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高级工程信息学
第 59 卷，2024 年 1 月，102266
Size children’s eyeglasses: An assembly-guided and comfort-oriented optimization approach based on 3D statistical ophthalmic modeling
作者：Jie Zhang, Junjian Chen, Fang Fu, Yan Luximon.
a、 School of Design, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China
b、 Laboratory for Artificial Intelligence in Design, Hong Kong Science Park, Hong Kong, China
Github: https://github.com/Easy-Shu/Eyeglasses_Comfort_Modelling
地址：https://doi.org/10.1016/j.aei.2023.102266
研究亮点
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我们开发了一种新颖的以舒适为导向的眼镜尺寸框架。
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我们提出了一种新颖的组合眼镜设计方案来确定眼镜的尺寸。
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我们为儿童眼镜设计创建了 3D 统计眼科模型。
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这项研究率先建立了儿童眼镜尺寸系统。
对人体测量/产品参数与人类感知之间的量化关系进行建模，为人体工程学产品的大规模定制和个性化提供了研究驱动的指导方针。然而，这些方面仍未得到充分探索。本研究通过两个变量（即鼻托宽度和镜腿夹紧力）研究了儿童对眼镜的舒适度感知，并建立了主观人类感知与客观 3D 人体测量/产品参数之间的量化联系模型。据我们所知，这是首次量化人体工程学眼镜设计中这些关系的研究。
使用 OLS 回归计算不同条件下原型感知整体舒适度的趋势面，其中两个独立变量是鼻托宽度比例因子和镜腿夹紧力。
对于眼镜架，有两个部件与面部表面接触：（1）鼻托与鼻梁接触，（2）镜腿与外耳上部附着处的颞区和耳朵后部的乳突区接触。因此，面部表面有两个主要的眼镜附着点：鼻附着点 (NAP) 和耳附着点 (EAP)。它们都不同于之前验证过的标志（例如，耳屏、眉间和上颌额）。因此，我们提供了一个带有 NAP/EAP（“Template_Landmarks.csv”）的参数化 3D 面部网格模板（“Template_Face.ply”）以供参考。
摘要
眼镜对于矫正和保护近视/远视儿童的视力至关重要。随着年龄的增长，儿童的头部也会长大，这很容易导致眼镜佩戴不合适和不舒服。因此，需要更好的儿童眼镜尺寸，但迄今为止，这一主题尚未得到充分探索。为了解决这个问题，我们提出了一种基于统计眼科模型的舒适度导向和装配指导方法来建立眼镜尺寸系统。首先，我们开发了一种装配指导的设计方案，其中眼镜可以分为三个部分——镜框、镜腿和鼻托——并以不同的组合进行组装。然后，我们对儿童头部眼科区域的几何差异进行了建模。之后，我们使用描述性统计数据确定鼻托和镜腿的尺寸，并采用统计模型和遗传算法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，装配引导设计方案和以舒适度为导向的搜索策略都可以有效地产生更舒适的眼镜尺寸系统。我们的方法也可以扩展到其他头部和身体可穿戴设备。
介绍
近视已变得非常普遍，尤其是在学龄儿童中 [1]、[2]、[3]，在 COVID-19 大流行期间，近视儿童的比例尤其显著 [4]。因此，作为矫正和保护视力的工具 [5]，眼镜对有视力问题的儿童来说变得更加重要。与成人的头部相比，儿童的头部宽度较小 [6]，并且随着年龄的增长而增长 [7]。这些变化很容易导致眼镜贴合度不佳，让儿童佩戴不舒服。这类问题还可能造成潜在的安全问题和医疗问题。因此，迫切需要一个包括相对多种眼镜尺寸规格的儿童专用尺寸系统，以满足不同年龄段儿童的需求 [8]。
目前已建立了许多类似的头戴式设备系统，其中人体头部测量数据是头戴式设备设计的基础。与一维人体测量相比，3D 扫描技术可以生成更为精确的人体测量数据，用于建立尺寸体系。随着三维 (3D) 扫描技术的快速发展，现在捕获 3D 头部数据相对容易和方便。这些尺寸体系建立方法大致可分为两大类：（1）基于聚类的方法；（2）基于主成分分析 (PCA) 的方法。在第一类中，使用不同的聚类方法将 3D 头部分为几个簇，以生成代表性头型，例如 K 均值算法 [9]、K 中心点算法 [10]，分层聚类算法 [11] 和两级自组织映射 [12]。在第二类中，使用 PCA [13] 提取主成分及其标准差，以生成代表性头型 [14]。在其他研究中，用多维缩放（MDS）代替 PCA 来计算独立变量（尺度）以生成代表性头型 [15]。最后，根据这些代表性头型定制不同尺寸的面部服饰或头饰作为尺寸系统。然而，虽然这些研究侧重于成年人，但针对儿童的眼镜尺寸系统仍未得到充分探索。此外，这些现有的头饰尺寸确定方法并未考虑系统对目标人群的整体舒适度。PCA [13] 用于提取主成分及其标准差，以生成代表性头型 [14]。在其他研究中，PCA 被多维缩放（MDS）取代，以计算独立变量（尺度）来生成代表性头型 [15]。最后，根据这些代表性头型定制不同尺寸的面部服饰或头饰作为尺寸系统。然而，虽然这些研究侧重于成年人，但儿童的眼镜尺寸系统仍未得到充分探索。此外，这些现有的头饰尺寸确定方法没有考虑系统对目标人群的整体舒适度。PCA [13] 用于提取主成分及其标准差，以生成代表性头型 [14]。在其他研究中，PCA 被多维缩放（MDS）取代，以计算独立变量（尺度）来生成代表性头型 [15]。最后，根据这些代表性头型定制不同尺寸的面部服饰或头饰作为尺寸系统。然而，虽然这些研究侧重于成年人，但儿童的眼镜尺寸系统仍未得到充分探索。此外，这些现有的头饰尺寸确定方法没有考虑系统对目标人群的整体舒适度。PCA 被多维尺度分析 (MDS) 取代，用于计算独立变量（尺度）以生成代表性头型 [15]。最后，根据这些代表性头型定制不同尺寸的面部或头饰作为尺寸系统。然而，虽然这些研究侧重于成年人，但儿童的眼镜尺寸系统仍未得到充分探索。此外，这些现有的头饰尺寸测量方法没有考虑系统对目标人群的整体舒适度。PCA 被多维尺度分析 (MDS) 取代，用于计算独立变量（尺度）以生成代表性头型 [15]。最后，根据这些代表性头型定制不同尺寸的面部或头饰作为尺寸系统。然而，虽然这些研究侧重于成年人，但儿童的眼镜尺寸系统仍未得到充分探索。此外，这些现有的头饰尺寸测量方法没有考虑系统对目标人群的整体舒适度。此外，这些现有的头饰尺寸确定方法没有考虑系统对于目标人群的整体舒适度。此外，这些现有的头饰尺寸确定方法没有考虑系统对于目标人群的整体舒适度。
不合适和不舒服的儿童眼镜会导致身体不适、视力问题、眼部健康问题，并导致不愿意经常佩戴，从而可能影响视力矫正和眼部健康。先前在眼镜领域的研究 [16], [17] 主要侧重于个性化眼镜框设计，但忽视了目标人群的贴合度和舒适度考虑，没有建立眼镜尺寸系统。然而，已经有大量关于身体可穿戴物品设计的研究，重点是实现适当的贴合度和舒适度，例如开发舒适且合脚的鞋子 [18], [19]。这些研究强调了贴合度和舒适度在设计和制造过程中的关键作用。因此，当谈到头戴式设备时，尺码系统应解决多目标优化问题。该系统的目标是通过限制产品尺码范围来最大限度地降低生产成本，同时确保产品为广大用户提供良好的合身性和舒适性。实现这些目标不仅可以提高产品安全性，还有助于提高销量和知名度[20]。
为了解决上述限制，我们开发了一种新颖的以舒适度为导向、以装配为指导的框架，以创建一个更好的儿童眼镜尺寸系统，该系统包括三个主要步骤：（1）收集和参数化 3D 头部扫描数据，（2）提取眼科区域特征并创建统计模型，以及（3）眼镜组件尺寸定制。为此，我们使用 793 名儿童的参数化 3D 头部扫描数据（在我们之前的研究中收集 [7]）来计算眼科区域的几何方差，并使用 PCA [13] 创建 3D 统计眼科模型。确定了几种主成分负载的最佳组合，并使用遗传算法 (GA) [21]、[22] 来生成代表性的 3D 形状并定制相应的眼镜作为尺寸系统，其中，使用合格的眼镜舒适度模型 [23] 计算尺寸系统的整体舒适度和覆盖率为目标。此外，我们提出了一种设计方案，其中可以使用三个独立组件（镜框、镜腿和鼻托）的任意组合来组装一副眼镜。据我们所知，这是第一项建立儿童眼镜尺寸系统的工作。主要贡献可概括为：
• 我们开发了一种新颖的以舒适度为导向、以组装为指导的框架，用于确定儿童眼镜的尺寸，以提高整体舒适度和覆盖率。
• 我们提出了一种新颖的组合眼镜设计方案，可以进一步增加尺寸系统的用户覆盖范围和整体舒适度。
• 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差异。
• 我们将建立舒适度导向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的头部和身体可穿戴设备。
材料和方法
图 1 显示了眼镜尺寸系统的装配指导和舒适度导向方法的概述。它包括五个主要步骤：
产品尺寸确认
每种部件的四种尺寸按升序排列，分别用小号 (S)、中号 (M)、大号 (L)、特大号 (XL) 表示，如表 4 所示。理论上，当鼻托、镜框和镜腿各有四种尺寸时，总共有 64 种可能的组合 (4 × 4 × 4)。但实际上，有一些组合未被使用，例如，S 号镜框搭配 XL 号鼻托。实际上，在可能的 64 种组合中，只有 41 种被实际使用，而使用尺寸的组合
结论
在本研究中，我们开发了一个以舒适度为导向、以组装为导向的框架，以建立儿童眼镜尺寸系统。这项工作有效地填补了儿童眼镜尺寸系统的空白。为了确定眼镜架的尺寸，我们首先收集了大量儿童头部扫描数据集，以确保代表目标人群。然后，我们建模了眼科和组装指导的眼镜模板。我们的眼镜由三个可以分离和组装的组件组成
利益竞争声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能对本文所报告的工作产生影响。
致谢
本文所述工作得到了香港研究资助局的优配研究金（项目编号 GRF/PolyU 15603419）和中国香港特别行政区创新及科技基金设计人工智能实验室（项目代码：RP1-3）的支持。
本文由英文使用ChatGPT翻译而来， 如有文字表达有问题的地方，请阅读原文。
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