一种眼镜镜架设计方法及制造方法及方法与流程

1.本发明涉及眼镜技术领域与计算机图形学领域，特别是一种眼镜镜架设计方法及制造方法及方法。


背景技术：

2.随着计算机辅助设计及3d打印技术的快速发展，眼镜技术领域越来越关注眼镜设计的适配性和个性化。随着电子产品的高速发展，我国的近视率逐年增长。对于青少年近视问题，以预防为主。但对于已经近视的孩子，佩戴合适的近视眼镜应该是重要的选择。目前市面上的近视镜对于青少年来说，主要存在以下问题：1)镜架形状不适配孩子脸型，佩戴舒适性差，使孩子不愿佩戴；2)由于镜架对脸型的适配性差，特别是鼻托部分设计不到位，致使眼镜佩戴过程中，经常沿着鼻梁向下滑动，使镜片倾斜，从而使本来和孩子视力相匹配的眼镜度数在实际效果上有较大偏差，会造成视力的进一步下降；3)部分近视者左右视力相差较大时，因左右镜片厚度不同而造成眼镜左右不平衡，一方面佩戴不舒服，另一方面因左右倾斜也会引起视力进一步恶化的危险；4)镜架相对偏重。
3.针对上述问题，学术界和产业界都有进行相关的研究和探索，但相对比较片面，没有形成完整的解决方案，主要体现为：1)虽然现在三维扫描技术和装备发展较快，获取三维头部模型已经不是问题，但一方面由于三维模型的不完备性，基于三维模型的适配性评价和个性化设计研究还不深入，目前大多是基于图像的虚拟试戴；另一方面，存在个性化定制与批量生产之间的矛盾，不管是金属镜架还是塑料类镜架，其制造成型过程都需要模具或板材切割，而模具制造一般周期长、成本高，难以在实际上满足大批量的个性化定制需求。2)对于镜架的佩戴平衡性问题，有部分学者进行了初步的数值模拟探讨，但没有应用于镜架设计和后续的制造，更没有把平衡性和适配性、轻量化有机结合起来。
4.综合起来说，在技术层面，存在非完备模型的对称面提取、匹配性评价、形状与尺寸的人因设计、平衡性与轻量化协调设计等问题尚未解决；在方案层面，存在个性化快速定制与长周期批量制造之间的矛盾。因此，有必要提出一种新的设计和制造方法。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提出一种眼镜镜架设计方法及制造方法及方法，能够解决了平衡性与轻量化协调设计问题，使佩戴更舒适和健康；同时解决了个性化快速定制与长周期批量制造之间的矛盾。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一方面，本发明一种眼镜镜架设计方法，包括：
8.步骤101，接收输入的头部点云数据，将所述头部点云数据重构为三角网格模型，获得头部模型及脸部特征信息；
9.步骤102，基于非完备头部模型对称面提取算法，对所述三角网格模型进行处理，获得头部模型的对称面；
10.步骤103，接收输入的眼镜镜架初始模型，基于icp算法将所述眼镜镜架初始模型与步骤102处理后的头部模型对齐，进行虚拟装配；
11.步骤104，提取眼镜设计所需脸部特征点及对应的尺寸；提取眼镜镜架初始模型特征点及对应的尺寸；获取眼镜镜架初始模型特征点和脸部特征点的相对位置；
12.步骤105，基于所述眼镜镜架初始模型特征点和脸部特征点的相对位置，进行匹配性分析，输出第一匹配性分析结果与相对位置；如果所述相对位置在预设容差范围内，转步骤109；否则，转步骤106；
13.步骤106，基于所述第一匹配性分析结果与相对位置，对初始模型的眼镜镜架进行各向异性缩放及变形，获得调整后的眼镜镜架模型；
14.步骤107，获取脸部特征点和调整后的眼镜镜架模型特征点的相对位置，进行匹配性分析，输出第二匹配性分析结果与相对位置；
15.步骤108，基于所述第二匹配性分析结果与相对位置，对调整后的眼镜镜架进行各向异性缩放及变形；
16.步骤109，接收输入的装饰性时尚元素特征、产品标识和编号，添加到调整后的眼镜镜架上；
17.步骤110，镜架平衡性分析，包括基于有限元数值模拟进行眼镜自平衡性分析、质量分布计算与质量迁移计算以及镜架强度应力分布计算；
18.步骤111，将镜架平衡性分析的结果映射为镜架各部分的密度分布，由密度分布驱动生成多孔结构。
19.优选的，所述脸部特征信息包括人脸的眼睛、鼻子和耳朵的形状及位置。
20.优选的，所述步骤102，具体包括：
21.s1021，接收在所述三角网格模型上选择的一片对称初始区域以及该对称初始区域的对称中心线附近的任意三个点，计算所述三个点的x坐标的平均值得到对称面的x坐标，作为初始的对称面p；
22.s1022，基于所述初始的对称面p，利用生成镜像面算法计算初始区域的镜像区域；
23.s1023，使用icp算法对所述对称初始区域和镜像区域进行对齐；
24.s1024，基于对齐后的镜像区域，得到所述对称初始区域与镜像区域的对应x坐标的中点点集，即为对称中点点集，由该点集拟合出对称平面。
25.优选的，步骤s104中，脸部特征点对应的尺寸包括：瞳距、耳顶点距和颞距；
26.眼镜镜架初始模型特征点对应的尺寸包括：镜框长度、镜框宽度、镜框高度、镜框倾角、鼻托高度和镜腿长度；
27.眼镜镜架初始模型特征点和脸部特征点的相对位置包括：鼻托与头部模型鼻梁山根处的相对位置、桩头与头部模型颞部的相对位置、两镜片中心距与头部模型的瞳距的相对位置、镜腿与瞳孔特征点到耳朵特征点的z向距离的相对位置。
28.优选的，步骤106和步骤108中，对眼镜镜架进行各向异性缩放及变形，包括：鼻托适配调整、桩头形状尺寸调整、两镜片中心距调整和镜腿形状尺寸调整。
29.优选的，步骤110中，进行眼镜自平衡性分析，包括：
30.a，获取眼镜镜架的支撑点si，如下：
[0031][0032]
其中，i∈(1,2,3,4)，s1表示左镜腿上的支撑点，s2表示右镜腿上的支撑点，s3表示左鼻托上的支撑点，s4表示右鼻托上的支撑点；s∈(1,2,3,4)，f1表示左镜腿上的支撑面，f2表示右镜腿上的支撑面，f3表示左鼻托上的支撑面，f4表示右鼻托上的支撑面；af表示支持面fs内的三角面片f的面积，cf表示面f的中心；
[0033]
b，获取四个支撑点s1、s2、s3和s4的位置的中心s0。
[0034]
优选的，步骤110中，进行质量分布计算与质量迁移计算，包括：
[0035]
将眼镜架用体素填充，根据体素的分布情况，耦合眼镜架的质量分布，从而得到眼镜架的重心c，其中c＝[c
x
,cy,cz]；
[0036]
基于c和s0的相对位置，确定质量迁移的数值；其中，佩戴的平衡性要求按照c和s0的相对位置进行约束。
[0037]
优选的，步骤110中，进行镜架强度应力分布计算，具体为：调用有限元计算库，计算镜架强度应力，并将强度小的地方约束为不可质量迁移，保证镜架的初始比强度。
[0038]
优选的，步骤111具体包括：
[0039]
计算重心与支撑面在x与y方向的相对位置，迭代调整眼镜镜架各部分的密度分布，由密度分布驱动多孔结构自动生成，以调节眼镜的整体重心；
[0040]
当镜架生成的多孔结构不足以平衡眼镜镜架时，接收客户输入的贴图图案，通过融合的方式添加到眼镜镜架上。
[0041]
另一方面，一种眼镜镜架制造方法，基于所述的眼镜镜架设计方法，包括：
[0042]
步骤201，镜架3d打印及力学分析；打印时，采用光固化技术；首先，在打印机中进行多副眼镜几何排列；再进行边界支撑点添加、层厚控制和调整打印支撑，以及调整眼镜镜架的摆放角度，优化打印方向；然后优化紫外照射强化时间；最后抽取样品进行力学分析，对力学性能差的眼镜架进行打印参数调整；
[0043]
步骤202，表面处理，通过打磨和喷漆，强化眼镜镜架表面。
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0045]
1、本发明基于非完备头部模型的对称面提取算法，提出一种高效的提取头部模型的左右对称面方法，解决了对称面提取的鲁棒性和效率问题；
[0046]
2、本发明通过提出基于微分坐标的形状编辑方法，即眼镜网格模型的三维几何变换与碰撞实验，从而实现脸部特征约束下的眼镜个性化适配设计；在保持整体款式风格不变的情况下，几何特征形状与尺寸适配顾客的个性化脸型，解决了形状与尺寸人因设计存在的问题；
[0047]
3、本发明在有限元计算眼镜重心分布的基础上，提出将多孔结构和装饰元素添加相结合的镜架平衡性设计策略，在保证尽可能减轻镜架重量的前提下，提高了眼镜佩戴的平衡性，使佩戴更舒适、更健康，解决了平衡性与轻量化协调设计等问题；
[0048]
4、本发明通过3d打印制造技术，实现快速定制；不依赖模具，周期短，适配性强，实现了专家设计的专业性、时尚性与个人脸型的匹配性有机结合，解决了个性化快速定制与长周期批量制造之间的矛盾。
[0049]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下列举本发明的具体实施方式。
[0050]
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0051]
图1是本发明一种眼镜镜架设计方法的流程示意图；
[0052]
图2是本发明的优化后的头面部三角网格模型的效果图；
[0053]
图3是本发明的非完备头部模型对称面快速提取功能的效果图；
[0054]
图4是本发明的镜架与头部模型的对齐功能的示意图；
[0055]
图5是本发明的镜框的编辑修改功能的示意图；
[0056]
图6是本发明的镜脚的编辑修改功能的示意图；
[0057]
图7是本发明的多孔结构和装饰元素添加相结合功能的示意图；
[0058]
图8是本发明一种眼镜镜架制造方法的流程示意图。
具体实施方式
[0059]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述。
[0060]
本实施方式的方法通过软件编程，在mfc上实现，其执行主体为终端，所述终端可以为手机、平板电脑、掌上电脑pda、笔记本或台式机等设备，当然，还可以为其他具有相似功能的设备，本实施方式不加以限制。
[0061]
参见图1所示，一方面，本发明一种眼镜镜架设计方法，包括：
[0062]
步骤101，接收输入的头部点云数据，将所述头部点云数据重构为三角网格模型，获得头部模型及脸部特征信息。
[0063]
本实施例中，可采用三维扫描仪获取头部点云数据，三维扫描仪将所述头部点云数据发送给本发明方法的执行主体。使用高级版商业三维扫描仪可以解决头发遮挡、扫描效率等问题。
[0064]
具体的，对于获取的头部点云数据，首先对其进行离群点去除、双边滤波等预处理，然后采用有向距离场方法构建三角网格模型，并采用拉普拉斯光顺算法对三角网格模型进行优化处理，为后续相关计算奠定基础，如图2所示。本发明方法中，将三角网格模型文件数据读入到内存中，基于读入的三角网格模型数据建立无冗余的点集和面集；基于半边数据结构构建三角网格模型的顶点、边和面片的完整拓扑邻接信息。
[0065]
进一步的，所述脸部特征信息包括人脸的眼睛、鼻子和耳朵的形状及位置。
[0066]
步骤102，基于非完备头部模型对称面提取算法，对所述三角网格模型进行处理，获得头部模型的对称面。
[0067]
具体的，提取头部模型的左右对称面是进行人-镜虚拟装配匹配评估的基础，但由于遮挡、测量误差等原因，使通过三维扫描设备获取的头部模型是非完备的，本方法可以快速有效提取其对称面，具体如下：
[0068]
a)首先在三角网格模型上手动选择一片对称初始区域，并在面部对称中心线附近点击任意三个点，并由这三个点的x坐标的平均值得到对称面p的x坐标，作为初始的对称面p；
[0069]
b)根据初始对称面，利用生成镜像面算法计算初始区域的镜像区域；
[0070]
c)初始区域和镜像区域用icp算法进行对齐；d)根据对齐后的镜像区域，得到初始区域与镜像区域的对应x坐标的中点点集，即为对称中点点集，并由该点集拟合出对称平面。
[0071]
非完备头部模型对称面快速提取功能的效果图参见图3所示。
[0072]
步骤103，接收输入的眼镜镜架初始模型，基于icp算法将所述眼镜镜架初始模型与处理后的头部模型对齐，进行虚拟装配。
[0073]
本步骤中，将客户选中款式的眼镜架初始模型导入依据本方法开发的软件中，并依据图3所示的非完备头部模型对称面提取算法，使用icp算法将眼镜架与头部模型对齐，进行虚拟装配，对齐后的示意图参见图4所示。
[0074]
步骤104，提取眼镜设计所需脸部特征点及对应的尺寸；提取眼镜镜架初始模型特征点及对应的尺寸；获取眼镜镜架初始模型特征点和脸部特征点的相对位置。
[0075]
具体的，以少量交互的形式，提取眼镜设计所需脸部特征点和相应的特征尺寸，并以报表形式输出。其中，提取的脸部特征尺寸为：瞳距、耳顶点距、颞距。镜架特征尺寸为：镜框长度、镜框宽度、镜框高度、镜框倾角、鼻托高度、镜腿长度。并且以excel文件输出，例如：瞳距63。
[0076]
此外，还需提取包括鼻托与头部模型鼻梁山根处的相对位置、桩头形状尺寸与头部模型颞部的相对位置、两镜片中心距与头部模型的瞳距的相对位置，以及，镜腿的形状和尺寸，与瞳孔特征点到耳朵特征点的z向距离的相对关系。
[0077]
步骤105，基于所述眼镜镜架初始模型特征点和脸部特征点的相对位置，进行匹配性分析，输出第一匹配性分析结果与相对位置。
[0078]
具体的，如果所述相对位置在预设容差范围内，转步骤109；否则，转步骤106。
[0079]
如匹配性分析结果为“鼻托-山根：4.366不匹配”，则表述需要进行调整，执行步骤106。如匹配性分析结果为“鼻托-山根：0.003匹配”，则表述不需要进行调整，执行步骤109。
[0080]
步骤106，基于所述第一匹配性分析结果与相对位置，对初始模型的眼镜镜架进行各向异性缩放及变形，获得调整后的眼镜镜架模型。
[0081]
具体的，在步骤101获得的脸部特征驱动下，进行眼镜镜架形状编辑。在进行初始的人-镜匹配之后，需对标准镜架进行个性化编辑设计以适应顾客脸部特征，主要包括鼻托适配设计、桩头形状尺寸调整、两镜片中心距编辑、镜腿形状尺寸编辑等。如根据鼻托与山根的相对位置进行鼻托适配设计、根据镜腿与耳顶特征点的相对位置，进行桩头形状尺寸调整、根据瞳距与镜片中心距的相对关系，进行两镜片中心距编辑、根据面部瞳孔特征点到耳朵特征点的z向距离的相对关系镜腿形状尺寸编辑等。
[0082]
图5和图6分别是镜框和镜腿的形状和尺寸编辑。其中镜架的编辑主要是鼻托适配设计、桩头形状尺寸调整、两镜片中心距编辑。
[0083]
步骤107，获取脸部特征点和调整后的眼镜镜架模型特征点的相对位置，进行匹配性分析，输出第二匹配性分析结果与相对位置。
[0084]
将步骤106编辑后的眼镜架模型输出，通过opengl库的相关渲染函数，将模型在软件中渲染出来，并重新与头部模型进行匹配分析。
[0085]
步骤108，基于所述第二匹配性分析结果与相对位置，对调整后的眼镜镜架进行各向异性缩放及变形。
[0086]
如果匹配性分析结果为不匹配，需重复步骤106至108，直至匹配性分析结果为匹配。
[0087]
具体的，同步骤106，需要根据匹配性数据，对眼镜的鼻托、桩头形状尺寸，两镜片中心距，镜腿形状尺寸等进行编辑。
[0088]
步骤109，接收输入的装饰性时尚元素特征、产品标识和编号，添加到调整后的眼镜镜架上。
[0089]
本步骤中，根据客户的需求，利用三角网格模型的布尔运算、快速融合等鲁棒算法，在镜架上快速添加和编辑一些装饰性时尚元素特征。最后，还需要在镜腿上添加产品标识和编号。
[0090]
步骤110，镜架平衡性分析，包括基于有限元数值模拟进行眼镜自平衡性分析、质量分布计算与质量迁移计算以及镜架强度应力分布计算。
[0091]
进行眼镜自平衡性分析，包括：
[0092]
a，获取眼镜镜架的支撑点si，如下：
[0093][0094]
其中，i∈(1,2,3,4)，s1表示左镜腿上的支撑点，s2表示右镜腿上的支撑点，s3表示左鼻托上的支撑点，s4表示右鼻托上的支撑点；s∈(1,2,3,4)，f1表示左镜腿上的支撑面，f2表示右镜腿上的支撑面，f3表示左鼻托上的支撑面，f4表示右鼻托上的支撑面；af表示支持面fs内的三角面片f的面积，cf表示面f的中心；
[0095]
b，获取四个支撑点s1、s2、s3和s4的位置的中心s0。
[0096]
所述的支撑点始终位于支撑面的凸壳内，它由模型表面上的一组面fs组成。
[0097]
定义重心为眼镜架的重心c，c＝[c
x
,cy,cz]。显然，重心在x0y平面内的投影处于四个支撑点的投影面积内，模型可以保持平稳。但考虑到眼镜架的左右平衡和前后平衡，还需得到重心相对于左右支撑点的相对位置。
[0098]
进一步的，步骤110中，进行质量分布计算与质量迁移计算，包括：
[0099]
将眼镜架用体素填充，根据体素的分布情况，耦合眼镜架的质量分布，从而得到眼镜架的重心c；
[0100]
基于c和s0的相对位置，确定质量迁移的数值；其中，佩戴的平衡性要求按照c和s0的相对位置进行约束。
[0101]
进一步的，步骤110中，进行镜架强度应力分布计算，具体为：调用有限元计算库，计算镜架强度应力，并将强度小的地方约束为不可质量迁移，保证镜架的初始比强度。
[0102]
步骤111，将镜架平衡性分析的结果映射为镜架各部分的密度分布，由密度分布驱动生成多孔结构。
[0103]
具体的，基于镜架平衡性分析的结果，计算重心与支撑面在x与y方向的相对位置，
迭代调整镜架各部分的密度分布，由密度分布驱动多孔结构自动生成，以调节眼镜的整体重心，使其满足佩戴平衡性要求，减少佩戴时的滑落、左右倾斜等。镜架生成的多孔结构不足以平衡镜架时，还需要根据客户选择的贴图图案，通过布尔运算、快速融合的方式添加到镜架上。
[0104]
图7是本发明的多孔结构和装饰元素添加相结合功能的示意图。
[0105]
参见图8所示，另一方面，一种眼镜镜架制造方法，基于所述的眼镜镜架设计方法，包括：
[0106]
步骤201，镜架3d打印及力学分析。
[0107]
打印时，采用sla光固化技术；首先，在打印机中进行多副眼镜几何排列；再进行边界支撑点添加、层厚控制和调整打印支撑，提高打印成功率；以及调整眼镜镜架的摆放角度，优化打印方向；然后优化紫外照射强化时间；最后抽取样品进行力学分析，对力学性能差的眼镜架进行打印参数调整；
[0108]
步骤202，表面处理，通过打磨和喷漆，强化眼镜镜架表面。
[0109]
本发明一种眼镜镜架设计方法及制造方法，首先利用3d扫描设备扫描人的头部获得点云数据，并重构为nurbs曲面和三角网格曲面，从而获得脸部模型的三维数据信息；再利用头部模型的对称面、特征点以及特征尺寸将初始眼镜模型与头部模型进行匹配；又根据脸部模型三维数据信息，包括鼻子形状，两眼间距等其他面部特征，调整镜架的鼻中、桩头、角度、眼睛凸点至镜片距离、鼻托及镜腿尺寸等，并将眼镜模型与头部模型再次匹配，重复调整镜架的各尺寸；接着对眼镜进行力学平衡分析，包括基于有限元数值模拟的眼镜自平衡性分析、质量分布计算、质量迁移与镜架强度应力分布分析等；然后在平衡性驱动下进行多孔结构智能计算，将平衡性分析结果映射为镜架各部分的密度分布，由密度分布驱动多孔结构自动生成，以调节眼镜的整体重心，使其满足佩戴平衡性要求，减少佩戴时的滑落、左右倾斜等。最后完成眼镜模型的3d打印工艺参数优化，多副眼镜打印的几何排布、层厚控制、打印方向优化以及紫外线照射强化时间优化等实验研究。本发明具有良好的经济效益和社会价值。
[0110]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。此外，在没有更多限制的情况下，由语句“用于”限定的要素，并不排除还包括其他的用途。
[0111]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0112]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。