基于青年女體面部輪廓的防護口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

王旭 馮向偉 崔靜 田苗苗 焦夢彥 高雅

摘 要：為了提高防護口罩的密合度和舒適性，確保有效的防護效果，根據(jù)消費者的反饋意見，利用逆向工程技術(shù)制作出青年女體頭臺模型，采用立體裁剪的方式設(shè)計并制作出10款防護口罩，并進行了主觀評價和綜合分析。研究發(fā)現(xiàn)，合體顯瘦的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式和延伸感的口罩輪廓線可以增加產(chǎn)品的美感，分割、轉(zhuǎn)省、抽褶等設(shè)計手法可以有效分解口罩的面部浮余量，確保產(chǎn)品的合體度和舒適性，在10款口罩中，6#兩片式口罩的綜合性能最佳，1#一片式口罩的綜合性能最差。

關(guān)鍵詞：防護口罩;頭臺模型;立體裁剪;面部輪廓

Abstract：In order to improve the tightness and comfort of protective masks and ensure the effective protecting effect， based on the feedback of consumers， ten types of protective masks were designed by 3D cutting method according to the head mannequin of young women made by reverse engineering technology， and the subjective evaluation and comprehensive analysis were carried out as well. It is found that fit and thin structure design mode and the extended mask contour could increase the aesthetic perception of products. Some design technique such as segmentation， dart transfer and gathering could effectively decompose the floating allowance at face area to ensure fitness and comfort of the products. Among the ten types of masks， the comprehensive performance of the two-piece 6# mask is best， while the comprehensive performance of the one-piece 1# mask is worst.

Key words：protective mask; head mannequin; 3D cutting; facial contour

近年來，工業(yè)化快速發(fā)展促進經(jīng)濟騰飛的同時，也導(dǎo)致了大量有毒有害物質(zhì)的排放，造成了大范圍的空氣環(huán)境污染[1]。研究表明，當(dāng)人體吸入過量的污染物時，會嚴重危害身體健康[2]。為此，防護口罩成為人們出行時的普遍選擇，它通過保護口、鼻呼吸器官來避免有毒有害物質(zhì)的吸入對人體造成傷害[3]。隨著消費者對日常防護口罩需求量的增大，口罩生產(chǎn)企業(yè)也越來越多，目前市場上防護口罩的產(chǎn)品種類繁多，然而質(zhì)量卻參差不齊[4]，其中防護口罩的密合度是當(dāng)前產(chǎn)品開發(fā)中需要著重關(guān)注的核心問題。呼吸防護用品的密合度是消費者得到有效防護的前提[5-6]，如果產(chǎn)品的密合度不夠，就難以保證防護口罩的過濾效率。目前中國使用的呼吸防護用品大部分為國外個體防護裝備企業(yè)生產(chǎn)，按照西方人的臉型進行設(shè)計。雖然國內(nèi)也設(shè)計和仿制了一些呼吸防護產(chǎn)品，但大多也是參照國外的設(shè)計資料生產(chǎn)。由于不同人種的面部形態(tài)特征差異較大，按照西方人臉型設(shè)計的呼吸防護用品不符合中國人體的顏面特征[7]，產(chǎn)品尺寸差異導(dǎo)致的密合度問題，使其不能有效的發(fā)揮防護效果，同時也影響到消費者的舒適性和產(chǎn)品美觀性。為此，本研究根據(jù)市場調(diào)研中消費者的反饋情況，利用逆向工程技術(shù)制作出標(biāo)準女體頭臺模型，通過立體裁剪的方式設(shè)計出10款防護口罩，并邀請志愿者對產(chǎn)品的美感、貼合度、舒適性進行主觀評價，最終提出合理的防護口罩產(chǎn)品設(shè)計方案，為豐富防護口罩的產(chǎn)品類型，改善產(chǎn)品的功能性和舒適性提供設(shè)計思路，并為頭面部防護產(chǎn)品的開發(fā)提供理論指導(dǎo)，從而有助于推動整個行業(yè)的健康快速發(fā)展。

1 市場調(diào)研

為了調(diào)查當(dāng)前防護口罩的市場消費情況，了解市場上防護口罩產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)缺點，為本研究的產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)，研究首先開展了防護口罩的市場調(diào)研工作。本次調(diào)研共回收207份有效問卷，志愿者來自全國各地，男性志愿者占比35%，女性志愿者占比65%，各個年齡段都有參與，覆蓋范圍大，其中72%來自于16～28歲年齡段，13.5%來自于29～35歲年齡段，其余小部分來自于其他年齡段。調(diào)研內(nèi)容包括消費者的使用情況，口罩佩戴方式，罩體形狀選擇，產(chǎn)品款式設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料及顏色選擇及現(xiàn)有產(chǎn)品存在的不足等方面的問題。分析發(fā)現(xiàn)，大部分消費者都傾向于選擇黑、白、灰色耳戴式、平面型口罩，其中一次性口罩、聚氨酯PITTA口罩、3M口罩和插片式棉布口罩的使用量最大。此外，消費者反映，產(chǎn)品的舒適性是選擇防護口罩最重要的影響因素，目前市場上的防護口罩存在一些產(chǎn)品面部貼合度不好（鼻子兩側(cè)漏氣、下巴貼合度不好、面部側(cè)邊有空隙）、掛耳繩負擔(dān)過重、接觸舒適性差、過濾效果有待提高、呼吸不順暢、產(chǎn)品美觀性和便攜性不足等問題。為此，根據(jù)消費者提出的意見和建議，致力于解決當(dāng)前防護口罩存在的不足，在防護口罩的產(chǎn)品開發(fā)過程中，合理選用防護口罩的面輔材料，優(yōu)化防護口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，著力提升產(chǎn)品的貼合度、舒適性和美觀性，以期為消費者提供健康、舒適的防護口罩產(chǎn)品。

2 產(chǎn)品設(shè)計

為了改善目前防護口罩貼合度不佳的問題，研究基于青年女性的面部輪廓，利用逆向工程技術(shù)制作出青年女體頭臺模型，并設(shè)計口罩的基礎(chǔ)放松量，采用立體裁剪的方式，通過分割、拼接和轉(zhuǎn)省等手法設(shè)計并制作出10款不同結(jié)構(gòu)的口罩產(chǎn)品，最終根據(jù)志愿者的主觀評價，提出適合性和美觀性俱佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式。

2.1 頭臺制作

頭臺作為頭面部防護用品以及各種服飾配件制作中重要的輔助工具，其尺寸的精準性尤為重要，為了保證防護口罩良好的貼合度，研究在頭臺設(shè)計過程中，首先對河南省300名漢族青年女性的頭面部尺寸進行測量[8]，將形態(tài)面高、面寬、下頜角間寬、鼻高、鼻寬和鼻深等各項指標(biāo)的測試數(shù)據(jù)按順序排列，然后分別進行3等分，各自形成S、M、L 3個檔差，由此將河南籍漢族青年女性頭面部輪廓分成S、M、L 3個號型，并將各個號型中所有測量數(shù)據(jù)的平均值作為3個號型的中間體。隨后采用激光掃描儀，精準獲取3個號型中間體的頭面部點云數(shù)據(jù)，進行頭面部模型構(gòu)建，并利用泡沫雕刻機打印出頭臺模型，外層包覆彈性良好的汗布，完成頭臺制作，如圖1所示的M號型頭臺。

2.2 松量設(shè)計

為了控制口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計中放松量，本研究以M號型口罩為例，通過調(diào)節(jié)頭臺口鼻處白坯布的墊高程度確定基礎(chǔ)放松量，利用口罩上的4條控制線與凈體頭臺上相應(yīng)控制線長度的差值表示放松量的大小，這4條放松量控制線分別是弧線a（口罩上邊緣線）、弧線b（口罩分割線）、直線a（口罩上邊緣線到鼻尖點之間的直線）、直線b（鼻尖點到頦下點之間的直線），如圖2所示。對比分析基于3種基礎(chǔ)放松量設(shè)計出的口罩樣品的貼合度、舒適性和美觀性，得到M號型口罩基礎(chǔ)放松量的控制線尺寸為：弧線a=10.5 cm，弧線b=10.7 cm，直線a=3.4 cm，直線b=11.0 cm，在成品口罩的制作過程中，將這4條控制線作為口罩的成品尺寸。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，研究采用立體裁剪的方式，用標(biāo)記帶貼出各款口罩的廓形，利用分割、拼接和轉(zhuǎn)省等手法，在M號型女體頭臺上用白坯布進行口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)放松量控制線調(diào)節(jié)尺寸放松量，在布樣上標(biāo)記出必要的控制線、省、褶等，再進行拓版，然后做出白坯試樣，反復(fù)試戴并調(diào)節(jié)版型，最后繪制出10款口罩的結(jié)構(gòu)圖和款式圖，如圖3所示，各款口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如下。

款式1#為一片式結(jié)構(gòu)，見圖3（a），該款口罩的廓形借鑒常用的一次性口罩，對面部的包覆程度比較大，沒有分割線，前中連裁，在面部兩側(cè)分別各有一個對褶，褶的位置在口罩側(cè)邊緣的中間固定，并分別延伸至鼻尖和下巴處，褶的存在使產(chǎn)品面部和口鼻處松量較大。

款式2#為三片式結(jié)構(gòu)，見圖3（b），前中連裁，在面部的三分之一和三分之二處各有一個分割，兩條縱向分割由上邊緣延伸至下邊緣，將鼻梁和下巴凸起所造成的浮余量通過抽褶的手法進行處理，該款口罩面部較為貼合，口鼻處松量比較大。

款式3#為兩片式結(jié)構(gòu)，見圖3（c），前中連裁，共有一個省和一條分割，省的位置在鼻部，分割的位置由口罩上邊緣線靠近耳部處開始，線條貼合面部走向延至下巴處，該分割線修飾面部曲線，使面部顯得更加尖瘦。

款式4#為四片式結(jié)構(gòu)，見圖3（d），在面部的四分之一、四分之三處和前中各有一條分割，三條縱向分割均由上邊緣延伸至下邊緣，該款口罩面部較為貼合，所有的浮余量都勻進分割線內(nèi)。

款5#為三片式結(jié)構(gòu)，見圖3（e），市場上常見的棉布口罩多采用此種結(jié)構(gòu)，前中有分割，下巴區(qū)域單獨分割出一片，有助于提高口罩的面部貼合度。該款口罩與市面上同款口罩有所差異的地方是耳帶的固定方式，常見的耳帶固定方式是直接將耳帶固定在口罩側(cè)邊緣，而該款口罩是將耳帶一頭固定在口罩上邊緣中間，穿過包邊，另一頭固定在側(cè)邊緣下方。在佩戴過程中耳帶拉緊時，著力點不是側(cè)邊緣而是上邊緣，從而使得口罩上邊緣更加貼合面部。

款式6#為兩片式結(jié)構(gòu)，見圖3（f），分割在前中，廓形上寬下窄，上邊緣曲線弧度較大，終止在顴骨部位，側(cè)邊緣沿面部曲線延伸至下巴處。該款口罩的廓形可以修飾面部曲線，使目光集中在側(cè)邊緣曲線而忽略真正的面部曲線，而且前中的縱向分割由上邊緣直至下邊緣，這種延伸感曲線使面部輪廓更加狹長。

款式7#為兩片式結(jié)構(gòu)，見圖3（g），分割在前中，該款口罩廓形借鑒近幾年流行的聚氨酯PITTA口罩，兩側(cè)臉頰區(qū)域口罩的邊緣曲線呈凹陷狀，將目光聚集在凹型曲線而忽略真正的面部曲線，前中的縱向分割由上邊緣延伸至下邊緣，使面部輪廓看起來更加消瘦。

款式8#為三片式結(jié)構(gòu)，見圖3（h），外部廓形同款式7#相同，但款式7#只有一條分割，產(chǎn)品的下邊緣貼合度不佳，因此該款式將下巴處單獨分割出一片。

款式9#為三片式結(jié)構(gòu)，見圖3（i），外部廓形同款式6#相同，但款式6#只有前中一條分割，產(chǎn)品的下邊緣貼合度不高，因此將該款式的前中連裁，下巴處和鼻梁處分別單獨分割出一片。

款式10#為四片式口罩，如圖3（j）所示，在款式5#口罩廓形的基礎(chǔ)上，在鼻梁上方單獨分割出一片，保證鼻子兩側(cè)良好的貼合度。

在成品制作過程中，通過對比試驗，選擇冰麻面料、純棉里料、海綿鼻梁條、掛耳繩和靜電棉過濾材料，縫制出10款口罩的成品，如圖4所示。

3 產(chǎn)品評價

為了對比分析10款口罩的優(yōu)劣，研究采用主觀評價的方法，調(diào)查志愿者佩戴口罩時的美感、貼合度和舒適性主觀感受，并采用灰色近優(yōu)的方法綜合評定最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

3.1 主觀評價

實驗邀請了面部輪廓最靠近M號型中間體的20名女性志愿者參與主觀評價，測試前，首先向志愿者講解清楚評價方法及標(biāo)準，請志愿者正確佩戴口罩，調(diào)節(jié)耳帶長度至最舒適的位置，適應(yīng)3min。然后，根據(jù)美國職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）呼吸防護標(biāo)準29CFRl910.134的要求[9]，請志愿者模擬日常生活中的狀態(tài)，依次做正常呼吸、深呼吸、左右搖頭、上下擺頭、朗讀、做鬼臉、彎腰摸腳趾、正常呼吸一系列動作（表1），隨后請志愿者按照表2主觀評價表中的各項評級指標(biāo)進行評判。

圖5為主觀評價結(jié)果。由圖5（a）可知，關(guān)于美感評價，6#口罩的各項指標(biāo)均表現(xiàn)最好，7#、8#、9#口罩的評分也比較高，這4款口罩的主要特點是口罩輪廓線可以修飾面部曲線從而達到顯瘦的目的，而且款式簡約、新穎，線條流暢。1#口罩的評分最低，該款產(chǎn)品沒有做任何分割處理，對面部的包覆度較高，口鼻處浮余量較大，顯得比較臃腫。2#口罩的各項評分也比較低，該款口罩的前中片進行抽褶處理，產(chǎn)生一些細小的褶皺，表面平整度較差，口鼻處凸起明顯，因而美感較差。由此可見，女性消費者對于口罩美感的評價，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，主要關(guān)注口罩分割線和輪廓線產(chǎn)生的視覺效果，志愿者認為，合體、伏貼、平整、顯瘦的口罩讓他們自我感覺時尚、美麗、自信。

關(guān)于適合性評價，見圖5（b），在上邊緣、下邊緣以及面部貼合度評價中，評分均高于適中值，其中上邊緣貼合度的評分均高于3.7分，下邊緣貼合度和面部貼合度評分均高于3.3分，說明這10款口罩的貼合度均比較高。其中上邊緣貼合度評分最高的是5#口罩，其次是4#口罩，1#口罩的上邊緣貼合度最差。由此可見，在口罩上邊緣的包邊中段固定耳帶的5#口罩有效地發(fā)揮了耳帶的伸縮作用，提高了上邊緣的貼合度，4#口罩采用3條縱向分割線，將上邊緣多余的浮余量都收進分割線內(nèi)，顯著提高了上邊緣的貼合度。而1#口罩采用一片式結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，沒有進行分割和轉(zhuǎn)省，致使口罩上邊緣弧線產(chǎn)生的浮余量無處分散，貼合度較差。在下邊緣貼合度評價中，評分最高的是3#口罩，其次是2#和5#口罩，而4#口罩是評分最低的一款。分析認為，3#和5#口罩均在下巴處單獨分割出一片，在分割線處有效分解了下巴弧線產(chǎn)生的浮余量，因而下邊緣的貼合度較好。2#口罩在前中片通過抽褶的手法，同樣分解了下巴區(qū)域產(chǎn)生的浮余量，因而下邊緣的貼合度也比較好。4#口罩采用四片式結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，雖然面部貼合度較好，但從口鼻區(qū)域到下巴區(qū)域過度的弧度較小，下巴區(qū)域放松量較小，運動過程中口罩的下邊緣線不斷上移，因而難以有效包裹下巴區(qū)域，貼合度不夠良好。在口罩的面部貼合度和大小適合性評分中，可以看出除了1#口罩的評分較低之外，其他各款口罩的評分均比較高。1#口罩的一片式結(jié)構(gòu)對面部的包覆度較大，面部多余的浮余量致使口罩處于松弛的狀態(tài)，面部貼合度較小，因而志愿者感覺口罩的尺寸偏大。

在舒適性評價中，由圖5（c）和圖5（d）可知，10款口罩均使用柔軟的凹凸型海綿鼻梁條，因而鼻梁的壓迫感不明顯，評分均在1級（不壓迫）與2級（較不壓迫）之間，口罩的整體佩戴舒適性也比較良好，各款口罩的評分均高于3.5，由此可見，采用立體裁剪的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式能夠有效分解產(chǎn)品的浮余量，提高合體度。但1#口罩未在鼻梁處做分割和轉(zhuǎn)省處理，鼻子區(qū)域的立體性不佳，因而鼻梁處的壓力有所增加，鼻梁壓迫感略高于其他款式，佩戴舒適性略差。

由上可知，為了提高口罩的美感、貼合度和舒適性，有必要在頭臺上進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于面部輪廓，利用分割、轉(zhuǎn)省、抽褶等方法對面部的浮余量進行有效分解，并科學(xué)設(shè)計口罩的輪廓線，提高產(chǎn)品的美觀性，同時在保證舒適性的前提下，提高包裹效果和貼合度，從而增強產(chǎn)品的過濾效果。

3.2 綜合評價

為了對10款口罩的各項性能進行綜合評判，本研究采用灰色近優(yōu)法對口罩的美感、貼合度和舒適性進行綜合評價。首先根據(jù)10款口罩的9項評價指標(biāo)，構(gòu)建白化灰矩陣，見式（1），其中款式美觀性、產(chǎn)品創(chuàng)新性、產(chǎn)品時尚性、上邊緣貼合度、下邊緣貼合度、面部貼合度、鼻梁壓迫感、口罩大小適合度、佩戴舒適性依次記為C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9。

在上述9項性能指標(biāo)中，除了C6鼻梁壓迫感屬于越小越優(yōu)型指標(biāo)，其余8項指標(biāo)均屬于越大越優(yōu)型指標(biāo)，根據(jù)兩種類型的指標(biāo)計算公式[10]，將10款口罩的9項評價指標(biāo)映射到[0，1]區(qū)間上，得到相應(yīng)的近優(yōu)白化灰矩陣，見式（2）。

最后，通過對10款口罩的白化灰近優(yōu)度進行由大到小排列，可以得到各種口罩綜合性能的優(yōu)劣排序：6#>5#>7#>8#>9#>3#>10#>2#>4#>1#。由此可知：綜合美感、貼合度和舒適性三大類9項指標(biāo)來看，在10款防護口罩中，6#口罩的綜合性能最好，5#和7#口罩的綜合性能次之，而1#口罩的綜合性能最差。由此可見，在防護口罩的產(chǎn)品開發(fā)中，可以優(yōu)先考慮選用前中縱向分割的兩片式結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，以及增加下巴區(qū)域包覆片的三片式結(jié)構(gòu)，同時突出面部兩側(cè)的輪廓線，增加線條延伸感，增強視覺美感，不建議采用浮余量較大，貼合度不佳的一片式結(jié)構(gòu)設(shè)計方式。

4 結(jié) 論

a）通過對目前防護口罩的市場調(diào)研，結(jié)果顯示產(chǎn)品的舒適性是影響消費者選擇防護口罩最重要的因素，現(xiàn)有的防護口罩因結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，存在著面部貼合度不好、掛耳繩負擔(dān)過重、接觸舒適性差、美觀性不足等問題。

b）為了確保口罩的合體度，沿著口罩上邊緣線和分割線，以及口罩中線設(shè)計了4條松量控制線，以此為基礎(chǔ)，在女體頭臺上利用立體裁剪的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，運用分割、轉(zhuǎn)省、抽褶等設(shè)計手法有效分解口罩的面部浮余量，設(shè)計出十款口罩。

c）對比發(fā)現(xiàn)，采用延伸感的口罩輪廓線和分割線，可以縮小面部的視角效果，合體、平整的結(jié)構(gòu)設(shè) 計方式可以增加產(chǎn)品的美感、貼合度和舒適性，兩片式和三片式口罩的各項性能均比一片式口罩優(yōu)良。

參考文獻：

[1] 魏峰，蔣燊，王崢.防護口罩中有毒有害物質(zhì)測試必要性的探討[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2017，35（7）：31-36.

[2] 孟力.根治霧霾刻不容緩[J].天津經(jīng)濟，2013（3）：39-46.

[3] 倪冰選，張鵬.日常防護口罩新標(biāo)準技術(shù)規(guī)范解讀[J].中國個體防護裝備，2017（1）：22-27.

[4] 倪冰選.日常生活防護口罩質(zhì)量標(biāo)準對比分析[J].中國纖檢，2017（11）：107-109.

[5] 陳衛(wèi)紅，史廷明.自吸過濾式防塵口罩的適合性與防護效果研究進展[J].公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)，2014，25（6）：1-4.

[6] 張柯，胡凌飛，靳愛軍，等.五種防護口罩的面形密合度定量測試比較[J].中國醫(yī)藥生物技術(shù)，2018（4）：117-121.

[7] 邱曼，王生，劉鐵民.呼吸防護用品的人機工效學(xué)問題分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2007，17（2）：139-143.

[8] 王旭，孫迎，盧婭婭，等.河南漢族青年女性面部尺寸測量及分析[J].河南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，31（3）：20-24.

[9] 蔣璐蔓，余艷艷，榮懌.N95過濾式防塵口罩防護性能與受試者主觀評價的相關(guān)分析[J].中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志，2013，31（9）：649-653.

[10] 高海心.灰色近優(yōu)綜合評價法在霧霾口罩的評價中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工研究，2017（8）：28-29.