基于不同人體測量方法的數(shù)據(jù)一致性和可替換性研究

余佳佳， 李 健

(北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院， 北京 100029)

人體測量作為體型研究及服裝相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的基礎(chǔ)，其測量數(shù)據(jù)的精確性極大程度影響后續(xù)研究成果的有效性。目前，人體測量方法主要包括手工測量法和三維掃描測量法[1]。其中，三維掃描測量法因所具有的掃描快速性、點云數(shù)據(jù)可保存性、數(shù)據(jù)可延伸探索性等優(yōu)點被各研究人員青睞。

為采集到覆蓋率更廣的人體樣本，研究人員通常會在不同時期針對不同地區(qū)人群，使用不同院校或研究單位的三維人體掃描設(shè)備獲取人體數(shù)據(jù)。然而由于三維掃描儀價格昂貴且需要專業(yè)人員進行維護[2]，各研究院校或企業(yè)通常擇其一而購之。由于不同掃描儀存在掃描原理和精度等不同，對不同儀器所獲取的數(shù)據(jù)進行比對，確定不同儀器所得三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的一致性、可替換性及不同設(shè)備所測數(shù)據(jù)間的等價性，具有很重要的意義[3]。目前已有研究中，張淑君等[4]通過對[TC]2三維掃描數(shù)據(jù)和手工數(shù)據(jù)進行T檢驗，得出2組數(shù)據(jù)存在顯著性差異的結(jié)論，并利用曲線擬合的方式對單一儀器測量的三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的關(guān)系進行了進一步探討；鄒奉元等[5]通過分析[TC]2三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的極差、方差以及標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間，對三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)重復(fù)性進行了研究，并分析了造成測量誤差的原因；Li等[6]通過配對T檢驗等方法對三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的一致性進行了探討。目前，服裝領(lǐng)域大多為針對某單一掃描儀器測量數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的關(guān)系研究，多利用如T檢驗等方法進行數(shù)據(jù)一致性檢驗，針對不同掃描儀器間的數(shù)據(jù)關(guān)系研究及其他數(shù)據(jù)一致性檢驗方法的嘗試還較少。

本文提出利用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)研究不同數(shù)據(jù)間的一致性關(guān)系的方法，并基于國家標(biāo)準(zhǔn)要求比對HumanSolutions和[TC]22種三維數(shù)據(jù)與其所對應(yīng)的手工數(shù)據(jù)測量結(jié)果，分析檢驗三維測量數(shù)據(jù)與對應(yīng)手工測量數(shù)據(jù)間的一致性和可替換性，再以手工數(shù)據(jù)作為媒介，檢驗不同掃描儀器測量數(shù)據(jù)間的等價性，明確各測量儀器數(shù)據(jù)差異及差異存在的原因，為后期人體測量儀及其測量數(shù)據(jù)的使用提供參考意見。

1 實驗部分

1.1 實驗用具

測量儀器：馬丁計測儀、德國HumanSolutions/VITUS SAMRT XXL三維掃描儀、美國[TC]2三維掃描儀。具體掃描儀參數(shù)[7]如表1所示。

表1 三維人體掃描儀參數(shù)比較Tab.1 Anthropometric items

輔助軟件：Rapidform XOR3、SPSS Statistics 20。

輔助工具：人體站姿定位板、水平激光儀、人體測量標(biāo)記點、計算機。

1.2 實驗對象

根據(jù)GB/T 22187—2008《建立人體測量數(shù)據(jù)庫的一般要求》所提出的人體測量最小樣本量計算方法，計算出本文實驗所需最小樣本量為131人。選取年齡為20～35歲的青年女性作為測量樣本，共計388人。其中，HumanSolutions所測樣本156人，[TC]2所測樣本232人。

1.3 實驗條件及要求

本文實驗環(huán)境溫度為(27±3)℃，環(huán)境濕度為(60±10)%。

根據(jù)GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般要求》，志愿者穿著肉色計測文胸及短褲，頭部佩戴彈性計測帽，測量時立于人體站姿定位板，目視前方，自然呼吸。本文實驗所有測量條件和著裝完全一致。

1.4 測量項目

參考GB/T 16160—2017《服裝用人體測量的尺寸定義與方法》，選取與人體形態(tài)相關(guān)性強的圍度、寬度、厚度以及實長項目進行三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的比對。其中，圍度測量項為頸根圍、胸圍、乳下圍、腰圍、腹部前突點圍、臀圍、小腿最大圍；寬度測量項為頸根寬、乳點間距、乳點位寬、乳下圍位寬、腰圍位寬、腹部前突點位寬、臀圍位寬、小腿最突圍位寬、肩幅(SP1)；厚度測量項為頸根厚、胸圍位中心厚、乳頭點位厚、乳下圍位厚、腰圍位厚、腹部前突點位厚、臀圍位厚、小腿最突圍位厚；實長測量項為后中心長、后長、前中心長、前長、肩寬2(SNP-SP2)、肩寬1(SNP-SP1)。

1.5 實驗過程

1.5.1 手工測量

選取一名經(jīng)過專業(yè)人體測量培訓(xùn)的測量人員對樣本進行特征點標(biāo)識及標(biāo)記點黏貼，并借助馬丁計測儀和水平激光儀對各測量項目進行測量。各測量數(shù)據(jù)取其3次測量結(jié)果均值作為對應(yīng)部位測量值，并將該值視為對應(yīng)部位測量真實值。

1.5.2 三維掃描測量

三維測量前，統(tǒng)一使用1.5.1節(jié)手工測量所使用的標(biāo)識點位置，對人體進行立體標(biāo)記點標(biāo)識。用HumanSolutions三維掃描儀和[TC]2三維掃描儀分別對樣本進行全身掃描，獲取人體點云數(shù)據(jù)。本文實驗通過將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件，對人體點云進行異常點云刪除、點云封裝、斷面修正、搭橋補洞等步驟，獲取完整的三維人體模型。再依據(jù)所標(biāo)記的特征點確定人體測量項目位置，在軟件中對各部位數(shù)據(jù)進行手動測量。各測量數(shù)據(jù)取其3次測量結(jié)果均值作為對應(yīng)部位測量值。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 奇異值檢驗

對三維測量數(shù)據(jù)及手工測量數(shù)據(jù)分別進行奇異值檢驗，對異常值進行查驗，對錯誤值進行刪除。最終獲取有效樣本總計383個，HumanSolutions所測有效樣本156個，[TC]2所測有效樣本227個。

2.2 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)比對

2.2.1 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的定性比對

分別對2組三維測量數(shù)據(jù)及其對應(yīng)手工測量數(shù)據(jù)作對比折線圖，觀測樣本三維數(shù)據(jù)和手工數(shù)據(jù)結(jié)果的變化趨勢。選取胸圍數(shù)據(jù)的對比折線圖為例進行說明，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同掃描儀數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)對比Fig.1 Different scanner data compared with manual data (chest circumference).(a) HumanSolutions data versus manual data ; (b) [TC]2 data versus manual data

由圖1可知，HumanSolutions和[TC]2三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間整體變化趨勢一致。

2.2.2 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的一致性判別

為明確三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)是否存在一致性，本文利用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)對數(shù)據(jù)一致性進行定量說明。組內(nèi)相關(guān)系數(shù)最先于1966年由Bartko提出用于測量和評價信度大小[8]，可用于評價不同測定方法對于同一定量測量結(jié)果的一致性或可靠性[9]。當(dāng)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)在區(qū)間(0,0.40)時，代表數(shù)據(jù)一致性較差；當(dāng)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)在區(qū)間(0.75,1.00)時，代表數(shù)據(jù)一致性良好。其中，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)具體計算方法如下式[10]所示。

式中：C表示組內(nèi)相關(guān)系數(shù)；M區(qū)組表示隨機區(qū)組間的方差；M誤差表示誤差的方差；M處理表示為處理組方差；k為組數(shù)；n為樣本量。

按照上式分別計算各部位三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果如表2所示。將HumanSolutions所測三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)用CH表示，[TC]2所測三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)用CT表示。

由表2可知， HumanSolutions所測三維數(shù)據(jù)與對應(yīng)手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)除肩寬1和肩寬2外均大于0.75。[TC]2所測三維數(shù)據(jù)與對應(yīng)手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)除頸根寬、后長、前長、肩寬1、肩寬2外均大于0.75。由此說明選定的測量項目中大部分項目的三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間一致性良好。

表2 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)表Tab.2 C between 3-D data and manual data

而針對組內(nèi)相關(guān)系數(shù)較低的測量項目，需通過進一步的分析，確認該部位三維數(shù)據(jù)與對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的一致性。

2.2.3 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的可替換性檢驗

通過三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)的對比折線圖(見圖1)及組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(見表2)可知，大部分測量項目的三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間具有良好的數(shù)據(jù)一致性。本文實驗基于GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般要求》所述的確定三維掃描測量精準(zhǔn)度的方法，結(jié)合實際測量條件進一步對三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)的可替換性進行檢驗。

分別求出各測量項目的三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的差值、差值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%的置信區(qū)間。將95%的置信區(qū)間結(jié)果與各測量項最大允差進行對比，探討三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的可替換性。各測量項目結(jié)果見表3，將HumanSolutions三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)差值用ΔH表示，[TC]2三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)差值用ΔT表示。

表3 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)可替換性檢驗表Tab.3 Replaceability of 3-D data and manual data

由表3可知，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)在圍度項、部分寬度項(乳點間距、腹部前突點位寬)、部分厚度項(頸根厚、胸圍位中心厚、腰圍位厚、臀圍位厚、小腿最突圍位厚)、部分實長項(后長、前長、肩寬2、肩寬1)與手工數(shù)據(jù)差值的95%置信區(qū)間在最大允差范圍內(nèi)，因此針對上述測量項目，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間具有良好的可替換性。

[TC]2三維數(shù)據(jù)在部分圍度項(頸根圍、乳下圍、腹部前突點圍、小腿最突點圍)、部分寬度項(乳點間距)、部分厚度項(頸根厚)、部分實長項(后長、前長、肩寬2、肩寬1)與手工數(shù)據(jù)差值的95%置信區(qū)間在最大允差范圍內(nèi)，因此針對上述測量項目，[TC]2三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間具有良好的可替換性。

分析HumanSolutions測量數(shù)據(jù)中未在最大允差范圍內(nèi)的測量項目可知，頸根寬、乳下圍位寬、乳下圍位厚、腹部前突點厚等項目的ΔH值與最大允差差值不大于0.1 cm，乳點位寬、臀圍位寬、乳頭點位厚、后中心長處的ΔH值與最大允差差值不大于0.2 cm，腰圍位寬、小腿最突圍寬、前中心長處的ΔH值與最大允差差值不大于0.3 cm。考慮實際實驗操作，認為三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)的差異是由進行手工測量及三維掃描時志愿者姿態(tài)變化或呼吸等因素所導(dǎo)致的[11]，后期實驗時需盡量降低姿勢變化幅度，并盡量使志愿者在某個自然呼氣或自然吸氣狀態(tài)下進行手工測量及三維掃描。

分析[TC]2測量數(shù)據(jù)中未在最大允差范圍內(nèi)的測量項目可知，圍度項、寬度項、厚度項、實長項的最大允差分別為0.8、1.1、1.0、 0.2 cm。產(chǎn)生較大差異的原因可為：進行2種測量時，志愿者姿態(tài)或呼吸等導(dǎo)致尺寸的變化；手工測量時所測人體為柔性人體，而三維測量時所測三維人體模型可視為剛性人體，所以柔性人體和剛性人體的測量結(jié)果間存在差異。

2.3 不同三維儀器數(shù)據(jù)的比對及分析

對比2種儀器所得三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)可知，CH數(shù)值整體大于CT數(shù)值，說明HumanSolutions所測三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的一致性優(yōu)于[TC]2所測三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的一致性。

表3中，對比2種儀器所得三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)差值的95%置信區(qū)間可知，HumanSolutions與[TC]2所測得三維數(shù)據(jù)在圍度項上均與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)存在較好的可替換性；在寬度項的腰圍位寬、腹部前突點位寬、臀圍位寬、小腿最突點位寬，HumanSolutions所測三維數(shù)據(jù)對應(yīng)的ΔH范圍更接近于最大允差范圍；在厚度項除頸根厚外，HumanSolutions所測三維數(shù)據(jù)所對應(yīng)的ΔH范圍更接近于最大允差范圍。說明在大部分人體圍度項測量上，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)和[TC]2三維數(shù)據(jù)具有等價性，可相互替換使用；在人體寬度項、厚度項測量上，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)較[TC]2三維數(shù)據(jù)具有更高的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

明確2種儀器所測三維數(shù)據(jù)間的關(guān)系后，對數(shù)據(jù)存在差異的原因進行探究。由掃描儀參數(shù)可知，HumanSolutions三維掃描儀每秒獲取的數(shù)據(jù)密度(2 000 000字節(jié)/s)遠大于[TC]2三維掃描儀(400 000字節(jié)/s)。分別從HumanSolutions三維掃描人體數(shù)據(jù)庫及[TC]2三維掃描人體數(shù)據(jù)庫中提取1個在某測量部位具有相同圍度數(shù)值、相近扁平率的人體樣本，截取該部位點云截面并以測量時該部位的立體標(biāo)記點作為重合點對點云截面進行重疊，得到點云截面重疊圖。圖2為具有相同圍度及扁平率的某個樣本臀部點云截面重疊圖，其中點A為臀部立體標(biāo)記點。由重疊圖可知，HumanSolutions掃描所得點云較[TC]2三維所得點云密集，包含更多的信息，由此推斷當(dāng)針對同個樣本進行掃描時，[TC]2掃描儀數(shù)據(jù)丟失信息量較HumanSolutions掃描儀多，所測數(shù)據(jù)的精度較HumanSolutions掃描儀的差。進一步對[TC]2掃描所得點云截面圖進行觀測，結(jié)果如圖3所示。

圖2 HumanSolutions與[TC]2掃描點云截面對比Fig.2 Points cloud comparison between HumanSolutions and [TC]2

圖3 [TC]2-腰圍點云截面圖Fig.3 [TC]2-cross section of waist point cloud

通過[TC]2掃描所獲取的人體點云在胸部至人體肚臍部呈現(xiàn)出層次明顯的雙層點云片，且點云數(shù)據(jù)在人體側(cè)面存在部分缺失，是導(dǎo)致[TC]2三維測量數(shù)據(jù)與手工測量數(shù)據(jù)間平均差值的95%置信區(qū)間與最大允差范圍存在差異的原因。

3 結(jié) 論

用HumanSolutions和[TC]2所測三維數(shù)據(jù)與其對應(yīng)手工數(shù)據(jù)，除個別項目外，在大多數(shù)項目中存在良好的數(shù)據(jù)一致性。HumanSolutions三維數(shù)據(jù)在圍度項及大部分厚度項、實長項與手工數(shù)據(jù)具有可替換性，[TC]2三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)在不易受呼吸影響的項目上具有可替換性。此外，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)較[TC]2三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)具有更優(yōu)的數(shù)據(jù)一致性和可替換性。

HumanSolutions三維數(shù)據(jù)和[TC]2三維數(shù)據(jù)在大部分圍度項存在數(shù)據(jù)的可替換性。

所以，在同時使用不同測量方法所獲取的人體數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進行一致性和可替換性檢驗是非常必要的。對于一致性強和具有可替換性的數(shù)據(jù)，可直接等價使用；對于不可替換的數(shù)據(jù)，可以通過建立數(shù)據(jù)間數(shù)學(xué)模型進行等價，或借助手工測量數(shù)據(jù)作為補充。建議后期研究通過增加樣本量等方式對相關(guān)內(nèi)容進行深入探討。

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