基于人体数据的耳机改良与验证方法

王海宁

关键词：头戴式耳机 可穿戴产品 人体数据 头耳特征 适配 舒适 主观评价 客观评价

引言

近年来无线头戴式耳机越来越受消费者欢迎，其舒适性也逐渐成为最能影响消费者购买意愿的因素。但现主流头戴式耳机较长时间佩戴后均容易产生不适感，而这种不适感常常与耳机不适配有关。如何通过产品设计提高头戴式耳机的适配性，从而降低耳机佩戴时造成的不适感，是对其进行产品设计时需要研究的重要问题。

从产品设计人机工学角度出发，头戴式耳机属于可贴身穿戴的产品，其舒适性与用户的生理特征密切相关[1] 。故需要对头戴式耳机相关的人体特征进行研究，着重研究其佩戴时与人体直接接触部分的生理特征，以有效提高其佩戴舒适性。头戴式耳机相关人体特征主要有头部和耳部的外部形态特征，而采集人体外部形态特征最准确有效的方法即是通过人体扫描获取三维数据，以此获得辅助设计的人体数据。Lacko 等[2] 通过核磁共振扫描获得100个人体头部三维模型样本，然后通过输入用户头长、头围等 5 个关键特征数据，就可获得类似所输入用户的头部特征，以用于头戴产品的定制设计。Chiu等[3] 将扫描获得的外耳形状特征分为三类，并通过分析各类外耳尺寸，给出耳机相关耳部特征的设计参考尺寸。

在完成基于人体扫描数据的产品设计后，同样可以利用人体数据对其产品舒适性进行验证，Skals等[4] 建立了结合头盔内垫与头部接触面之间的平均误差和标准误差以及面积比例等重要指标作为头盔佩戴舒适性的客观评价。产品舒适性客观评价方法是通过设备测算被试的生理反应数据，或直接相关物理指标数据来间接评价产品的舒适性。而舒适性受生理和心理两方面因素同时影响，故产品舒适性评价还应考虑主观心理上的直接评价。

在完成基于人体扫描数据的产品设计后，同样可以利用人体数据对其产品舒适性进行验证，Skals等[4] 建立了结合头盔内垫与头部接触面之间的平均误差和标准误差以及面积比例等重要指标作为头盔佩戴舒适性的客观评价。产品舒适性客观评价方法是通过设备测算被试的生理反应数据，或直接相关物理指标数据来间接评价产品的舒适性。而舒适性受生理和心理两方面因素同时影响，故产品舒适性评价还应考虑主观心理上的直接评价。

本文提出了基于人体外部特征数据的两种可穿戴产品设计方法：一是基于简单数据，如头顶部数据，通过聚类分析数据提取特征线辅助形态设计的方法;二是基于复杂数据，如外耳部数据，通过参考数据百分位特征点间距指导尺寸设计的方法。并将这两种方法应用于头戴式耳机的改良设计中，基于人体头部和耳部数据分别对佩戴时与其直接接触的头垫和耳垫进行改良设计。最后再对以此方法设计改良的头戴式耳机，进行客观适配性和主观舒适性评价相，验证其设计改良方法是否有效。

一、基于人体头部和耳部数据的可穿戴产品设计研究方法

本文所研究基于人体数据设计改良的产品为，穿戴时与人体头部和耳部直接接触的头戴式耳机。由于头部和耳部的人体外部曲面形态特征数据复杂程度差异巨大，基于这两类人体数据进行设计改良也采用不同的方法。

（一） 基于人体头部特征线的可穿戴产品设计方法。对于外部曲面形态特征简单，易于抽象为方圆等几何形体的人体部位特征数据，如类圆的头顶部，可采用聚类分析其曲面特征来概括人体部位特征的方法。Lacko等[7] 通过k-menas聚类算法将扫描获得的人体头部特征数据分为四类，并通过同类和不同类别间样本的误差分析，验证了聚类分类的可靠性，最终基于各类别的共性特征设计头戴式脑电产品。本文采用提取头顶特征弧度线，即头戴式耳机与头部直接接触面的弧度线，再聚类分析人体头部数据各类共性特征，即各类特征线重合部分作为头戴式耳机头垫弧度设计参考。

（二） 基于人体耳部特征点的可穿戴产品设计方法。对于外部形态结构特征复杂，难以概括为简单几何形体的人体部位特征数据，如外耳部，可采用直接分析人体与产品接触位置的特征点间距，以获取产品与人体接触部分尺寸设计参考的方法。冉宁鹏等[8] 提取扫描获得的人体耳部特征数据中与耳机设计相关的特征关键点后建立半参数化耳机模型。在耳机数化模型建立过程中，调节耳机上与耳部特征接触干涉的位置点，以实现耳机尺寸与耳部特征点相适配。本文采用提取外耳部四边最远处点横纵间距即耳宽与耳长，再分析该特征数据的百分位间距数值，即能够完全包裹外耳部的耳垫内尺寸范围作为设计参考。

（三）可穿戴产品舒适性评价方法。本文中提出的以上两种基于人体数据设计可穿戴产品度方法，是否使其具有了更好的舒适性还需要验证。目前，国内外对可穿戴产品舒适性的研究以客观评价与主观评价相结合的方法为主。即测算用户穿戴产品时的受力接触情况等生理或物理指标来评价其舒适性，同时用问卷量化用户对产品舒适性的主观感知，最终将客观和用主观评价结合共同定义产品舒适性，这也是本文所采用的舒适性验证方法。

二、应用方法分析头戴式耳机设计相关的人体特征数据

头戴式耳机与人体直接接触部分为头垫和耳垫，是直接影响用户佩戴时对其舒适性主观评价的部分[9] ，也是本文基于人体头部和耳部数据特征改良头戴式耳机设计的研究重点。本文基于中国人体头部三维数据[10] ，对其头顶部和外耳部特征数据进行统计分析，用于头垫和耳垫的改良设计。统计分析的数据包括所扫描的2200位被试的人口统计学信息，以及完成處理的三维人头数据模型，还包括拟合所有人头数据模型所得的百分位的高精度三维头耳模型[11] ，作为头戴式耳机头垫和耳垫设计的人体数据参考。

（一）头垫设计相关人体头部特征数据。人体头部外结构主要由头皮和颅骨组成，厚度约为5.7毫米的头皮组织覆盖在颅骨的外侧，头戴式耳机佩戴时，由于头皮组织薄，头垫与头顶部接触位置，恰好在颅骨上顶点的重要穴位百会穴处。若所佩戴的头戴式耳机的头垫与头顶接触部分压强过大，长时间佩戴便容易导致头疼眩晕。故本研究将以头垫内弧度与头顶弧度特征一致，为头垫改良设计的理想状态，如图1，以确保头垫与头顶部佩戴受力时接触充分，避免头顶点局部压强过大。