台灣地區人臉3D建模探討

1. 2015 Conference on Innovative Management and Health
應用於穿戴式產品設計之頭顱顏面 3D 量測與資料分析
張立光 1、陳一元 1、陳建任 1、黃素珍 1、楊宜學 2、游志雲 3
1工業技術研究院 服務系統科技中心
2龍滕科技股份有限公司
3台灣國立清華大學 工業工程系
摘要
目前穿戴式產品常造成國內消費者佩戴上的不舒適，因此本研究藉由台灣三度空間的頭顱顏面資料數據建
置並據以計算臉部相關尺寸值，希望可以使得在頭部穿戴式產品的設計更加的符合國人的臉型。本研究的量測
結果可整理出做為參考標準的二維尺寸資料及製作出三維的立體模型，並可以重覆於3D頭顱顏面資料重新取樣，
計算出不同群組的標準人臉幾何資訊，可以從科學及量化的角度進行穿戴式產品與3D頭顱顏面進行匹配模擬驗
證。
關鍵詞：穿戴式產品、頭顱顏面、立體模型、量測
前言
由於智慧手機的普及與多元發展，帶動穿戴式產品的蓬勃發展，但是如何讓使用者長時間舒適的配戴已成
為智慧穿戴產品的關鍵存亡因素。從調查使用者經驗需求與缺口可開發出多種功能，但是不同的功能會改變使
用者的穿戴行為，只有人性體貼的人機介面可以走出另一條藍海的道路。
本研究將探討頭顱顏面標準資料建置[3][4][6]及其對頭戴式裝置(智慧眼鏡)的人機介面研究，此一資料數據
可以做為穿戴式裝置的設計參考，以提升人機介面的吻合程度。例如類似Google glass這一類的穿戴式裝置的人
機配合有四方面: 鏡架(the frame)必須比顏面略寬、鏡架必須水平、鏡腳(the temples)必須水平延伸至耳朵上緣，
並由此下彎以勾住耳朵、鼻橋(the bridge, or nosepiece)必須貼合鼻樑，或以可調性鼻墊(nose pads)增強吻合度。
另外，Google glass這一類的穿戴式裝置還附有觸控的操作裝置，所以必須讓使用者在操作時或移動中的時候牢
牢固定在臉上。由於每個人的頭顱大小與臉型均不一樣，除此之外，不同人種的頭顱大小與臉型也有相當大的
差異，所以目前市面上所販賣的智慧眼鏡尺寸不一定適用每個人。目前關於頭戴式的機構設計的研究報告不多，
只有少數幾篇在探討關於矯正行眼鏡與人臉尺寸關係的相關研究[5][7]。
本研究之目的在於量測3D頭型資料進行分析，設計出一個最吻合人體臉型及適用於20歲以上大眾頭型的頭
戴式智慧眼鏡。在本研究中，我們將針對頭部與臉型的尺寸進行人體計測分析，找出智慧眼鏡與人臉尺寸的對
應關係，藉由分析結果可以提供智慧眼鏡在設計時需要注意哪些關鍵因素，以符合大眾使用者的需求，提升配
戴的舒適性。針對以上所述，本研究透過3D人體掃描計測資料，運用3D尺寸去做尺碼分群並且透過型態差異分
析找出各尺碼中的最小差異的參考樣本人，設計出一個能符合大眾使用者臉型的智慧眼鏡尺寸。

2. 2015 Conference on Innovative Management and Health
頭顱顏面量測與數據分析
本研究建構了一個3D頭顱顏面資料分析的方法，這些資料可以作為穿戴式產品的設計參考，以提升人機介
面的吻合程度。本研究從20~35之間歲不分男女中抽樣100人，36歲以上的男性與女性各抽樣100人，利用3D掃
描儀量測頭顱顏面，分別建立男性與女性兩個個別的3D頭型資料。再從兩個個別的3D頭顱顏面資料族群計算出
數據模型協助3D (1) 傳統方式萃取1D的尺寸和2D的輪廓線15個，作為穿戴式產品設計的參考(2)亦提供3D數據
模型協助3D設計穿戴式產品。
1. 研究設計
如圖1所示，本研究建置流程首先須遵循人體試驗委員會(IRB，Institutional Review Board)規範與程序，藉由
有計畫的依性別與年齡分成三組，透過徵求自由報名的300名符合條件的受試者，利用2.5D光柵投光式量測系統
進行三度空間的量測。本研究所產生的頭顱顏面標準資料可作為產品的設計過程中進行頭顱顏面工學的分析，
藉以提升人機介面的吻合程度。人體計測資料會用以擷取頭顱顏面計測尺寸，分析平均值、極大值、與極小值
等統計資料，作為產品的設計參考。
圖1：頭顱顏面3D建置流程
本研究使用器材為龍滕科技所生產｢非屬醫療器材的臉部3D相機(LTFaceCam 300EXII)｣，該設備是由兩個雙
投光器的3D相機所組成，可以同時量測物件的深度及拍攝紋理材質。該設備目前已經有國防大學，警察大學，
長庚大學與台灣大學採購並使用此設備在人臉辨識(國防大學，警察大學)，肢端肥大症病患檢測評估(長庚大學)，
與呼吸面罩設計與評估(台灣大學)。該設備的規格如下:
表1：拍照設備規格
項目 規格
單測頭尺寸 170mm(W)*550mm(H)*260mm(D)
整機尺寸 800mm(W)*600mm(H)*1600mm(D)
重量 9.5kg
電源 AC110V~240V, 200W
取相裝置 >7.9M Pixels Sensor, 兩組整合式3D Camera

3. 2015 Conference on Innovative Management and Health
拍攝速度 雙測頭拍攝<1.5 秒
投光裝置 雙彩色結構光
量測範圍 350mm(寬)*300mm(高)*200mm(深)
解析度 <1.0 mm
精準度 +/- 0.25mm
貼圖資料 Yes (with> 8M UV Texture Map)
輸出3D格式 LTM, OBJ, STL, WRL
本研究針對穿戴式產品設計的頭顱顏面為量測範圍，此範圍除了臉部資料外還包括側面的耳朵部位，因此
以四台單投光器的相機分別從正前方，45度左前方，45度右前方與下頦方向來進行量測，量測示意圖如圖2所示:
圖 2：本計畫的臉部 3D 相機分別從正前方，45 度左前方，45 度右前方與下頦方向來進行量測。
因此相對應的四台3D相機，將架設在三角支架上，分別由前方，斜下方，45度左前方，與45度右前方來進
行拍攝，而受試者則坐在設備所圍繞的中心位置來進行量測，量測擷取系統如圖3所示:
圖 3：本計畫臉部 3D 相機的平面與立面配置圖
2. 資料量測
本研究的量測程序包含樣本人資料紀錄、戴頭套、與量測掃描。依據人體實驗倫理法，首先由量測人說明
量測的過程與可能的危害，讓樣本人填寫個人資料，並量測身高計與體重。接著，讓樣本人戴上頭套，頭套的
目的在於將蓬鬆的頭髮服貼頭皮，並增強反光以利量測。之後，請樣本人坐在量測椅上，眼睛正視前方，保持
姿勢穩定，進行量測掃描，量測歷時3秒鐘完成1個3D人臉量測，測量完畢後可以得到正面及背面共8筆區域頭
型資料。隨後立即在電腦上檢視量測成果，如果資料有所缺陷，則必須再行量測。
如圖4受試者A的正面量測過程所示，首先以光柵圖案投射在受試者的頭顱顏面上，經過3D軟體計算受試者

4. 2015 Conference on Innovative Management and Health
2D影像上的平移量，可以得到具有曲面高度值的深度圖形，3D軟體最後將各部分整合如圖5所示之3D頭顱顏面
模型。在資料表面由於皮膚材質的半透明特性會出現粗糙不平滑的結果，我們需要進一步的處理表面資料。接
下來要進行的是頭型資料標準座標系的定義，頭型資料標準座標系的定義是希望建構一個一致的座標系統作為
尺寸計算與後來3D 資料分析比較的參考軸。因為在拍照時，每一個人的坐姿、頭部形狀等會使得空間位置不
一致，本研究選擇左外眼角及右外眼角為X軸，中點為原點，以耳上根為Y軸方向，而Z軸為垂直X與Y軸的方向。
圖 4：光柵投光量測系統的量測結果
圖 5：整合完成的 3D 頭顱顏面模型
3. 鏡框設計
以3D的方式擷取設計尺寸作法是將男、女個別數據資料中的每一個樣本人，求取鏡框參考面、尺碼分級、
萃取尺寸與裕度。求取每一個樣本人的鏡框參考面的方法如下。首先擷取經過(1)眉心上緣的水平2D輪廓線(簡
稱眉上輪廓線)、(2)眼眶上緣的水平2D輪廓線(簡稱眶上輪廓線)與(3) 眼眶下緣的水平2D輪廓線(簡稱眶下輪廓線)
等3條輪廓線，如圖6a所示。依眉上輪廓線在顏面正面部分逼近一段曲線，稱為鏡框曲線，其寬度與兩顴骨同寬。
將鏡框曲線複製並平移至眶上輪廓線上，使它與左、右最凸點套合，這是鏡框參考面的上緣:依同樣模式，將鏡

5. 2015 Conference on Innovative Management and Health
框曲線複製並平移至眶下輪廓線上，使它與左、右最凸點套合，這是鏡框參考面的下緣。將鏡框參考面的上、
下緣曲線的左右端點連成四邊框，成為鏡框參考面，以紅色標示邊界，如圖6b所示。
(a) 經過眉毛上緣的水平 2D 輪廓線(簡稱眉上輪廓
線)、眼眶上緣的水平 2D 輪廓線(簡稱眶上輪廓線)
與眼眶下緣的水平 2D 輪廓線(簡稱眶下輪廓線)等
3 條輪廓線
(b) 每一個樣本人的鏡框參考面
圖 6：鏡框參考面
尺碼分級是將個別數據資料中的所有樣本人分類成大、小2個尺碼。將所有樣本人的鏡框參考面以眉心
(glamela)疊合，依鏡框參考面的寬度與鏡腳深度分布，以中間值作為分界規劃大、小2個尺碼(圖7)。接著，分別
在大、小尺碼中再以鏡框參考面的寬度與鏡腳深度的中間值，以這兩個中間值為標準，搜尋一個最接近這2個中
間值的真實樣本人，作為尺碼的代表人。
圖 7：將所有樣本人的鏡框參考面以眉心(glabella)疊合，依鏡框參考面的寬度與前後(也就是鏡腳深度)分布，以
中間值作為分界規劃大、小 2 個尺碼
依設計實務，真實的鏡框面必須將鏡框參考面往前平移7.5mm (5mm~10mm之間)，以避免摩擦到顏面表皮。
左右穿戴式產品的內側界線由下列方法決定: (1)左右穿戴式產品的內側上角必須相隔15mm (市場產品調查值)；
(2)這個真實的鏡框面會與鼻樑相交，將鼻樑交線中分，各往左、右平移5 mm，作為內側下腳邊界。依據內側上
角與內側下腳邊界，設計師可以畫出一條內側邊界線。這已經是具有設計參考價值的真實的鏡框面。
結果與分析
頭部計測項目在ISO 8559[1]及ASTM(美國標準測試與材料)機構[2]均有粗略的定義，本文3D頭型數據資料
中萃取表面輪廓線為3D空間分析所擷取的設計尺寸，作為穿戴式產品設計的參考。如表2所列經過計算之後的

6. 2015 Conference on Innovative Management and Health
平均臉部相關尺寸值，乃適用於一般國人臉型之智慧眼鏡設計要求的相關人體尺寸。
表 2：平均臉部相關尺寸值 (單位:mm)
項目 平均值 標準差 功能
A1 左右耳上點寬 160.6 7.6 鏡架寬度參考
A2 前額寬 175.4 7.1 鏡架寬度參考
A3 左右顳骨寬 134.9 14.2 鏡架寬度參考
A4 內眼角間距 40.0 3.3 鏡框設計參考
A5 外眼角間距 94.9 5.2 鏡框設計參考
A6 左瞳孔到鼻根間距 33.2 2.3 鏡框設計參考
A7 右瞳孔到鼻根間距 31.4 2.0 鏡框設計參考
A8 鼻高 20.9 14.3 整體設計參考
A9 鼻長 44.7 13.4 整體設計參考
A10 鼻角度 27.4 5.2 鼻橋設計參考
A11 鼻根下 5mm 高 11.1 10.5 鼻橋設計參考
A12 鼻根下 10mm 高 14.1 10.4 鼻橋設計參考
A13 鼻根下 15mm 高 17.3 10.3 鼻橋設計參考
A14 左耳上點到鼻根距離(深) 87.2 8.7 鏡腳深度參考尺寸
A15 右耳上點到鼻根距離(深) 88.7 7.8 鏡腳深度參考尺寸
A16 左耳上點到左瞳孔距離(深) 80.1 8.5 鏡腳深度參考尺寸
A17 右耳上點到右瞳孔距離(深) 82.5 7.8 鏡腳深度參考尺寸
A18 眼眶高度 23.4 3.7 鏡面高度參考
討論與建議
本研究測得的國人頭顱顏面數據資料所建立的立體模型，是採用目前最先進的光柵投光式量測系統所設計
出來的，此量測方法應用於複雜曲面的人體計測有足夠的精確度且成本低廉、無傷害性，並且在量測之前先進
行立體空間座標校正，可使三度空間人體計測技術與3D量測技術結合，達到更精確、簡便的目的。在實質成果
上，本研究所建立的數據資料與標準立體頭型為相當具有實用價值的研究成果，往後繼續發展，可以提供設計
出符合本土大眾的穿戴式產品，並據以建立標準與法規以作為檢測之依據，造福大眾。
參考文獻
書籍：
[1] ISO. (1999). Garment construction and anthropometric surveys – body dimensions, IOS 8559:1999(E).
[2] ASTM (American Society for Testing and Materials), Standard Terminology (1999). Relating to body dimensions
for apparel sizing, D5219-99, ASTM, Philadelphia, PA.

7. 2015 Conference on Innovative Management and Health
研討會論文：
[3] 游志雲、葉文裕、楊宜學、張碧慧，〈勞工頭型模式之研究：台灣勞工頭型資料庫與標準頭型之建立〉(勞工
安全衛生研究季刊，1996/6)，頁 31-46
[4] 楊宜學、葉惠芳、陳志勇、游志雲，〈勞工頭型模式之研究〉(勞工安全衛生研究季刊，1994/9)，頁 47-56
[5] 彭剛毅，〈眼鏡設計之人體顏面計測調查研究〉(設計學報第 6 卷第 1 期，2001/1)，頁 17-32
學位論文：
[6] 楊宜學，《勞工 3D 頭型資料庫之建立與頭部防護具之設計應用》（國立清華大學，博士論文，2003），頁 60-64
[7] 李清正，《配鏡者選配之眼鏡與其臉型尺寸之相關研究》（國立台灣科技大學，碩士論文，2005）
Applied to craniofacial 3D measurement and data analysis of wearable devices
design
Lih-Guong Jang1、Yi-Yuan Chen1、Jian-Ren Chen1、Su-Chen Huang1、Yi-Xue Yang2、
Chi-Yuang Yu3
1Industrial Technology Research Institute
2Logistic Technology Corporation
3National Tsing Hua University
Abstract
Currently, wearable devices often cause consumers not comfortable to wear on. Therefore, the research on the
design of wearable devices for head to be more compliance with the general public faces is implemented through
Taiwanese 3D craniofacial data analysis and the study of the face related dimension value. The measurement results
of this research can be sorted out from the size of a 2D craniofacial data and then create a 3D model. Based on the
measurement results, the standard face geometry information from different groups can be calculated. And from the
scientific and quantitative point of view, the wearable devices and 3D craniofacial can be further proceeded into
matching simulation and verification.
Keyword：Wearable devices, Craniofacial, 3D, Measurement