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人体头部数字化建模方法的研究及应用

盖宇春  
【摘要】: 随着产品设计的人性化发展,人体CAD模型在工业设计、人机工程、工程设计、人类学研究、医学研究等领域中得到了越来越多的应用。人体的CAD模型可以为医疗器械的设计如呼吸器等提供人体基础资料。呼吸器的尺寸参数应该根据工人的实际头部尺寸参数和轮廓形状来制作,其形状应贴合人体头部形状,达到比较好的防护效果。要设计出这样的呼吸器产品就需要逼近真实人体头部形状的CAD模型来支持。 但是人体头部是一个复杂的不规则曲面,用传统的测量方法难以得到人体头部模型的轮廓和尺寸。而目前对人体测量和建模的研究主要应用与服装和军事领域,研究内容主要集中于人体的尺寸参数轮廓形状。 本文将逆向工程应用于人体头部建模,结合呼吸器的结构与人体头部的生理结构,参照国家标准建立了针对呼吸器的人体头部尺寸采集标准,利用人体头部骨骼特征对头部尺寸参数进行标定。对人体测量方法进行了研究,并以中国西南地区的人群作为测量对象,用卡钳等量具测量人体头部尺寸数据并利用三维激光扫描仪进行头部数据测量,得到人体头部模型的点云。 然后对数据进行统计分析,得到中国西南地区人体头部尺寸特征。并根据得到的尺寸特征选取具有代表性的实际人体头部模型点云。研究了对非接触式测量点云的预处理方法,对测量点云进行平滑处理,去除了点云中的噪声点并对点云数据进行了精简。本文使用NURBS曲面直接拟合的方法对测量的点云进行曲面重构,将系统的优化方法应用到NURBS曲面重构中,利用插值曲线对测量点云进行分块处理,解决用NURBS曲面拟合中曲面的光顺与曲面与点云的误差之间的矛盾问题,使反求模型中各曲面片之间相互连接、光顺过渡且能够反映出人体头部的细部特征。最终得到人体头部的CAD实体模型,得到的实体模型逼近真实人体头部形状,完全可以用于辅助进行呼吸器的设计等医学研究项目。


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