針對頭盔設(shè)計的三維頭部模型采集與測量方法研究

李澤堯， 張 昆， 朱兆華

（中國礦業(yè)大學， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

社會經(jīng)濟和生活水平的提高， 用戶對頭戴產(chǎn)品的舒適性予以更高的要求。 符合人體工學的設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)過程中的首要因素，而人體相關(guān)尺寸的測量與分析是設(shè)計符合人體工學產(chǎn)品的基礎(chǔ)。 因此，通過人體測量技術(shù)獲取目標樣本的精確數(shù)據(jù)， 對設(shè)計起著基礎(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)的直接測量方法相比，采用三維人體測量技術(shù)速度更快、獲得數(shù)據(jù)更精確。 近些年，國內(nèi)外學者利用三維測量技術(shù)，對不同國家、地區(qū)的樣本頭部模型數(shù)據(jù)進行采集與分析，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)計中。 以三維人體測量為基礎(chǔ)的智能制造系統(tǒng)是未來產(chǎn)品設(shè)計的必然趨勢[6]。

1 頭部三維模型采集與處理

1.1 試驗對象

人體測量分析的過程中， 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)計學意義的基礎(chǔ)。 通常樣本容量的計算公式為：

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

中國成年人頭面部尺寸國標GB，T2428-1998 中標注了中國男子頭面部測量項目尺寸的平均值和標準差，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。基于此，本次試驗利用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象。 采集樣對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

為方便后期試驗數(shù)據(jù)的管理、調(diào)取，每個被試者的信息（姓名、性別、民族、年齡、籍貫等）會被記錄在冊，且每個被試者都會被統(tǒng)一編號排序。 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，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實驗人員對被試者的頭部和面部均勻的貼上標記點，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， 需進一步對采集數(shù)據(jù)進行模型預(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）噪點去除。 在數(shù)據(jù)采集的過程，受外界因素（光線、震動、目標表面等）的影響，導致掃描數(shù)據(jù)中存在噪點。通過網(wǎng)格醫(yī)生命令中的自動修復(fù)功能，初步去除數(shù)據(jù)中的噪點和釘狀物，如圖2（a）所示。

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

（3）修補孔洞。掃描過程中由于部分外露頭發(fā)反光的原因，導致所采集的模型存在數(shù)據(jù)缺損。基于曲面曲率約束等方法，采用內(nèi)部孔、邊界孔及搭橋的方式完成孔洞補齊，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，對其進行光順處理，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)一坐標系

所采集的三維頭部數(shù)據(jù)模型均處于相對坐標系下，為方便后期對三維頭部模型的關(guān)鍵特征尺寸進行測量、分析，則需要將所有三維模型對齊到統(tǒng)一坐標系下，具體步驟見圖3。

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

（2）其次，根據(jù)人體測量學標準中關(guān)于人體頭部的標準平面—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和左眶下緣點， 并根據(jù)此線作指向頭頂?shù)拇咕€，如圖3（b）所示。

（3）進一步，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平面， 提取出線L1、L2、L3以及三條線的交點P1。

（4）最后，點擊對齊指令，以P1為坐標原點，L1為Z軸、L2為X 軸、L3為Y 軸進行對齊，如圖3（d）所示。

圖3 統(tǒng)一坐標系

（5）重復(fù)步驟（1）～（4），統(tǒng)一所有樣本模型坐標系。

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其結(jié)果進行驗證：①采用等距抽樣方法，在346 名被試人員內(nèi)抽取十個數(shù)據(jù)模型導入Rhino 內(nèi)驗證是否處于同一坐標系下，如圖4（a）所示；②隨機對同一模型按照上述方法操作十次，驗證其誤差結(jié)果，如圖4（b）所示。上述驗證顯示統(tǒng)一坐標系的結(jié)果具有較好的可靠性、重復(fù)試驗誤差較小。

圖4 統(tǒng)一坐標系結(jié)果驗證

2 頭部特征尺寸測量與分析

2.1 頭部特征尺寸定義

本次研究， 以國家標準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)計的人體測量基礎(chǔ)項目》 中規(guī)定的標準，對頭部特征點及特征尺寸進行提取，具體見圖5 和表1。

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

圖5 人體頭部特征尺寸

2.2 頭部特征尺寸測量與分析

為獲取準確的頭部特征尺寸，則需要充分考慮到硅膠泳帽和頭發(fā)厚度， 對所采集的樣本網(wǎng)格模型進行偏移設(shè)置。 根據(jù)文獻[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，灰色實體輪廓則代表偏移后被試者真實的頭部形態(tài)。

圖6 偏移HTO 值前后頭部形態(tài)對比

對人體頭部特征尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之前，需要對原始數(shù)據(jù)進行缺失值檢驗、奇異值刪除、正態(tài)分布檢測。 統(tǒng)計分析結(jié)果顯示本次試驗不存在缺失值。見圖7，通過箱型圖分析，以346 個樣本的頭圍數(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 個樣本。 通過正態(tài)分布檢驗可以來驗證采集數(shù)據(jù)是否具有代表性及統(tǒng)計學意義， 通常數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗的方法有單樣本K-S 檢驗（Kolmogorov-Smirnov）、Q-Q 概 率 圖（QuantileQuantile Plot）檢驗以及通過直方圖檢驗。 見表2，本文通過K-S檢驗求得所有特征尺寸漸進顯著性的值均大于0.05，表明所有346 位樣本的9 個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（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（單位mm）

2.3 頭部特征尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

表3 為9 個頭部特征尺寸數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計結(jié)果，包含平均值、標準偏差、最小值、最大值和百分位數(shù)。通過與國家標準GB，T2428-1998《成年人頭部尺寸》中的數(shù)據(jù)對比發(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、頭頂點到眉心點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)計分析（單位mm）

目前國內(nèi)外在人體頭面部的相關(guān)文獻中研究對象主要集中在面部特征尺寸， 可查閱到的文獻僅有頭圍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)建了針對三維人體頭部模型采集、測量與統(tǒng)計分析的方法。 本文構(gòu)建的方法對人體其他部位的三維數(shù)據(jù)采集、測量分析亦具有參考價值。測量分析結(jié)果顯示當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)計分析數(shù)據(jù)為現(xiàn)今市場頭盔類產(chǎn)品尺寸的改進設(shè)計提供了重要的依據(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，進一步對頭部形態(tài)分類、形態(tài)模型庫的構(gòu)建、頭盔產(chǎn)品佩戴舒適性評價等方法展開研究，以用戶穿戴舒適性為目標，構(gòu)建頭盔類產(chǎn)品批量定制設(shè)計系統(tǒng)。