三維人體掃描技術及其在服裝領域的應用

蘇軍強， 趙曉露， 沈津竹， 王宏付

(江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122)

近年來，隨著計算機技術和光學三維測量技術的發展，基于光學測量的各種技術和設備不斷出現。面向個性化量體的三維人體掃描技術是三維光學測量在服裝制造領域的重要應用方向。由于市場上的品牌多樣，所宣傳的技術原理及稱謂不統一，同時由于三維掃描設備對使用環境的一些特殊要求，目前三維人體掃描技術在實際應用中到達了瓶頸期，部分消費者對三維掃描技術的先進性、適用性及其前景持有一定的懷疑態度。

文中從三維人體掃描技術的原理、測量精度的密切影響因素、典型性應用及適用領域等方面進行梳理，以期為三維人體掃描技術在服裝領域的應用提供一定的參考和指導。

1 三維人體掃描技術的原理及影響因素

光學三維測量是用光學原理采集物體表面三維空間信息的方法和技術。關于三維人體掃描技術的原理，陳益松等[1]進行了較為系統的論述，并對其采用的技術及主流設備進行了分類，如圖1所示。

文獻[1]指出，共線方程是三維光學測量的基本原理：任何三維測量的結構光透射位置、被測量物體位置和拍攝位置都成三角關系，都屬于三角測量的范疇。主動三維測量的三角關系是從雙相機被動測量原理演變而來。

圖1 光學三維測量技術原理及分類 Fig.1 Principle and classification of the optical 3D measurement technology

1.1 共線方程

攝影測量中有3個不同層次的坐標系：物空間坐標系、相機坐標系、圖像坐標系。共線方程實際是通過相機坐標系作為中間坐標系來建立圖像坐標系與物空間坐標系之間的關系[1]。共線方程的齊次坐標矩陣表達式為

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知，物點在像點和光心的連線上，但是物點的深度卻無法確定。因此，單臺相機無法實現對空間物點定位。

使用2臺(含)以上、處于不同位置的相機對同一物點進行測量時，則可以得到多組共線方程。從數學模型來說，當有2i(i≥2)個代數方程時，物點坐標P即可解析出來。多臺相機對空間物點P成像的原理如圖2所示，物點P為相機光心Oi和相應的像點Pi組成的射線的交點。

就測量原理而言，三維測量技術均是采用以共線方程為基礎的技術形式對被測物進行全方位測量。市場根據三維技術原理研發的測量儀器包括結構光三維掃描儀、激光三維掃描儀和三坐標測量機3類。三維掃描技術在遙感、工程測繪、建筑測量、文物古跡修復、美容醫療、虛擬仿真、游戲動漫等產業已有較為廣泛的應用。

圖2 多相機交會確定物點的原理Fig.2 Schematic diagram of multiple cameras intersecting to determine object points

1.2 影響三維人體掃描精度的因素

人體體表形態復雜，既具有相對光滑的幾何平面，又存在腋窩、襠底、臀股溝、下頜底、肩頭等遮蔽、反凹角、馬鞍形特殊區域，同時人體屬于面積較大的被掃描件。因此，市場上的三維人體掃描儀均使用多單元聯合的形式，實現對人體全方位的測量。同時，人體體表形態是隨著人體生理過程不斷變化的，并且測量過程中人體不同的站姿、肌肉緊張程度、呼吸深度等，會顯現出不同的體表形態，進而影響到測量的精度。由此可見，三維人體測量是一個人體、設備、軟件綜合作用的過程，影響其測量精度的因素也多與這3個要素有關。

1.2.1人體站姿與晃動 人體掃描時，掃描對象的站姿對于圖像采集及后續特征點、特征部位判斷至關重要。掃描站姿多參照現行標準ISO 20685—2010[2]執行，但是在實際操作中，被測者對標準的理解和掌握程度不夠，仍是影響測量精度的主要因素之一，存在的主要問題包括：①上臂與軀干打開角度過小，會影響胸圍、上臂圍、腋底點位置的判定和相應測量結果的準確；②雙腿站立角度過小，輕則會影響襠底點判定，致使腿部內長的測量結果不準確，重則會影響對臀部形態的重構，如前后襠的形態和尺寸；③下頜底內收過度，會造成頸部掃描“空洞”過大，影響對頸部圍度測量結果和形態的重構；④肌肉緊張過度，尤其是健壯男性體，會造成體表形態異常，從而影響最終的測量精度。

人體掃描時的無意識晃動是掃描誤差的另一個主要影響因素。由三維人體掃描的原理可知，人體全身掃描實質是通過計算機對多臺光學三維單元進行聯動控制，再通過計算機軟件實現自動拼接，獲得精確完整的人體點云數據。而在掃描過程中，人體總會不可避免地有晃動、搖擺等無意識動作，當晃動超過一定程度則會成為影響測量結果準確性的重要因素。由晃動帶來的測量誤差較大，主要表現在：①前臂端的測量誤差；②軀干圍度的測量誤差；③頸圍的測量誤差。

1.2.2設備完成掃描的時間 由上述晃動帶來的測量誤差推斷可知，設備完成掃描的時間也是影響測量精度的關鍵因素。

目前，無論是激光片光法還是編碼光柵法，其完成掃描的時間都在秒級，可劃分為3 s10 s 3類。在此過程中，人體晃動所帶來的測量誤差將不可避免，并且一定會對測量結果產生影響。YU W等[3]經過多年的研究發現，設備獲取人體體表形態的時間是影響三維人體測量精度的最關鍵因素。微軟公司推出的Kinect體感設備，具有紅外識別和深度感知功能，該設備抓取人體圖像的時間極快，一般在零點幾秒至幾秒之內完成。因此，近年來，利用多臺Kinect體感設備進行三維人體測量[4-7]，成為發展的新方向，實際應用效果較好。文獻[4]針對Kinect掃描較大面積物體時數據精度偏差嚴重的情況，通過在人體前后分別配置上下4臺Kinect的方式，減小其掃描范圍的同時，快速(3 s以內)抓取人體體表數據。Kinect 4個部分的數據通過兩兩校準，自動拼接成一個完整人體數據。之后，將掃描得到的人體點云進行去噪處理，并使用SCAPE模型和迭代最近點查找方法得到最終的人體點云。與傳統的三維人體掃描設備相比，其硬件設備成本明顯較低，其提出的人體模型重建方法數據采集簡單、重建時間短，是值得繼續深入研究的方向。

1.2.3軟件對特征點的識別 獲取人體體表圖像，只是人體識別的必要步驟，如何準確識別人體的特征點和特征部位，是關乎測量精度的另一個核心問題。關于人體體表特征點識別，大概有兩類方法： ① 貼標記點法。該方法是在掃描前，將人體特征點部位粘貼若干個標記點，這些標記點在掃描后具有清晰、易識別的特征，可以較為容易地被圖像識別軟件捕獲。其優點是人體特征點易于識別，測量精度較高，但是缺點也非常明顯，粘貼標記點需要較長時間，同時對人體特征點的識別需要較強的經驗。 ② 幾何特征判定法。主要依靠人體特征部位的統計規律，先大致確定特征點或者特征部位的范圍，然后采用包圍盒法逐漸縮小范圍，依靠特征部位的幾何特征以及統計規律的雙重約束，實現對特征點、特征部位的判定，從而實現對這些部位的自動測量。該方法的優勢是測量效率高，對操作人員的技能要求低，缺點是測量精度對軟件的算法、人口統計規律的準確性和適用性要求較高。

1.3 內置人體模型和算法

就市場上主流人體掃描儀的內置人體模型和算法而言，不同品牌供應商所依據的人體模型不同，多是依據本國人體統計學數據建立模型并制定數據提取算法的。由于模型和算法的不同，針對同一被掃描體，不同的掃描設備會出現輸出數據不一致的問題。

因此，有學者專門針對三維掃描輸出數據的有效性開展研究。郭盼盼等[8]針對50名青年女體，采用手工、基于普通照片的二維非接觸式人體測量和三維人體掃描儀(SYMCAD)，分別對實驗對象進行量體。實驗結論顯示，3者數據均存在差異，從統計分析的趨勢來看，二維測量結果總體上大于手工測量結果，三維測量結果總體上小于手工測量結果?？赡軐е逻@種差異的原因之一：數字化圖像處理過程中陰影的處理技術及相應的算法值得關注和進一步研究。

在掃描設備精度設置方面，有學者提出應當針對數據使用目的的不同而有所差別。英國曼徹斯特大學的GILL S等[9]認為將所有的掃描數據都適用于產品開發是錯誤的，用于樣板開發的數據應與用于號型系統的數據有所不同。但問題在于現有的三維掃描應用偏向于人體體型調查和號型系統修正或完善。文中分別采用來自Size Stream和[TC]2的三維人體掃描儀數據，與6種傳統制版方法所需的數據進行對比。研究發現，服裝制版所必需的一些數據(側頸點到后腰的距離、肩峰點到前中的距離)，并不能直接從現有的掃描系統內獲??；一些數據(后橫、臂根深、小肩寬、前橫、前胸寬)與手工測量數值具有一致性偏差。

由此可見，三維掃描設備內置人體模型、數據穩定性、測量精度仍存在繼續完善的需求，相關研究學者應給予足夠的重視。

2 在服裝領域的應用與開發

隨著定制化市場的發育和成長，如何發揮三維人體掃描技術的優勢，在便捷化人體測量設備、服裝定制樣板快速生成、虛擬服裝展示、服裝號型更新和優化方面進行數據的應用、挖掘與開發工作，是近年來服裝領域探索的熱點問題。

2.1 便捷式人體測量

近年來，服裝定制需求成為服裝行業發展的新趨勢，國內涌現出了一批致力于實現服裝規?；ㄖ坪蜕a的企業。三維人體掃描技術、遠程量體技術、智能量體等概念和相關解決方案不斷創新，但就相關企業實際運作的情況而言，遠程定制人體測量仍然是基礎性難題，沒有得到很好的解決。

從技術原理來看，采用三維人體掃描設備，是保證測量精度和數據可靠性的最優選擇。為了求得精度和易用性的平衡，市場上開發了移動式和便攜式三維人體掃描設備。為了實現對團體定制用戶的上門量體服務，有廠商開發了車載移動式三維掃描設備。Scanliner是全球第一輛卡車裝備的三維人體掃描系統[10]。采用的掃描儀是德國Tecmath公司生產的Vitus Smart，其在十幾秒內便可以完成人體的全身測量。掃描數據通過車載電腦系統和互聯網系統，可實時傳輸回生產部門，保障生產時效。近年來，青島酷特智能股份有限公司也開發了類似的測量設備，即酷特“魔幻工廠”移動大巴[11]，將三維掃描系統移植到移動大巴內，在實現上門量體服務的同時，將測量數據直接傳回生產工廠數據中心，另外客戶還可以通過手機端獲取量體數據并進行款式選擇。此類設備所需的測量空間普遍偏大，需要能夠完整拍攝到人體，一般最小為寬度方向長度×人體與掃描單元的距離×身高方向長度=1 m×1.5 m×1.9 m。缺點是設備需要經常校準，測量數據穩定性較差。

如何縮小設備體積和測量所需的空間，實現便捷、便攜的目標，成為三維人體掃描設備發展的另一個方向。Space vision公司生產的“3D Body Scanner Traveling Type”便攜式三維人體掃描儀[12]，由3～4個(可選)掃描單元組成，每個完整的掃描單元高約200 cm，可以被拆散為3段，每段內都是1個完整的“投射光源——捕捉相機”單元，可以掃描7 cm(寬)×20 cm(深)×65 cm(高)的范圍；每段的質量僅為3.1 kg，折疊后的體積僅為旅行箱的大小，質量30～40 kg左右。

除此之外，一些應用于工業零部件掃描的設備，經過一定程度的改造，也被陸續引入服裝人體測量領域。北京博維恒信科技發展有限公司推出的3D CaMegacp系列[13]和加拿大Creaform公司推出的GO！SCAN[14]手持三維人體掃描系統，采用雙目立體視覺原理，設備外形小巧，質量輕，可隨身攜帶；無需標定，開機即可使用；操作簡單，無需專業技能。美國FARO公司推出的 8 軸 Design ScanArm 2.5C遠程軸便攜式掃描儀[15]，可以進行全彩色人體測量。該系統可以提供2.5，3.5，4.0 m的臂長選擇，掃描速度達600 000 點/s(2 000 點 / 行·幀×300 幀/s)，配合3D System 公司的 Geomagic 軟件可以實現對人體掃描的操作和交互性數據分析。

便攜性是該類產品的優勢，但掃描時間普遍較長，完成一個完整的人體掃描，需要十幾分鐘甚至更久，成為這類設備在服裝定制領域應用的主要障礙。

2.2 虛擬人臺(個性化人臺)

一直以來，通過三維掃描數據構建個性化虛擬仿真人臺，是服裝領域進行個體化定制的首要需求。相關研究多從計算機技術出發，在高仿真曲面虛擬人臺構建方面的研究成果發布較多[16-18]，且在一些商業軟件(如Clo 3D，Optitex，Marvelous，Vidya等)系統中已有應用。

虛擬仿真人臺需要與服裝面料的材質、紋理、性能等指標的仿真項目對接，才可能完成虛擬服裝設計等目標。由于相關研究的不完善，虛擬仿真人臺及相關服裝設計，僅作為實物設計與檢驗的參考，在實際工作中尚未見獨立應用的案例。

隨著3D打印技術的出現，有研究人員提出將3D人體掃描與3D打印技術相結合，制造出面向定制應用的個體化實體人臺。該思路具有應用價值，但3D打印材料及成本是主要的限制因素。深圳市廣德教育科技有限公司推出的3D打印服裝人臺模型生產系統，采用該思路進行實驗并研發了“3D打印+硅膠體表層”的高仿真個體化人臺。北京博維恒信科技發展有限公司正在試驗的基于“3D打印+泡沫成型”的個體化人臺，采用最為普通的泡沫顆粒成型技術，將單臺的生產成本控制在200元左右，是值得關注的研究方向。

2.3 服裝樣板自動生成

在三維人體模型上進行3D服裝設計，再利用曲面展開技術將設計的結果展平到2D服裝樣板，從而實現由3D點云數據到2D服裝樣板的開發過程，是服裝樣板自動生產研究的重要思路。

從可展性的角度而言，曲面可分為可展曲面和不可展曲面[19-24]?？烧骨娴恼蛊剑碚撋峡梢酝ㄟ^建立曲面的數學模型，使展開曲面與原始曲面完全一樣；不可展曲面展開主要采用化曲為直、以直線代替曲線的近似展開方法。三維服裝模型多是不可展曲面。根據近年來的研究成果，不可展曲面的近似展開有幾何展開法、力學展開法和幾何展開力學修正法[25]。

已有研究表明，有關服裝樣板自動生成技術研究工作，均存在一定的困難和局限性，或依賴于傳統的制板經驗，或傾向于計算機模擬技術，實際應用效果不佳。面向服裝定制應用的人體曲面展開技術，仍是應用研究的難題之一。

2.3.1基于放碼的方法 該方法認為個體化定制，可以通過在傳統號型系列樣板生成規則的基礎上進行適當修改來實現。其根本依據是個體化與標準人體(或號型系列)的差異關系，即先按照標準人體放碼，再將個體化部位數據與標準部位數據對比，再就異常之處進行修改。該方法雖然可以實現個體化樣板，但是放碼點位置、放碼量值、放碼規則的確定等都由制板師單獨計算和判斷，其對制板技術人員的經驗要求非常高，基本沒有規范和標準可以依據。

2.3.2基于參數化方法 該類思想將服裝樣板的生成看作是參數化圖形關系建立的過程，個體化體現為參數值和參數關系的不同。如果能夠利用圖論等[26]理論實現對制板過程參數化描述，則個體化樣板的自動生成只需根據體型與樣板的關系，調整繪圖參數即可實現。但服裝紙樣受服裝款式、材料等較多因素的綜合影響，紙樣圖形的規律性不明顯；同時，服裝款式變化豐富，參數設計中的約束關系和尺寸驅動較復雜，所以該方法僅用于結構形式比較固定的西服、襯衫等產品。

2.3.3基于人工智能的方法 此方法是用BP神經網絡、模糊邏輯等人工智能技術建立專家制板系統[27]，實現機器對服裝款式設計的理解，快速完成個體化服裝樣板的開發工作。該類方法經過十幾年的研究積累，近年來表現出走出實驗室開始產業應用的趨勢。

此類方法面臨的主要問題是：服裝樣板的合體性評價和實驗的樣本量與流行性的矛盾。服裝樣板合體性評價，涉及美學、服裝造型學、柔性材料力學等多種學科知識，是專家制板系統必不可少的基礎，但是當前技術尚無法建立行業通用的評價系統。同時，人工智能需要通過服裝款式識別實驗訓練“類人智能”，工作量較大，且由于服裝的流行性，所建立的專家知識庫會滯后于服裝的流行，致使人工智能識別結果的價值降低。利用人工智能實現個體化樣板，值得關注，但仍有很長的路要走。

2.4 服裝功效學評價

將三維人體掃描技術應用于服裝(尤其是功能性服裝)的測試，是該技術的另一應用領域。田苗等[28]探討了三維動作捕捉儀在服裝工效學評價中的應用。在生物力學和運動學中，采用三維動作捕捉儀進行不同負重或行走狀態下的身體模式分析、動作分析、平衡判定，及身體不同截面方向、特定關節的運動學特征分析的案例，為相關研究提供了啟發。面對國民健康需求的增長，文章提出將三維動作捕捉儀與各種健康監測設備相結合，通過功效學評價，實現運動裝結構和功能的改善或進行智能服裝設計；與行走模式步態分析等生物力學和運動學理論相結合，提高工裝類服裝結構設計的科學性，利用功效學評價減少職業傷害，改進服裝及裝備設計的科學性，更好地進行服裝功能性設計。

除此之外，將三維掃描設備與動作捕捉技術相結合，進而與動畫服裝設計相結合，也是三維人體掃描技術的應用方向之一。

2.5 國民體型測量與服裝號型更新

作為國家信息基礎設施的一部分，國外的政府、服裝及與人體設計相關行業較早認識到國民體型普查的重要性，并將人體數據作為一項重要的基礎數據資源。服裝號型系統是服裝制造的基礎性數據標準，其準確性與服裝的適體性和銷售的成功率關系密切；而準確的號型系統依賴于大量、及時、精確和科學的國民體型計測工作，它對于服裝款式設計和工業化生產具有重要的指導作用。

多個工業發達國家采用三維人體掃描技術開展了國民體型普查和服裝號型標準更新的工作。影響較大的項目有英國的Size UK、美國的Size USA、法國的Size France。此外，亞洲的日本、韓國、泰國，南美洲的巴西，大洋洲的澳大利亞等國家也陸續開展了此類工作。

在這些項目中，英國的Size UK項目首開利用三維人體掃描儀進行大規模人體普查工作的先河，成為此類國民體型普查工作的成功范例[29]。Size UK項目于2000—2002年開展，共計掃描了11 000個人體(其中女體占比50%，男體占比50%； 年齡在16～90歲，不包括兒童)，掃描狀態分為兩種：站姿和坐姿。然后利用計算機軟件在每個站姿人體上提取了130個身體部位的尺寸，同時利用手工測量方法，量取8～10個人體數據。這些掃描數據，包括號型和體型數據、三維點云數據，均保存在UK National Sizing Survey (http://www.sizemic.eu/)數據庫內，可以進行在線訪問和數據挖掘工作。

為方便某些公司進行數據挖掘工作，以更好地獲取體型和號型信息，Size UK項目提供在線訪問原始數據的服務。如此大量、準確和價格相對低廉的數據，不僅能用于服裝行業，還能用于諸如安全座椅設計、飛機座艙設計及其他人體工學辦公場所的設計。

此外，3D掃描系統還能用于且促進網絡定制工作。隨著測量成本的大幅下降，人們服裝消費可以步入“走進附近的購物中心，掃描人體，在線下單，坐等收貨”的定制模式，而且該定制產品是最大程度適應個體的定制產品，與現有購買成衣的模式及效果大為不同。

2.6 在服裝教育領域的應用

在三維人體掃描技術發展的過程中，其初始目的和主要應用方向多集中于工業生產領域。但在其應用的過程中發現，沒有受過服裝專業教育或培訓的工人很難領悟和恰當使用該項技術。因此，近幾年，國外開始探索將三維人體掃描技術與服裝專業教育相結合的路徑。美國康奈爾大學的ASHDOWN S P等[30]提出了“從3D掃描到觸覺模型”的教學改革。自2007年開始，康奈爾大學與艾爾朗(Alvanon)公司開展合作，應用艾爾朗公司專門為教育而提供的半身人臺掃描數據進行教學。較之全身模型，學生可以利用較少的材料、時間和空間在半身模臺上進行實驗和設計。學生通過數字化儀將設計好的樣板轉換并錄入CAD系統，再放大出全身尺碼規格。該項教育革新在康奈爾大學運行情況良好，在服裝產品設計和服裝樣板生成方面效率和效果均較好，正在陸續推廣到世界各地。

3 結語

針對三維人體掃描技術在實際應用中出現的一些共性問題，文中首先探討了三維人體掃描技術的原理，并指出了與測量精度密切相關的影響因素：人體站姿與晃動、設備完成掃描的時間、軟件對特征點的識別與算法模型?；谟绊懸蛩兀布矫?，從便捷式人體測量設備的開發展開研究；軟件方面，從虛擬人臺、服裝樣板自動生成、服裝功效學評價4方面研究存在的主要難點和值得繼續研究的方向。在三維掃描數據產業化應用，以國民體型測量與服裝號型更新、服裝專業教育2個方向為例，介紹了三維掃描數據在國內外的獨特應用方面。在進行上述6個方面的論述時，指出了各領域存在的主要研究難點和進一步研究方向，以此為三維人體掃描技術在服裝領域的應用提供方向性的指導。