基于青年女体面部轮廓的防护口罩结构设计方法

王旭 冯向伟 崔静 田苗苗 焦梦彦 高雅

摘 要：为了提高防护口罩的密合度和舒适性，确保有效的防护效果，根据消费者的反馈意见，利用逆向工程技术制作出青年女体头台模型，采用立体裁剪的方式设计并制作出10款防护口罩，并进行了主观评价和综合分析。研究发现，合体显瘦的结构设计方式和延伸感的口罩轮廓线可以增加产品的美感，分割、转省、抽褶等設计手法可以有效分解口罩的面部浮余量，确保产品的合体度和舒适性，在10款口罩中，6#两片式口罩的综合性能最佳，1#一片式口罩的综合性能最差。

关键词：防护口罩;头台模型;立体裁剪;面部轮廓

Abstract：In order to improve the tightness and comfort of protective masks and ensure the effective protecting effect， based on the feedback of consumers， ten types of protective masks were designed by 3D cutting method according to the head mannequin of young women made by reverse engineering technology， and the subjective evaluation and comprehensive analysis were carried out as well. It is found that fit and thin structure design mode and the extended mask contour could increase the aesthetic perception of products. Some design technique such as segmentation， dart transfer and gathering could effectively decompose the floating allowance at face area to ensure fitness and comfort of the products. Among the ten types of masks， the comprehensive performance of the two-piece 6# mask is best， while the comprehensive performance of the one-piece 1# mask is worst.

Key words：protective mask; head mannequin; 3D cutting; facial contour

近年来，工业化快速发展促进经济腾飞的同时，也导致了大量有毒有害物质的排放，造成了大范围的空气环境污染[1]。研究表明，当人体吸入过量的污染物时，会严重危害身体健康[2]。为此，防护口罩成为人们出行时的普遍选择，它通过保护口、鼻呼吸器官来避免有毒有害物质的吸入对人体造成伤害[3]。随着消费者对日常防护口罩需求量的增大，口罩生产企业也越来越多，目前市场上防护口罩的产品种类繁多，然而质量却参差不齐[4]，其中防护口罩的密合度是当前产品开发中需要着重关注的核心问题。呼吸防护用品的密合度是消费者得到有效防护的前提[5-6]，如果产品的密合度不够，就难以保证防护口罩的过滤效率。目前中国使用的呼吸防护用品大部分为国外个体防护装备企业生产，按照西方人的脸型进行设计。虽然国内也设计和仿制了一些呼吸防护产品，但大多也是参照国外的设计资料生产。由于不同人种的面部形态特征差异较大，按照西方人脸型设计的呼吸防护用品不符合中国人体的颜面特征[7]，产品尺寸差异导致的密合度问题，使其不能有效的发挥防护效果，同时也影响到消费者的舒适性和产品美观性。为此，本研究根据市场调研中消费者的反馈情况，利用逆向工程技术制作出标准女体头台模型，通过立体裁剪的方式设计出10款防护口罩，并邀请志愿者对产品的美感、贴合度、舒适性进行主观评价，最终提出合理的防护口罩产品设计方案，为丰富防护口罩的产品类型，改善产品的功能性和舒适性提供设计思路，并为头面部防护产品的开发提供理论指导，从而有助于推动整个行业的健康快速发展。

1 市场调研

为了调查当前防护口罩的市场消费情况，了解市场上防护口罩产品设计的优缺点，为本研究的产品开发提供理论依据，研究首先开展了防护口罩的市场调研工作。本次调研共回收207份有效问卷，志愿者来自全国各地，男性志愿者占比35%，女性志愿者占比65%，各个年龄段都有参与，覆盖范围大，其中72%来自于16～28岁年龄段，13.5%来自于29～35岁年龄段，其余小部分来自于其他年龄段。调研内容包括消费者的使用情况，口罩佩戴方式，罩体形状选择，产品款式设计、结构设计、材料及颜色选择及现有产品存在的不足等方面的问题。分析发现，大部分消费者都倾向于选择黑、白、灰色耳戴式、平面型口罩，其中一次性口罩、聚氨酯PITTA口罩、3M口罩和插片式棉布口罩的使用量最大。此外，消费者反映，产品的舒适性是选择防护口罩最重要的影响因素，目前市场上的防护口罩存在一些产品面部贴合度不好（鼻子两侧漏气、下巴贴合度不好、面部侧边有空隙）、挂耳绳负担过重、接触舒适性差、过滤效果有待提高、呼吸不顺畅、产品美观性和便携性不足等问题。为此，根据消费者提出的意见和建议，致力于解决当前防护口罩存在的不足，在防护口罩的产品开发过程中，合理选用防护口罩的面辅材料，优化防护口罩的结构设计方式，着力提升产品的贴合度、舒适性和美观性，以期为消费者提供健康、舒适的防护口罩产品。

2 产品设计

为了改善目前防护口罩贴合度不佳的问题，研究基于青年女性的面部轮廓，利用逆向工程技术制作出青年女体头台模型，并设计口罩的基础放松量，采用立体裁剪的方式，通过分割、拼接和转省等手法设计并制作出10款不同结构的口罩产品，最终根据志愿者的主观评价，提出适合性和美观性俱佳的结构设计方式。

2.1 头台制作

头台作为头面部防护用品以及各种服饰配件制作中重要的辅助工具，其尺寸的精准性尤为重要，为了保证防护口罩良好的贴合度，研究在头台设计过程中，首先对河南省300名汉族青年女性的头面部尺寸进行测量[8]，将形态面高、面宽、下颌角间宽、鼻高、鼻宽和鼻深等各项指标的测试数据按顺序排列，然后分别进行3等分，各自形成S、M、L 3个档差，由此将河南籍汉族青年女性头面部轮廓分成S、M、L 3个号型，并将各个号型中所有测量数据的平均值作为3个号型的中间体。随后采用激光扫描仪，精准获取3个号型中间体的头面部点云数据，进行头面部模型构建，并利用泡沫雕刻机打印出头台模型，外层包覆弹性良好的汗布，完成头台制作，如图1所示的M号型头台。

2.2 松量设计

为了控制口罩结构设计中放松量，本研究以M号型口罩为例，通过调节头台口鼻处白坯布的垫高程度确定基础放松量，利用口罩上的4条控制线与净体头台上相应控制线长度的差值表示放松量的大小，这4条放松量控制线分别是弧线a（口罩上边缘线）、弧线b（口罩分割线）、直线a（口罩上边缘线到鼻尖点之间的直线）、直线b（鼻尖点到颏下点之间的直线），如图2所示。对比分析基于3种基础放松量设计出的口罩样品的贴合度、舒适性和美观性，得到M号型口罩基础放松量的控制线尺寸为：弧线a=10.5 cm，弧线b=10.7 cm，直线a=3.4 cm，直线b=11.0 cm，在成品口罩的制作过程中，将这4条控制线作为口罩的成品尺寸。

2.3 结构设计

在口罩结构设计过程中，研究采用立体裁剪的方式，用标记带贴出各款口罩的廓形，利用分割、拼接和转省等手法，在M号型女体头台上用白坯布进行口罩结构设计，根据放松量控制线调节尺寸放松量，在布样上标记出必要的控制线、省、褶等，再进行拓版，然后做出白坯试样，反复试戴并调节版型，最后绘制出10款口罩的结构图和款式图，如图3所示，各款口罩的结构设计原理如下。

款式1#为一片式结构，见图3（a），该款口罩的廓形借鉴常用的一次性口罩，对面部的包覆程度比较大，没有分割线，前中连裁，在面部两侧分别各有一个对褶，褶的位置在口罩侧边缘的中间固定，并分别延伸至鼻尖和下巴处，褶的存在使产品面部和口鼻处松量较大。

款式2#为三片式结构，见图3（b），前中连裁，在面部的三分之一和三分之二处各有一个分割，两条纵向分割由上边缘延伸至下边缘，将鼻梁和下巴凸起所造成的浮余量通过抽褶的手法进行处理，该款口罩面部较为贴合，口鼻处松量比较大。

款式3#为两片式结构，见图3（c），前中连裁，共有一个省和一条分割，省的位置在鼻部，分割的位置由口罩上边缘线靠近耳部处开始，线条贴合面部走向延至下巴处，该分割线修饰面部曲线，使面部显得更加尖瘦。

款式4#为四片式结构，见图3（d），在面部的四分之一、四分之三处和前中各有一条分割，三条纵向分割均由上边缘延伸至下边缘，该款口罩面部较为贴合，所有的浮余量都匀进分割线内。

款5#为三片式结构，见图3（e），市场上常见的棉布口罩多采用此种结构，前中有分割，下巴区域单独分割出一片，有助于提高口罩的面部贴合度。该款口罩与市面上同款口罩有所差异的地方是耳带的固定方式，常见的耳带固定方式是直接将耳带固定在口罩侧边缘，而该款口罩是将耳带一头固定在口罩上边缘中间，穿过包边，另一头固定在侧边缘下方。在佩戴过程中耳带拉紧时，着力点不是侧边缘而是上边缘，从而使得口罩上边缘更加贴合面部。

款式6#为两片式结构，见图3（f），分割在前中，廓形上宽下窄，上边缘曲线弧度较大，终止在颧骨部位，侧边缘沿面部曲线延伸至下巴处。该款口罩的廓形可以修饰面部曲线，使目光集中在侧边缘曲线而忽略真正的面部曲线，而且前中的纵向分割由上边缘直至下边缘，这种延伸感曲线使面部轮廓更加狭长。

款式7#为两片式结构，见图3（g），分割在前中，该款口罩廓形借鉴近几年流行的聚氨酯PITTA口罩，两侧脸颊区域口罩的边缘曲线呈凹陷状，将目光聚集在凹型曲线而忽略真正的面部曲线，前中的纵向分割由上边缘延伸至下边缘，使面部轮廓看起来更加消瘦。

款式8#为三片式结构，见图3（h），外部廓形同款式7#相同，但款式7#只有一条分割，产品的下边缘贴合度不佳，因此该款式将下巴处单独分割出一片。

款式9#为三片式结构，见图3（i），外部廓形同款式6#相同，但款式6#只有前中一条分割，产品的下边缘贴合度不高，因此将该款式的前中连裁，下巴处和鼻梁处分别单独分割出一片。

款式10#为四片式口罩，如图3（j）所示，在款式5#口罩廓形的基础上，在鼻梁上方单独分割出一片，保证鼻子两侧良好的贴合度。

在成品制作過程中，通过对比试验，选择冰麻面料、纯棉里料、海绵鼻梁条、挂耳绳和静电棉过滤材料，缝制出10款口罩的成品，如图4所示。

3 产品评价

为了对比分析10款口罩的优劣，研究采用主观评价的方法，调查志愿者佩戴口罩时的美感、贴合度和舒适性主观感受，并采用灰色近优的方法综合评定最佳的结构设计方法。

3.1 主观评价

实验邀请了面部轮廓最靠近M号型中间体的20名女性志愿者参与主观评价，测试前，首先向志愿者讲解清楚评价方法及标准，请志愿者正确佩戴口罩，调节耳带长度至最舒适的位置，适应3min。然后，根据美国职业安全与健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）呼吸防护标准29CFRl910.134的要求[9]，请志愿者模拟日常生活中的状态，依次做正常呼吸、深呼吸、左右摇头、上下摆头、朗读、做鬼脸、弯腰摸脚趾、正常呼吸一系列动作（表1），随后请志愿者按照表2主观评价表中的各项评级指标进行评判。

图5为主观评价结果。由图5（a）可知，关于美感评价，6#口罩的各项指标均表现最好，7#、8#、9#口罩的评分也比较高，这4款口罩的主要特点是口罩轮廓线可以修饰面部曲线从而达到显瘦的目的，而且款式简约、新颖，线条流畅。1#口罩的评分最低，该款产品没有做任何分割处理，对面部的包覆度较高，口鼻处浮余量较大，显得比较臃肿。2#口罩的各项评分也比较低，该款口罩的前中片进行抽褶处理，产生一些细小的褶皱，表面平整度较差，口鼻处凸起明显，因而美感较差。由此可见，女性消费者对于口罩美感的评价，从结构设计的角度出发，主要关注口罩分割线和轮廓线产生的视觉效果，志愿者认为，合体、伏贴、平整、显瘦的口罩让他们自我感觉时尚、美丽、自信。

关于适合性评价，见图5（b），在上边缘、下边缘以及面部贴合度评价中，评分均高于适中值，其中上边缘贴合度的评分均高于3.7分，下边缘贴合度和面部贴合度评分均高于3.3分，说明这10款口罩的贴合度均比较高。其中上边缘贴合度评分最高的是5#口罩，其次是4#口罩，1#口罩的上边缘贴合度最差。由此可见，在口罩上边缘的包边中段固定耳带的5#口罩有效地发挥了耳带的伸缩作用，提高了上边缘的贴合度，4#口罩采用3条纵向分割线，将上边缘多余的浮余量都收进分割线内，显著提高了上边缘的贴合度。而1#口罩采用一片式结构设计方式，没有进行分割和转省，致使口罩上边缘弧线产生的浮余量无处分散，贴合度较差。在下边缘贴合度评价中，评分最高的是3#口罩，其次是2#和5#口罩，而4#口罩是评分最低的一款。分析认为，3#和5#口罩均在下巴处单独分割出一片，在分割线处有效分解了下巴弧线产生的浮余量，因而下边缘的贴合度较好。2#口罩在前中片通过抽褶的手法，同样分解了下巴区域产生的浮余量，因而下边缘的贴合度也比较好。4#口罩采用四片式结构设计方式，虽然面部贴合度较好，但从口鼻区域到下巴区域过度的弧度较小，下巴区域放松量较小，运动过程中口罩的下边缘线不断上移，因而难以有效包裹下巴区域，贴合度不够良好。在口罩的面部贴合度和大小适合性评分中，可以看出除了1#口罩的评分较低之外，其他各款口罩的评分均比较高。1#口罩的一片式结构对面部的包覆度较大，面部多余的浮余量致使口罩处于松弛的状态，面部贴合度较小，因而志愿者感觉口罩的尺寸偏大。

在舒适性评价中，由图5（c）和图5（d）可知，10款口罩均使用柔软的凹凸型海绵鼻梁条，因而鼻梁的压迫感不明显，评分均在1级（不压迫）与2级（较不压迫）之间，口罩的整体佩戴舒适性也比较良好，各款口罩的评分均高于3.5，由此可见，采用立体裁剪的结构设计方式能够有效分解产品的浮余量，提高合体度。但1#口罩未在鼻梁处做分割和转省处理，鼻子区域的立体性不佳，因而鼻梁处的压力有所增加，鼻梁压迫感略高于其他款式，佩戴舒适性略差。

由上可知，为了提高口罩的美感、贴合度和舒适性，有必要在头台上进行合理的结构设计，基于面部轮廓，利用分割、转省、抽褶等方法对面部的浮余量进行有效分解，并科学设计口罩的轮廓线，提高产品的美观性，同时在保证舒适性的前提下，提高包裹效果和贴合度，从而增强产品的过滤效果。

3.2 綜合评价

为了对10款口罩的各项性能进行综合评判，本研究采用灰色近优法对口罩的美感、贴合度和舒适性进行综合评价。首先根据10款口罩的9项评价指标，构建白化灰矩阵，见式（1），其中款式美观性、产品创新性、产品时尚性、上边缘贴合度、下边缘贴合度、面部贴合度、鼻梁压迫感、口罩大小适合度、佩戴舒适性依次记为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9。

在上述9项性能指标中，除了C6鼻梁压迫感属于越小越优型指标，其余8项指标均属于越大越优型指标，根据两种类型的指标计算公式[10]，将10款口罩的9项评价指标映射到[0，1]区间上，得到相应的近优白化灰矩阵，见式（2）。

最后，通过对10款口罩的白化灰近优度进行由大到小排列，可以得到各种口罩综合性能的优劣排序：6#>5#>7#>8#>9#>3#>10#>2#>4#>1#。由此可知：综合美感、贴合度和舒适性三大类9项指标来看，在10款防护口罩中，6#口罩的综合性能最好，5#和7#口罩的综合性能次之，而1#口罩的综合性能最差。由此可见，在防护口罩的产品开发中，可以优先考虑选用前中纵向分割的两片式结构设计方式，以及增加下巴区域包覆片的三片式结构，同时突出面部两侧的轮廓线，增加线条延伸感，增强视觉美感，不建议采用浮余量较大，贴合度不佳的一片式结构设计方式。

4 结 论

a）通过对目前防护口罩的市场调研，结果显示产品的舒适性是影响消费者选择防护口罩最重要的因素，现有的防护口罩因结构设计不合理，存在着面部贴合度不好、挂耳绳负担过重、接触舒适性差、美观性不足等问题。

b）为了确保口罩的合体度，沿着口罩上边缘线和分割线，以及口罩中线设计了4条松量控制线，以此为基础，在女体头台上利用立体裁剪的结构设计方式，运用分割、转省、抽褶等设计手法有效分解口罩的面部浮余量，设计出十款口罩。

c）对比发现，采用延伸感的口罩轮廓线和分割线，可以缩小面部的视角效果，合体、平整的结构设 计方式可以增加产品的美感、贴合度和舒适性，两片式和三片式口罩的各项性能均比一片式口罩优良。

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