邵玉光，李哲林，余光正，李育奇，鄧祥洪，姜立軍

基于三維頭型及穴位分布的輔助設(shè)計平臺的研究

邵玉光1，李哲林1，余光正2，李育奇1，鄧祥洪1，姜立軍1

(1. 華南理工大學(xué)設(shè)計學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510641)

為設(shè)計適合中國人頭型的頭戴產(chǎn)品，提高產(chǎn)品佩戴時的適配性和舒適性，開展了輔助頭戴產(chǎn)品設(shè)計的圖形化平臺的研究。首先基于國家標準重構(gòu)了5種標準頭型的三維頭部數(shù)字化模型，并根據(jù)不同頭型的第5，50和95百分位的頭型縮放因子，構(gòu)造了共15個三維數(shù)字化頭型；然后根據(jù)中醫(yī)理論中的穴位分布及定位方法，在所構(gòu)造的頭型上建立了7條經(jīng)絡(luò)和78個穴位的三維分布模型。采用三維網(wǎng)絡(luò)圖形開發(fā)包Three.js開發(fā)了頭戴產(chǎn)品輔助設(shè)計平臺，實現(xiàn)了多百分位頭型的連續(xù)變形、頭部穴位動態(tài)定位及基準平面剖切功能，可對頭戴產(chǎn)品的穴位點匹配、貼合區(qū)域間隙和干涉等進行適配性分析。以某頭戴按摩儀為例開展試戴及適配性分析，可有效發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上存在的問題。該研究可為相關(guān)頭戴產(chǎn)品的適配性分析提供參考。

中國標準頭型；百分位；穴位；頭戴產(chǎn)品；適配性

頭戴產(chǎn)品的設(shè)計依賴于準確的頭部測量數(shù)據(jù)，而頭部的復(fù)雜形態(tài)和頭型的多樣化給設(shè)計師提出了挑戰(zhàn)。近年來，一些學(xué)者已經(jīng)在從事頭部數(shù)據(jù)測量和統(tǒng)計分析，以及建立標準化頭部三維模型輔助產(chǎn)品設(shè)計的研究。如基于3D頭部模型的設(shè)計和評估工具的開發(fā)[1]；基于中國人體頭部測量數(shù)據(jù)的三維頭部模型擬合[2]；基于Web的中國三維頭部和面部數(shù)據(jù)及測量數(shù)據(jù)庫的開發(fā)[3]，通過三維掃描創(chuàng)建個人頭部模型，然后根據(jù)頭型擬合生成眼鏡造型，用于產(chǎn)品定制設(shè)計[4]。也有學(xué)者使用北美人體測量數(shù)據(jù)庫CAESAR Database獲得2 299個頭型，用于頭戴產(chǎn)品的規(guī)格分類研究[5]。但是在目前設(shè)計領(lǐng)域缺乏中國人的標準三維頭部數(shù)字化模型，在頭戴產(chǎn)品設(shè)計時多參考歐美的產(chǎn)品尺寸進行修改，或是設(shè)計頭戴產(chǎn)品時僅參考相關(guān)標準的二維尺寸或是少量樣本頭型，導(dǎo)致頭戴產(chǎn)品的適配性差。本文根據(jù)GB/T 23461-2009提供的頭型描述參數(shù)重構(gòu)中國成年男性標準三維頭部模型[6]，以及根據(jù)中國中醫(yī)理論[7]，在三維頭型上建立三維穴位分布模型。使用三維網(wǎng)絡(luò)圖形開發(fā)包Three.js開發(fā)了一個基于Web端的輔助設(shè)計平臺，通過頭型變形驅(qū)動穴位變形實現(xiàn)精密配準，能夠使設(shè)計師方便地使用中國人的三維頭部模型及穴位分布模型進行頭戴產(chǎn)品的適配性分析。

1 頭部模型重構(gòu)及穴位分布

1.1 三維頭型重構(gòu)

人體頭部尺寸是進行頭盔、呼吸防護用具、防護目鏡、降噪耳機等頭戴產(chǎn)品設(shè)計的依據(jù)[6]，設(shè)計師需要能夠反映中國用戶人群頭面部綜合特征的三維數(shù)字化頭部模型，方便獲取用于產(chǎn)品設(shè)計的頭部尺寸值以及進行適配性分析，利于頭戴產(chǎn)品的分型分號。文獻[6]提出了56層周線定義的三維頭部參數(shù)化模型及各層周線的12階傅里葉級數(shù)描述參數(shù)，采用極坐標描述的周線用12階傅里葉級數(shù)表示為

其中，為周線序號；a,n為頭型各周線的描述參數(shù)，參見文獻[6]中表A.2。

在直角坐標系中，周線上點的坐標值定義為(X,j, Y,j, Z,j)，即

其中，為周線序號；為周線上點序號；X和Z參見文獻[6]中表A.2。

基于式(1)和式(2)，本文在MATLAB 2013中建立頭型的分層周線(圖1(a)和(b))，然后對相鄰周線進行三角網(wǎng)格化(圖1(c))，重構(gòu)了覆蓋率較高的圓高、圓正、中正、中高、圓特高5類標準頭型的三維網(wǎng)格模型，樣本覆蓋率為93.58%，圖1(d)~(h)所示為5類三維頭型的側(cè)視圖。

圖1中所示標準頭型為該類頭型的第50百分位模型，根據(jù)文獻[6]中5類頭型的縮放因子進行縮放分別建立各類頭型的第5和第95百分位頭部模型。

1.2 基于中醫(yī)理論的穴位定位

中醫(yī)認為頭為諸陽之會，系百脈所通，頭部分布著大量重要的穴位[7]，穴位是頭上的一類特征，其受力因素直接影響頭戴產(chǎn)品的舒適性和安全性，因此有必要對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與頭部穴位的適配性進行分析。本文在中國標準頭型基礎(chǔ)上，運用中醫(yī)理論的穴位定位方法，利用Alias2016和Blender2.79三維建模軟件建立了頭部的經(jīng)絡(luò)和穴位分布模型。

在中醫(yī)理論中穴位的定位方法可分為骨度分寸法、體表標志法和手指比量法。骨度分寸法以骨節(jié)為主要標志測量周身各部的大小、長短，并依其尺寸按比例折算作為定穴的標準；體表標志法利用五官、骨節(jié)凹陷和突起以及關(guān)節(jié)、肌肉、皮膚隨運動而出現(xiàn)的凹陷等作為取穴標志；手指比量法是在分部折寸的基礎(chǔ)上，用手指比量取穴的方法[7]。

根據(jù)穴位定位方法，穴位建模首先利用骨度分寸法提取特征和換算距離。如圖2所示，以第50百分位的圓高標準頭型為例。文獻[7]中骨度表指出“發(fā)所覆者，顱至項(前發(fā)際至后發(fā)際)的折量分寸為12直寸，頭之大骨圍(頭圍)的折量分寸為26橫寸”，在Alias軟件中通過畫多段線的方法測量出50圓高標準頭型的前發(fā)際到后發(fā)際尺寸1=330.50 mm、頭圍尺寸2=558.60 mm，換算后1直寸=27.50 mm和1橫寸=21.50 mm (圖2(a))。然后根據(jù)0.5直寸和0.5橫寸長度建立度量線段，利用穴位定位方法，尋找頭部體表標志，折量各部分的距離分寸，確定經(jīng)穴位置。如啞門穴位置為“正坐，頭稍前傾，于后正中線，入發(fā)際上0.5寸之凹陷中取穴”[7]，首先在頭部模型上找到體表特征頭正中線與后發(fā)際線的交點，由于是在頭部縱向上取穴，則啞門穴與體表特征交點的距離是0.5直寸，在軟件中以交點為起始點繪制13.75 mm的直線段，調(diào)整線段位置和角度與頭部形態(tài)進行更好的貼合，從而達到模擬手指同身寸的方法找到啞門穴(圖2(b))。此種手動找穴會存在一定的誤差，在對多個穴位找穴時發(fā)現(xiàn)，在Alias軟件中采用多段0.5寸長度線段表示頭部上的曲線時誤差能控制在0.50 mm內(nèi)，用于產(chǎn)品設(shè)計時該誤差可以接受。

圖1 三維頭部模型

圖2 三維頭型上穴位定位

根據(jù)此方法，在Alias軟件中量取確定5種頭型的第5，50和95百分位頭型上78個穴位位置，并按經(jīng)絡(luò)分布將穴位連接成7條經(jīng)絡(luò)(足太陽膀胱經(jīng)、手太陽小腸經(jīng)、手少陽三焦經(jīng)、足少陽膽經(jīng)、手陽明大腸經(jīng)、足陽明胃經(jīng)、督脈)，然后繪制出穴位和經(jīng)絡(luò)圖形。在Alias中將模型存儲為obj格式文件，導(dǎo)入到Blender中標注每個穴位的中文名稱，從而在頭型上建立出頭部完整穴位和經(jīng)絡(luò)的三維數(shù)字化模型，將模型導(dǎo)出為精簡的json格式文件，可在瀏覽器中被Threejs提供的函數(shù)加載并顯示，圖3為對應(yīng)不同百分位圓高頭型上的穴位和經(jīng)絡(luò)模型。

圖3 圓高頭型上經(jīng)絡(luò)及穴位分布

1.3 測量穴位的空間坐標

為提供頭戴產(chǎn)品設(shè)計所需頭部穴位空間分布，需要精準測量不同百分位頭型穴位坐標值。以與穴位特征直接相關(guān)的頭部按摩儀為例，分析市場上現(xiàn)有頭部按摩儀按壓的頭部穴位，發(fā)現(xiàn)四神聰穴（含4個穴點）、百會穴、絲竹空穴、陽白穴、太陽穴、風(fēng)池穴以及風(fēng)府穴這7個穴位在頭部的位置會影響按摩儀結(jié)構(gòu)和造型的設(shè)計[8]，如圖4所示。

圖4 頭部按摩儀對應(yīng)穴位分布

在Blender中分別測量了以上7個穴位在第5，50和95百分位圓高頭型的坐標值(頭頂點為直角坐標系原點)，見表1。

2 基于3D頭型的輔助設(shè)計平臺開發(fā)

為了使設(shè)計師能共享標準的三維數(shù)字化頭型數(shù)據(jù)并進行產(chǎn)品的適配性分析，本文開發(fā)了一個基于Web端的設(shè)計分析平臺。使用在瀏覽器中可以直接運行的Threejs作為3D引擎，將中國人標準頭型加載到網(wǎng)頁中，并設(shè)置了頭型選擇、百分位調(diào)節(jié)、選擇頭戴產(chǎn)品等功能，設(shè)計師可以在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中直接進行操作，進行頭戴產(chǎn)品的適配性分析。

2.1 頭部模型加載和變形控制

為了實現(xiàn)百分位調(diào)節(jié)時頭部模型和穴位經(jīng)絡(luò)模型的連續(xù)變形，首先分別建立了5類頭型的第5，50和95百分位的數(shù)字化頭部模型和對應(yīng)頭型的穴位模型，采用Threejs中的頂點動畫(morphTarget)屬性，將3種百分位(5%，50%和95%)的模型存放至基本模型的數(shù)組中，然后計算出基本模型頂點與其他百分位模型頂點之間的插值，實時渲染出中間百分位頭型數(shù)字化模型[9]。在3種百分位頭型之間的插值方法為

其中，f為在多個圖形之間插值變形時權(quán)重數(shù)組morphTargetInfluences[j]的取值；為該數(shù)組長度；v為渲染圖形對象的頂點。

變形量控制方法為

其中，為交互界面中調(diào)節(jié)模型百分位的進度條取值，減去0.5，是因為把滑塊初始值設(shè)為0.5，對應(yīng)第50百分位，而滑塊最大值對應(yīng)第95百分位，所以除以區(qū)間長度0.45求得權(quán)重。

2.2 交互界面設(shè)計

輔助設(shè)計分析平臺包含5個功能模塊，分別是頭型選擇、頭型百分位調(diào)節(jié)、頭型特征點尺寸查看、穴位顯示和產(chǎn)品適配性分析，主界面如圖5所示。

在“頭型選擇”模塊，用戶可以通過下拉列表選擇要加載的5類頭型，包含圓高、圓正、中正、中高、圓特高型；在“頭型百分位”模塊，用戶可以操作滑塊控件對頭部模型進行縮放，得到不同百分位的頭部模型；“頭型特征點尺寸”模塊會實時顯示當前頭部模型的主要特征尺寸；在“穴位顯示”模塊可以點擊顯示穴位和經(jīng)絡(luò)模型，查看當前百分位頭型的穴位和經(jīng)絡(luò)分布位置；“適配性分析”模塊包含穴位動態(tài)位置和剖切面分析，當頭型在第5~95百分位變化時，實時計算并動態(tài)顯示與頭部按摩儀設(shè)計相關(guān)的7個穴位的分布位置，可以用于對頭部按摩儀結(jié)構(gòu)與穴位點的適配性的可視化評估；剖切面分析包含多個基準平面上的適配性檢測，操作剖切功能滑塊對頭戴產(chǎn)品和頭部模型進行連續(xù)剖切，可以直觀地看剖切斷面上頭部形狀與產(chǎn)品輪廓之間的間隙和干涉，從而發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部與頭部接觸的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題而進行優(yōu)化。

圖5 輔助設(shè)計分析平臺主界面

3 頭部按摩儀適配性分析

為分析頭戴產(chǎn)品與頭型的適配性，以一款市場上銷量大的某型號頭部按摩儀[8]為例，用本文開發(fā)的平臺進行分析。按照1∶1進行產(chǎn)品的三維模型重建，然后加載到設(shè)計分析平臺中，在標準的中國三維數(shù)字化頭型上進行試戴，對產(chǎn)品的適配性進行分析。

本文選擇的頭部按摩儀如圖6所示，主要由前、后框架和頂部半球結(jié)構(gòu)組成，按摩儀的前后和上下尺寸可以調(diào)節(jié)，寬度為固定距離。在產(chǎn)品的前面以及左右兩側(cè)是氣囊裝置，分別對絲竹空穴、陽白穴和太陽穴進行擠壓，頂部是一個氣囊及振動裝置，擠壓頭頂?shù)乃纳衤斞ê桶贂?，產(chǎn)品后半部分是2個振動裝置，對風(fēng)池穴和風(fēng)府穴進行擊打。

圖6 頭部按摩儀3D模型

在該輔助設(shè)計平臺中在將頭部按摩儀模型調(diào)節(jié)到的最小、中等以及最大尺寸狀態(tài)，分別與不同頭型的第5，50和95的百分位頭部模型進行試戴，圖7為圓高頭型(人群覆蓋率46.23%)配戴及剖視圖。

圖7 頭部按摩儀佩戴及剖切分析

選擇該按摩儀與頭部的主要接觸點所在水平面作剖切平面，如圖7(a)中虛線所示位置，平面分別對3種百分位頭型進行剖切得到3個剖視結(jié)果(圖7(b)~(d))，在左右方向上，產(chǎn)品的寬度是一個基本固定的距離，隨著頭型從第5百分位向第95百分位逐漸增大，產(chǎn)品與頭部左右兩側(cè)的距離越來越小，可適應(yīng)大部分的中等頭型，但是對于小頭型的用戶則太過于寬松，同樣對于頭偏大的人來說，可能會出現(xiàn)戴不上的情況；在前后方向上，產(chǎn)品主要以頭部前后比較突出的腦門位置和后腦勺位置作為主要支撐部位，在按摩儀前后距離逐漸調(diào)大時，產(chǎn)品與頭部失狀面的貼合程度越來越差。

同時開展了該頭部按摩儀的真實試戴體驗，也發(fā)現(xiàn)存在同樣問題，如僅以按摩儀上的點支撐與頭部配合，沒有與頭部的三維形狀進行合適的貼合，按摩一段時間之后產(chǎn)品會不斷的往前或后方滑落；并且產(chǎn)品的按摩功能主要通過左右兩側(cè)以及前側(cè)大面積的氣囊進行擠壓頭部，在真實試戴時沒有感受到對穴位部位的有效按摩，大面積擠壓反而讓用戶更加有壓迫感和不舒適感。

4 討論和結(jié)論

頭戴產(chǎn)品的適配性影響佩戴的舒適性以及安全性，如何提高產(chǎn)品的適配性成為研究重點，例如文獻[1]掃描了1 620個中國成年人頭，建立了SizeChina數(shù)據(jù)庫，并基于SolidWorks環(huán)境二次開發(fā)，提供設(shè)計師訪問3D標準頭型的可交互用戶界面，但是該數(shù)據(jù)庫的頭部模型不能實時多百分位變形，沒有實現(xiàn)多百分位適配效果的可視化，其次僅能在SolidWorks中使用頭型數(shù)據(jù)，使其通用性和數(shù)據(jù)共享性不高；本文實現(xiàn)了頭型與產(chǎn)品在多百分位時的動態(tài)可視化，且可在瀏覽器直接使用頭型數(shù)據(jù)做分析；文獻[2-3]關(guān)于中國三維人頭測量的研究，建立了中國人體頭面部尺寸3D分析設(shè)計輔助系統(tǒng)，可以查看選擇人群的頭部模型，本文在頭部模型的基礎(chǔ)上根據(jù)中醫(yī)理論，增添了頭部穴位及經(jīng)絡(luò)模型；文獻[10]基于三維人體測量的穿戴式工業(yè)產(chǎn)品造型適配性設(shè)計研究，歸納了基于人體數(shù)據(jù)的產(chǎn)品適配性設(shè)計策略，但是沒有提出如何對產(chǎn)品進行適配性分析，本文提出的剖切功能可以實現(xiàn)產(chǎn)品與頭型間的適配性分析，直觀顯示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問題和可優(yōu)化部位。

本文基于國家標準數(shù)據(jù)重構(gòu)中國人的5種頭型的三維數(shù)字化模型，使用Three.js開發(fā)了一個WebGL輔助設(shè)計平臺，集成了數(shù)字化頭型和頭部穴位及經(jīng)絡(luò)分布，能夠使設(shè)計師方便地獲取中國人三維頭部尺寸用于開展設(shè)計分析。以頭部按摩儀產(chǎn)品為例進行了適配性分析，能直觀地看到適配性分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品與頭部貼合存在的問題。在后續(xù)研究中會增加更多的適配性分析功能，建立貼合間隙與干涉的量化評估指標，以及產(chǎn)品作用于頭部壓力分布的數(shù)字化仿真，開展全面的頭戴產(chǎn)品舒適性評估分析。

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Research on aided design platform based on 3D headform and acupoint distribution

SHAO Yu-guang1, LIZhe-lin1, YU Guang-zheng2, LI Yu-qi1, DENG Xiang-hong1, JIANG Li-jun1

(1. School of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China; 2. School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China)

In order to design headwear products suitable for the headform of Chinese people and improve the suitability and comfort when the product is used, a research on the graphic platform for assisting the design of headwear products was carried out. Firstly, the three-dimensional digital models of five types of standard heads were reconstructed based on the National Standards. A total of 15 three-dimensional digital head models were constructed according to headform scaling factors at the 5th, 50th, and 95th percentile of different headforms. According to the acupoint distribution and positioning method of traditional Chinese medicine, a three-dimensional distribution model of 7 meridians and 78 acupoints was built on the constructed headform. The WebGL development kit Three.js was used to develop an aided design platform of headwear products, realizing such functions of continuous deformation of the multi-percentile headforms, dynamic positioning of the head acupoints and datum-planes cutting. The platform can provide a suitability analysis of acupoint matching, gap of the fit area and interference. A headwear massager was tried on for adaptability analysis, and the problems of the product structure had been effectively found. The method proposed in this research may provide implications for the compatibility analysis of related headwear products.

Chinese standard headform; percentile; acupoint; headwear product; fit

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2020030356

A

2095-302X(2020)03-0356-06

2019-12-04；

2020-01-21

國家自然科學(xué)基金項目(11574090)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(2017ZX013)；華南理工大學(xué)雙一流人才隊伍建設(shè)項目(D6192270)

邵玉光(1997-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生。主要研究方向為設(shè)計與人因、交互設(shè)計。E-mail：11465310@qq.com

姜立軍(1968-)，男，湖南益陽人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為計算機圖形學(xué)、人機交互。E-mail：ljjiang@scut.edu.cn