【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及防护用品，具体涉及一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法。
技术介绍
1、与人面部密切相关的产品设计离不开适配，而适配则要求对人面部的形态特征有客观的认识和把握。由于年龄、性别、体态等的差异，中国人面部形态存在较大差异，并且目前市场中可穿戴面部产品，例如，睡眠呼吸面罩、氧气罩、vr眼镜等产品多数依赖进口，其产品形态大多遵循西方人面部形态特征进行设计，与中国人面部形态的适配性、依从性并不高。因此，需要将中国人面部形态特征数字化，在此基础上进行分类、拟合。在传统的可穿戴面部产品生产中，一般为正向设计，即根据用户的痛点及产品的功能提出概念性的想法，在此基础上进行设计，采用传统的设计及加工方式设计周期长，很难满足市场和用户差异性的需求，因此需要一种新的呼吸面罩设计方法，从而提高产品的适配性和生产效率，为未来的可穿戴产品生产企业提供参考。
技术实现思路
1、为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，构建了快速设计开发呼吸面罩的技术路线，缩短了产品的生产周期，提高了生产效率，完成了呼吸面罩的定制化设计，提高了佩戴人员的舒适度和适配性。
2、本专利技术的目的通过以下方案实现：
3、一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，所述聚类模型用于呼吸面罩的制作，其设计方法包括：
4、步骤一、采用扫描仪采集若干人体头部数据形成若干头部样本模型，对所述头部样本模型进行预处理；
5、步
6、步骤三、采用因子分析法把原始指标数据重新组合成少数综合指标(f1-fn)，用以简化原始指标数据，然后通过聚类分析法结合原始指标数据间的相关系数把头部样本模型分簇聚类；
7、步骤四、建立每个头部样本模型的坐标轴与通用的坐标轴，待两坐标轴对齐后，按照聚类簇别分别进行拟合，获取每簇的平均面部聚类模型；
8、步骤五、选取任一簇平均面部聚类模型，将鼻梁点、脸颊点、口角点和下颌点的位置连接，得到人面部特征点曲线；
9、步骤六、基于任一簇平均面部聚类模型和人面部特征点曲线构建呼吸面罩参数化建模程序；
10、步骤七，使用时，将获取的用户人面部特征点曲线导入至呼吸面罩参数化建模程序中获取初步呼吸面罩形态，然后根据该用户的面部特征进一步调整初步呼吸面罩形态获得产品呼吸面罩形态，以此制作产品呼吸面罩；
11、步骤八、通过针对呼吸面罩-人面部的有限元仿真分析评价产品呼吸面罩佩戴舒适度。
12、进一步地，所述步骤一中人体头部数据采集流程包括：被试者头部佩戴覆盖头发的发套；被试者头面部贴敷定位目标点作为扫描定位点；扫描过程被试者在未有强光的房间内身直闭目，避免运动；重新采集点云数据缺失过多、模型交叠的数据直至达到数据采集的标准。
13、进一步地，所述步骤一利用逆向工程软件geomagic studio2012 对头部样本模型进行预处理，其流程包括：将头部样本模型的多边形对象转化为点云数据，去除体外弧点和非连通点；统一采样点云数据，设置点间距绝对值为0.6mm；封装点云数据，补齐模型；对头部样本模型便面进行光滑处理。
14、进一步地，所述步骤二中的面部特征点包括30个面部特征点，原始指标数据包括32个三维项目的测量，建立数据提取程序采用参数化设计软件grasshopper ，其方法包括：导入预处理的头部样本模型，选择格式为.stl；标记面部特征点坐标位置；利用grasshopper对面部特征点坐标位置进行提取和处理，生成面部特征点间的距离数据作为原始指标数据；将所提取的原始指标数据导出到外部文件。
15、进一步地，所述步骤三中使用因子分析法之前需要对原始指标数据做因子分析可行性检验，其方法包括：每个原始指标数据分别减去他们各自的均值后，除以他们各自的标准差，得到均值为0，方差为1的标准化数据，然后通过抽样适合性kmo检验和巴特利特检验做可行性检验；所述因子分析法步骤包括：寻找少数综合因子的线性组合来表示原始指标数据，
16、 ，
17、其中，为原始指标数据，为方程的系数，为综合因子，表示当原始指标数据被少数综合因子线性表示时，所丢失的信息，i为1到32，m为因子数；约束综合因子f的条件；计算f1，f2，...，fm包含原始指标数据的信息；输出各个综合因子的得分，对综合因子进行命名。
18、进一步地，所述步骤三中原始指标数据间的相关系数利用统计分析软件spss计算获得，作为聚类分析法的可行性验证；通过聚类分析法把头部样本模型分为3簇聚类，第1类包括49个样本作为大号头部样本模型，第2类包括59个样本作为中号头部样本模型，第3类包括92个样本作为小号头部样本模型。
19、进一步地，所述步骤四中的方法包括：建立包含每个头部样本模型的xy平面、xz平面和yz平面的坐标轴，将所述每个头部样本模型的坐标轴与创建的通用坐标轴对齐，然后把大号头部样本模型、中号头部样本模型和小号头部样本模型分别拟合，获得大号平均面部聚类模型、中号平均面部聚类模型和小号平均面部聚类模型。
20、进一步地，所述产品呼吸面罩包括面罩本体和设置在面罩本体中心位置的面罩通用接口，面罩本体设有中间刚性支撑体和底部柔软硅胶层，所述产品呼吸面罩的高度、宽度、鼻梁与下颌处倾斜角度的参数作为定制性调整参数。
21、进一步地，所述步骤八中的有限元仿真分析通过采用等效应力云图来判定呼吸面罩的舒适性，其方法包括：将获取的人面部模型、现有呼吸面罩模型以及产品呼吸面罩模型导入有限元分析软件中，模拟出佩戴现有呼吸面罩的等效应力云图和佩戴产品呼吸面罩的的等效应力云图，当等效应力云图分布均匀，则表示用户佩戴呼吸面罩时舒适度较高。
22、进一步地，所述人面部模型从聚类分析后的头部样本模型获取，所述现有呼吸面罩模型使用扫描仪扫描现有呼吸面罩获取3d模型，所述产品呼吸面罩通过所述呼吸面罩参数化建模程序获取。
23、本专利技术具有的有益效果为：首先，本专利技术提供了新的设计思路从逆向工程与正向建模的混合建模结合为出发点，呼吸面罩参数化建模程序一方面可以简化呼吸面罩定制化流程，操作人员只需要从面部聚类模型库中选取相应数据，即可构建适配不同用户面部形态的呼吸面罩，另一方面满足不同用户的定制化需求，操作人员只需要获取用户的人面部特征点曲线，将其导入至程序的相关电池组中，即可快速获取呼吸面罩形态，然后根据不同用户的面部特征，调节鼻梁、鼻尖、下颌等相应部位曲面形态即可获得产品呼吸面罩形态，进而可以制作出不同用户的特定产品呼吸面罩。
24、其次，本设计方法，将人面部形态特征数字化，在此基础上进行分类、拟合，有效的解决了传统设计方法对复杂曲面造型设计、手工测量，软件测量偏差大、设计过程繁琐、费时费力、用户满意度较低等设计缺陷，而本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于，所述聚类模型用于呼吸面罩的制作，其设计方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于，所述步骤一中人体头部数据采集流程包括：被试者头部佩戴覆盖头发的发套；被试者头面部贴敷定位目标点作为扫描定位点；扫描过程被试者在未有强光的房间内身直闭目，避免运动；重新采集点云数据缺失过多、模型交叠的数据直至达到数据采集的标准。
3.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述步骤一利用逆向工程软件Geomagic Studio 2012对头部样本模型进行预处理，其流程包括：将头部样本模型的多边形对象转化为点云数据，去除体外弧点和非连通点；统一采样点云数据，设置点间距绝对值为0.6mm；封装点云数据，补齐模型；对头部样本模型便面进行光滑处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述步骤二中的面部特征点包括30个面部特征点，原始指标数据包括32个三维项目的测量，建立
5.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于，所述步骤三中使用因子分析法之前需要对原始指标数据做因子分析可行性检验，其方法包括：每个原始指标数据分别减去他们各自的均值后，除以他们各自的标准差，得到均值为0，方差为1的标准化数据，然后通过抽样适合性KMO检验和巴特利特检验做可行性检验；所述因子分析法步骤包括：寻找少数综合因子的线性组合来表示原始指标数据，
6.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述步骤三中原始指标数据间的相关系数利用统计分析软件SPSS计算获得，作为聚类分析法的可行性验证；通过聚类分析法把头部样本模型分为3簇聚类，第1类包括49个样本作为大号头部样本模型，第2类包括59个样本作为中号头部样本模型，第3类包括92个样本作为小号头部样本模型。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于，所述步骤四中的方法包括：建立包含每个头部样本模型的xy平面、xz平面和yz平面的坐标轴，将所述每个头部样本模型的坐标轴与创建的通用坐标轴对齐，然后把大号头部样本模型、中号头部样本模型和小号头部样本模型分别拟合，获得大号平均面部聚类模型、中号平均面部聚类模型和小号平均面部聚类模型。
8.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述产品呼吸面罩包括面罩本体和设置在面罩本体中心位置的面罩通用接口（1），面罩本体设有中间刚性支撑体（3）和底部柔软硅胶层（2），所述产品呼吸面罩的高度、宽度、鼻梁与下颌处倾斜角度的参数作为定制性调整参数。
9.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述步骤八中的有限元仿真分析通过采用等效应力云图来判定呼吸面罩的舒适性，其方法包括：将获取的人面部模型、现有呼吸面罩模型以及产品呼吸面罩模型导入有限元分析软件中，模拟出佩戴现有呼吸面罩的等效应力云图和佩戴产品呼吸面罩的的等效应力云图，当等效应力云图分布均匀，则表示用户佩戴呼吸面罩时舒适度较高。
10.根据权利要求9所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述人面部模型从聚类分析后的头部样本模型获取，所述现有呼吸面罩模型使用扫描仪扫描现有呼吸面罩获取3D模型，所述产品呼吸面罩通过所述呼吸面罩参数化建模程序获取。
...【技术特征摘要】
1.一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于，所述聚类模型用于呼吸面罩的制作，其设计方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于，所述步骤一中人体头部数据采集流程包括：被试者头部佩戴覆盖头发的发套；被试者头面部贴敷定位目标点作为扫描定位点；扫描过程被试者在未有强光的房间内身直闭目，避免运动；重新采集点云数据缺失过多、模型交叠的数据直至达到数据采集的标准。
3.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述步骤一利用逆向工程软件geomagic studio 2012对头部样本模型进行预处理，其流程包括：将头部样本模型的多边形对象转化为点云数据，去除体外弧点和非连通点；统一采样点云数据，设置点间距绝对值为0.6mm；封装点云数据，补齐模型；对头部样本模型便面进行光滑处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于：所述步骤二中的面部特征点包括30个面部特征点，原始指标数据包括32个三维项目的测量，建立数据提取程序采用参数化设计软件grasshopper ，其方法包括：导入预处理的头部样本模型，选择格式为.stl；标记面部特征点坐标位置；利用grasshopper对面部特征点坐标位置进行提取和处理，生成面部特征点间的距离数据作为原始指标数据；将所提取的原始指标数据导出到外部文件。
5.根据权利要求1所述的一种基于面部三维数据聚类模型的呼吸面罩设计方法，其特征在于，所述步骤三中使用因子分析法之前需要对原始指标数据做因子分析可行性检验，其方法包括：每个原始指标数据分别减去他们各自的均值后，除以他们各自的标准差，得到均值为0，方差为1的标准化数据，然后通过抽样适合性kmo检验和巴特利特检验做可行性检验；所述因子分析法步骤包括：寻找少数综合因子的线性组合来表示原始指标数据，
<...【专利技术属性】
技术研发人员：李普红，牟振华，林枫然，张子茹，李钰生，刘志方，杨程博，代书琪，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：
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