三维人体扫描技术在个性化设计中的应用

成思源, 王小康, 杨雪荣

(广东工业大学 机电工程学院, 广东 广州 510006)

随着三维扫描技术的快速发展和引进推广,该技术已在工业制造、结构测量、土木工程等领域广泛应用[1-2],用于获取人体形态的三维扫描技术也日益成熟。人体扫描是一种利用三维扫描设备来获取人体表面数据的一种采集方法。随着相关领域技术的不断提升,三维人体扫描技术也得到了快速的发展,已经在服装、医疗、影视动画等行业得到了广泛应用[3]。

个性化产品是针对不同用户的不同需求而设计的,所以个性化设计是一种能够满足个体要求的设计方法[4]。随着生活水平的提高,人们对个性化产品的需求也越来越大,因此对于个性化设计的研究变得越加重要[5]，个性化设计已经成为企业发展的一种趋势。在机械类等相关专业开设个性化设计的实验教学,对于顺应社会发展的需求具有重要的作用。

在医疗领域,个性化医疗器械的设计逐渐被关注,特别是应用于人体的器械,其与患者的匹配与否,直接关系到患者的使用舒适度和治疗效果[6]。本文通过手臂夹板的个性化设计实例,对三维人体扫描技术在个性化设计中的应用进行了研究。

1 三维人体扫描设备

目前,国内外研发的三维人体扫描仪的光源有很多种,有激光、卤素光源、红外线、LED冷光源、普通白光灯等[7]。在本文的实验中,采用的是Sense三维扫描仪,它是由美国3D Systems公司研发的一款手持式三维扫描仪。该扫描仪采用的是红外线,由于红外线对人体的无害性,保证了人体的安全。

Sense三维扫描仪的体积小,配备有3个镜头,分别为红外线发射器、RGB彩色摄像头、红外线CMOS摄像头[8](见图1)。其中RGB彩色摄像头可以获取扫描对象表面的颜色；并由红外线发射器和红外线CMOS摄像头构成3D深度感应器,它采用“光编码”的方式来获取对象表面的深度。该方法就是扫描仪主动将其红外线投射到场景中,再通过红外线CMOS摄像头的感光来测量深度[9-10]。

图1 Sense三维扫描仪

此外该设备可以自动识别对象、自动对焦,从复杂的背景中锁定目标,并捕捉所需要的对象形态,但是它的扫描精度相对不高,为0.9 mm。

2 三维人体扫描在个性化设计中的应用实例

在医疗器械设计中,借助三维人体扫描技术进行个性化设计步骤是:先利用三维人体扫描设备获取人体部位的表面数据，再以逆向建模的方法处理数据并重构模型，最后根据患者需求进行个性化医疗器械的设计。其设计流程如图2所示。

图2 个性化医疗器械的设计流程

2.1 数据采集

为了能够获取手臂的全部形态,需要操作人员使用Sense三维扫描仪围绕手臂进行360°全方位扫描。首先选择光线充足的实验环境,再考虑手臂的摆放位置并规划扫描路径，如图3所示。

图3 手臂的扫描路径

由于扫描对象为手臂,长度一般在46 cm以下,属于小型扫描。连接电脑启动Sense三维扫描仪后,在Sense软件中选择相应的扫描类型。沿着规划路径绕手臂进行扫描(见图4),直至获取手臂的表面数据模型如图5所示。

图4 Sense三维扫描仪正在扫描

图5 手臂的表面数据模型

2.2 数据处理

Geomagic Design X是一款正逆向设计软件,不仅具有逆向软件的数据处理和模型重构功能,还具有正向设计的功能[11]。本实例是在该软件中进行手臂表面的数据处理,步骤可分为数据处理(点云处理、面片处理)和曲面创建。

将手臂表面数据模型导入到Geomagic Design X软件中,先移除模型中的纹理,以便于数据处理。点云数据处理主要是去除杂点和无用数据,并采样处理,以提高后续的数据处理效率；面片处理是去除错误三角形、修复缺陷,以获得高质量的面片,便于曲面的创建[11-12]。Geomagic Design X软件的数据处理流程如图6所示。

图6 数据处理的流程

对手臂表面数据进行处理后,得到手臂的高质量面片模型，见图7(a)。面片是由一系列三角形组成的基于多面体的三维数字化数据,不便于个性化设计。因此在面片模型的基础上,以曲线引导的放样方法来拟合出手臂的曲面模型,如图7(b)所示。

图7 数据处理阶段手臂的模型

2.3 个性化医疗器械设计

医疗使用的一般夹板是平整的板状物,使用时用2块或4块夹在手臂上,再以绷带固定。无开孔不透气的夹板容易造成患者皮肤不舒服。为了提高患者治疗的舒适度,结合个体需求,进行手臂夹板的个性化设计。

以手臂的曲面模型为基础,将手臂分为内外两部分,分别设计内夹板、外夹板。在两块夹板的适当位置设计较大的通气孔,并在对应位置留出安装绷带或其他固定物的地方。设计完成后的个性化手臂夹板三维模型如图8(a)所示。该夹板安装于手臂上的效果如图8(b)所示,该夹板能够在保证医疗效果的同时,还给患者以较好的舒适性。

图8 个性化手臂夹板

3 结语

三维人体扫描技术以其快速、操作简易等特点,可以轻松获取人体表面形态数据,在与人体相关产品的个性化设计中具有重要的应用价值。将三维人体扫描技术结合Geomagic Design X软件的逆向建模和正向设计方法,可以对扫描数据进行处理及模型重建,并基于重构模型进行个性化设计。本文所介绍的基于三维人体扫描技术的个性化医疗器械设计方法及流程,对于其他领域产品的个性化设计也具有一定的通用性。

参考文献(References)

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