基于三維頭型及穴位分布的輔助設計平臺的研究

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. 華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510006；2. 華南理工大學物理與光電學院，廣東 廣州 510641)

為設計適合中國人頭型的頭戴產品，提高產品佩戴時的適配性和舒適性，開展了輔助頭戴產品設計的圖形化平臺的研究。首先基于國家標準重構了5種標準頭型的三維頭部數字化模型，并根據不同頭型的第5，50和95百分位的頭型縮放因子，構造了共15個三維數字化頭型；然后根據中醫理論中的穴位分布及定位方法，在所構造的頭型上建立了7條經絡和78個穴位的三維分布模型。采用三維網絡圖形開發包Three.js開發了頭戴產品輔助設計平臺，實現了多百分位頭型的連續變形、頭部穴位動態定位及基準平面剖切功能，可對頭戴產品的穴位點匹配、貼合區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，可有效發現該產品結構上存在的問題。該研究可為相關頭戴產品的適配性分析提供參考。

中國標準頭型；百分位；穴位；頭戴產品；適配性

頭戴產品的設計依賴于準確的頭部測量數據，而頭部的復雜形態和頭型的多樣化給設計師提出了挑戰。近年來，一些學者已經在從事頭部數據測量和統計分析，以及建立標準化頭部三維模型輔助產品設計的研究。如基于3D頭部模型的設計和評估工具的開發[1]；基于中國人體頭部測量數據的三維頭部模型擬合[2]；基于Web的中國三維頭部和面部數據及測量數據庫的開發[3]，通過三維掃描創建個人頭部模型，然后根據頭型擬合生成眼鏡造型，用于產品定制設計[4]。也有學者使用北美人體測量數據庫CAESAR Database獲得2 299個頭型，用于頭戴產品的規格分類研究[5]。但是在目前設計領域缺乏中國人的標準三維頭部數字化模型，在頭戴產品設計時多參考歐美的產品尺寸進行修改，或是設計頭戴產品時僅參考相關標準的二維尺寸或是少量樣本頭型，導致頭戴產品的適配性差。本文根據GB/T 23461-2009提供的頭型描述參數重構中國成年男性標準三維頭部模型[6]，以及根據中國中醫理論[7]，在三維頭型上建立三維穴位分布模型。使用三維網絡圖形開發包Three.js開發了一個基于Web端的輔助設計平臺，通過頭型變形驅動穴位變形實現精密配準，能夠使設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品的適配性分析。

1 頭部模型重構及穴位分布

1.1 三維頭型重構

人體頭部尺寸是進行頭盔、呼吸防護用具、防護目鏡、降噪耳機等頭戴產品設計的依據[6]，設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字化頭部模型，方便獲取用于產品設計的頭部尺寸值以及進行適配性分析，利于頭戴產品的分型分號。文獻[6]提出了56層周線定義的三維頭部參數化模型及各層周線的12階傅里葉級數描述參數，采用極坐標描述的周線用12階傅里葉級數表示為

其中，為周線序號；a,n為頭型各周線的描述參數，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格化(圖1(c))，重構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 基于中醫理論的穴位定位

中醫認為頭為諸陽之會，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品的舒適性和安全性，因此有必要對產品結構與頭部穴位的適配性進行分析。本文在中國標準頭型基礎上，運用中醫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絡和穴位分布模型。

在中醫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、骨節凹陷和突起以及關節、肌肉、皮膚隨運動而出現的凹陷等作為取穴標志；手指比量法是在分部折寸的基礎上，用手指比量取穴的方法[7]。

根據穴位定位方法，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“發所覆者，顱至項(前發際至后發際)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際到后發際尺寸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，確定經穴位置。如啞門穴位置為“正坐，頭稍前傾，于后正中線，入發際上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，調整線段位置和角度與頭部形態進行更好的貼合，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現，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，用于產品設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，并按經絡分布將穴位連接成7條經絡(足太陽膀胱經、手太陽小腸經、手少陽三焦經、足少陽膽經、手陽明大腸經、足陽明胃經、督脈)，然后繪制出穴位和經絡圖形。在Alias中將模型存儲為obj格式文件，導入到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絡的三維數字化模型，將模型導出為精簡的json格式文件，可在瀏覽器中被Threejs提供的函數加載并顯示，圖3為對應不同百分位圓高頭型上的穴位和經絡模型。

圖3 圓高頭型上經絡及穴位分布

1.3 測量穴位的空間坐標

為提供頭戴產品設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的頭部按摩儀為例，分析市場上現有頭部按摩儀按壓的頭部穴位，發現四神聰穴（含4個穴點）、百會穴、絲竹空穴、陽白穴、太陽穴、風池穴以及風府穴這7個穴位在頭部的位置會影響按摩儀結構和造型的設計[8]，如圖4所示。

圖4 頭部按摩儀對應穴位分布

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頭型的輔助設計平臺開發

為了使設計師能共享標準的三維數字化頭型數據并進行產品的適配性分析，本文開發了一個基于Web端的設計分析平臺。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頁中，并設置了頭型選擇、百分位調節、選擇頭戴產品等功能，設計師可以在網絡瀏覽器中直接進行操作，進行頭戴產品的適配性分析。

2.1 頭部模型加載和變形控制

為了實現百分位調節時頭部模型和穴位經絡模型的連續變形，首先分別建立了5類頭型的第5，50和95百分位的數字化頭部模型和對應頭型的穴位模型，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重數組morphTargetInfluences[j]的取值；為該數組長度；v為渲染圖形對象的頂點。

變形量控制方法為

其中，為交互界面中調節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為0.5，對應第50百分位，而滑塊最大值對應第95百分位，所以除以區間長度0.45求得權重。

2.2 交互界面設計

輔助設計分析平臺包含5個功能模塊，分別是頭型選擇、頭型百分位調節、頭型特征點尺寸查看、穴位顯示和產品適配性分析，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絡模型，查看當前百分位頭型的穴位和經絡分布位置；“適配性分析”模塊包含穴位動態位置和剖切面分析，當頭型在第5~95百分位變化時，實時計算并動態顯示與頭部按摩儀設計相關的7個穴位的分布位置，可以用于對頭部按摩儀結構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品和頭部模型進行連續剖切，可以直觀地看剖切斷面上頭部形狀與產品輪廓之間的間隙和干涉，從而發現產品內部與頭部接觸的結構設計問題而進行優化。

圖5 輔助設計分析平臺主界面

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，用本文開發的平臺進行分析。按照1∶1進行產品的三維模型重建，然后加載到設計分析平臺中，在標準的中國三維數字化頭型上進行試戴，對產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構組成，按摩儀的前后和上下尺寸可以調節，寬度為固定距離。在產品的前面以及左右兩側是氣囊裝置，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，擠壓頭頂的四神聰穴和百會穴，產品后半部分是2個振動裝置，對風池穴和風府穴進行擊打。

圖6 頭部按摩儀3D模型

在該輔助設計平臺中在將頭部按摩儀模型調節到的最小、中等以及最大尺寸狀態，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個剖視結果(圖7(b)~(d))，在左右方向上，產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，產品與頭部左右兩側的距離越來越小，可適應大部分的中等頭型，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，可能會出現戴不上的情況；在前后方向上，產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大時，產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，也發現存在同樣問題，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品會不斷的往前或后方滑落；并且產品的按摩功能主要通過左右兩側以及前側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 討論和結論

頭戴產品的適配性影響佩戴的舒適性以及安全性，如何提高產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數據庫，并基于SolidWorks環境二次開發，提供設計師訪問3D標準頭型的可交互用戶界面，但是該數據庫的頭部模型不能實時多百分位變形，沒有實現多百分位適配效果的可視化，其次僅能在SolidWorks中使用頭型數據，使其通用性和數據共享性不高；本文實現了頭型與產品在多百分位時的動態可視化，且可在瀏覽器直接使用頭型數據做分析；文獻[2-3]關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分析設計輔助系統，可以查看選擇人群的頭部模型，本文在頭部模型的基礎上根據中醫理論，增添了頭部穴位及經絡模型；文獻[10]基于三維人體測量的穿戴式工業產品造型適配性設計研究，歸納了基于人體數據的產品適配性設計策略，但是沒有提出如何對產品進行適配性分析，本文提出的剖切功能可以實現產品與頭型間的適配性分析，直觀顯示產品的結構問題和可優化部位。

本文基于國家標準數據重構中國人的5種頭型的三維數字化模型，使用Three.js開發了一個WebGL輔助設計平臺，集成了數字化頭型和頭部穴位及經絡分布，能夠使設計師方便地獲取中國人三維頭部尺寸用于開展設計分析。以頭部按摩儀產品為例進行了適配性分析，能直觀地看到適配性分析結果，發現產品與頭部貼合存在的問題。在后續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，以及產品作用于頭部壓力分布的數字化仿真，開展全面的頭戴產品舒適性評估分析。

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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

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

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

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