基于三维头型及穴位分布的辅助设计平台的研究

邵玉光，李哲林，余光正，李育奇，邓祥洪，姜立军

基于三维头型及穴位分布的辅助设计平台的研究

邵玉光1，李哲林1，余光正2，李育奇1，邓祥洪1，姜立军1

(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)

为设计适合中国人头型的头戴产品，提高产品佩戴时的适配性和舒适性，开展了辅助头戴产品设计的图形化平台的研究。首先基于国家标准重构了5种标准头型的三维头部数字化模型，并根据不同头型的第5，50和95百分位的头型缩放因子，构造了共15个三维数字化头型；然后根据中医理论中的穴位分布及定位方法，在所构造的头型上建立了7条经络和78个穴位的三维分布模型。采用三维网络图形开发包Three.js开发了头戴产品辅助设计平台，实现了多百分位头型的连续变形、头部穴位动态定位及基准平面剖切功能，可对头戴产品的穴位点匹配、贴合区域间隙和干涉等进行适配性分析。以某头戴按摩仪为例开展试戴及适配性分析，可有效发现该产品结构上存在的问题。该研究可为相关头戴产品的适配性分析提供参考。

中国标准头型；百分位；穴位；头戴产品；适配性

头戴产品的设计依赖于准确的头部测量数据，而头部的复杂形态和头型的多样化给设计师提出了挑战。近年来，一些学者已经在从事头部数据测量和统计分析，以及建立标准化头部三维模型辅助产品设计的研究。如基于3D头部模型的设计和评估工具的开发[1]；基于中国人体头部测量数据的三维头部模型拟合[2]；基于Web的中国三维头部和面部数据及测量数据库的开发[3]，通过三维扫描创建个人头部模型，然后根据头型拟合生成眼镜造型，用于产品定制设计[4]。也有学者使用北美人体测量数据库CAESAR Database获得2 299个头型，用于头戴产品的规格分类研究[5]。但是在目前设计领域缺乏中国人的标准三维头部数字化模型，在头戴产品设计时多参考欧美的产品尺寸进行修改，或是设计头戴产品时仅参考相关标准的二维尺寸或是少量样本头型，导致头戴产品的适配性差。本文根据GB/T 23461-2009提供的头型描述参数重构中国成年男性标准三维头部模型[6]，以及根据中国中医理论[7]，在三维头型上建立三维穴位分布模型。使用三维网络图形开发包Three.js开发了一个基于Web端的辅助设计平台，通过头型变形驱动穴位变形实现精密配准，能够使设计师方便地使用中国人的三维头部模型及穴位分布模型进行头戴产品的适配性分析。

1 头部模型重构及穴位分布

1.1 三维头型重构

人体头部尺寸是进行头盔、呼吸防护用具、防护目镜、降噪耳机等头戴产品设计的依据[6]，设计师需要能够反映中国用户人群头面部综合特征的三维数字化头部模型，方便获取用于产品设计的头部尺寸值以及进行适配性分析，利于头戴产品的分型分号。文献[6]提出了56层周线定义的三维头部参数化模型及各层周线的12阶傅里叶级数描述参数，采用极坐标描述的周线用12阶傅里叶级数表示为

其中，为周线序号；a,n为头型各周线的描述参数，参见文献[6]中表A.2。

在直角坐标系中，周线上点的坐标值定义为(X,j, Y,j, Z,j)，即

其中，为周线序号；为周线上点序号；X和Z参见文献[6]中表A.2。

基于式(1)和式(2)，本文在MATLAB 2013中建立头型的分层周线(图1(a)和(b))，然后对相邻周线进行三角网格化(图1(c))，重构了覆盖率较高的圆高、圆正、中正、中高、圆特高5类标准头型的三维网格模型，样本覆盖率为93.58%，图1(d)~(h)所示为5类三维头型的侧视图。

图1中所示标准头型为该类头型的第50百分位模型，根据文献[6]中5类头型的缩放因子进行缩放分别建立各类头型的第5和第95百分位头部模型。

1.2 基于中医理论的穴位定位

中医认为头为诸阳之会，系百脉所通，头部分布着大量重要的穴位[7]，穴位是头上的一类特征，其受力因素直接影响头戴产品的舒适性和安全性，因此有必要对产品结构与头部穴位的适配性进行分析。本文在中国标准头型基础上，运用中医理论的穴位定位方法，利用Alias2016和Blender2.79三维建模软件建立了头部的经络和穴位分布模型。

在中医理论中穴位的定位方法可分为骨度分寸法、体表标志法和手指比量法。骨度分寸法以骨节为主要标志测量周身各部的大小、长短，并依其尺寸按比例折算作为定穴的标准；体表标志法利用五官、骨节凹陷和突起以及关节、肌肉、皮肤随运动而出现的凹陷等作为取穴标志；手指比量法是在分部折寸的基础上，用手指比量取穴的方法[7]。

根据穴位定位方法，穴位建模首先利用骨度分寸法提取特征和换算距离。如图2所示，以第50百分位的圆高标准头型为例。文献[7]中骨度表指出“发所覆者，颅至项(前发际至后发际)的折量分寸为12直寸，头之大骨围(头围)的折量分寸为26横寸”，在Alias软件中通过画多段线的方法测量出50圆高标准头型的前发际到后发际尺寸1=330.50 mm、头围尺寸2=558.60 mm，换算后1直寸=27.50 mm和1横寸=21.50 mm (图2(a))。然后根据0.5直寸和0.5横寸长度建立度量线段，利用穴位定位方法，寻找头部体表标志，折量各部分的距离分寸，确定经穴位置。如哑门穴位置为“正坐，头稍前倾，于后正中线，入发际上0.5寸之凹陷中取穴”[7]，首先在头部模型上找到体表特征头正中线与后发际线的交点，由于是在头部纵向上取穴，则哑门穴与体表特征交点的距离是0.5直寸，在软件中以交点为起始点绘制13.75 mm的直线段，调整线段位置和角度与头部形态进行更好的贴合，从而达到模拟手指同身寸的方法找到哑门穴(图2(b))。此种手动找穴会存在一定的误差，在对多个穴位找穴时发现，在Alias软件中采用多段0.5寸长度线段表示头部上的曲线时误差能控制在0.50 mm内，用于产品设计时该误差可以接受。

图1 三维头部模型

图2 三维头型上穴位定位

根据此方法，在Alias软件中量取确定5种头型的第5，50和95百分位头型上78个穴位位置，并按经络分布将穴位连接成7条经络(足太阳膀胱经、手太阳小肠经、手少阳三焦经、足少阳胆经、手阳明大肠经、足阳明胃经、督脉)，然后绘制出穴位和经络图形。在Alias中将模型存储为obj格式文件，导入到Blender中标注每个穴位的中文名称，从而在头型上建立出头部完整穴位和经络的三维数字化模型，将模型导出为精简的json格式文件，可在浏览器中被Threejs提供的函数加载并显示，图3为对应不同百分位圆高头型上的穴位和经络模型。

图3 圆高头型上经络及穴位分布

1.3 测量穴位的空间坐标

为提供头戴产品设计所需头部穴位空间分布，需要精准测量不同百分位头型穴位坐标值。以与穴位特征直接相关的头部按摩仪为例，分析市场上现有头部按摩仪按压的头部穴位，发现四神聪穴（含4个穴点）、百会穴、丝竹空穴、阳白穴、太阳穴、风池穴以及风府穴这7个穴位在头部的位置会影响按摩仪结构和造型的设计[8]，如图4所示。

图4 头部按摩仪对应穴位分布

在Blender中分别测量了以上7个穴位在第5，50和95百分位圆高头型的坐标值(头顶点为直角坐标系原点)，见表1。

2 基于3D头型的辅助设计平台开发

为了使设计师能共享标准的三维数字化头型数据并进行产品的适配性分析，本文开发了一个基于Web端的设计分析平台。使用在浏览器中可以直接运行的Threejs作为3D引擎，将中国人标准头型加载到网页中，并设置了头型选择、百分位调节、选择头戴产品等功能，设计师可以在网络浏览器中直接进行操作，进行头戴产品的适配性分析。

2.1 头部模型加载和变形控制

为了实现百分位调节时头部模型和穴位经络模型的连续变形，首先分别建立了5类头型的第5，50和95百分位的数字化头部模型和对应头型的穴位模型，采用Threejs中的顶点动画(morphTarget)属性，将3种百分位(5%，50%和95%)的模型存放至基本模型的数组中，然后计算出基本模型顶点与其他百分位模型顶点之间的插值，实时渲染出中间百分位头型数字化模型[9]。在3种百分位头型之间的插值方法为

其中，f为在多个图形之间插值变形时权重数组morphTargetInfluences[j]的取值；为该数组长度；v为渲染图形对象的顶点。

变形量控制方法为

其中，为交互界面中调节模型百分位的进度条取值，减去0.5，是因为把滑块初始值设为0.5，对应第50百分位，而滑块最大值对应第95百分位，所以除以区间长度0.45求得权重。

2.2 交互界面设计

辅助设计分析平台包含5个功能模块，分别是头型选择、头型百分位调节、头型特征点尺寸查看、穴位显示和产品适配性分析，主界面如图5所示。

在“头型选择”模块，用户可以通过下拉列表选择要加载的5类头型，包含圆高、圆正、中正、中高、圆特高型；在“头型百分位”模块，用户可以操作滑块控件对头部模型进行缩放，得到不同百分位的头部模型；“头型特征点尺寸”模块会实时显示当前头部模型的主要特征尺寸；在“穴位显示”模块可以点击显示穴位和经络模型，查看当前百分位头型的穴位和经络分布位置；“适配性分析”模块包含穴位动态位置和剖切面分析，当头型在第5~95百分位变化时，实时计算并动态显示与头部按摩仪设计相关的7个穴位的分布位置，可以用于对头部按摩仪结构与穴位点的适配性的可视化评估；剖切面分析包含多个基准平面上的适配性检测，操作剖切功能滑块对头戴产品和头部模型进行连续剖切，可以直观地看剖切断面上头部形状与产品轮廓之间的间隙和干涉，从而发现产品内部与头部接触的结构设计问题而进行优化。

图5 辅助设计分析平台主界面

3 头部按摩仪适配性分析

为分析头戴产品与头型的适配性，以一款市场上销量大的某型号头部按摩仪[8]为例，用本文开发的平台进行分析。按照1∶1进行产品的三维模型重建，然后加载到设计分析平台中，在标准的中国三维数字化头型上进行试戴，对产品的适配性进行分析。

本文选择的头部按摩仪如图6所示，主要由前、后框架和顶部半球结构组成，按摩仪的前后和上下尺寸可以调节，宽度为固定距离。在产品的前面以及左右两侧是气囊装置，分别对丝竹空穴、阳白穴和太阳穴进行挤压，顶部是一个气囊及振动装置，挤压头顶的四神聪穴和百会穴，产品后半部分是2个振动装置，对风池穴和风府穴进行击打。

图6 头部按摩仪3D模型

在该辅助设计平台中在将头部按摩仪模型调节到的最小、中等以及最大尺寸状态，分别与不同头型的第5，50和95的百分位头部模型进行试戴，图7为圆高头型(人群覆盖率46.23%)配戴及剖视图。

图7 头部按摩仪佩戴及剖切分析

选择该按摩仪与头部的主要接触点所在水平面作剖切平面，如图7(a)中虚线所示位置，平面分别对3种百分位头型进行剖切得到3个剖视结果(图7(b)~(d))，在左右方向上，产品的宽度是一个基本固定的距离，随着头型从第5百分位向第95百分位逐渐增大，产品与头部左右两侧的距离越来越小，可适应大部分的中等头型，但是对于小头型的用户则太过于宽松，同样对于头偏大的人来说，可能会出现戴不上的情况；在前后方向上，产品主要以头部前后比较突出的脑门位置和后脑勺位置作为主要支撑部位，在按摩仪前后距离逐渐调大时，产品与头部失状面的贴合程度越来越差。

同时开展了该头部按摩仪的真实试戴体验，也发现存在同样问题，如仅以按摩仪上的点支撑与头部配合，没有与头部的三维形状进行合适的贴合，按摩一段时间之后产品会不断的往前或后方滑落；并且产品的按摩功能主要通过左右两侧以及前侧大面积的气囊进行挤压头部，在真实试戴时没有感受到对穴位部位的有效按摩，大面积挤压反而让用户更加有压迫感和不舒适感。

4 讨论和结论

头戴产品的适配性影响佩戴的舒适性以及安全性，如何提高产品的适配性成为研究重点，例如文献[1]扫描了1 620个中国成年人头，建立了SizeChina数据库，并基于SolidWorks环境二次开发，提供设计师访问3D标准头型的可交互用户界面，但是该数据库的头部模型不能实时多百分位变形，没有实现多百分位适配效果的可视化，其次仅能在SolidWorks中使用头型数据，使其通用性和数据共享性不高；本文实现了头型与产品在多百分位时的动态可视化，且可在浏览器直接使用头型数据做分析；文献[2-3]关于中国三维人头测量的研究，建立了中国人体头面部尺寸3D分析设计辅助系统，可以查看选择人群的头部模型，本文在头部模型的基础上根据中医理论，增添了头部穴位及经络模型；文献[10]基于三维人体测量的穿戴式工业产品造型适配性设计研究，归纳了基于人体数据的产品适配性设计策略，但是没有提出如何对产品进行适配性分析，本文提出的剖切功能可以实现产品与头型间的适配性分析，直观显示产品的结构问题和可优化部位。

本文基于国家标准数据重构中国人的5种头型的三维数字化模型，使用Three.js开发了一个WebGL辅助设计平台，集成了数字化头型和头部穴位及经络分布，能够使设计师方便地获取中国人三维头部尺寸用于开展设计分析。以头部按摩仪产品为例进行了适配性分析，能直观地看到适配性分析结果，发现产品与头部贴合存在的问题。在后续研究中会增加更多的适配性分析功能，建立贴合间隙与干涉的量化评估指标，以及产品作用于头部压力分布的数字化仿真，开展全面的头戴产品舒适性评估分析。

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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

国家自然科学基金项目(11574090)；中央高校基本科研业务费项目(2017ZX013)；华南理工大学双一流人才队伍建设项目(D6192270)

邵玉光(1997-)，男，安徽蚌埠人，硕士研究生。主要研究方向为设计与人因、交互设计。E-mail：11465310@qq.com

姜立军(1968-)，男，湖南益阳人，教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为计算机图形学、人机交互。E-mail：ljjiang@scut.edu.cn