张展硕，程旭锋
（北京林业大学，北京 100083）
摘要：目的 以提升用户人机体验为前提，结合增强现实眼镜的功能需求，从人机工程、使用过程、用户研究等多个方面探索该类产品的设计方法。方法 针对增强现实眼镜在使用中出现的问题，从人体数据入手，建立数字头部模型，再通过人机工程学计算得出设计尺寸，为设计研发提供参考并最终得出设计。结论 提出了一种增强现实眼镜的造型设计方法，提升了用户体验，对增强现实眼镜的工业设计具有一定的参考。
关键词：产品设计；人机工程；用户研究；增强现实眼镜
近年来，增强现实技术已经取得了显著的技术进步，特别是在产品界的普及性需求和积极推进下，展示出强劲的发展前景[1]。AR眼镜（Augmented Reality Glasses）即增强现实眼镜，是个新兴的产品。跟普通眼镜相比，无论从人机工程还是从使用方式上都有较大差别，当前市场上成熟的增强现实眼镜案例并不多，因此在设计上仍存在很大的优化空间，而体验的好坏在顾客做购买决策和对品牌产生忠诚度方面，充当了越来越重要的角色[2]。本文从人机工程学的角度入手，在传统眼镜设计方法的基础上进行创新设计，提高人佩戴增强显示眼镜的舒适程度，设计一款更加易于用户使用的AR眼镜。
增强现实（Augmented Reality，AR）技术是将计算机生成的虚拟图形和摄像机采集到的真实世界的场景有机结合起来，从而增加操纵者的环境感知度，并使其可以和操纵者进行人机交互的虚拟现实技术。“增强”就是增加或者强化理解，“现实”就是真实或已经存在的事物的一种状态的定义[3]，增强现实设备有多种样式，主要有手持式和头盔式两大类。本文中的设计以头盔光学透视式为例，整体部件关系见图1。
图1 增强现实眼镜的部件
Fig.1 Parts of augmented reality glasses
和普通眼镜相比，普通眼镜的功能是为了改善近视人群的视力，它需要用户长期佩戴。相对来讲，增强并不是一个需要长期佩戴的产品，但重量较重，体积较大，且会有一个外置的遥控器来操控眼镜，因此两者的使用方式会有一个明显的区别。
当前的产品在使用上存在不少问题，总结起来有以下几点。
1）用户的地域差异。在现阶段的 AR眼镜产品中，外国产品居多，尺寸往往是根据外国族群的头部尺寸进行设计。就头部尺寸而言，欧洲人要比亚洲人尺寸大，东方人鼻子相对西方人则具有短、低、宽等特点[4]。再加上AR眼镜尺寸和重量通常又较大，因此当中国人佩戴时，会出现适配问题。
2）使用场景。AR眼镜更偏向于工具，不同职业的用户会有不同的使用场景（比如运动或者体力劳动），如何在多种工况下使眼镜得到稳固和舒适的固定，这也是一个待解决的问题。
3）对头部的压迫。由于 AR眼镜重量和体积较大，长时间佩戴对鼻梁、耳背等处的压迫会比普通眼镜更加严重。
为确保增强现实眼镜在日常使用中的效率和易用性，应尽量减少用户的疲劳。
从佩戴上来说，增强现实眼镜较大，较沉重，因此应该尽量增大人头部与眼镜的接触面，从而降低人头部所承受的压强。常见的佩戴方式有3种，见图2，承担载荷的是鼻梁、耳部和头部，图 2a是普通眼镜的佩戴方式，主要靠鼻梁和耳朵来承重，图2b是用类似于绑带或者头箍来箍头部实现眼镜的固定（比如滑雪眼镜一些运动眼镜），图2c是靠头箍与鼻梁共同承载重量。相对于图2a—b的固定方式而言，使用图2c的方式，头部与眼镜的接触面积最大，而且稳定性更好，用户会相对舒适。
在眼镜与鼻梁的接触上，鼻托部分的支撑面也应相应扩大，来减缓压强，但是鼻托接触点周边肌肉密集，分布着眼轮匝肌、额肌、上唇方肌、鼻肌等肌肉。在考虑鼻托位置时，应以尽量不压迫周边肌肉为设计原则，在鼻根上部有一个没有穴位而且被上面提到的肌肉所包围的区域，若鼻托放置在此区域无疑是一个比较合适和安全的选择。
图2 常见的佩戴方式
Fig.2 Different ways of wearing
在眼镜与人头部的接触部分，考虑到头部遍布密集的血管与肌肉，应尽量减少产品对头部的压迫，因此与人接触的固定部分应该更多地使用软性材料作为缓冲，如海绵、皮革、聚氨酯等材料，以增加舒适程度。
在眼镜设计中，结合眼镜的结构与眼镜设计中的常识，发现人面部的一些尺寸与眼镜设计有很大关联。这些尺寸包括瞳孔间距、头最大宽、头最大长、头围、鼻基准角、鼻宽、鼻高和鼻深，总共 8项。本文中所采用的测量点，尺寸的术语等指标均参照 GB/T 5703-1999《用于技术设计的人体测量基础项目》[5]。
设计一款能够更好地适配中国人的增强现实眼镜是此次设计的目的之一，而中国人口众多，且发展迅速，如何获取合适的人体尺寸数据就是一个很重要的问题。目前，应用较广的人体尺寸标准是我国在1988年颁布《中国成年人人体尺寸》[6]。样本容量为22300个成年人，其中数据包括7个头面尺寸。1998年，在1988年所取得的数据基础上，通过对小样本（393人）人体头面尺寸数据的分析和统计，构成了《成年人头面部尺寸》标准（GB/T 2428-1998）[7]。
在此之后，国家在关于中国人的头面尺寸测量方面并没有新的进展，但是近20年来，随着中国经济的高速发展，中国青少年每10年身高平均增长达到2 cm[8]，平均体重增长3 kg[9]，中国人身体的各项指标均有较大变化，因此现在这个标准已经不能较准确地表述中国人得头面状况了。为了更好地适配当今的中国人，就需要时效性更高的头面数据。《中国汉族人体头面测量及分析》[10]，其测量时间是2008年，相对较新，样本容量是3000人，包含多个省市地区，测量项目也满足此次研究的需求，因此本次研究将采用这个文献的数据。将设计中所需要的数据从文献中摘录，见表1。
表1 男性和女性测量指标分布
Tab.1 Measurement data for men and women
男性数据百分位数 女性数据 百分位数指标 20 40 50 60 80 指标 20 40 50 60 80头围/mm 555.0 563.0 567.0 570.0 580.0 头围/mm 535.0 543.0 546.0 550.0 558.0头最大宽/mm 152.0 156.0 157.0 159.0 163.0 头最大宽/mm 146.0 150.0 150.0 152.0 156.0头最大长/mm 180.0 186.0 188.0 188.0 191.0 头最大长/mm 171.0 175.0 176.0 178.0 182.0瞳孔间距/mm 61.5 63.0 64.0 64.5 66.5 瞳孔间距/mm 58.5 60.0 61.0 61.5 63鼻高/mm 48.0 50.0 51.0 51.0 53.0 鼻高/mm 44.0 46.0 47.0 48.0 50.0鼻宽/mm 37.0 38.0 39.0 40.0 41.0 鼻宽/mm 34.0 35.0 36.0 36.5 38.0鼻深/mm 17.0 18.0 19.0 19.0 20.0 鼻深/mm 16.0 17.0 18.0 18.0 19.0
按照之前预定的固定方式来说，头围曲线对于眼镜的设计也具有一定的参考作用，但此方面的资料较少，本次研究以《人体工程图解》[11]中所得头部曲线作为参考，见图3。其中，P99，P50，P1分别代表第1，第50，第99百分位的人头曲线。
图3 头部曲线
Fig.3 Head circumference curve
由于文献中缺少关于鼻基准角的统计数据，因此此数据需要通过计算得出，鼻基准角是指双侧鼻翼基点与鼻根点连线的夹角，可通过鼻宽和鼻高计算得到，计算公式为：
这是一款男女通用的眼镜，文献中的数据是男女数据分别列出，缺少人体尺寸的平均值。人体尺寸的平均值可以通过男、女50百分位数计算得到，计算公式为：
把之前的数据经过以上的公式计算整理得出新的数据，见表2。
表2 人体平均测量指标基本分布
Tab.2 Human head measurement data
指标 百分位数20 40 50 60 80头围/mm 545.0 553.0 556.0 560.0 569.0头最大宽/mm 149.0 153.0 153.5 155.5 159.5头最大长/mm 175.5 180.5 182.0 183.0 186.5瞳孔间距/mm 60.0 61.5 62.5 63.0 64.75鼻高/mm 46.0 48.0 49.0 49.5 51.5鼻宽/mm 35.5 36.5 37.5 38.25 39.5鼻深/mm 16.5 17.5 18.5 18.5 19.5头围 47.1° 46.2° 45.4° 46.0° 45.4°
为了更好地为后续的设计提供参考作用，需要应用这些数据去建立一个数字头部模型。这个头部模型在细节上需要符合上文提到瞳孔间距，头最大宽，头最大长，头围，鼻基准角，鼻宽，鼻高，鼻深，总共8项关键尺寸以及参考之前的头部曲线。主要运用3DMAX软件进行头部建模，头部参考模型见图4。
图4 头部参考模型
Fig.4 Head reference model
此次设计的目标是设计一个适合中国人头部尺寸的增强现实眼镜，需要结合一些头部设备的设计知识，并且参考人机工程学研究的相关结论来对眼镜的造型、尺寸、材质等来展开设计，最后得出一个完整的设计方案。
首先，增强现实眼镜有一些基本部件构成，主要把包括眼罩、瞳距调整旋钮、开关、摄像头、光学组件、电路板数据线出口等，其中最核心的部件是光学组件。
在固定方式上，根据先前的分析，应采用头箍加鼻托的固定方式。另据装配上的要求，在头箍两侧的内部需要为电子元器件预留装配空间，因此这就要求头箍部分是硬质材料。根据产品的功能特性，该眼镜要满足不同身材的人使用，但固定部分为硬质材料，这就要求此产品的尺寸需要根据用户的实际情况进行调节，头箍部分需要可调节的设计。在与人接触的头箍内部和鼻托部分，也需要一个富有弹性的缓冲带。该增强现实眼镜在尺寸设计上属于Ⅰ型产品尺寸设计（又称“双限值产品设计”）[13]。
在具体尺寸的落实上，先从与用户关系最大的，接触最多的头箍部分的曲线入手。头箍由两部分组成，硬质的 ABS塑料所组成的外圈和软质的海绵聚氨酯合成革缓冲带组成的内圈，其中缓冲带厚度约为10 mm。此时可以把头箍部分看作半径相差10 mm的类同心圆形式。它属于男女通用型产品，因此设计时要考虑男女性别各自的百分数。
在计算头箍宽度的时，内圈需要满足小尺寸设计而外圈需要满足大尺寸设计，则有：
其中：W1为内圈宽；W2为外圈宽度；X为缓冲带厚度，X=10 mm。
N20女，N80男：分别为女子头最大宽的 20百分位数和男子 80百分位数，由表 1查得：N20女=146 mm，N80男=163 mm。
代入数值得到
在计算头箍长度时，发现最大头长男子80百分位的数值与女子20百分位相差20 mm，正好等于缓冲带的厚度，这种情况下就失去了紧固头部的功能，因此应引入可调节的设计，使之可以伸缩来适应用户。最小头箍外圈长度需要满足小尺寸设计最大头箍外圈长度应满足大尺寸设计，则有：
其中：L1为最小头箍外圈长；L2为最大头箍外圈长；ΔX为可以伸缩的长度。
M20女，M80男：分别为女子头最大长的20百分位数和男子80百分位数，由表1查得：M20女=171 mm，M80男=191 mm。
设取L1=170 mm ，则有 ΔX ≥21mm 。
综上所述，在头箍部分，外圈宽度应在163～166 mm，外圈最小长度应小于171 mm，为了方便设计，取头箍外圈宽度165 mm，外圈最小长度170 mm。此时可伸缩长度应大于21 mm。
根据前文的定性分析和定量分析，设计目标已经比较明晰。最初的设计应该从草图入手，其造型应符合科技产品的造型风格，突出科技感和炫酷感，同时色调应以灰黑色为主。在材质上，外壳主要采用ABS塑料，最外部的眼罩根据其功能需求应使用黑色的透明材料，黑色亚克力比较合适。考虑到成本，头箍内部和鼻托部分的弹性缓冲带使用海绵内衬外加聚氨酯合成革。
在这个阶段对草图方案的评价主要以企业的主观评价为主，通过分析企业对草图方案的形态，配色材质等方面提出的意见，来进行改进，并运用到下一阶段的计算机辅助设计中，在建模过程中主要运用犀牛与 ALIAS等软件。在建模之前，需要结合之前工作中得到的修正后的人体头部模型，头部曲线以及经过运算得来的头箍尺寸这些数据确定眼镜与人头接触的头箍轮廓，见图5。
以此轮廓线为基础，再参考之前建立的头部模型还有草图方案，在计算机中进行建模，同时也要对产品的结构、造型、尺寸、装配、分件等方面进行综合考虑，确保每个部件之间不相互干涉。经过多个版本的迭代后，得到了一个相对合理，造型和功能也符合预期的最终方案，见图6。
图5 设计草图和眼镜的头箍轮廓线条
Fig.5 Design sketch and contour line of glasses head hoop
图6 最终设计
Fig.6 Final design
本次设计的核心任务是设计一款符合我国人体尺寸的增强现实眼镜。在人机工程学的理论指导下，找到更合适的头部数据，并且借助计算机辅助设计，更直接和方便地帮助设计师去匹配人和产品。在满足基本的人机需求的条件下，从材质、使用方式、造型等方面也对产品有较大的提升。此设计方法对类似的科技产品的设计提供了参考。
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Design of Augmented Reality Glasses Based on Ergonomics
ZHANG Zhan-shuo, CHENG Xu-feng
(Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)
ABSTRACT: It aims to enhance the user experience as a prerequisite, combined with the functional requirements of augmented reality glasses, from the man-machine engineering, using process, user research and other aspects to develop products. Aiming at the problems in the use of glasses, starting from the human body data, a digital head model is built,then we can get the design size through the man-machine engineering calculation, and provide the reference for the final design. A design method of augmented reality glasses is proposed which enhances the user experience and provides a reference for the design of augmented reality glasses.
KEY WORDS: product design; man-machine engineering; user research; augmented reality glasses
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编号：1001-3563(2017)20-0061-06
收稿日期：2017-08-12
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2017ZY72）
作者简介：张展硕（1992—），男，河南人，北京林业大学硕士生，主攻产品设计和人机工程学。
通讯作者：程旭锋（1977—），男，江苏人，博士，北京林业大学副教授，主要从事绿色设计、产品设计、设计方法学、材料与工艺、计算机辅助设计等方面的研究。
程旭锋个人简介
程旭锋，博士，北京林业大学艺术设计学院工业设计系副教授、硕士生导师，美国农业部林产品实验室访问学者，北京绿色设计促进会会员，教龄 13年，参与完成国家“十一五”科技支撑项目、国家林业局948项目、林业公益性行业科研专项项目等重要项目，主持完成中央高校基本科研业务专项3项，主持完成横向项目多项（设计方案获得2011年创新设计红星奖2项、2012年创新设计红星奖2项），获得外观专利多项，软件著作权2项；主持完成教改项目多项，成果获得校级教学成果一等奖，获得“家骐云龙”青年优秀教师2次。工作期间出版专著1部，主编教材1部，作为副主编出版国家十三五教材规划1部，在核心期刊上发表高水平学术论文十余篇，其中SCI一篇、EI两篇、CSCD八篇，作品多件，2011年和2012年获得中国创新设计红星奖4项，2014年设计作品入围第12届全国美展，2017年设计作品获得红点奖。
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