三維人體測量技術(shù)的研究進展及應用

周 琦

(九江學院，江西 九江 332005)

人體測量技術(shù)是準確把握人體尺寸及特征，確保服裝合體的必要手段[1]。本文總結(jié)了傳統(tǒng)手工測量技術(shù)與三維人體測量技術(shù)兩者的優(yōu)缺點，三維人體測量技術(shù)的研究及應用進展，并針對現(xiàn)階段三維人體測量技術(shù)存在的問題提出了建議及未來的發(fā)展方向。

1 傳統(tǒng)手工測量技術(shù)與三維人體測量技術(shù)對比

傳統(tǒng)手工測量技術(shù)一般通過皮尺、馬丁尺、角度計、測距計等工具，由測量者根據(jù)自己的經(jīng)驗，直觀地測量出人體數(shù)據(jù)。優(yōu)點是測量工具簡單、廉價，測量結(jié)果直觀。缺點是耗時長，測量數(shù)值的穩(wěn)定性偏低，缺乏量化標準，容易存在系統(tǒng)誤差和偶然誤差，精確度低，難以進行快速、大規(guī)模的人體測量[2]。

三維人體測量技術(shù)是集光學技術(shù)、計算機圖形學、信息處理和計算機視覺等于一體的測量技術(shù)。系統(tǒng)可以在幾秒內(nèi)完成全身掃描，再通過軟件提取并輸出多項人體數(shù)據(jù)。三維人體測量技術(shù)的優(yōu)點是測量速度快、耗時短、精確度高，且能進行大規(guī)模的人體測量。缺點是設備價格昂貴且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化復雜，普及率較低。

2 三維人體測量技術(shù)的研究進展

歐、美、日本等發(fā)達國家從20世紀70年代便開始進行三維人體測量技術(shù)研究，并研發(fā)了多種三維人體測量系統(tǒng)。國內(nèi)三維人體測量技術(shù)研究雖起步較晚，但近年來許多高校研究出多種三維人體測量系統(tǒng)，并取得了大量成果。但目前，這些研究在實際應用中還存在系統(tǒng)不穩(wěn)定、測量精度不高等問題。三維人體測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀主要包括三方面：測量參數(shù)提取技術(shù)、測量方法及代表性的三維人體測量設備。

2.1 人體測量參數(shù)提取技術(shù)研究現(xiàn)狀

三維人體測量設備對人體掃描后，會得到不同的數(shù)據(jù)格式和模型，并從中提取出一些重要的人體特征參數(shù)。相關研究者在人體特征參數(shù)的提取方面已取得一定成果，蔣麗君[3]通過增加五個派生變量來表征頸部形態(tài)比例關系，使用因子分析方式獲得頸部特征因子，再通過快速聚類，構(gòu)建了頸部規(guī)格系統(tǒng)；陳敏之等人[4]通過設計多個體型特征識別項目，用模糊聚類法對女子體型進行模糊細分，研發(fā)了女子體型識別專家系統(tǒng)，可快速、有效地模擬專家進行體型評價，并對5種典型著裝進行特征部位形態(tài)識別，生成相應的服裝標識。

2.2 三維人體測量方法發(fā)展現(xiàn)狀

目前三維人體測量方法主要包括激光測量法、莫爾條紋測量法和攝影測量法。

2.2.1激光測量法

激光測量法是運用相似三角形的原理，設置多個不同方位激光光源，接收人體表面反射光，最后通過分析反射光的時間間隔，光軸角度與強度，計算得相應的數(shù)據(jù)，如英國Cyberware全身掃描儀。激光測量法的優(yōu)點是精準度比較高，缺點是測量時對人體的動靜態(tài)要求比較高，且激光測量有一定的輻射，要將其功率控制在一定的范圍內(nèi)，以保障測量時對人體無害。

2.2.2莫爾條紋測量法

莫爾條紋測量法是把光投射到人體身上，得到相關的莫爾數(shù)據(jù)信息，再經(jīng)分析與計算得到人體數(shù)據(jù)，如美國TC2分層輪廓測量系統(tǒng)。莫爾條紋測量法的優(yōu)點是測量方法比較簡便，缺點是測量不夠精確。

2.2.3攝影測量法

攝影測量法是利用被測者的影像來建模的方法，如立體攝影測量與投影條紋相位測量。立體攝影測量法是通過對人體攝影，分析同一點在兩幅圖像的關系，最后通過計算得該點的數(shù)值。投影條紋相位測量法是讓光柵投影在人體上形成圖像，再進行相位測量得到人體三維數(shù)值。攝影測量法是當前比較成熟的一種三維人體測量技術(shù)，但存在精度不高的缺點。

2.3 代表性的三維人體測量設備

目前具有代表性的三維人體測量設備有美國TC2分層輪廓測量系統(tǒng)，它可在10 s內(nèi)完成人體4萬多個點的掃描，并計算出人體特征參數(shù)，與真實尺寸誤差在0.6 mm以內(nèi)；德國Tec Math人體掃描系統(tǒng)，可在20 s內(nèi)完成人體8萬多個點的掃描，并計算出人體特征尺寸，與真實尺寸誤差在0.2 mm以內(nèi)，是目前使用較多的測體設備；英國Cyberware全身掃描儀，其有4個掃描頭，各掃描頭在移動中從多個視角掃描，只需10 s，隨后擬合出人體模型；上海工程技術(shù)大學開發(fā)的基于Kinect的三維人體測量設備，可在5 s內(nèi)捕獲待測者點云數(shù)據(jù)，并通過計算人體特征數(shù)據(jù)，生成三維人體模型。目前，該系統(tǒng)已在多地廣泛應用[5]。

3 三維人體測量技術(shù)的應用

3.1 數(shù)據(jù)庫的建立

三維人體測量技術(shù)測量出的數(shù)據(jù)可建立大規(guī)模的人體數(shù)據(jù)庫，為標準人臺的開發(fā)、體型的分類和人體測量學等研究提供數(shù)據(jù)基礎。西安工程科技學院、東華大學等高校均建立了人體數(shù)據(jù)庫，為服裝企業(yè)私人定制和規(guī)?；ㄖ茦I(yè)務的發(fā)展打下了堅實的基礎，提高了我國服裝行業(yè)的國際競爭力。

3.2 標準人臺的開發(fā)

在進行服裝設計、制作的過程中，需要用到標準人臺，以提高服裝尺寸的精度和設計的效率。若將三維人體測量得到的人體信息簡化、擬合和運用合適的算法，就可以完整地表達人臺的體型，從而開發(fā)出標準人臺。同理，也可以建立一些特殊體型人體模型，以提升產(chǎn)品的適應性，促進企業(yè)生產(chǎn)效益的提升。

3.3 人體體型的分類

汪東升等人[6]用三維人體測量技術(shù)測量了210名青年男性人體數(shù)據(jù)，選取立襠與身高比以及臀腰凸差作為體型分類標準，采用K-means聚類分析，將青年下肢體型分成了深襠平臀體、深襠圓臀體、中襠平臀體、中襠圓臀體和淺襠標準體5類。蔡曉裕等人[7]用三維人體掃描技術(shù)測量了108名在校女大學生體型數(shù)據(jù)，并進行主成分分析和聚類分析，匯總出6個因子，最終將青年女體腰腹臀形態(tài)分為扁平體、較扁平體、較渾厚體和渾厚體4類，并驗證了此種分類方法的可行性和合理性。余佳佳，李健[8]以407名東部地區(qū)女性為研究對象，采用三維人體測量技術(shù)測量人體66項數(shù)據(jù)，通過相關分析和分層聚類分析等，選取乳下圍扁平率、身腰比、胸腰差、臀腰差4個代表性特征變量，最終將女性體型分為14類，并檢驗得出分類結(jié)果合理有效。

3.4 虛擬試衣

虛擬試衣系統(tǒng)結(jié)合了三維建模、體感交互、人體模型重建及模擬等技術(shù)，消費者通過軟件構(gòu)建自己的虛擬模特實現(xiàn)換衣，可以節(jié)約資源，節(jié)省時間，給人們帶來便利。三維人體測量技術(shù)為虛擬試衣提供了基礎。2011年森動數(shù)碼有限公司推出了亞洲首個3D虛擬試衣間，當購物者站在試衣鏡前時，系統(tǒng)就自動進行三維掃描并獲取人體相關信息，然后自動放映試穿效果的三維圖像。

3.5 量身定制化服務

量身定制是一種以顧客為中心，滿足顧客對穿著效果的個性需求的服裝設計系統(tǒng)。量身定制化服務利用三維人體測量技術(shù)對人體進行測量，直接在虛擬人體模型上進行設計，根據(jù)相應的人體數(shù)據(jù)和客戶對服裝款式的要求，可以直接在人體模型上實現(xiàn)三維立體裁剪和紙樣設計，從而實現(xiàn)服裝設計、生產(chǎn)和銷售一體化的量身定制。如劉芳[9]利用Visual Studio2010和OpenGL軟件建立一個圖形交互界面，實現(xiàn)了服裝原型的自由縮放和多角度查看穿著效果，提供多種圖案用于服裝紋理樣式的選擇，實現(xiàn)了服裝的量身定制化服務。成思源等人[10]研究了人體個性化設計大批量定制模式下的關鍵技術(shù)，分析了三維人體測量技術(shù)與表面建模、模塊化設計和參數(shù)化設計、配置設計等相關技術(shù)的作用原理及關系。

4 三維人體測量技術(shù)的不足與建議

4.1 三維人體測量技術(shù)的不足

(1)三維人體測量要求被測者在測量過程中保持固定姿勢，若測量中出現(xiàn)運動，會導致部分數(shù)據(jù)丟失，造成數(shù)據(jù)準確性降低；(2)當被測者過于肥胖并存在大量贅肉時，會導致標定的胸圍線和腰圍線發(fā)生偏移，進而影響到相關數(shù)據(jù)的準確性；(3)三維人體測量由于設備價格昂貴、測量空間需求較高和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化復雜等原因，在中國服裝企業(yè)中普及率較低。

4.2 三維人體測量技術(shù)的建議

當前國內(nèi)三維人體測量技術(shù)的研究主要集中在測量后數(shù)據(jù)的處理和分析，為使我國三維人體測量技術(shù)進一步向國際先進水平靠攏，提供以下建議。

4.2.1測量過程可視化和建立回放系統(tǒng)

為實時監(jiān)測被測者的姿勢，及時糾正錯誤姿勢，應實現(xiàn)測量過程可視化；另外，為減少被測者在測量中出現(xiàn)晃動，提高測量數(shù)據(jù)的準確性，應建立回放系統(tǒng)。

4.2.2與生物識別技術(shù)相結(jié)合

準確識別相關骨骼點的位置是測量人體數(shù)據(jù)的基礎，研究者們在進行人體測量前，大多嘗試各種方法以準確找到重要骨骼點位置，將三維人體測量技術(shù)與生物識別技術(shù)相結(jié)合，可準確地識別重要骨骼點，可進一步提高測量效率和準確度。

4.2.3實現(xiàn)測量網(wǎng)絡化和智能化

未來的三維人體測量系統(tǒng)將不只停留在測量階段，還應該實現(xiàn)能夠在網(wǎng)絡上自動進行尺寸測量并獲取相關數(shù)據(jù)等自動識別智能化功能[11]。

5 結(jié)語

三維人體測量技術(shù)具有準確度高、自動化程度高、效率高等優(yōu)點，目前廣泛應用于數(shù)據(jù)庫的建立、標準人臺的開發(fā)、人體體型的分類、虛擬試衣、定制化服務等方面，但其仍存在對被測者要求高、標定誤差大等問題，未來需進一步開發(fā)出智能化、網(wǎng)絡化、低成本的三維人體測量技術(shù)系統(tǒng)，以更好地促進服裝行業(yè)的發(fā)展。