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防霾口罩造型设计研究

随着我国城市化进程的加速,在经济社会快速发展的同时,也导致了雾霾污染等环境问题。改善空气质量非朝夕之功,因此个人防霾产品必不可少。然而在市场上常见的防霾口罩造型、型号过于单一,舒适度也不尽如人意,无法做到与脸部紧密贴合。本课题以防霾口罩为对象,运用逆向工程技术采集脸型特征数据,采用控制点均值法得出标准数据。[1][2]提出符合人机工程学并且造型多样的防霾口罩设计方案。
 
研究对象确立及样本数据采集
首先确定脸型数据采集范围。根据颅骨形态学测量结果,中国人体质特征类型分为北部类型和南部类型两大类。[3]文章以天津地区为例,进行脸型特征数据采集。为排除皮肤因素的影响,选取18~25岁青年为数据采集对象。这个年龄阶段青年皮肤张紧度较好,与骨骼平行,皮肤表面三维形态可以体现地区颅骨形态特征。将对象样本首先按性别分为男、女两大类,每类分别按照身高规格分为S、M、L、XL四个规格,每一类别样本容量为100人。
用光学三维扫描仪对每个样本进行人脸三维扫描,得到点云数据,共得到八组样本数据。(见图1)
 
数据处理及数据库建立
(1)点云数据转换成网格数据。将点云数据进行拼接、拟合、降噪处理,转化成网格数据。并将网格数据模型以stl格式导出。(见图2)
(2)脸型数据特征化。将网格数据导入Rhino软件,在主视图中使用曲线工具画出口罩上边缘,侧视图上画出口罩侧边缘,仰视图上画出口罩底部边缘,并分别投影在脸型网格模型上,得到特征多重直线。(见图3、图4)
(3)多重直线转换成nurbs曲线。将得到的多段直线采用重建的方式转化成nurbs曲线,保证重建曲线的最大偏差值在0.1以内。最终得到6阶7点的nurbs曲线,记作S(CV1,CV2, …, CV7)。(见图5)
 
口罩造型设计
(1)中线搭建。根据均值曲线与人脸模型设计出口罩中线。经过调整得到6阶7点的光顺曲线。(见图6)
(2)建出曲面。建出口罩曲面,为确保美观度将口罩中间的衔接面进行混接重建并且调整曲面的UVN坐标。(见图7)
(3)完善口罩三维模型。根据耳朵位置与脸颊形状,构建口罩绑带三维模型。(见图8)采用多种花纹装饰及色彩装饰的方式提出防霾口罩最终的设计方案。(见图9)
 
5 结 论
文章以颅骨形态学为设计依据,以天津地区脸型形态特征为研究对象,运用逆向工程技术采集脸部数据将采集到的脸型数据求出样本均值,应用样本均值得出特征曲线,在此基础上提出的防霾口罩造型设计。并且,针对不同身高提出了多种规格的设计方案,最大限度地满足了多种人群的需要,实现了防霾口罩与特定地区的人群脸型特征实现高度吻合,对于防霾口罩的设计具有指导意义。