基于眼镜作用区域的头部形态参数研究

张嘉欣， 管少平， 李哲林， 张晓民， 姜立军， 余光正

(1. 华南理工大学设计学院，广东 广州 510006；2. 华南理工大学物理与光电学院，广东 广州 510641)

基于眼镜作用区域的头部形态参数研究

张嘉欣1， 管少平1， 李哲林1， 张晓民1， 姜立军1， 余光正2

(1. 华南理工大学设计学院，广东 广州 510006；2. 华南理工大学物理与光电学院，广东 广州 510641)

基于国内三维头型数据缺乏造成的眼镜设计多以西方头型为蓝本、头部形态差异使中国人难以配到合适的眼镜的问题，以136名长期佩戴眼镜者的访谈结果为基础，将广东青少年三维头型数据与西方平均头型KEMAR作比较和分析，发现镜腿轮廓线的形态差异、耳根轮廓线、脸部区域鼻部形态特征和瞳距的差异分别对镜腿形状、耳曲、鼻托和镜框宽度设计产生影响。最后，提出眼镜设计的修正方式，为中国的眼镜设计提供参考。

头部形态；三维头型数据；形态参数；眼镜设计

中国学生体质与健康研究组公布的《2010年中国学生体质与健康调研报告》[1]指出，从1998年以来，中国青少年的近视率已从世界第四位跃升到世界第二，近视人数达4亿。2013年国家统计局对全国范围内的学校进行学生视力普查数据表明，全国小学生的近视率为27%，初中生为53%，高中生为72%，中专生为50%，大学生为88.48%。然而中国的眼镜市场却存在一种严重的矛盾：一方面中国已经成为了世界上最大的眼镜生产国和眼镜消费国，眼镜的内需市场非常巨大；另一方面，现有的眼镜设计制造却依然简单参照国外眼镜设计方法，设计过程中仍以西方头型特征为蓝图[2-3]，国内消费者花费高昂费用却依然不能买到一副佩戴舒适的，甚至是适合自己的眼镜。因此针对中国人头型的研究对眼镜设计有重要意义。

目前已有很多机构和学者开展头型分析及眼睛舒适性研究。香港理工大学最早开始进行中国人头部数据的三维分析，Ball等[4]完成了中国6个地区的2 000个人体三维头型数据的收集和分析，发现中西方头型特征的显著不同。陈晓等[5]采用了磁共振的方法获取了人体头部的系列二维数据，以此建立了分层描述的3D头面部模型，并构造了可作为头面部装备设计依据的圆高标准头型。洪荣照和张铭志[6]则通过二维测量的方法，采集了2 600名儿童、少年的8项与眼镜架设计相关的生理指标。1999年4月中国质量技术监督局也曾颁布实施了《成年人头面部尺寸》标准，该标准给出了41项人体头面部测量项目的测量方法及各项目的平均值与标准差[7]，但由于样本容量小，测量项目少，且为二维数据，仅可作为头面部项目测量方法的参考，不便用于做产品的后续分析，因此眼镜企业也较少使用该标准进行产品开发。Tang 等[8-9]通过眼科人体测量学的方法，测量了500名成年人的眼部二维数据，并提出了用于测量眼镜设计所需的脸部参数的测量方法，以此作为眼镜框设计的参考。但由于人脸是三维的有机曲面，基于二维人脸参数的测量方法存在一定局限性。日本研究者Kouchi和Mochimaru[10]则提出眼镜框架的尺寸应基于人脸形态特征才能达到高舒适性,分析了56名日本男性的3D人脸模型，并验证了人脸三维形态模型对眼镜框架设计的价值。

基于上述情况，本文主要是基于人体的三维头型数据，研究影响眼镜结构设计的关键头部形态参数，为中国的眼镜设计提供设计参考。

1 眼镜佩戴舒适性用户调查

为了调查眼镜佩戴者在佩戴眼镜时所经历的具体不舒适问题，针对 136名长期佩戴眼镜者展开访谈，受访者为广东地区的青少年，年龄介于18～25岁之间，其男女比例为1.16∶1，最终获得有效访谈记录132份。归纳统计了访谈内容(表1)，发现眼镜使佩戴者不舒适的问题主要与 8个眼镜结构参数相关，如图1所示。

表1 眼镜佩戴舒适性访谈问题

图1 眼镜佩戴舒适性访谈结果

总结访谈结果可知，眼镜对头部造成不适的区域主要集中在人体头部的眼眶区域、鼻梁两侧区域以及耳轮廓区域，分别对应了眼镜的镜框、鼻托及镜腿，如图2所示。人的头部是一个复杂的曲面，通过头部二维数据的测量难以满足眼镜设计的需求，因此为了研究头型对眼镜设计的影响，本文对头部的三维数据进行测量和分析研究。

图2 佩戴眼镜不适的区域

2 三维头型数据的获取

不考虑光学参数的影响，眼镜佩戴舒适感问题主要由眼镜架引起，而眼镜架结构与三维头型数据相关。目前国内的眼镜架的设计主要是以西方的三维头型数据、西方眼镜设计方法和国内的二维人头测量数据为依据，而西方人体头型数据与国内人体头型数据有较大区别[5,12]。

为了研究三维头型数据对眼镜设计参数的影响，本文对中西方头型数据进行了对比研究。其中，西方头型数据以欧洲人体平均头型 KEMAR模型(图 3)为基础进行三维扫描测量获得，国内头型数据通过三维扫描志愿者活体头部获得(图4)。

2.1 采集对象

本文选取了中国广东地区人群作为研究对象，对136名广东青少年志愿者头型数据进行了三维扫描测量，获得有效数据123个，其中男性志愿者73名，女性志愿者 50名。由于女性头发对三维扫描数据影响较大，因此本研究仅选取了 62名高质量的男性志愿者头型数据作为眼镜区域头部形态的研究对象。

2.2 采集设备

通过对比当今三维人体数据采集方式的优缺点后[14]，本研究的数据采集使用的工具是Creaform公司的HandyScan，其扫描分辨率为0.5 mm，符合ISO15535-2012[15]，远高于建立人体数据库要求的2 mm的测量精度。

图3 KEMAR人体头部模型[13]

图4 三维头型数据获取过程

2.3 数据修复

光学三维扫描仪在扫描过程中不可避免的会受到环境光、轻微震动、大气压力等方面因素的影响，扫描的原始数据也就可能出现噪音、漏洞等数据缺失，存在一定的数据误差点，需要对扫描所得的原始三维头型数据进行点云多边形面块的修复。修复后获得 62个高质量三维头型数据以及KEMAR三维数字数据，如图5所示。

图5 三维头型模型

2.4 坐标系的确定

本文建立点云数据坐标系的方法如下：①基于左(右)眼外角点、左耳屏点、右耳屏点创建平面作为头部数据坐标系的参考平面，即调整后的XY 面(又称法兰克福面，即眼耳平面。其由颅骨两侧的外耳门上缘点和左侧眶下缘点三点所组成的一个平面)。②以左右耳上屏点的中点作为坐标原点，对X、Y、Z轴进行旋转，使得左、右耳屏点的连线与X轴方向相同，左眼眶点处于法兰克福平面上，如图6所示。

图6 经过调整的三维数据模型的坐标系

3 眼镜作用区域的头型参数提取与分析

根据用户调查的结果可知，眼镜造成的头部不适的区域可以分成 3大部分：镜腿与头部接触区、眼睛周围以及鼻托处。由于本文主要分析镜框对面部的作用，不考虑镜片的光学问题，因此下面分析的头型参数主要与镜架相关。

3.1 镜腿轮廓线的提取

为了研究镜腿作用区域的头型，参考了Lee[16]的眼镜正确适配原则的调查(图7)，把眼镜腿抽象为一条曲线，即定义一个镜腿参考面[16]，此参考面为两个眼镜腿的镜脚弯点至镜腿的螺栓中心部分所在的与法兰克福面平行的平面，与之对应的人体头部特征位置是过耳根上点与法兰克福面平行的平面，此平面与三维头型所截轮廓线，即为镜腿参考面，如图8所示。

将KEMAR头型数据与活体头型数据在镜腿参考面进行三维头型进行对齐，然后截取镜腿参考面的轮廓线，最终便可获得志愿者头型与KEMAR头型在镜腿参考面上的轮廓差异对比图，如图9所示。

图7 眼镜的正确适配原则[16]

图8 镜腿参考面

3.2 镜腿轮廓线对眼镜腿设计的影响

62名志愿者的头型与KEMAR头型的镜腿参考面的轮廓存在巨大差别，影响了眼镜腿轮廓形态的设计。由图 9所示，西方人的头型两侧(A-B段轮廓)是一个较为平缓的斜面，因此西方眼镜的镜腿设计只用注重镜腿弯点长和镜腿外张角。与西方头型轮廓线相比，广东青少年志愿者的头型轮廓在点A处有较为明显的弧度；在点B处，相对西方头型平缓的斜线，广东青少年头型曲线在此处有向内弯曲的趋势，致使广东青少年志愿者A-B段轮廓为弧线曲线，因此仅对镜腿外张角设计是不够的。如果外张角设计的过小必然会造成镜腿压迫点 A部位，如果镜腿外张角设计的过大，又必然会造成在耳上根部位的宽度增大，使得镜腿从耳部得到的支撑力不足，眼镜重量则会转移到鼻部，影响眼镜重量在鼻和耳部的合理分布。

镜腿参考面所在的轮廓面是镜腿弯点长和镜腿轮廓设计的重要设计参考，只有基于该轮廓面形状的镜腿设计才能带来良好的佩戴舒适性和佩戴美观性。基于西方脸部形态设计的眼镜对于广东青少年志愿者，甚至中国人而言都明显存在严重的适配问题。

图9 62名青少年志愿者与KEMAR头型的镜腿参考面轮廓差异对比分析

3.3 耳根外轮廓的提取

由于镜腿除了作用于人体头型面部以外，其耳曲形态对耳部舒适性以及整个眼镜在头部的平衡与稳定也有重要的影响[17]。为了进一步研究镜腿耳曲的设计与耳朵外轮廓形态之间的关系，本文提取了广东青少年志愿者耳朵根部的轮廓数据，并投影到图6的YOZ面上，并与KEMAR头型的第50百分位数的耳朵模型数据(DB060_61)进行对比分析，以分析西方人与中国人的耳根轮廓的差异，为耳曲设计提供设计依据。

3.4 耳根外轮廓线对耳曲设计的影响

如图10所示，点1～2曲线之间KEMAR倾斜程度和广东青少年的差别不大，线条几乎是平行的，因此志愿者没有对耳曲倾斜角反映不适的情况；而点 2～3之间的耳根形状差别比较大，广东青少年的耳根形状在此段之间要比KEMAR形状要明显向后突出，而且变化角度也比较大。而文献[16]对眼镜的正确适配原则中强调了耳曲在点2～3之间耳轮廓与镜腿的贴合匹配问题，所以基于西方耳轮廓设计的镜腿耳曲需进行形态调整以适合广东青少年使用。

3.5 眼鼻区域的脸部形态提取

眼镜框与鼻托作用于脸部的眼睛区域与鼻子区域，然而人体的脸部形态为不规则曲面，对眼镜与鼻子区域进行参数提取有很大的难度。因此，本文参考了文献[12]对中国人体头部和脸部建模的方法，在三维头型上选取标记点，并获取标记点的三维坐标值来对脸部参数进行提取，对标记点的三维坐标值进行主成分分析。根据国家标准GB/T 2428-1998[7]成年人头面部尺寸，本文从鼻子和眼部的形状对比分析中选取了一些关键标记点，如图11所示。为了方便KEMAR的头型数据和广东青少年志愿者人体头部数据进行对比，分析时在图6的坐标系对齐。

图10 广东青少年耳轮廓与KEMAR耳轮廓差异对比分析

(1) 本文对62个头部数据根据图11标记点所标位置取点，每个头型的点集为。

(4) 求广东少青年志愿者头型标记点与KEMAR标记点的偏差值，即,,。?

(5) 对点偏差Cp集合进行主成分分析[18]。

3.6 眼鼻区域形态特征分析及对眼镜设计的影响

通过主成分方法对图11眼睛区域、眼眶区域、鼻子区域的20个标记点的偏差值进行分析，最终获得二个主成分，累计方差贡献率达100%，可以用这二个主成分代替上述20个点的特征来评价面部区域形态特征。

图11 鼻子和眼睛部位选取的标记点

由表 2可知，决定第一主成分的主要是鼻部区域的点(pt16、pt17、pt18、pt19、pt20),而且反映了原始信息量的 60%，因此可以把第一主成分称为鼻部形态因子。而在第二主成分中，系数较大的点集中眼睛区域(pt7、pt8、pt10、pt11、pt12)，在眼眶区域(虽然pt13的值较大，但是眼眶区域只有一个点较大，不能作为描述情况的依据)和鼻区域的点的系数都较小，因此可以把第二主成分称为眼睛形态因子。

由表 3可知，在第一主成分的综合得分中，Yp(Yp=-15.134)的绝对值最大，而且为负数，说明了广东青少年的鼻子在整体上较比西方人的低矮，这也符合了人们一贯对中西方人五官差异的认知。在反映鼻子形状差异的几个标记点中，鼻头点(pt19)的主成分系数最大，其他几个点(pt16、pt17、pt18、pt20)的系数则相同。鼻头在Y轴负方向的变化更大，则导致了鼻子两侧倾角更为平缓，从而影响了鼻梁以及鼻托正前角倾斜度的设计，不适合的鼻托会影响镜框前倾角的大小和眼镜重量在头部的均衡分布，容易使眼镜重量集中在耳部，从而造成不舒适[19]。在第二主成分的综合得分中Xp=−12.6925，其值远远大于其他两个。由于对于右脸的眼睛区域瞳孔 R点(pt7)的系数为负，右脸所在位置为 X轴的正半轴，而左脸的眼睛区域瞳孔 L点(pt8)的系数为正，左脸所在位置为 X的负半轴，因此分析可得广东青少年志愿者左右眼睛之间的瞳距比西方人大，而根据西方脸型设计的镜架宽度下，广东人的眼睛往往难以与镜框的镜面角相符合。

表2 各个标记点主成分分析结果

表3 主成份分析结果

4 讨论与结论

通过分析在眼镜作用区域中志愿者的头型特征，发现以下头部形态参数对国内眼镜的设计有重要的影响：

(1) 镜腿轮廓线的形态。由于广东青少年志愿者与西方头型在镜腿轮廓线上有较大的差异，镜腿轮廓线所在参考面是镜腿角弯点长、镜腿外张角和镜腿轮廓设计的重要参考，因此在镜腿设计中应基于中国人头部特征调整眼镜参数。

(2) 耳根轮廓线的形态。耳根轮廓的差异使广东人难以适应市场上现有眼镜耳曲弯角，导致耳曲部位的承载作用减弱，进而加重了鼻托对鼻子的压力。为了更好地使耳曲与耳朵贴合，在眼镜设计时应对中国人耳根轮廓进行分析。

(3) 鼻部形态特征。广东青少年志愿者的鼻子两侧倾角较小，因此依据西方脸部特征设计的鼻托正前角难以贴合良好，鼻托与鼻梁参数的设计需根据中国人脸型特征进行调整。

(4) 瞳距的差异。广东青少年志愿者的瞳距较西方人大，在镜框设计时，可通过改进镜框宽度或镜面角，以符合中国人眼睛的位置。

尽管在研究中发现了影响眼镜设计的头部形态参数以及正确的设计方法，但难以满足每一个人对眼镜舒适性的要求，因此在眼镜设计中，除了需要根据人群的头部特征进行设计以外，还需使眼镜尺寸具有一定范围的调节功能。由于各个头型参数之间的影响是相互的，要使眼镜能真正在头部配戴平稳而且受力均衡，单单调节一个参数并不够，可考虑通过采集每个人的关键头部特征，对眼镜参数进行匹配，用参数化设计的方式来设计符合个人特征的眼镜，从而真正解决眼镜佩戴的舒适性问题，这将需要对头型与眼镜设计进行更多的探讨。

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The Study of Head Shape Parameters Based on the G lasses Wearing Area

Zhang Jiaxin1, Guan Shaoping1, Li Zhelin1, Zhang Xiaom in1, Jiang Lijun1, Yu Guangzheng2

(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)

Generally, glasses design in China is based on Caucasian head-face shape, as China is short of head-face data for glasses design. As a result, Chinese people usually find it is hard to buy a pair of suitable glasses. In this research, in order to discover the proper way of glasses design, the difference of Guangdong young man head-face shape with Kemar which is a average western head shape is compared based on the result of interviews from 136 glasses’ wearers. Through the study, it is found there are three parameters that influence the glasses design: how the difference of contour line of leg affect the design of leg form; how the contour line of ear impacted the ear piece’s design; how difference of face shape influence the design of nose pad and the pupillary distance influence the frame w idth. At last, we put forward the correct way for glasses design which would be used as an reference for the design of glasses.

head shape; 3D data of head shape; shape parameter; glasses design

TB 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016030410

A

2095-302X(2016)03-0410-07

2015-12-18；定稿日期：2016-03-06

广州市科技计划项目产学研合作专项(2013Y2-0084)

张嘉欣(1990–)，女，广东东莞人，硕士研究生。主要研究方向为人机工程、工业设计和用户研究等。E-mail：a_ashin@qq.com

李哲林(1974–)，男，湖南涟源人，副教授，博士。主要研究方向为计算机图形图像处理、设计与人机分析等。E-mail：zhelinli@scut.edu.cn