申请/专利权人：北京斑头雁智能科技有限公司

申请日：2023-08-17

公开（公告）日：2024-02-13

公开（公告）号：CN117077479B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G02B27/00;G02C7/02;G02C5/00;G06F30/17;G06T17/20;G06F111/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.13#授权;2023.12.05#实质审查的生效;2023.11.17#公开

摘要：本公开提供了一种人体工学眼镜设计及制备方法和人体工学眼镜，涉及眼镜设计制造领域。该人体工学眼镜设计及制备方法包括确定眼镜参数与款式；头脸部逆向工程3D建模与数据处理；采用正向工程方法建立眼镜的整体镜框模型和桩头模型，采用逆向工程方法建立眼镜的适配鼻托模型；依据镜框模型、桩头模型和适配鼻托模型建立一体化镜身模型；依据眼镜参数、镜框模型、桩头模型以及头脸部3D模型，采用正、逆向工程混合建模法建立适配镜腿模型。最后，主要以柔性数字化制造技术制备的眼镜，结构简约、精致坚固、便于装配，有利于提高眼镜与用户头脸部的适配性和舒适度，能确保眼镜三姿态的精确性和稳定性，提升佩戴品质与用户的使用体验。

主权项：1.一种人体工学眼镜设计及制备方法，其特征在于，包括：S1：确定眼镜参数与款式，所述眼镜参数包括镜框的参数、镜片的参数和镜架的姿态参数，所述款式依据用户功能需求与使用场景来确定；S2：头脸部逆向工程3D建模与数据处理，采用逆向工程技术获取用户头脸部点云和图像原始数据，对所述原始数据进行优化和曲面拟合以进行3D建模，对所述原始数据进行特征检测与测量获取设计参数；其中所述逆向工程技术包含3D扫描和立体视觉技术；S3：依据所述眼镜参数与款式信息，采用正向工程方法建立眼镜的整体镜框模型；其中，所述整体镜框模型包括左右镜圈、横梁和定型片；S4：依据所述眼镜的款式信息，采用正向工程方法建立眼镜的桩头模型，所述桩头模型包括桩头本体、前铰、定位基面和模拟镜腿；S5：采用逆向工程方法建立适配鼻托模型，所述适配鼻托是重要的人体工学结构体之一，以鼻部的NURBS曲面为原始的设计依据，采用完全定制化方式进行拟合设计建模，从设计上保证所述适配鼻托与用户的鼻部紧密贴合；S6：采用正、逆向工程混合建模方法，将所述整体镜框模型、所述适配鼻托模型和所述桩头模型整合建立一体化镜身模型；其中，所述整体镜框模型和所述适配鼻托模型通过鼻托支撑结构体固连并光滑地融合为一个整体，所述整体镜框模型和所述桩头模型通过桩头过渡加强片固连并光滑地融合为一个整体；S7：依据所述眼镜参数与款式、一体化镜身模型以及头脸部3D模型，采用正、逆向工程混合建模方法建立适配镜腿模型；所述适配镜腿也是重要的人体工学结构体之一，包含脾头、脾身和脾尾；所述脾身在外形上采用弯曲预变形设计，在结构上依据悬臂梁理论进行渐变截面设计；所述脾尾的脊线依据后耳根轮廓结构进行拟合设计，从设计上保证与用户的后耳根良好适配；其中，步骤S2中，所述头脸部逆向工程3D建模与数据处理的步骤包括：S21：采用逆向工程技术获取用户头脸部外形结构的原始点云数据；S22：对S21中的所述原始点云数据进行去噪、过滤、裁剪、采样、对齐和注册处理，形成整齐有序和便于处理的全局点云数据，对所述全局点云数据进行网格化封装生成用户头脸部3D网格模型；S23：对S22中的所述3D网格模型整体进行网格医生修整、降噪、松弛、孔洞修复和光顺处理，生成光顺完整的3D网格模型，对所述3D网格模型中的眉毛和眼部周边不平滑区域进行松弛和砂纸打磨平滑处理；S24：对S23中生成的所述3D网格模型，经过提取曲率线、构造曲面片、移动面板、构造格栅和曲面拟合几个手动建模操作或直接采用自动曲面化建模操作，生成精确光滑的用户头脸部3D-NURBS曲面模型；S25：利用人脸识别及特征检测的人工智能算法结合立体视觉技术，检测瞳孔、内外眼角和上耳根的特征点，并分别计算瞳孔、内外眼角、上耳根的坐标，进一步计算出瞳距、颞宽和耳根宽参数；S26：将S25中的所述特征点与S24中的所述头脸部3D-NURBS曲面模型进行定位匹配，依据所述特征点及所述3D-NURBS曲面模型，建立眼镜建模与头脸部3D模型的联合基坐标系，作为眼镜三姿态及后续设计建模的基准坐标系；步骤S3中，所述采用正向工程方法建立眼镜的整体镜框模型的步骤包括：S31：依据所述使用场景和所述镜片的参数设计镜片轮廓曲线，然后通过拉伸镜片轮廓曲线、生成球面、联合修剪和封闭曲面系列操作，生成定型片模型；S32：依据所述镜片轮廓曲线和镜片基弯生成左右镜圈模型，首先，对所述镜片轮廓曲线进行装配公差放样生成镜圈轮廓；然后，依据所述镜片基弯、镜圈厚度、镜圈高度参数，经过曲线拉伸、曲面联合修剪和厚曲面建模操作，生成左镜圈模型；最后，对左镜圈模型进行优化处理后，通过实体镜像操作生成对称的右镜圈模型；S33：依据所述眼镜三姿态和瞳孔坐标，在S26所述联合基坐标系中，把左、右镜圈变换到预设位姿，首先，依据瞳孔坐标和镜眼距参数，把左、右镜圈通过平移变换分别变换到对应位置；其次，依据镜面角分别对左、右镜圈进行后掠旋转变换；最后，将左、右镜圈作为一个整体依据前倾角进行前倾旋转变换；S34：依据左右镜圈模型、左右镜圈位姿及用户所选眼镜款式所对应的横梁样式与几何参数，采用边线提取、曲线连接、圆角、投影、分割和接合的曲线操作以及填充、扫掠、外插延伸的曲面操作，建立横梁的包络曲面模型或再进一步通过封闭曲面操作生成横梁实体模型；S35：依据所述横梁的包络曲面或所述横梁实体模型，通过缝合曲面操作或联合修剪、添加、装配的实体布尔操作，把左、右镜圈的模型通过横梁固连，衔接处光滑过渡融合为一体，形成一个整体镜框模型，最后在左、右镜圈的外侧标示出桩头定位基点；S36：依据眼镜款式和镜片参数生成镜片安装结构；若眼镜采用全框结构，则在镜圈内侧面通过槽型曲面扫掠与实体分割操作或直接通过开槽操作生成环状镜片安装槽；若眼镜采用半框结构，则通过圆扫掠、联合修剪、实体添加、实体移除、创建孔操作，生成半框镜片安装结构，所述镜片安装结构包括镜片固定筋、鱼丝线导槽、鱼丝线孔；步骤S4中，所述采用正向工程方法建立眼镜的桩头模型的步骤包括：S41：依据S1中的所述眼镜参数与款式，其中，款式包括桩头样式，确定所述桩头的纵向扫掠引导线，所述扫掠引导线为四分之一段椭圆曲线，起点和终点分别取为椭圆的长轴顶点和短轴顶点；S42：依据所述眼镜参数与桩头样式，绘制桩头的横向扫掠截面形状或轮廓曲线，根据不同的桩头样式，所述截面形状或轮廓曲线可设计成不同形状；S43：依据S41中的所述扫掠引导线和S42中的所述轮廓曲线，采用显式扫掠建模操作建立桩头本体外壳曲面，接着采用厚曲面建模方法作用于所述外壳曲面形成所述桩头本体结构；S44：在所述桩头本体尾部的预设位置和方向，采用孔特征和倒圆角建模操作，生成所述桩头的所述前铰，接着以桩头本体尾部的端面作为镜腿装配和工作的定位基面，并通过图形拉伸操作生成附着于定位基面的模拟镜腿特征，最后标示出桩头的装配基点，所述装配基点即建模基点；S45：预先依据各种眼镜的参数和款式，以及S41至S44的步骤建立各种样式的桩头模型并存入特征结构数据库，在后期的设计建模过程中，则依据所述桩头样式和尺寸直接从所述特征结构数据库中选取预设桩头模型直接进行快速建模；步骤S5中，所述采用逆向工程方法建立适配鼻托模型的步骤包括：S51：从步骤S21中的所述原始点云数据中裁剪截取鼻部的局部点云数据，然后通过点云去噪、采样、网格化封装、网格医生优化、光顺处理及精确曲面重构生成鼻部精确光顺的NURBS曲面模型；S52：依据S1中所述眼镜参数及款式，其中，款式包括鼻托样式，从特征结构数据库中选取或新建鼻托曲面托叶体的轮廓图形，然后把所述轮廓图形按照预设的方向进行拉伸操作生成3D切割环面，所述切割环面与S51中所述鼻部的NURBS曲面的交线即为鼻托曲面托叶体的3D轮廓线；S53：依据S52中所述鼻托曲面托叶体的3D轮廓线，对其进行调整、优化、光顺和缩放后，从S51中的所述鼻部的NURBS曲面上通过分割操作裁剪获得鼻托曲面托叶体模板曲面；S54：依据S53中所述鼻托曲面托叶体模板曲面，通过平移曲面、拉伸曲面、裁剪曲面和封闭曲面建模操作或直接通过厚曲面建模操作，生成适配鼻托曲面托叶体模型；S55：从特征结构数据库中选取或新建鼻托防滑纹的几何图形模板，经缩放适配后投影于所述适配鼻托曲面托叶体模板曲面，通过开槽或筋建模操作，生成曲面托叶体防滑纹；和或，从特征结构数据库中选取或新建鼻托透气孔的几何图形模板，经缩放适配后投影于所述适配鼻托曲面托叶体模板曲面，通过凹槽、开孔和镂空的建模操作，生成曲面托叶体透气孔；步骤S6中，所述采用正、逆向工程混合建模方法，将所述整体镜框模型、所述适配鼻托模型和所述桩头模型整合建立一体化镜身模型的步骤包括：S61：在所述联合基坐标系中，把所述头脸部3D模型定位于预设的建模位姿，依据眼镜三姿态把所述整体镜框模型定位到对应位姿，所述适配鼻托曲面托叶体模型则保持与所述头脸部3D模型的鼻部贴合的位姿不变；S62：依据用户的选择和眼镜款式，确定适配鼻托支撑结构体的样式、类型和建模几何参数，所述适配鼻托支撑结构体的类型与样式包含支撑侧翼、支撑裙边、支撑片、支撑梗以及融合式支撑结构；S63：依据确定的所述鼻托支撑结构体的样式、类型和建模参数，首先采用扫掠、相交、圆角、连接曲线、分割、曲面桥接、曲面填充操作，建立从曲面托叶体到镜圈和或横梁的连接曲线或连接曲面；然后依据生成的连接曲线或连接曲面采用圆扫掠或厚曲面操作，生成鼻托支撑结构体模型；最后，通过装配或联合修剪的实体布尔运算建模操作，将所述适配鼻托支撑结构体的一端与所述曲面托叶体融合固连，而另一端与所述镜圈或和所述横梁融合固连，衔接处采用倒圆角光滑过渡；S64：从特征结构数据库中选取或新建通风孔的几何图形模板，经缩放适配后投影于所述支撑侧翼和或支撑片的侧表面，根据需要在支撑侧翼和或支撑片上通过开孔、凹槽建模操作生成通风孔结构；S65：依据所述左右镜圈模型上固连桩头的定位基点以及所述桩头模型上的装配基点，保持所述整体镜框模型不动，调整左右桩头位置，使得左右桩头的装配基点分别与左右镜圈的定位基点重合；依据所述整体镜框模型在所述联合基坐标系中的所述眼镜三姿态和所述上耳根的特征点的坐标，以左右桩头的装配基点为基准调整所述左右桩头的姿态，使得S44中所述模拟镜腿达到适配的外张角和身腿角，此时所述模拟镜腿的尾部与所述上耳根的特征点适配；S66：依据所述桩头模型和所述左右镜圈模型，通过边线提取、建立扫掠轮廓与扫掠引导线、显式扫掠、相交、分割、连接、圆角、投影、接合、曲面裁剪以及厚曲面建模操作建立桩头过渡加强片模型，所述过渡加强片依附于所述镜圈外侧面与外侧边线生成；将左、右桩头模型通过左、右过渡加强片与所述左右镜圈模型通过联合修剪操作固连融合为一个整体，实体衔接处光滑过渡融合为一体，至此，所述整体镜框模型分别整合所述适配鼻托和所述桩头后形成所述一体化镜身模型；步骤S7中，所述采用正、逆向工程混合建模方法建立适配镜腿模型的步骤还包括：S71：依据眼镜款式和使用场景，确定镜腿样式、制造材料以及预变形量，接着再依据悬臂梁理论确定镜腿的设计几何要素，设计几何要素包括镜腿的截面尺寸及渐变策略、截面形状、放样系数以及镜腿脾身段的挠曲线形状；S72：依据所述镜腿的设计几何要素以及上耳根特征点与所述桩头的定位基面的距离，分别建立镜腿的脾身部分的第一扫掠脊线和第二扫掠脊线，第一扫掠脊线为直线，第二扫掠脊线在第一扫掠脊线上叠加相应挠度生成，并向内扣方向弯曲；对第一扫掠脊线、第二扫掠脊线进行8~15等分，然后在各等分点建立与第一扫掠脊线、第二扫掠脊线垂直的等分点平面，接着在各等分点平面上绘制脾身各扫掠截面图形，尺寸从脾头到脾尾方向逐渐缩小；S73：依据所述第一扫掠脊线和所述第二扫掠脊线，以及对应的扫掠截面图形，采用多截面扫掠、封闭曲面或多截面实体的建模操作，生成适配镜腿脾身段模型；其中，基于所述第一扫掠脊线生成的脾身段模型是验证脾身模型，是真实镜腿脾身变形后的仿真模型，可用于镜腿的适配性检测和虚拟试戴环节；基于所述第二扫掠脊线生成的脾身段模型是真实脾身模型，截面形状相同但叠加了挠度预变形，是镜腿实际加工制备所依据的模型；S74：在脾身靠近桩头一端头绘制后铰耳片轮廓图形后通过厚曲面操作直接在脾身模型上生成后铰耳片；然后依据S44所述桩头上的前铰的结构和参数，在后铰耳片上与桩头前铰铰链孔对应的位置通过开孔操作生成后铰铰链孔；此外，脾身头部端面为平面，作为镜腿限位基面，后铰结构、限位基面以及相连的脾身头部合称为脾头；S75：依据后耳根部曲面走向和结构，通过样条线操作拟合生成一条3D样条线作为脾尾的轴线兼扫掠脊线，接着对所述样条线进行6~12等分，然后在每个等分点建立垂直于轴线的平面，并在各等分平面上绘制脾尾各扫掠截面形状；S76：依据所述脾尾的扫掠脊线及各截面形状，通过多截面曲面操作生成脾尾的包络曲面，接着通过封闭曲面操作生成脾尾模型，最后，对脾末端进行光顺处理；S77：依据S73的所述真实脾身模型，在上耳根位置通过分割操作裁剪掉末端部分，接着依据S76的所述脾尾模型，同样在上耳根位置通过分割操作裁剪掉前端部分，最后，将裁剪后的脾身和脾尾进行位置和姿态的精确匹配后，通过装配或添加实体布尔操作固连融合为一体，生成用于实体制备的实际镜腿模型；依据S73所述的验证脾身模型和S76所述的脾尾模型，采用相同的步骤，通过分割、位置和姿态的匹配以及装配或添加实体布尔操作，将验证脾身模型和脾尾模型固连融合后，生成用于适配检测与虚拟试戴的验证镜腿模型。

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