針對(duì)頭盔設(shè)計(jì)的三維頭部模型采集與測(cè)量方法研究

李澤堯， 張 昆， 朱兆華

（中國礦業(yè)大學(xué)， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生活水平的提高， 用戶對(duì)頭戴產(chǎn)品的舒適性予以更高的要求。 符合人體工學(xué)的設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)過程中的首要因素，而人體相關(guān)尺寸的測(cè)量與分析是設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。 因此，通過人體測(cè)量技術(shù)獲取目標(biāo)樣本的精確數(shù)據(jù)， 對(duì)設(shè)計(jì)起著基礎(chǔ)性的支撐作用[1]。頭盔等頭戴類產(chǎn)品與人體頭部直接接觸， 其適配的重要性不言而喻[2]。 與傳統(tǒng)的直接測(cè)量方法相比，采用三維人體測(cè)量技術(shù)速度更快、獲得數(shù)據(jù)更精確。 近些年，國內(nèi)外學(xué)者利用三維測(cè)量技術(shù)，對(duì)不同國家、地區(qū)的樣本頭部模型數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，以用于頭盔[3]、VR 眼鏡[4]、腦電[5]等頭戴類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)中。 以三維人體測(cè)量為基礎(chǔ)的智能制造系統(tǒng)是未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)[6]。

1 頭部三維模型采集與處理

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

人體測(cè)量分析的過程中， 首先要確定合適的樣本容量， 合理的樣本容量是保證分析結(jié)果具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的基礎(chǔ)。 通常樣本容量的計(jì)算公式為：

式中：1.96—當(dāng)樣本呈正態(tài)分布時(shí)置信區(qū)間為95%時(shí)的臨界值；a—該樣本要求的相對(duì)精度（在1%的相對(duì)精度下a=1）；CV—變異系數(shù)。

中國成年人頭面部尺寸國標(biāo)GB，T2428-1998 中標(biāo)注了中國男子頭面部測(cè)量項(xiàng)目尺寸的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，選取與頭盔類產(chǎn)品相關(guān)的特征尺寸作為關(guān)鍵維度來確定研究中的樣本量，按照變異系數(shù)最大的4.79 帶入公式（1）中，得到最小樣本量為207 人?；诖?，本次試驗(yàn)利用Creaform手持三維掃描儀（精度為0.1mm），共采集346 名來自中國不同省份、 年齡階段為18～28 歲的青年男性作為研究對(duì)象。 采集樣對(duì)象中不包含先天性或后天性頜面部畸形、頭面部外傷史及整形手術(shù)的樣本。

1.2 采集流程

為方便后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理、調(diào)取，每個(gè)被試者的信息（姓名、性別、民族、年齡、籍貫等）會(huì)被記錄在冊(cè)，且每個(gè)被試者都會(huì)被統(tǒng)一編號(hào)排序。 頭部三維數(shù)據(jù)模型采集的具體流程見圖1。 ①在掃描過程中，被試者坐在椅子上并保持固定的姿勢(shì)，眼睛閉合且呈放松狀態(tài)，樣本頭部佩戴一體成型的泳帽；②實(shí)驗(yàn)人員對(duì)被試者的頭部和面部均勻的貼上標(biāo)記點(diǎn)，用以掃描定位；③檢查三維掃描的模型的質(zhì)量，如出現(xiàn)模型缺失數(shù)據(jù)過多、形態(tài)畸形等現(xiàn)象，則重新掃描。

圖1 頭部三維數(shù)據(jù)模型采集

1.3 頭部三維模型預(yù)處理

采集得到346 份頭部三維數(shù)據(jù)模型， 需進(jìn)一步對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行模型預(yù)處理， 本次處理過程采用Geomagic Wrap 2017 軟件，具體處理過程見圖2。

（1）噪點(diǎn)去除。 在數(shù)據(jù)采集的過程，受外界因素（光線、震動(dòng)、目標(biāo)表面等）的影響，導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)中存在噪點(diǎn)。通過網(wǎng)格醫(yī)生命令中的自動(dòng)修復(fù)功能，初步去除數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)和釘狀物，如圖2（a）所示。

（2）體外孤點(diǎn)去除。計(jì)算偏離主體距離較遠(yuǎn)且雜亂無章的孤點(diǎn)，并刪除，如圖2（b）所示。

（3）修補(bǔ)孔洞。掃描過程中由于部分外露頭發(fā)反光的原因，導(dǎo)致所采集的模型存在數(shù)據(jù)缺損?；谇媲始s束等方法，采用內(nèi)部孔、邊界孔及搭橋的方式完成孔洞補(bǔ)齊，如圖2（c）所示。

（4）模型平滑處理。 填充過后的模型呈現(xiàn)出較為粗糙表面，使用平滑工具列里面的松弛、快速光順和砂紙等工具，對(duì)其進(jìn)行光順處理，如圖2（d）-（e）所示。

（5）裁剪模型。裁剪掉與本次研究不相關(guān)的頭部模型部位，如圖2（f）所示。

圖2 頭部三維數(shù)據(jù)模型預(yù)處理

1.4 統(tǒng)一坐標(biāo)系

所采集的三維頭部數(shù)據(jù)模型均處于相對(duì)坐標(biāo)系下，為方便后期對(duì)三維頭部模型的關(guān)鍵特征尺寸進(jìn)行測(cè)量、分析，則需要將所有三維模型對(duì)齊到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，具體步驟見圖3。

（1）首先，將預(yù)處理后的模型導(dǎo)入Geomagic Design軟件內(nèi)，通過平面命令和鏡像命令，計(jì)算出模型的正中矢狀面，如圖3（a）所示。

（2）其次，根據(jù)人體測(cè)量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于人體頭部的標(biāo)準(zhǔn)平面—法蘭克福平面的規(guī)定， 在正中矢狀面上連接三維人頭模型的左耳屏點(diǎn)和左眶下緣點(diǎn)， 并根據(jù)此線作指向頭頂?shù)拇咕€，如圖3（b）所示。

（3）進(jìn)一步，如圖3（c）所示，將上述的兩條相互垂直的線段拉伸得到兩個(gè)平面， 提取出線L1、L2、L3以及三條線的交點(diǎn)P1。

（4）最后，點(diǎn)擊對(duì)齊指令，以P1為坐標(biāo)原點(diǎn)，L1為Z軸、L2為X 軸、L3為Y 軸進(jìn)行對(duì)齊，如圖3（d）所示。

圖3 統(tǒng)一坐標(biāo)系

（5）重復(fù)步驟（1）～（4），統(tǒng)一所有樣本模型坐標(biāo)系。

將346 份三維人體頭部模型均按上述步驟操作之后，本文采用兩種方法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證：①采用等距抽樣方法，在346 名被試人員內(nèi)抽取十個(gè)數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Rhino 內(nèi)驗(yàn)證是否處于同一坐標(biāo)系下，如圖4（a）所示；②隨機(jī)對(duì)同一模型按照上述方法操作十次，驗(yàn)證其誤差結(jié)果，如圖4（b）所示。上述驗(yàn)證顯示統(tǒng)一坐標(biāo)系的結(jié)果具有較好的可靠性、重復(fù)試驗(yàn)誤差較小。

圖4 統(tǒng)一坐標(biāo)系結(jié)果驗(yàn)證

2 頭部特征尺寸測(cè)量與分析

2.1 頭部特征尺寸定義

本次研究， 以國家標(biāo)準(zhǔn)GJB 4856-2003 《中國男性飛行員人體尺寸》和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》 中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)頭部特征點(diǎn)及特征尺寸進(jìn)行提取，具體見圖5 和表1。

表1 與頭戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的人體頭部特征尺寸

圖5 人體頭部特征尺寸

2.2 頭部特征尺寸測(cè)量與分析

為獲取準(zhǔn)確的頭部特征尺寸，則需要充分考慮到硅膠泳帽和頭發(fā)厚度， 對(duì)所采集的樣本網(wǎng)格模型進(jìn)行偏移設(shè)置。 根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究，本文設(shè)定偏移值為3.1mm。 圖6為頭部網(wǎng)格模型在偏移前后頭部形態(tài)差異，灰色透明輪廓代表掃描的頭部模型，灰色實(shí)體輪廓?jiǎng)t代表偏移后被試者真實(shí)的頭部形態(tài)。

圖6 偏移HTO 值前后頭部形態(tài)對(duì)比

對(duì)人體頭部特征尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之前，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值檢驗(yàn)、奇異值刪除、正態(tài)分布檢測(cè)。 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示本次試驗(yàn)不存在缺失值。見圖7，通過箱型圖分析，以346 個(gè)樣本的頭圍數(shù)據(jù)為例，可直觀發(fā)現(xiàn)樣本S240、S280、S46、S33 的頭圍尺寸為奇異值， 則直接刪除4 個(gè)樣本。 通過正態(tài)分布檢驗(yàn)可以來驗(yàn)證采集數(shù)據(jù)是否具有代表性及統(tǒng)計(jì)學(xué)意義， 通常數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)的方法有單樣本K-S 檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov）、Q-Q 概 率 圖（QuantileQuantile Plot）檢驗(yàn)以及通過直方圖檢驗(yàn)。 見表2，本文通過K-S檢驗(yàn)求得所有特征尺寸漸進(jìn)顯著性的值均大于0.05，表明所有346 位樣本的9 個(gè)特征尺寸均符合正態(tài)分布， 圖8 為頭圍值的正態(tài)分布直方圖，可直觀看出其基本服從正態(tài)分布。

圖7 箱型圖檢驗(yàn)（以頭圍為例）

圖8 正態(tài)分布直方圖（以頭圍為例）

表2 單樣本K- S 檢驗(yàn)（單位mm）

2.3 頭部特征尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

表3 為9 個(gè)頭部特征尺寸數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，包含平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最小值、最大值和百分位數(shù)。通過與國家標(biāo)準(zhǔn)GB，T2428-1998《成年人頭部尺寸》中的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：青年男性與之前相比，在頭圍和頭矢狀弧的平均值有所下降，頭圍數(shù)據(jù)在565～580mm 之間分布較集中，頭矢狀弧在第5 百分位和第95 百分位的值較高， 而在第50 百分位下數(shù)值相比較而言減少了28mm；頭全高、頭頂點(diǎn)到眉心點(diǎn)的垂距和頭冠狀弧的平均值增長較為明顯。

表3 人體頭部特征尺寸描述性統(tǒng)計(jì)分析（單位mm）

目前國內(nèi)外在人體頭面部的相關(guān)文獻(xiàn)中研究對(duì)象主要集中在面部特征尺寸， 可查閱到的文獻(xiàn)僅有頭圍HC、頭長HL、頭寬HB 以及頭全高TH。 表4 通過與國外相同年齡的頭部特征尺寸發(fā)現(xiàn)：中國青年男性頭長HL 和頭寬HB 的均值大于印度、日本、韓國、美國和新西蘭等國家的數(shù)據(jù)； 中國青年男性頭圍HC 的均值大于印度和韓國的HC 值，小于日本、美國以及新西蘭等國HC 值；中國青年男性頭全高TH 的均值僅小于新西蘭青年男性的TH 值。

表4 中國青年男性頭部特征尺寸與國外青年男性頭部特征尺寸對(duì)比（單位：mm）

3 結(jié)束語

本文以346 位年齡為18～28 歲的中國青年男性的三維頭部模型為研究基礎(chǔ)，構(gòu)建了針對(duì)三維人體頭部模型采集、測(cè)量與統(tǒng)計(jì)分析的方法。 本文構(gòu)建的方法對(duì)人體其他部位的三維數(shù)據(jù)采集、測(cè)量分析亦具有參考價(jià)值。測(cè)量分析結(jié)果顯示當(dāng)代中國青年男性頭部尺寸與GB，T2428-1998《成年人頭部尺寸》中的數(shù)據(jù)存在差異性，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)為現(xiàn)今市場(chǎng)頭盔類產(chǎn)品尺寸的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。 本次研究僅涉及頭部特征尺寸的數(shù)據(jù)，在未來的研究中，將從頭部曲面形態(tài)差異的視角，結(jié)合曲面重構(gòu)算法、聚類分析算法、仿真分析，進(jìn)一步對(duì)頭部形態(tài)分類、形態(tài)模型庫的構(gòu)建、頭盔產(chǎn)品佩戴舒適性評(píng)價(jià)等方法展開研究，以用戶穿戴舒適性為目標(biāo)，構(gòu)建頭盔類產(chǎn)品批量定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)。