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量臉定制!浙大學者發明定制化護目鏡,已在杭州醫院開展臨床應用測試

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。
2020-05-24 12:37:12  來源:浙青網-青年時報  作者:記者 任方圓 通訊員 鄧國芳   編輯:蔡霞

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。

量臉定制!浙大學者發明定制化護目鏡,已在杭州醫院開展臨床應用測試

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。

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“傳統三維測量需要昂貴的專用設備,操作起來效率也低。”周昆介紹,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。“頭部的尺寸、瞳孔的位置、眼眶的傾角,都會影響到護目鏡的最終形狀。”

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。

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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。

量臉定制!浙大學者發明定制化護目鏡,已在杭州醫院開展臨床應用測試

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眼鏡和護目鏡了,起霧問題也大大改善。”

“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。”周昆說,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。

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