護(hù)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(qiáng)力勒緊系帶進(jìn)行臉部形狀適配，長(zhǎng)時(shí)間勒緊皮膚造成臉部嚴(yán)重“壓瘡”，且存在破口感染風(fēng)險(xiǎn)。近視人員使用時(shí)需要內(nèi)外戴兩副眼鏡，使用不便并且會(huì)產(chǎn)生霧氣影響視野。
浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周昆教授團(tuán)隊(duì)近日研制出一款“量臉定制”的護(hù)目鏡，該護(hù)目鏡通過三維測(cè)量每個(gè)佩戴者的臉部形狀生成完全貼合的個(gè)性化定制，并利用3D打印技術(shù)完成生產(chǎn)，解決了護(hù)目鏡長(zhǎng)時(shí)間佩戴的舒適性問題，并能為佩戴者提供更周全的保護(hù)。
一只手機(jī)，就可獲得用戶臉部形狀數(shù)據(jù)
量臉，即獲得每一個(gè)用戶的臉部三維數(shù)據(jù)，這是個(gè)性化護(hù)目鏡的第一步。隨著技術(shù)的日益發(fā)展，現(xiàn)有的部分手機(jī)和平板設(shè)備自帶的深度相機(jī)就擁有三維掃描功能。
“傳統(tǒng)三維測(cè)量需要昂貴的專用設(shè)備，操作起來效率也低。”周昆介紹，現(xiàn)在通過手機(jī)或平板設(shè)備的三維掃描能夠一次獲取全部數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建出“人臉數(shù)字地圖”。
這張地圖集成了和人臉相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，能夠讓計(jì)算機(jī)全面掌握對(duì)象的面部特征，并得知眼珠、眼眶、鼻子等關(guān)鍵部位的位置與形狀，為后續(xù)護(hù)目鏡自動(dòng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
“立等可見”，30秒自動(dòng)化程序完成三維設(shè)計(jì)
護(hù)目鏡的數(shù)字化模型如何構(gòu)建是生成完美貼合人體眼眶的幾何形狀的關(guān)鍵一躍。
打個(gè)比方要為一口鍋配一個(gè)嚴(yán)絲合縫的鍋蓋，不同的形狀大小，就要產(chǎn)生不同的蓋子。而護(hù)目鏡與人臉的匹配相較于規(guī)則圖形顯然要更為困難。
周昆說，這種個(gè)性化定制就是要讓描述護(hù)目鏡形狀的幾萬個(gè)“點(diǎn)”，通過不斷的調(diào)整、優(yōu)化而完全貼合人臉?！邦^部的尺寸、瞳孔的位置、眼眶的傾角，都會(huì)影響到護(hù)目鏡的最終形狀?！?/p>
科研人員通過直接在護(hù)目鏡上生成安裝鏡片用的片槽避免了同時(shí)要佩戴兩副眼鏡的尷尬，通過側(cè)面通氣孔增加空氣對(duì)流減少起霧，而這些關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)又為設(shè)計(jì)提出不小的挑戰(zhàn)——快速自動(dòng)生成兼顧眾多目標(biāo)的護(hù)目鏡設(shè)計(jì)。
眼鏡片槽形狀直接決定鏡片的無縫安裝因此在優(yōu)化過程中需要始終保持；護(hù)目鏡外沿與眼眶在實(shí)現(xiàn)貼合過程中要接觸均勻；為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，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(tuán)隊(duì)?wèi){借在三維建模和GPU計(jì)算方向上的深厚積累，短時(shí)間內(nèi)確定了梯度域級(jí)聯(lián)優(yōu)化的整體思路，并解決了接觸面控制、槽孔位保持、自動(dòng)對(duì)稱性調(diào)整等難點(diǎn)問題，利用了GPU的大規(guī)模并行計(jì)算能力來加速優(yōu)化求解過程，實(shí)現(xiàn)了獲得用戶臉部模型后30秒內(nèi)完成護(hù)目鏡的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，做到了“立等可見”。
3D打印技術(shù)開展生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣闊
世界上沒有兩個(gè)人的臉是一模一樣的，這意味著根據(jù)用戶臉型生成的每一副護(hù)目鏡都具有獨(dú)一無二的形狀。傳統(tǒng)開模生產(chǎn)方式無法生產(chǎn)這樣的定制化產(chǎn)品，而3D打印技術(shù)可以很好地解決這一問題。
3D打印技術(shù)的發(fā)展和快速普及，使得可以在很短時(shí)間內(nèi)以較低的成本完成護(hù)目鏡的定制化生產(chǎn)，甚至在表面彩印上個(gè)性化圖案。創(chuàng)新的生產(chǎn)方式讓這一護(hù)目鏡技術(shù)能夠順理成章地走出實(shí)驗(yàn)室，直接服務(wù)廣大醫(yī)護(hù)人員。
目前這項(xiàng)研究成果已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利，并在杭州兩個(gè)醫(yī)院開展了臨床應(yīng)用測(cè)試。
醫(yī)護(hù)人員普遍評(píng)價(jià)：“這種護(hù)目鏡戴上去舒適多了。整個(gè)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(hù)目鏡上，再不用里一層外一層套著戴眼鏡和護(hù)目鏡了，起霧問題也大大改善?！?/p>
“實(shí)際上，作為定制化的頭戴設(shè)備自動(dòng)設(shè)計(jì)，這一技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景并不限于個(gè)人或醫(yī)用防護(hù)?！敝芾フf，未來不管是針對(duì)運(yùn)動(dòng)眼鏡，還是虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的頭戴設(shè)備，這都是一項(xiàng)極具前景的技術(shù)。
（文 柯溢能/圖片由課題組提供）
