基于三维头部的头戴产品视野计算方法与流程

本发明涉及人机工程学、计算机图形学和生物学领域，特别是涉及基于三维头部的头戴产品视野计算方法。

背景技术：

对于头戴产品，如眼镜、头盔、护目镜等，人们在佩戴时视野会受到一定范围的遮挡。视野对人们的驾驶行为、飞行控制、行走越障、工作姿态等方面会产生影响，国内外多项研究证实了视野缺失对不同工作环境下的工作绩效和安全性有显著影响。

医学行业采用的视野计测量用于眼科疾病的视野判定，步骤复杂且不具有通用性，其测量结果不能直接用于人眼视野分析，无法为相关任务环境的工作绩效和风险评估提供依据。因此人们迫切希望研发一种基于三维头部的头戴产品视野计算方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供基于三维头部的头戴产品视野计算方法，能够计算出佩戴头戴产品时的视野干涉范围，为相关任务环境的工作绩效和风险评估提供依据，并为头戴产品的设计提供参考。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于三维头部的头戴产品视野计算方法，包括以下步骤，

构建第一三维视野模型m；

基于三维头部构建三维头部模型；

将三维头部模型叠加于第一三维视野模型m；

基于头戴产品构建头戴产品模型p；

将头戴产品模型p叠加于三维头部模型，获得头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉区域模型j；

基于干涉区域模型j，获取头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉范围。

进一步，头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉区域模型j的获取方式为，将头戴产品模型p与第一三维视野模型m利用相交命令运算获得。

进一步，基于三维头部构建三维头部模型的步骤包括，

使用三维建模软件构建三维头部模型，或使用三维扫描仪三维头部获取，三维头部模型的眼眶轮廓、瞳距与三维头部的眼眶轮廓、瞳距一致。

进一步，构建第一三维视野模型m的实现步骤包括，

以人眼视野阈值为基础构建第一二维视野轮廓线f；

以第一二维视野轮廓线f为基础构建第二三维视野模型g；

对第二三维视野模型g执行镜像命令，得到由两个第二三维视野模型g的并集构成的第一三维视野模型m。

进一步，构建第二三维视野模型g的实现步骤包括，

在三维建模软件中，在基准平面内构建圆环e，以圆环e的中心点点o作为三维头部模型的瞳孔中心坐标，通过点o且垂直于基准平面的一轴记为y轴，在基准平面一侧建立平面a，以平面a相对于点o方向记为y轴正向，以医学测量的标准视野阈值为标准在平面a建立第一二维视野轮廓线f，缩放第一二维视野轮廓线f得到第二二维视野轮廓线f’，建立一空间曲面n，使空间曲面n一端相切于平面a，另一端垂直于平面a，沿三维头部模型颞侧方向延伸第二二维视野轮廓线f’得到封闭曲线g,封闭曲线g的起始处曲率与第二二维视野轮廓线f'颞侧处曲率相同，将封闭曲线g投影于空间曲面n得到空间曲线g’，空间曲线g’与第二二维视野轮廓线f’共同构成空间曲线k，空间曲线k代表包含颞侧视野阈值的完整视野轮廓线，扫描圆环e和空间曲线k获得第二三维视野模型g。

进一步，头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉范围的获取方式为，

在圆环e上取任意点a，通过点a和圆环e的中心点o，建立垂直于基准平面的平面p，在平面p内从点a引出射线射线在平面p内绕点a旋转时与干涉区域模型j具有两个临界交点q1和q2，头戴产品模型p与第一三维视野模型m相应方向的干涉范围通过临界角度∠q1oy和∠q2oy表示。

进一步，获取头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉范围后还包括以下步骤，

在基准平面一侧构建平面t，使射线与平面t相交，干涉区域模型j在平面t上的投影用射线与平面t相交形成的二维区域t’表示，将第一三维视野模型m投影于平面t，得到未佩戴头戴产品的投影区域w’，分别计算t’和w’的面积，获取佩戴头戴产品的三维头部视野保存率p，其中

总的说来，本发明具有如下优点：

基于三维建模软件实施，通过导入不同人体的三维头部模型即可获取不同个体的三维视野，能够计算出佩戴头戴产品时的视野干涉范围，为相关任务环境的工作绩效和风险评估提供依据，并为头戴产品的设计提供参考。操作步骤简单，通用性强，摆脱实际医学测量过程的局限性。

附图说明

图1为第一二维视野轮廓线f的示意图。

图2为构建第二三维视野模型g的示意图。

图3为第二三维视野模型g的示意图。

图4为构建空间曲线k的示意图。

图5为空间曲线k和圆环e的示意图。

图6为圆环e上所取各点位置的示意图。

图7为平面p1、p2、p3、p4的示意图。

图8为干涉区域模型j干涉角度计算方法示意图。

图9为导入三维头部模型后的第一三维视野模型m的示意图。

图10为佩戴眼镜后的第一三维视野模型m的示意图。

图11为通过干涉区域模型j平面投影方法的示意图。

图12为干涉区域模型j与头戴产品模型p的平面投影示意图。

图13为本发明实施例的实施流程图。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

基于三维头部的头戴产品视野计算方法，包括以下步骤，

构建第一三维视野模型m；

基于三维头部构建三维头部模型；

将三维头部模型叠加于第一三维视野模型m；

基于头戴产品构建头戴产品模型p；

将头戴产品模型p叠加于三维头部模型，获得头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉区域模型j；

基于干涉区域模型j，获取头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉范围。

通过三维头部模型与第一三维视野模型m的匹配以及头戴产品模型p与三维头部模型的匹配，可以获得头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉区域模型j，对干涉区域模型j通过计算机运算，能够获取头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉范围。不同头型的三维头部可相应构建不同的三维头部模型。不同的头戴产品可相应构建头戴产品模型p。因此本发明实施例的基于三维头部的头戴产品视野计算方法，基于三维建模软件实施，通过导入不同人体的三维头部模型即可获取不同个体的三维视野，能够计算出佩戴头戴产品时的视野干涉范围，为相关任务环境的工作绩效和风险评估提供依据，并为头戴产品的设计提供参考。操作步骤简单，通用性强，摆脱实际医学测量过程的局限性。

头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉区域模型j的获取方式为，将头戴产品模型p与第一三维视野模型m利用相交命令运算获得。

基于三维头部构建三维头部模型的步骤包括，

使用三维建模软件构建三维头部模型，或使用三维扫描仪三维头部获取，三维头部模型的眼眶轮廓、瞳距与三维头部的眼眶轮廓、瞳距一致。

通过这个步骤，可针对不同个体的瞳距、眼眶轮廓和眼睛位置，结合健康人标准视野阈值，利用数字化方法构建基于三维头部模型的三维视野，有利于对三维头部佩戴头戴产品时受干涉区域影响而造成的视野缺损情况进行定量计算。导入头戴产品模型p时必须使头戴产品模型p与三维头部模型保持接触，以头戴产品模型p为眼镜为例，三维头部模型佩戴眼镜时，眼镜镜腿与耳廓接触，眼镜鼻托与鼻梁接触，水平线视轴位于眼镜中心水平线上方7mm处。

将第一三维视野模型m匹配至三维头部模型瞳孔位置时，第一三维视野模型m中心线与三维头部模型瞳孔视轴方向一致。第一三维视野模型m的上、下、鼻、颞侧四个方位与三维头部模型方位对应。当视轴随人眼转动而变化时，第一三维视野模型m跟随人眼转动而转动。

构建第一三维视野模型m的实现步骤包括，如图1所示，以人眼视野阈值为基础构建第一二维视野轮廓线f；以第一二维视野轮廓线f为基础构建第二三维视野模型g；对第二三维视野模型g执行镜像命令，得到由两个第二三维视野模型g的并集构成的第一三维视野模型m。

第一三维视野模型m代表健康人群的双眼三维视野模型。第二三维视野模型g代表健康人群的单眼三维视野模型。通过镜像命令可以方便地以单眼三维视野模型为基础构建健康人群的双眼三维视野模型。

构建第二三维视野模型g的实现步骤包括，

如图2-图5所示，在三维建模软件中，在基准平面内构建圆环e，以圆环e的中心点点o作为三维头部模型的瞳孔中心坐标，通过点o且垂直于基准平面的一轴记为y轴，在基准平面一侧建立平面a，以平面a相对于点o方向记为y轴正向，以医学测量的标准视野阈值为标准在平面a建立第一二维视野轮廓线f，缩放第一二维视野轮廓线f得到第二二维视野轮廓线f’，建立一空间曲面n，使空间曲面n一端相切于平面a，另一端垂直于平面a，沿三维头部模型颞侧方向延伸第二二维视野轮廓线f’得到封闭曲线g,封闭曲线g的起始处曲率与第二二维视野轮廓线f'颞侧处曲率相同，将封闭曲线g投影于空间曲面n得到空间曲线g’，空间曲线g’与第二二维视野轮廓线f’共同构成空间曲线k，空间曲线k代表包含颞侧视野阈值的完整视野轮廓线，扫描圆环e和空间曲线k获得第二三维视野模型g。

具体地，获取视野计测量的健康人士视野轮廓阈值，采用医学认证的健康人眼视野数据作为研究基础，采用人眼静止且放松状态下由白色视标测量得出的周边视野，由优选角度表示为：上方56°，下方74°，鼻侧65°，颞侧91°。生理盲点位于中心视野固视点颞侧15.5°，水平线下1.5°。盲点大小为垂直径5.5—9.5°，横径3.5°—9.5°。固视点周围30°内区域的中心视野以光敏度表示。

现有技术的视野计算方法通常将人眼视野区域近似为圆锥体，与人眼实际视野不符，导致其计算方法不准确。申请人发现，人眼中心视野轮廓实际呈水滴状，因此可由此构建中心视野及周边视野的平面阈值轮廓。在三维建模软件中，设定空间原点坐标o(0，0，0)为瞳孔中心坐标，在基准平面xoz内，构建直径4mm的圆环e，该圆环e代表人的瞳孔。设视轴指向y轴正向，记为在距离基准平面xoz的方向300mm处建立平面a，在平面a上，以医学测量的标准视野轮廓为标准，建立第一二维视野轮廓线f。

如图6、图7所示，进一步，在基准平面xoz上取瞳孔正上、正下、正左、正右四个点，分别表示为a(0,0,2)、b(0，0，-2)、c(-2，0，0)、d(2，0，0)，并以a、b、c为起点建立射线射线射线并满足射线与夹角为56°，射线与夹角为74°，射线与夹角为65°，且射线均在平面yoz内,射线在平面xoy内。取第一二维视野轮廓线f的上、下、左三个顶点分别为f¹、f²、f³。将第一二维视野轮廓线f按比例缩放，满足第一二维视野轮廓线f的三个顶点f¹、f²、f³分别与射线射线射线相切，得到缩放后的第二二维视野轮廓线f′,第二二维视野轮廓线′即代表300mm视距处的标准视野轮廓。建立一空间曲面n，使空间曲面n一端相切于平面a，另一端垂直于平面a。在第二二维视野轮廓线f’颞侧91°方向上延伸，构建封闭曲线g,封闭曲线g起始处曲率与第二二维视野轮廓线f'颞侧处曲率相同。将封闭曲线g投影于空间曲面n,得到空间曲线g’，空间曲线g’与第二二维视野轮廓线f’共同构成空间曲线k，如图4所示，空间曲线k即代表包含颞侧视野阈值的视野轮廓曲线。选取圆环e和空间曲线k，扫描获得第二三维视野模型g。

头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉范围的获取方式为，

如图8所示，在圆环e上取任意点a，通过点a和圆环e的中心点o，建立垂直于基准平面的平面p，在平面p内从点a引出射线射线在平面p内绕点a旋转时与干涉区域模型j具有两个临界交点q1和q2，头戴产品模型p与第一三维视野模型m相应方向的干涉范围通过临界角度∠q1oy和∠q2oy表示。

射线从瞳孔出发并与干涉区域模型j边线相交，能够模拟进入瞳孔的光线受头戴产品干涉的真实效果。具体地，以圆环e上点a(0,0,2)为起点，以圆环e为轨迹，为朝向，顺时针方向每45°取一点，分别记作a、a′、b、b′、c、c′、d、d′。已知视轴方向为平面xoz垂直于视轴。如图7所示，建立通过y轴、垂直于xoz平面的空间平面，分别记作p1,p2,p3,p4,其中满足：p1与平面yoz重合，p3平面yox重合，以为朝向，p1顺时针方向旋转45°得到平面p2，p4与p2垂直。从点a引出射线满足位于平面p1内，并与干涉区域模型j相交于点q,记录q位于不同位置对应的∠qoy大小。采用同样的方法，分别从点a′、b、b′、c、c′、d、d′点引出射线满足分别位于平面p2、p3、p4、p2、p3、p4内，记录不同平面内各个∠qoy的大小。

进一步地，对于平面p2、p3、p4、p2、p3、p4内的8条射线，每条射线与干涉区域模型j的交点q都存在至少两个临界值，记录每条射线的临界点q1和q2对应的临界角度∠q1oy和∠q2oy，即8个方向上每个方向均具有两个角度表示的干涉范围，故8个方向的干涉阈值可以通过该16个角度表示。

获取头戴产品模型p与第一三维视野模型m的干涉范围后还包括以下步骤，

如图11、图12所示，在基准平面一侧构建平面t，使射线与平面t相交，干涉区域模型j在平面t上的投影用射线与平面t相交形成的二维区域t’表示，将第一三维视野模型m投影于平面t，得到未佩戴头戴产品的投影区域w’，分别计算t’和w’的面积，获取佩戴头戴产品的三维头部视野保存率p，其中

具体地，构建空间平面t，平面t与圆环e所处基准平面距离为300mm，输入投影命令，以瞳孔边线上各点为起点引出的射线与干涉区域模型j相交并与平面t相交于不同位置，其组成的二维图形表示干涉区域模型j在300mm处平面的投影，记为t’。将未佩戴任何头戴产品时的标准视野模型投影于平面t，其投影区域记为w’。分别计算t’和w’的面积，通过公式p表示佩戴头戴产品的三维头部视野保存率。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明基于三维建模软件实施，通过导入不同人体的三维头部模型即可获取不同个体的三维视野。操作步骤简单，通用性强，摆脱实际医学测量过程的局限性。

2.对于视力正常个体的视野范围，医学领域未提供针对性的测量方式。相对于传统视野计测量得出的数据参数或二维图像表示的视野范围，本发明可直接提供三维视野，可直观地对人体视野进行计算。

3.本发明相对于已有人机工程软件中的视野分析功能，提供了精确的人体视野范围，可基于不同的眼部特征(瞳距、眼部轮廓、瞳孔位置)生成不同的视野范围，其在任意二维平面的投影均符合人体实际视野阈值轮廓。在视野计算时，可对每一干涉点进行分析，可对复杂干涉情况进行比较精准的分析，并以直观的图形形式输出。

4.本发明通过将不同产品的视野干涉评估结果以空间角度形式输出，可直观得出该头戴产品的视野干涉情况，从而提出改进方案。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。