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浙大學者發明“量臉定制”護目鏡,佩戴更舒適保護更周全

發布時間:2020-05-25來源:浙大新聞辦作者:柯溢能0

護目鏡有助于防止病毒通過噴濺或氣溶膠方式接觸佩戴者,但在使用中也存在不少弊端。例如尺寸單一,依靠強力勒緊系帶進行臉部形狀適配,長時間勒緊皮膚造成臉部嚴重“壓瘡”,且存在破口感染風險。近視人員使用時需要內外戴兩副眼鏡,使用不便并且會產生霧氣影響視野。

浙江大學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室周昆教授團隊近日研制出一款“量臉定制”的護目鏡,該護目鏡通過三維測量每個佩戴者的臉部形狀生成完全貼合的個性化定制,并利用3D打印技術完成生產,解決了護目鏡長時間佩戴的舒適性問題,并能為佩戴者提供更周全的保護。


一只手機,就可獲得用戶臉部形狀數據

量臉,即獲得每一個用戶的臉部三維數據,這是個性化護目鏡的第一步。隨著技術的日益發展,現有的部分手機和平板設備自帶的深度相機就擁有三維掃描功能。

“傳統三維測量需要昂貴的專用設備,操作起來效率也低?!敝芾ソ榻B,現在通過手機或平板設備的三維掃描能夠一次獲取全部數據,進而構建出“人臉數字地圖”。

這張地圖集成了和人臉相關的各項數據,能夠讓計算機全面掌握對象的面部特征,并得知眼珠、眼眶、鼻子等關鍵部位的位置與形狀,為后續護目鏡自動設計奠定基礎。


立等可見”,30秒自動化程序完成三維設計

護目鏡的數字化模型如何構建是生成完美貼合人體眼眶的幾何形狀的關鍵一躍。

打個比方要為一口鍋配一個嚴絲合縫的鍋蓋,不同的形狀大小,就要產生不同的蓋子。而護目鏡與人臉的匹配相較于規則圖形顯然要更為困難。

周昆說,這種個性化定制就是要讓描述護目鏡形狀的幾萬個“點”,通過不斷的調整、優化而完全貼合人臉?!邦^部的尺寸、瞳孔的位置、眼眶的傾角,都會影響到護目鏡的最終形狀?!?/p>

科研人員通過直接在護目鏡上生成安裝鏡片用的片槽避免了同時要佩戴兩副眼鏡的尷尬,通過側面通氣孔增加空氣對流減少起霧,而這些關鍵功能的實現又為設計提出不小的挑戰——快速自動生成兼顧眾多目標的護目鏡設計。

眼鏡片槽形狀直接決定鏡片的無縫安裝因此在優化過程中需要始終保持;護目鏡外沿與眼眶在實現貼合過程中要接觸均勻;為了實現生產,鏡框的壁厚變化有限制;各部分的形狀線條要光順和美觀……

這些問題如何解決?周昆團隊憑借在三維建模和GPU計算方向上的深厚積累,短時間內確定了梯度域級聯優化的整體思路,并解決了接觸面控制、槽孔位保持、自動對稱性調整等難點問題,利用了GPU的大規模并行計算能力來加速優化求解過程,實現了獲得用戶臉部模型后30秒內完成護目鏡的自動化設計,做到了“立等可見”。


3D打印技術開展生產,應用前景廣闊

世界上沒有兩個人的臉是一模一樣的,這意味著根據用戶臉型生成的每一副護目鏡都具有獨一無二的形狀。傳統開模生產方式無法生產這樣的定制化產品,而3D打印技術可以很好地解決這一問題。

3D打印技術的發展和快速普及,使得可以在很短時間內以較低的成本完成護目鏡的定制化生產,甚至在表面彩印上個性化圖案。創新的生產方式讓這一護目鏡技術能夠順理成章地走出實驗室,直接服務廣大醫護人員。

目前這項研究成果已經申請了國家發明專利,并在杭州兩個醫院開展了臨床應用測試。

醫護人員普遍評價:“這種護目鏡戴上去舒適多了。整個鏡圈貼合在眼眶上,臉上的壓迫感分布比較均勻,即使整天佩戴著,在臉上留下的痕跡也不明顯,取下后很快就消失了。鏡片直接安裝在護目鏡上,再不用里一層外一層套著戴眼鏡和護目鏡了,起霧問題也大大改善?!?/p>

“實際上,作為定制化的頭戴設備自動設計,這一技術的應用場景并不限于個人或醫用防護?!敝芾フf,未來不管是針對運動眼鏡,還是虛擬現實/增強現實的頭戴設備,這都是一項極具前景的技術。

(文 柯溢能/圖片由課題組提供)

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