數(shù)據(jù)5個(gè),得到的最終樣本為70個(gè)。

樣本量過少,無法建立科學(xué)的數(shù)據(jù)聯(lián)系,造成較大的試驗(yàn)誤差,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不具有代表性;樣本量過多,會(huì)造成人力、物力、財(cái)力、時(shí)間等資源的浪費(fèi),所以確定合適的樣本量對(duì)一個(gè)試驗(yàn)的合理準(zhǔn)確性至關(guān)重要。利用式(1)估計(jì)測(cè)量所需的最小樣本容量。

式中:N為所需的樣本容量;1.96為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)在95%置信水平時(shí)的取值;CV為變異系數(shù),CV=方差/均值;Δ為相對(duì)誤差,常用于重大精密研究項(xiàng)目,通常在1%～2%,一般科研項(xiàng)目通常取3%～4%,文中取3%。

通過計(jì)算10個(gè)測(cè)量指標(biāo)的變異系數(shù),得出鼻深的變異系數(shù)最大,把鼻深變異系數(shù)代入式(1)中,得出要求的最小樣本容量為68個(gè),因此現(xiàn)有70個(gè)有效樣本滿足研究的需要。

1.1 測(cè)量基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)點(diǎn)的確定

基準(zhǔn)水平面采用法蘭克福平面[9]。面部的正中矢狀面經(jīng)過鼻梁點(diǎn)、鼻尖點(diǎn)、鼻下點(diǎn)及頦下點(diǎn),可觀察人體側(cè)面面部形態(tài);頭部的前頭面,也稱額狀面、冠狀面[9],與前額平行的面,觀察人體正面面部形態(tài)。參考標(biāo)準(zhǔn)[10]確定了7個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),具體見表1,測(cè)量位置如圖1所示。

圖1 面部測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)示意圖

表1 面部測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)

1.2 測(cè)量指標(biāo)

參照標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際需求制定了10個(gè)面部測(cè)量項(xiàng)目,見表2。具體測(cè)量位置如圖2、3所示。

圖2 直線測(cè)量項(xiàng)目示意圖

圖3 弧線測(cè)量項(xiàng)目示意圖

表2 面部測(cè)量指標(biāo)

1.3 測(cè)量設(shè)備和方法

測(cè)量設(shè)備為先臨手持EinScanPro 2X 三維掃描儀(先臨三維科技股份有限公司),如圖4所示。在測(cè)量前,通過面部貼標(biāo)記點(diǎn)的方式標(biāo)識(shí)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn),受試者挺胸坐正,正視前方,平靜呼吸。

圖4 EinScanPro 2X 手持三維掃描儀

打開電腦桌面上下載好的EXScan Pro軟件,連接設(shè)備EinScanPro 2X;連接完成后在導(dǎo)航條上選擇“標(biāo)定”,根據(jù)軟件向?qū)崾?調(diào)整好投影儀與標(biāo)定板之間的距離,第一組平放標(biāo)定板,使掃描儀與擺放標(biāo)定板平面垂直,掃描儀十字對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定板白框內(nèi);標(biāo)定完成后,選擇“手持快速掃描”掃描模式,開始采集,上下移動(dòng)掃描儀,平穩(wěn)地將整張人臉掃描進(jìn)系統(tǒng)里(在采集過程中,LED 燈閃爍,投影投十字。由上而下或者由下而上移動(dòng)掃描儀,直到距離指示條全部填充完綠色,在采集過程中提示“距離太近”,則需要將掃描儀往上提;提示“距離太遠(yuǎn)”時(shí),需要向下移動(dòng)掃描儀);最后點(diǎn)擊“后處理”對(duì)掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,將掃描到的樣本數(shù)據(jù)保存下來,如圖5所示。

圖5 EXScan Pro軟件實(shí)驗(yàn)過程圖

1.4 三維面部模型的處理

將三維面部點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic studio 2015。通過去噪、封裝、修補(bǔ)孔洞、平滑處理、裁剪、精確曲面及確定特征點(diǎn)等過程完成三維面部模型的處理,然后通過交互拾取的方法進(jìn)一步修正面部測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn),如圖6所示,最后輸出為OBJ文件格式。

圖6 三維面部模型處理

1.5 特征指標(biāo)測(cè)量方法

將處理好的人體頭面部模型導(dǎo)入CLO3D 軟件,使用3D 窗口中的“直線測(cè)量(虛擬模特)”在模型臉上進(jìn)行兩點(diǎn)間的直線測(cè)量,使用3D 窗口中的“3D 筆(虛擬模特)”在模型臉上測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的曲線長(zhǎng)度,完成10個(gè)測(cè)量指標(biāo)的提取,如圖7所示。

圖7 人臉測(cè)量項(xiàng)目圖

2 面部特征尺寸分析

2.1 測(cè)量指標(biāo)基本信息描述

按照確定的基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量10個(gè)項(xiàng)目后得到受試者測(cè)量指標(biāo)的基本信息,見表3。

表3 面部基本信息統(tǒng)計(jì) 單位:cm

2.2 測(cè)量指標(biāo)特征分析

對(duì)面部指標(biāo)分別進(jìn)行主成分分析,從面部特征指標(biāo)中提取了4個(gè)因子,方差解釋率84.9%,能夠覆蓋樣本的大部分信息,旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣見表4。

表4 面部特征指標(biāo)因子分析

由表4可看出,因子1中貢獻(xiàn)大的是鼻長(zhǎng)、鼻高及形態(tài)面長(zhǎng)。這3個(gè)指標(biāo)都是面部長(zhǎng)度方向的尺寸,由此將因子1定義為面長(zhǎng)因子。因子2中,貢獻(xiàn)大的指標(biāo)為面寬和面寬弧長(zhǎng),定義為面寬因子;因子3中貢獻(xiàn)大的指標(biāo)為下頜角點(diǎn)間頦下弧長(zhǎng)和鼻深,鼻深是衡量鼻子凸度的指標(biāo),下頜角點(diǎn)間頦下弧長(zhǎng)可以衡量下頦的凸度,所以因子3定義為臉部凸度因子;因子4中貢獻(xiàn)大的指標(biāo)為鼻梁寬和鼻寬,定義為鼻寬因子。

3 青年女性臉型分類

通過聚類分析,將臉型分成4類,見表5。進(jìn)一步計(jì)算形態(tài)面長(zhǎng)/面寬,形態(tài)面長(zhǎng)/兩下頜角間寬,面寬弧長(zhǎng)/下頜角點(diǎn)間頦下弧長(zhǎng),見表6。

表5 青年女性臉型分類結(jié)果 單位:cm

表6 臉型分析比較

由表5、6看出組別1的兩下頜角間寬最小,面寬最寬,形態(tài)面長(zhǎng)最小,定義為小巧鵝蛋形臉型,如圖8(a)所示;組別2兩下頜角間寬最寬,面寬最小,形態(tài)面長(zhǎng)較小,說明組別2為上窄下寬的梯形臉型,如圖8(b)所示;組別3面寬弧長(zhǎng)最長(zhǎng),形態(tài)面長(zhǎng)最長(zhǎng),鼻子大而高,下頜角點(diǎn)間頦下弧長(zhǎng)最大,說明組別3 是輪廓分明、立體感較強(qiáng)的大長(zhǎng)臉型,如圖8(c)所示;組別4的各項(xiàng)指標(biāo)都居于中間,沒有明顯突出的特征,定義為大眾長(zhǎng)方臉型,如圖8(d)所示。由以上分析,得到占比最大樣本量的臉型是組別4大眾長(zhǎng)方臉型。

圖8 臉型分類圖示

4 防護(hù)口罩樣板的生成及優(yōu)化設(shè)計(jì)

從受試者中找出一位面部數(shù)據(jù)最接近組別4的數(shù)據(jù),在CLO 3D 虛擬試衣軟件中導(dǎo)入處理好的面部模型,直接在面部模型上立裁,展平得到樣板雛形,結(jié)合富怡CAD 和CLO 3D,完善原型樣板,最終得到的口罩樣板如圖9 所示。根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目的分析數(shù)據(jù)以及3D 立裁的適配程度,優(yōu)化設(shè)計(jì)的防護(hù)口罩主體設(shè)定分為面部外層(左、右)、面部?jī)?nèi)層(左、右)、口罩鼻夾和面部固定器(左、右),其中口罩鼻夾的寬取1 cm。由于傳統(tǒng)的一片式口罩佩戴時(shí)耳朵受壓過大,佩戴時(shí)間久后會(huì)造成耳朵疼痛的癥狀,優(yōu)化后的口罩取消了掛耳繩,使佩戴更方便、舒適和安全。在CLO 3D 虛擬試衣軟件中,應(yīng)用面部原型版設(shè)計(jì)并完成青年女性防護(hù)口罩的虛擬適配,如圖10所示。防護(hù)口罩佩戴后的壓力圖如圖11所示。從中能看出優(yōu)化的防護(hù)口罩可以使口罩與面部的貼合度提高,口罩鼻夾可以調(diào)整口罩與鼻部的貼合度,在面部?jī)蓚?cè)的口罩固定器佩戴方便且不會(huì)壓迫面部,面部壓力舒適性良好。

圖9 面部原型樣板

圖10 青年女性防護(hù)口罩虛擬適配效果

圖11 壓力圖

5 結(jié)束語

通過采集江蘇地區(qū)70位女大學(xué)生面部形態(tài)尺寸,獲得10項(xiàng)人體面部數(shù)據(jù)信息,運(yùn)用主成分分析和聚類分析對(duì)受試者樣本的面部數(shù)據(jù)形態(tài)進(jìn)行研究和分類,將臉型分為4類:小巧鵝蛋形臉、梯形臉、大長(zhǎng)臉、大眾長(zhǎng)方臉。以占比最大的大眾長(zhǎng)方臉型為例,采集與該數(shù)據(jù)相近的受試者三維形態(tài)數(shù)據(jù),運(yùn)用逆向工程軟件擬合三維臉部模型,結(jié)合CAD 和CLO 3D 的展平功能完成女性面部的原型樣板,并進(jìn)行了防護(hù)口罩的優(yōu)化設(shè)計(jì),為貼合型防護(hù)口罩的設(shè)計(jì)提供一定參考。