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不起雾!浙江大学研制出“量脸定制”3D打印护目镜
2020-05-24 10:35:00
浙江大学
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  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,但在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,长时间勒紧皮肤造成脸部严重“压疮”,且存在破口感染风险;近视人员使用时需要内外戴两副眼镜,使用不便并且会产生雾气影响视野。

  浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室周昆教授团队近日研制出一款“量脸定制”的护目镜,该护目镜通过三维测量每个佩戴者的脸部形状生成完全贴合的个性化定制,并利用3D打印技术完成生产,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,就可获得用户脸部形状数据

  量脸,即获得每一个用户的脸部三维数据,这是个性化护目镜的第一步。随着技术的日益发展,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,操作起来效率也低。”周昆介绍,现在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对象的面部特征,并得知眼珠、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。

  “立等可见”,30秒自动化程序完成三维设计

  护目镜的数字化模型如何构建是生成完美贴合人体眼眶的几何形状的关键一跃。

  打个比方要为一口锅配一个严丝合缝的锅盖,不同的形状大小,就要产生不同的盖子。而护目镜与人脸的匹配相较于规则图形显然要更为困难。

  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。“头部的尺寸、瞳孔的位置、眼眶的倾角,都会影响到护目镜的最终形状。”

  科研人员通过直接在护目镜上生成安装镜片用的片槽避免了同时要佩戴两副眼镜的尴尬,通过侧面通气孔增加空气对流减少起雾,而这些关键功能的实现又为设计提出不小的挑战——快速自动生成兼顾众多目标的护目镜设计。

  眼镜片槽形状直接决定镜片的无缝安装因此在优化过程中需要始终保持;护目镜外沿与眼眶在实现贴合过程中要接触均匀;为了实现生产,镜框的壁厚变化有限制;各部分的形状线条要光顺和美观……

  这些问题如何解决?周昆团队凭借在三维建模和GPU计算方向上的深厚积累,短时间内确定了梯度域级联优化的整体思路,并解决了接触面控制、槽孔位保持、自动对称性调整等难点问题,利用了GPU的大规模并行计算能力来加速优化求解过程,实现了获得用户脸部模型后30秒内完成护目镜的自动化设计,做到了“立等可见”。

  3D打印技术开展生产,应用前景广阔

  世界上没有两个人的脸是一模一样的,这意味着根据用户脸型生成的每一副护目镜都具有独一无二的形状。传统开模生产方式无法生产这样的定制化产品,而3D打印技术可以很好地解决这一问题。

  3D打印技术的发展和快速普及,使得可以在很短时间内以较低的成本完成护目镜的定制化生产,甚至在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能够顺理成章地走出实验室,直接服务广大医护人员。

  目前这项研究成果已经申请了国家发明专利,并在杭州两个医院开展了临床应用测试。

  医护人员普遍评价:“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,在脸上留下的痕迹也不明显,取下后很快就消失了。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。”

  “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。”周昆说,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。

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