三维参数化人脸建模面向个性化产品设计：眼镜框设计案例

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高级工程信息学

第 32 卷，2017 年 4 月，第 202-223 页

3D parametric human face modeling for personalized product design: Eyeglasses frame design case

作者：Chih-Hsing Chu, I-Jan Wang , Jeng-Bang Wang , Yuan-Ping Luh

地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1474034617300927

摘要

个性化设计通过满足客户个性化需求来提升产品或服务的附加值，如今已成为消费品开发的一种趋势。本文提出了一种基于参数化人脸建模的眼镜架个性化设计的计算框架。通过非接触式扫描收集大量三维人脸模型作为训练数据。应用主成分分析在保留足够数据方差的同时降低了数据复杂度。使用交叉参数化修改简化模型，使它们具有相同的网格连通性。克里金法表征脸部模型的网格点坐标与一组特征参数之间的相关性。克里金法结果合成了具有给定参数值近似于个人用户的 3D 脸部几何图形。将合成的几何图形与真人脸部图像一起渲染可生成逼真的脸部模型。这些模型不仅可以实时调整镜框设计，还可以评估设计风格是否或如何适合个人脸部特征。本研究通过实现以人为本的设计理念，提高了 3D人体测量数据的实用价值。

舒适导向和装配引导中国儿童眼镜批量化尺寸定制方法的概览，用于开发眼镜尺寸系统。它包括五个主要步骤：① 参数化头部网格收集，② 光学模板建模，③ 眼镜模板建模，④ 几何变化分析（包括④.1 描述性统计分析和④.2 统计模型创建），和⑤ 部件尺寸化（包括⑤.1 鼻托，⑤.2 眼镜腿，和⑤.3 镜框）。在④.1 描述性形状统计中，沿不同轴计算了每个顶点的标准差。在④.2 统计形状模型中，使用了第一主成分（PC）（① 和 ②）具有不同载荷和平均形状 M 用于生成代表性形状。升序排列的四个尺寸 - 小号、中号、大号和特大号 - 分别表示为S、M、L和XL。特别是对于每个部件的尺寸化，计算了培训对象的整体舒适度和覆盖率作为目标。

文章概要

眼镜对于矫正和保护近视/远视的儿童视力至关重要。随着儿童年龄的增长，他们的头部也在不断发育，这可能导致眼镜不合适且不舒适。因此，迫切需要更好的儿童眼镜尺寸，但迄今为止，这个主题尚未得到充分探讨。为了解决这个问题，我们提出了一种基于统计眼科模型的以舒适为导向和以组装为引导的方法，以建立一个眼镜尺寸系统。首先，我们开发了一个组装引导设计方案，其中眼镜可以分为三个组件 - 镜框、眼镜腿和鼻托 - 并以不同的组合方式组装。然后，我们对儿童头部眼科区域的几何变化进行建模。在此之后，我们使用描述性统计来确定鼻托和眼镜腿的尺寸，并采用具有遗传算法的统计模型来搜索代表性形状并定制镜框尺寸。在这里，覆盖率和整体舒适度被计算为目标函数。实验结果表明，既有组装引导设计方案又有以舒适为导向的搜索策略可以有效产生更舒适的眼镜尺寸系统。我们的方法还可以扩展到其他头部和身体可穿戴设备。

我们开发了一种新颖的以舒适为导向和以组装为引导的框架，专注于儿童眼镜尺寸系统的改进。据我们所知，这是首次为儿童建立眼镜尺寸系统的工作。主要贡献可以总结如下：

我们开发了一种新颖的以舒适为导向和以组装为引导的框架，以提供更高整体舒适度和覆盖率的儿童眼镜尺寸。
我们提出了一种新颖的组装眼镜设计方案，可以进一步提高尺寸系统的用户覆盖率和整体舒适度。
我们创建了一个3D统计眼科模型，为儿童眼镜设计提供了眼科区域的几何变化。
我们将建立以舒适为导向的尺寸系统的通用方法扩展到自行车头盔，这表明该框架可以应用于更多头部和身体可穿戴设备。

眼科区域的统计形状模型。(左) 平均头部几何形状 S; (右，第1行) 前五个主成分，权重为3σi; (右，第2行) 相同的主成分，权重为-3σi; 以及 (右，第3行) 相应的绝对特征向量载荷分布；所有测量的单位均为毫米。

具有六种不同尺寸的镜框尺寸系统结果。(a) 遗传算法的演变曲线。(b) 黄色的镜框，宽度分别为: [115.7, 121.0, 126.2, 132.1, 138.4, 146.4] 毫米，这些镜框是根据六个生成的灰色眼科网格以及PC1的加载（[-2.38, -1.62, -0.85, -0.01, 1.00, 2.10]）进行定制的。

介绍

如今的消费者受教育程度高，要求也高。他们开始寻求不仅能满足功能需求，还能满足情感需求的产品。因此，个性化的产品设计已成为当今市场的趋势。服装、配饰和鞋子等软产品是体现个人风格和品味的重要手段，因此对设计定制和个性化的需求非常强烈[1]。当今市场上大多数商业产品仍然是由可能不考虑消费者喜好或特定需求的公司设计的。这种情况背后的一个关键问题是缺乏适当的设计参考和交流平台来即时获取个性化的设计要求[2]。

与人体面部或身体密切相关的产品需要获取用户的个人信息来实现个性化设计。因此，数字人体模型应运而生 [3]。近年来，各种非接触式测量技术（如结构光相机、激光扫描仪和 CT 扫描仪）得到了发展和大幅改进，可以更准确地捕捉人体几何形状。尽管最近取得了这些进展，但高精度 3D 扫描仪仍然相对昂贵，而且并非总是最终客户能够负担得起。已经建立了人体测量数据库系统，用于研究不同种族群体的体形和尺寸 [4]、[5]、[6]。设计师已经开始使用人体测量数据得出的结果来改进产品设计。他们的典型做法是根据结果确定关键设计参数，或据此确定尺寸。这样构建的产品设计通常符合客户对人体工程学的要求。

参数化建模是一种常见的工程设计技术，用于构建规则形状的二维或三维组件模型[7]，[8]。该技术也已应用于控制人体几何形状，人体几何形状非常复杂，通常以三角网格的形式表示。Allen 等[9]分析了欧洲和美国的三维人体测量数据。他们应用参数化设计技术重建三维人体模型。Chu 等[10]将人体模型中的网格坐标描述为一个语义参数的线性方程组。可以使用一组新的语义参数从人体测量数据库中的典范人体合成一个新的三维人体。Baek 和 Lee[11]提出了一种基于大量三维全身数据的人体参数化形状建模框架。通过统计分析来描述人体体形变化及其与重要特征尺寸的相关性。开发了交互式建模技术，使用输入的体形尺寸生成体形模型。Jiang 和 Lu [12] 使用参数化人体模型实现了产品人机工程学座椅设计。将人体数据直接映射到产品设计参数提供了一种应用人机工程学设计原理并确保其效率和可靠性的可行方法。Mochimaru 和 Kouchi [13] 构建了一个 3-D 脸型数据库系统，并从统计学上得出了日本成年男性的代表性脸型。他们还开发了一个眼镜框推荐系统，该系统根据测量的个人用户的 3D 脸型推荐合适的镜框尺寸。该系统报告个人脸上佩戴选定的眼镜框所产生的特定情感反应的印象评级。

从产品设计角度对3D人脸建模的研究相对较少。人体工程学专家已经完成了对不同族群的人体面部和头部的人体测量分析。Zhuang 和 Bradtmiller [5] 构建了一个人体测量数据库，详细记录了呼吸器使用者的面部尺寸分布。他们通过测量 3997 名美国平民工人的面部尺寸和标志位置建立了贴合度测试面板 [14]，[15]。Kuo 等人 [16] 从 300 块 3D 扫描数据中应用 PCA 获得了描述台湾年轻男性头部形状的主要变量。通过聚类分析确定了四种头形。最近在 Size China 项目中，Luximon 等人 [17] 开发了针对中国成年人的大规模人体测量数据库。使用PCA分析头部和脸部形状的变化。

上述文献综述表明，大多数研究分析了人体测量数据中的参数值分布，以确定与人体工程学相关的产品尺码。尺码结果可能满足大多数客户的需求，但如果不区分各个参数值，则可能无法支持个性化设计。对于与人体高度相关的消费产品，开发具有详细用户信息的产品是非常可取的。更有效的方法是构建目标客户的部分或整体身体形状，并应用计算机辅助设计工具根据形状自动或半自动完成产品设计[18]，[19]。构建的体形可作为有用的设计参考，有助于根据个人需求进行设计评估。参数驱动的方法也用于虚拟人脸的合成[20]。这些计算机模型可以提供由不同参数值控制的各种情绪表情。

秉承这一理念，我们旨在开发人脸参数化建模技术，实现人脸产品的个性化设计。通过3D非接触式扫描获取大量人脸数据，作为构建参数化人脸模型的训练输入。对数据进行主成分分析（PCA）以减少噪声并降低其复杂度，同时保留足够的方差。对简化数据进行交叉参数化，以生成具有相同连通性的网格格式的人脸模型。基于克里金的非线性回归方法将人脸模型的网格点坐标与一组可测的特征参数相关联。克里金结果通过给定的参数值合成并控制人脸模型以逼近个人用户。实现参数化建模技术的原型设计工具展示了合成的脸部模型如何实现眼镜框架的个性化设计。可以交互地评估和调整镜框尺寸和设计风格以适合个人脸部。本研究提供了一种可行的个性化产品设计方法，该方法使用从人体测量数据中获得的参数化脸部模型。本文的其余部分组织如下。第 2 节描述了所提出的参数化建模方法的数学细节。第 3 节通过分析各种测试条件下的结果证明了该方法的有效性。下一节将介绍实现眼镜框架个性化设计方法的原型设计工具。最后一部分总结了这项工作的技术贡献并做出了结论性评论。