针对头盔设计的三维头部模型采集与测量方法研究

李泽尧， 张 昆， 朱兆华

（中国矿业大学， 江苏 徐州 221116）

0 引言

社会经济和生活水平的提高， 用户对头戴产品的舒适性予以更高的要求。 符合人体工学的设计是产品开发过程中的首要因素，而人体相关尺寸的测量与分析是设计符合人体工学产品的基础。 因此，通过人体测量技术获取目标样本的精确数据， 对设计起着基础性的支撑作用[1]。头盔等头戴类产品与人体头部直接接触， 其适配的重要性不言而喻[2]。 与传统的直接测量方法相比，采用三维人体测量技术速度更快、获得数据更精确。 近些年，国内外学者利用三维测量技术，对不同国家、地区的样本头部模型数据进行采集与分析，以用于头盔[3]、VR 眼镜[4]、脑电[5]等头戴类产品的造型设计中。 以三维人体测量为基础的智能制造系统是未来产品设计的必然趋势[6]。

1 头部三维模型采集与处理

1.1 试验对象

人体测量分析的过程中， 首先要确定合适的样本容量， 合理的样本容量是保证分析结果具备统计学意义的基础。 通常样本容量的计算公式为：

式中：1.96—当样本呈正态分布时置信区间为95%时的临界值；a—该样本要求的相对精度（在1%的相对精度下a=1）；CV—变异系数。

中国成年人头面部尺寸国标GB，T2428-1998 中标注了中国男子头面部测量项目尺寸的平均值和标准差，选取与头盔类产品相关的特征尺寸作为关键维度来确定研究中的样本量，按照变异系数最大的4.79 带入公式（1）中，得到最小样本量为207 人。基于此，本次试验利用Creaform手持三维扫描仪（精度为0.1mm），共采集346 名来自中国不同省份、 年龄阶段为18～28 岁的青年男性作为研究对象。 采集样对象中不包含先天性或后天性颌面部畸形、头面部外伤史及整形手术的样本。

1.2 采集流程

为方便后期试验数据的管理、调取，每个被试者的信息（姓名、性别、民族、年龄、籍贯等）会被记录在册，且每个被试者都会被统一编号排序。 头部三维数据模型采集的具体流程见图1。 ①在扫描过程中，被试者坐在椅子上并保持固定的姿势，眼睛闭合且呈放松状态，样本头部佩戴一体成型的泳帽；②实验人员对被试者的头部和面部均匀的贴上标记点，用以扫描定位；③检查三维扫描的模型的质量，如出现模型缺失数据过多、形态畸形等现象，则重新扫描。

图1 头部三维数据模型采集

1.3 头部三维模型预处理

采集得到346 份头部三维数据模型， 需进一步对采集数据进行模型预处理， 本次处理过程采用Geomagic Wrap 2017 软件，具体处理过程见图2。

（1）噪点去除。 在数据采集的过程，受外界因素（光线、震动、目标表面等）的影响，导致扫描数据中存在噪点。通过网格医生命令中的自动修复功能，初步去除数据中的噪点和钉状物，如图2（a）所示。

（2）体外孤点去除。计算偏离主体距离较远且杂乱无章的孤点，并删除，如图2（b）所示。

（3）修补孔洞。扫描过程中由于部分外露头发反光的原因，导致所采集的模型存在数据缺损。基于曲面曲率约束等方法，采用内部孔、边界孔及搭桥的方式完成孔洞补齐，如图2（c）所示。

（4）模型平滑处理。 填充过后的模型呈现出较为粗糙表面，使用平滑工具列里面的松弛、快速光顺和砂纸等工具，对其进行光顺处理，如图2（d）-（e）所示。

（5）裁剪模型。裁剪掉与本次研究不相关的头部模型部位，如图2（f）所示。

图2 头部三维数据模型预处理

1.4 统一坐标系

所采集的三维头部数据模型均处于相对坐标系下，为方便后期对三维头部模型的关键特征尺寸进行测量、分析，则需要将所有三维模型对齐到统一坐标系下，具体步骤见图3。

（1）首先，将预处理后的模型导入Geomagic Design软件内，通过平面命令和镜像命令，计算出模型的正中矢状面，如图3（a）所示。

（2）其次，根据人体测量学标准中关于人体头部的标准平面—法兰克福平面的规定， 在正中矢状面上连接三维人头模型的左耳屏点和左眶下缘点， 并根据此线作指向头顶的垂线，如图3（b）所示。

（3）进一步，如图3（c）所示，将上述的两条相互垂直的线段拉伸得到两个平面， 提取出线L1、L2、L3以及三条线的交点P1。

（4）最后，点击对齐指令，以P1为坐标原点，L1为Z轴、L2为X 轴、L3为Y 轴进行对齐，如图3（d）所示。

图3 统一坐标系

（5）重复步骤（1）～（4），统一所有样本模型坐标系。

将346 份三维人体头部模型均按上述步骤操作之后，本文采用两种方法对其结果进行验证：①采用等距抽样方法，在346 名被试人员内抽取十个数据模型导入Rhino 内验证是否处于同一坐标系下，如图4（a）所示；②随机对同一模型按照上述方法操作十次，验证其误差结果，如图4（b）所示。上述验证显示统一坐标系的结果具有较好的可靠性、重复试验误差较小。

图4 统一坐标系结果验证

2 头部特征尺寸测量与分析

2.1 头部特征尺寸定义

本次研究， 以国家标准GJB 4856-2003 《中国男性飞行员人体尺寸》和GB，T 5703-2010《用于技术设计的人体测量基础项目》 中规定的标准，对头部特征点及特征尺寸进行提取，具体见图5 和表1。

表1 与头戴产品设计相关的人体头部特征尺寸

图5 人体头部特征尺寸

2.2 头部特征尺寸测量与分析

为获取准确的头部特征尺寸，则需要充分考虑到硅胶泳帽和头发厚度， 对所采集的样本网格模型进行偏移设置。 根据文献[5]的研究，本文设定偏移值为3.1mm。 图6为头部网格模型在偏移前后头部形态差异，灰色透明轮廓代表扫描的头部模型，灰色实体轮廓则代表偏移后被试者真实的头部形态。

图6 偏移HTO 值前后头部形态对比

对人体头部特征尺寸数据统计分析之前，需要对原始数据进行缺失值检验、奇异值删除、正态分布检测。 统计分析结果显示本次试验不存在缺失值。见图7，通过箱型图分析，以346 个样本的头围数据为例，可直观发现样本S240、S280、S46、S33 的头围尺寸为奇异值， 则直接删除4 个样本。 通过正态分布检验可以来验证采集数据是否具有代表性及统计学意义， 通常数据正态分布检验的方法有单样本K-S 检验（Kolmogorov-Smirnov）、Q-Q 概 率 图（QuantileQuantile Plot）检验以及通过直方图检验。 见表2，本文通过K-S检验求得所有特征尺寸渐进显著性的值均大于0.05，表明所有346 位样本的9 个特征尺寸均符合正态分布， 图8 为头围值的正态分布直方图，可直观看出其基本服从正态分布。

图7 箱型图检验（以头围为例）

图8 正态分布直方图（以头围为例）

表2 单样本K- S 检验（单位mm）

2.3 头部特征尺寸数据统计分析

表3 为9 个头部特征尺寸数据的描述性统计结果，包含平均值、标准偏差、最小值、最大值和百分位数。通过与国家标准GB，T2428-1998《成年人头部尺寸》中的数据对比发现：青年男性与之前相比，在头围和头矢状弧的平均值有所下降，头围数据在565～580mm 之间分布较集中，头矢状弧在第5 百分位和第95 百分位的值较高， 而在第50 百分位下数值相比较而言减少了28mm；头全高、头顶点到眉心点的垂距和头冠状弧的平均值增长较为明显。

表3 人体头部特征尺寸描述性统计分析（单位mm）

目前国内外在人体头面部的相关文献中研究对象主要集中在面部特征尺寸， 可查阅到的文献仅有头围HC、头长HL、头宽HB 以及头全高TH。 表4 通过与国外相同年龄的头部特征尺寸发现：中国青年男性头长HL 和头宽HB 的均值大于印度、日本、韩国、美国和新西兰等国家的数据； 中国青年男性头围HC 的均值大于印度和韩国的HC 值，小于日本、美国以及新西兰等国HC 值；中国青年男性头全高TH 的均值仅小于新西兰青年男性的TH 值。

表4 中国青年男性头部特征尺寸与国外青年男性头部特征尺寸对比（单位：mm）

3 结束语

本文以346 位年龄为18～28 岁的中国青年男性的三维头部模型为研究基础，构建了针对三维人体头部模型采集、测量与统计分析的方法。 本文构建的方法对人体其他部位的三维数据采集、测量分析亦具有参考价值。测量分析结果显示当代中国青年男性头部尺寸与GB，T2428-1998《成年人头部尺寸》中的数据存在差异性，统计分析数据为现今市场头盔类产品尺寸的改进设计提供了重要的依据。 本次研究仅涉及头部特征尺寸的数据，在未来的研究中，将从头部曲面形态差异的视角，结合曲面重构算法、聚类分析算法、仿真分析，进一步对头部形态分类、形态模型库的构建、头盔产品佩戴舒适性评价等方法展开研究，以用户穿戴舒适性为目标，构建头盔类产品批量定制设计系统。