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设计只需30秒，完美贴合眼眶 浙江大学“量脸定制”护目镜

本报讯（记者曾福泉通讯员柯溢能）拿起手机给脸部做一次三维扫描，数据导入自动化程序，仅用30秒就自动生成完美贴合眼眶的几何形状。紧接着，一个“量脸定制”的护目镜就由3D打印技术生产出来。浙江大学这项最新成果克服了传统护目镜无法完美贴合的缺陷，日前受到在杭州试戴体验的医护人员好评。

“这是一项自动化设计技术。”浙大计算机辅助设计与图形学国家重点实验室教授周昆说，程序快速完成包括尺寸、倾角、镜眼距、桩头张角等数十项参数的优化计算，让描述护目镜形状的几万个“点”能通过不断调整最终完全贴合人脸。

在战疫一线，传统护目镜给医护人员带来了不少麻烦：尺寸单一，依靠强力勒紧系带“适配”脸部形状；长时间勒紧皮肤造成脸部严重“压疮”，存在破口感染风险；近视人员在眼镜外再套一层护目镜，使用更加不便……

定制护目镜有效解决了长时间佩戴的功能性与舒适性问题。科研人员直接在护目镜上生成安装眼镜片用的片槽，使用者免于戴两副眼镜的负担。设计侧面通气孔，增加空气对流，减少起雾。医护人员试用后说，这种护目镜整个镜圈贴合在眼眶上，脸上的压迫感分布比较均匀，佩戴一整天，压痕也不明显。

周昆教授团队凭借在三维建模和几何计算方向上的深厚积累，解决了定制护目镜设计中接触面控制、槽孔位保持、自动对称性调整等难点问题，并利用GPU的大规模并行计算能力来加速优化求解过程。用户在完成三维扫描后，完美贴合的护目镜设计立等可见。

“3D打印技术的成熟和普及让我们能在很短时间内以较低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。目前这项研究成果已申请国家发明专利，并在杭州两个医院完成了临床应用测试。”周昆表示，定制化头戴设备自动设计技术应用前景广阔，未来还可用于运动眼镜、虚拟现实或增强现实头戴设备等的设计与生产。

浙大专家为医护人员“量脸定制”护目镜 3D打印完美贴合

浙江大学科学家日前用3D打印技术制造出“量脸定制”的护目镜，完全贴合使用者眼眶，解决了护目镜长时间佩戴的功能性与舒适性问题，受到试用医护人员的好评。

在战疫一线，传统护目镜给医护人员带来了不少麻烦：尺寸单一，依靠强力勒紧系带进行脸部形状适配，防护贴合不到位；长时间勒紧皮肤造成脸部严重“压疮”，存在破口感染风险；近视人员需要戴两副眼镜，使用不便并且会产生雾气影响视野等。

浙江大学计算机辅助设计与图形学（CADCG）国家重点实验室周昆教授团队，近日公布了一项最新的研究成果，通过三维测量佩戴者的脸部形状来为每个用户生成完全贴合的护目镜，并通过3D打印技术完成生产。

这是一项护目镜的自动化设计技术，以三维扫描获得用户脸部形状数据，自动化程序完成三维设计，包括尺寸、倾角、镜眼距、桩头张角等数十项参数的最优化计算，生成完美贴合人体眼眶的几何形状，最后以3D打印技术完成生产。

据了解，这项技术主要的挑战在于要快速自动生成兼顾众多的设计目标的护目镜设计，在确保面部贴合的同时，保证片槽、桩头、通气孔等护目镜关键功能部件的形状满足功能要求，还要满足3D打印生产对于壁厚变化的限制，最后甚至需要考虑生成护目镜形状线条的光顺和美观，每个问题单独考虑并不复杂，但耦合在一起就变成了一个十分棘手的优化问题。

周昆教授团队凭借在三维建模和几何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”。

设计不能脱离生产存在。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。创新的生产方式加上已经逐渐普及到个人手机和平板设备上的三维扫描功能，让这一技术能够顺理成章地走出实验室，直接服务广大医护和疫情防控人员。

目前这项研究成果已经申请了国家发明专利，并在杭州两个医院院区完成了临床应用测试。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疫情期间的个人防护。”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。”

短时间，低成本，浙大学者发明“人脸定制”护目镜！

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。

文字记者：柯溢能

图片来源：由课题组提供

今日编辑：浙江大学微讯社傅琳

责任编辑：周亦颖