作者:崔雪芹 卜叶 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/26 11:56:27
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“量脸定制”护目镜让佩戴更舒适

 

护目镜有助于防止病毒通过喷溅或气溶胶方式接触佩戴者,但使用中也存在不少弊端。例如尺寸单一,依靠强力勒紧系带进行脸部形状适配,长时间会造成脸部皮肤严重“压疮”;近视人员使用时需要内外戴两副眼镜,使用不便并易产生雾气影响视野等。

近日,浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室周昆团队研制出一款“量脸定制”的护目镜。该护目镜能够测量出不同佩戴者的脸部形状,并利用3D打印技术完成生产个性化生产,解决了护目镜长时间佩戴的舒适性问题,并能为佩戴者提供更周全的保护。

一只手机即可获得脸部形状数据

实现个性化护目镜,首先要获得每位用户的脸部三维数据,即量脸。目前,现有的部分手机和平板设备自带的深度相机就拥有三维扫描功能。

“传统三维测量需要昂贵的专用设备,操作起来效率较低。”周昆介绍,如今通过手机或平板设备的三维扫描能够一次获取全部数据,进而构建出“人脸数字地图”。

这张“地图”集成了和人脸相关的各项数据,能够让计算机全面掌握测量对象的面部特征,并获知眼珠、眼眶、鼻子等关键部位的位置与形状,为后续护目镜自动设计奠定基础。

30秒完成三维设计

构建数字化模型是生成完美贴合人体眼眶的护目镜的关键一环。周昆举例,要为一口锅配一个严丝合缝的锅盖,不同形状大小的锅就会需要不同的盖子,而护目镜与人脸的匹配相较于规则图形显然更为困难。

“头部的尺寸、瞳孔的位置、眼眶的倾角等,都会影响护目镜的最终形状。”周昆说,这种个性化定制就是要让描述护目镜形状的几万个“点”,通过不断的调整、优化而完全贴合人脸。

近视用户如何佩戴护目镜呢?为了避免近视用户同时要佩戴两副眼镜的尴尬,科研人员希望直接在护目镜上生成安装镜片用的片槽,同时通过侧面通气孔增加空气对流以减少起雾。而这些关键功能的实现又为设计提出不小的挑战,即如何快速自动生成兼顾众多目标的护目镜。

周昆介绍,眼镜片槽形状直接决定镜片能否无缝安装,因此在优化过程中需要保持不变,而护目镜外沿与眼眶在实现贴合过程中要接触均匀。周昆团队借助在三维建模和GPU计算方向上的积累,确定了梯度域级联优化的整体思路,利用GPU的大规模并行计算能力加快了优化求解过程,解决了接触面控制、槽孔位保持、自动对称调整等难点,实现了获得用户脸部模型后30秒内完成护目镜自动化设计,做到了“立等可见”。

3D打印技术应用前景广阔

模型建好后,就可以生产了,但传统开模生产方式无法生产这样的定制化产品,所幸3D打印技术为科研人员提供了新思路。

3D打印技术的发展和快速普及,使得人类可以在较短时间内以较低的成本完成护目镜的定制化生产,甚至在护目镜表面彩印上个性化图案。创新的生产方式让这一护目镜技术顺理成章地走出实验室。目前,这项研究成果已经申请了国家发明专利,并在浙江杭州两家医院展开了临床应用试验。

“这种护目镜戴上去舒适多了。整个镜圈贴合在眼眶上,脸上的压迫感分布比较均匀,即使整天佩戴着,脸上的压痕也不明显。镜片直接安装在护目镜上,再不用里一层外一层套着戴眼镜和护目镜了,起雾问题也大大改善。”医护人员评价。

实际上,作为定制化的头戴设备自动设计,这一技术的应用场景并不限于个人或医用防护。“未来不管是针对运动眼镜,还是虚拟现实/增强现实的头戴设备,这都是一项极具前景的技术。”周昆说。

 
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