CN111467131B - 一种3d打印定制护目镜框的自动设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,包括以下步骤:(1)获取用户的三维人脸模型;(2)在三维人脸模型对应的佩戴位置生成镜框;(3)将镜框背部的边沿朝三维人脸模型的脸部方向进行拉伸形变,使镜框背部的边沿与三维人脸模型的脸部轮廓相吻合。本发明能够使生成的护目镜佩戴起来更为舒适、服帖。
Description
技术领域
本发明涉及了一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法。
背景技术
护目镜,包括防风护目镜、运动护目镜以及医用护目镜等,通常都包括有镜框以及连接在镜框两端的松紧带,镜框背部的边沿处设置有硅胶条,将护目镜通过松紧带拉紧佩戴在眼眶处时能够将其罩盖在眼部四周,从而能够防止外界气流、粉尘、水渍以及其他污物等影响眼部,起到使眼部与外界进行隔绝的作用。
目前市面上的护目镜通常都是按照特定的标准化尺寸批量生产制造而成,但每个人的脸部轮廓、大小等各不相同,护目镜和佩戴者的脸部皮肤之间容易产生间隙,而硅胶条的设置虽然能够在一定程度上减少这种间隙,提高防护效果,并且还能够减少对脸部皮肤的压迫感,但长时间使用之后容易对眼部四周形成负压,使眼部四周充血、肿胀,并且还会在脸上留下印痕,佩戴舒适感较差,且影响美观。此外,这些标准化批量生产制造的护目镜其镜片通常也是一体加工成型在镜框上的,不具备任何度数,因而这些护目镜通常尺寸较大,以方便同时将佩戴者的眼镜同时罩盖在护目镜的内侧。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种基于佩戴者脸型定制生成护目镜镜框的自动生成方法,能够使生成的护目镜佩戴起来更为舒适、服帖。
为实现上述目的,本发明提供了一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,包括以下步骤:
(1)获取用户的三维人脸模型;
(2)在三维人脸模型对应的佩戴位置生成镜框;
(3)将镜框背部的边沿朝三维人脸模型的脸部方向进行拉伸形变,使镜框背部的边沿与三维人脸模型的脸部轮廓相吻合。
进一步地,所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括步骤:
(A):从三维人脸模型中划分出眼部条带区域。
所述三维人脸模型包括三维人脸网格模型和三维面部特征点集合;
所述步骤(A)具体包括:根据三维人脸网格模型和三维面部特征点集合,划分出所述眼部条带区域,并得到所述眼部条带区域的点云集合;
所述步骤(3)具体包括:
(3.1)与人脸正向相交的投影点和在与镜框背部最近人脸平面上的正投影点;
(3.2)设定变形的次数,按照比例插值人脸正向交点和镜框背部正投影点,对镜框背部进行逐渐的变形,并在变形后再次更新新的投影点,直到变形结束。
进一步地,所述三维人脸模型的眼部条带区域的划分基于三维人脸模型中的鼻尖点、两端眉上点、两端脸部上轮廓点位置。
进一步地,所述步骤(3.1)具体包括:
对镜框背部点,估计求其在眼部条带区域中,三维人脸模型上的最近点集,求背部点在这个点集拟合的平面上,沿脸部正向以及该平面法向的投影点。
进一步地,所述步骤(3.2)具体包括:
(3.2.1)设定变形的迭代次数,根据次数,设定插值的比例。
(3.2.2)按比例插值沿脸部正向和该平面法向的投影点,得到目标投影点,并根据设置的脸部距离,偏移目标投影点。
(3.2.3)按比例插值镜框背部点与目标投影点,作为变形的目标点。
(3.2.4)根据如上步骤计算出所有镜框背部点的目标点后,对镜框进行变形,若变形的迭代次数未够,重复该步骤,直到变形结束。
进一步地,所述步骤(3)之后还包括步骤(B):预测镜框背部的投影宽度,根据需要的海绵条宽度,调整镜框背部宽度。
进一步地,所述生成的镜框具有镜片安装槽,通过镜框上的镜片安装槽能够将不同度数的镜片嵌装在镜框上,用户在佩戴护目镜时不需要再同时佩戴眼镜,从而能够减小护目镜的尺寸,使其更加轻便、小巧,也能够提高佩戴时的舒适性。
本发明的有益效果是:本发明能够针对不同脸型的用户提供定制化的护目镜镜框,基于本发明生成的护目镜,其镜框背部与人脸轮廓更为服帖,镜框和脸部皮肤之间不容易产生缝隙,不容易产生负压,也不容易脱落,且防护效果较好,从而长时间佩戴后用户眼部不容易出现印痕、红肿等现象,佩戴起来更为舒适。且本发明的定制护目镜镜框是全自动生成的,用户只要提供三维人脸模型,便能够自动生成适配的镜框,较为方便、快捷。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图;
图2为本发明实施例步骤(A)的流程图;
图3为本发明实施例步骤(A)的具体流程图;
图4为本发明实施例步骤(3)的具体流程图;
图5为本发明实施例步骤(3.1)的具体流程图;
图6为本发明实施例步骤(3.2)的具体流程图;
图7为本发明实施例中利用特征点求出眼部条带区域点的示意图;
图8为本发明实施例中对镜框背部进行拉伸形变的示意图;
图9为本发明实施例中镜框变形拉伸后的示意图。
具体实施方式
本发明一种定制护目镜镜框的自动生成方法的实施例如1图所示,包括以下步骤:
(1)获取用户的三维人脸模型;
本发明中所述的用户是指护目镜的佩戴者,用户的三维人脸模型可通过硬件设备(例如3D扫描仪或带有3D扫描功能的移动设备)扫描用户头部生成。
(2)在三维人脸模型对应的佩戴位置生成镜框;
(3)将镜框背部的边沿朝三维人脸模型的脸部方向进行拉伸形变,使镜框背部的边沿与三维人脸模型的脸部轮廓相吻合。
所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括步骤(A):从三维人脸模型中划分出眼部条带区域;
所述三维人脸模型包括三维人脸网格模型和三维面部特征点集合,获取用户的三维人脸模型具体为:读取目标对象(即用户)的三维人脸模型,并计算出的相应特征点集合。
所述步骤(A)具体包括:根据三维人脸网格模型和三维面部特征点集合,划分出所述眼部条带区域,并得到所述眼部条带区域的点云集合;
所述三维人脸模型的眼部条带区域的划分基于三维人脸模型中的鼻尖点、两端眉上点、两端脸部上轮廓点位置,根据特征点中鼻尖点,两端眉上点,两端脸部上轮廓点位置,选择包围盒内的点作为文中所提到的眼部条带区域点(如图3所示)。
从三维人脸模型中划分出的眼部条带区域作为镜框背部形变时的基础,使镜框背部形变过程更加精准,也能够提高与脸部轮廓之间的适配性。
如图4所示,所述步骤(3)具体包括:
(3.1)根据镜框背部和眼部条带区域之间的距离计算镜框背部与人脸正向相交的投影点和在与镜框背部最近人脸平面上的投影点;
(3.2)设定变形的次数,按照比例插值人脸正向交点和镜框背部正投影点,对镜框背部进行逐渐的拉伸变形,并在拉伸变形后再次更新新的投影点,直到变形结束。
变形后使镜框背部边沿与眼部条带区域相吻合(参见图7、8)。
例如:设定迭代的次数为n,那么第i次迭代时,插值比例ratio=i/n;
按ratio进行插值,目标投影点proj_v=(1–ratio)*z_proj_v+ratio*n_proj_v,根据设定的脸部距离d,正向方向z_dir,平面法向方向n_dir,计算偏移量offset=(1–ratio)*z_dir+ratio*n_dir,偏移投影点proj_v’=proj_v+offset;逐渐变形,将与镜框相接的点设置为固定点,接触面的点的目标位置constraint_v=(proj_v’–v)*ratio+v;通过Laplacian Deformation方法(参见http://www.cse.wustl.edu/~taoju/cse554/lectures/lect08_Deformation.pdf)求解镜框背部点整体位置;该次变形结束后,若迭代次数未结束,对每个镜框背部点v,重新计算沿正向投影点z_proj_v和沿平面法向投影点n_proj_v,重复求解镜框背部点整体位置。变形后生成的结果参考图8-9。
所述步骤(3.1)具体包括:
对镜框背部点,估计求其在眼部条带区域中,三维人脸模型上的最近点集,求背部点在这个点集拟合的平面上,沿脸部正向以及该平面法向的投影点。
例如:对每一个镜框背部点v,计算其在眼部条带区域中,三维人脸模型上的最近点集拟合的xy平面上的沿正向投影点z_proj_v和沿平面法向投影点n_proj_v。
所述步骤(3.2)具体包括:
(3.2.1)设定变形的迭代次数,根据次数,设定插值的比例。
(3.2.2)按比例插值沿脸部正向和平面法向的投影点,得到目标投影点,并根据设置的脸部距离,偏移目标投影点。
(3.2.3)按比例插值镜框背部点与目标投影点,作为变形的目标点。
(3.2.4)根据如上步骤计算出所有镜框背部点的目标点后,对镜框进行变形,若变形的迭代次数未够,重复该步骤,直到变形结束。
所述步骤(3)之后还包括步骤(A):预测镜框背部的投影宽度,根据需要的海绵条宽度,调整镜框背部宽度。
例如:对每一轮镜框的内外圈两个点va和vb,分别计算其在眼部条带区域中,三维人脸模型上的最近点集拟合的xy平面上的沿正向投影点v1和v2。根据目标投影长度l,重新计算外圈点的位置,计算方法如下vb=va+(vb–va)*l/|v1–v2|;根据新计算的vb,对镜框背部进行变形。
所述生成的镜框具有镜片安装槽,即镜框可安装镜片。
所述生成镜框的具体过程为:基于根据三维人脸网格模型和三维面部特征点集合在眼部正前方生成两个由若干列曲线和若干行曲线组成的完整的镜片网格;根据镜片网格的外缘顶点信息以及设定眼镜生成的参数,生成两个完整的镜圈网格;根据眼镜类型和设定眼镜生成的参数,在两个镜圈网格间生成完整鼻中网格;根据人脸区域的三维网格模型、三维面部特征点集合以及设定眼镜生成的参数生成初始的鼻托网格,使用优化方法生成鼻托网格,使其与人脸区域的三维网格模型中鼻子表面贴合。
镜框生成过程可参考文献——一种基于人脸三维测量的眼镜架设计方法(CN105842875B)。
通过上述方法生成镜框的三维网格模型,可通过三维打印技术成型生成实物镜框,镜框背部的边沿处可贴上海绵条,镜框两端再配以适合长度的松紧带或者绑带,最终生成护目镜成品,实际使用时还可以将与用户适配度数的镜片嵌装在镜框的镜片安装槽中,使护目镜具有度数,用户不需要再同时佩戴眼镜,从而可以减小护目镜的尺寸,使其更加轻便,提高佩戴舒适性。
以上实施例,只是本发明优选地具体实施例的一种,本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)获取用户的三维人脸模型;
(2)在三维人脸模型对应的佩戴位置生成镜框;
(3)将镜框背部的边沿朝三维人脸模型的脸部方向进行拉伸形变,使镜框背部的边沿与三维人脸模型的脸部轮廓相吻合;
所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括步骤:
(A):从三维人脸模型中划分出眼部条带区域;
所述三维人脸模型包括三维人脸网格模型和三维面部特征点集合;
所述步骤(A)具体包括:根据三维人脸网格模型和三维面部特征点集合,划分出所述眼部条带区域,并得到所述眼部条带区域的点云集合;
所述步骤(3)具体包括:
(3.1)根据镜框背部和眼部条带区域之间的距离计算镜框背部与人脸正向相交的投影点和在与镜框背部最近人脸平面上的正投影点;
(3.2)设定变形的次数,按照比例插值与人脸正向相交的投影点和在与镜框背部最近人脸平面上的正投影点,对镜框背部进行逐渐的变形,并在变形后再次更新新的投影点,直到变形结束。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,其特征在于:
所述三维人脸模型的眼部条带区域的划分基于三维人脸模型中的鼻尖点、两端眉上点、两端脸部上轮廓点位置。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,其特征在于:
所述步骤(3.1)具体包括:
对镜框背部点,估计求其在眼部条带区域中,三维人脸模型上的最近点集,求背部点在这个点集拟合的平面上,沿脸部正向以及该平面法向的投影点。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,其特征在于:
所述步骤(3.2)具体包括:
(3.2.1)设定变形的迭代次数,根据次数,设定插值的比例;
(3.2.2)按比例插值沿脸部正向和该平面法向的投影点,得到目标投影点,并根据设置的脸部距离,偏移目标投影点;
(3.2.3)按比例插值镜框背部点与目标投影点,作为变形的目标点;
(3.2.4)根据上步骤计算出所有镜框背部点的目标点后,对镜框进行变形,若变形的迭代次数未够,重复该步骤,直到变形结束。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,其特征在于:
所述步骤(3)之后还包括步骤(B):预测镜框背部的投影宽度,根据需要的海绵条宽度,调整镜框背部宽度。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种3D打印定制护目镜框的自动设计方法,其特征在于:
所述生成的镜框具有镜片安装槽。
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