三維人體測量技術的研究進展及應用

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]。本文總結了傳統手工測量技術與三維人體測量技術兩者的優缺點，三維人體測量技術的研究及應用進展，并針對現階段三維人體測量技術存在的問題提出了建議及未來的發展方向。

1 傳統手工測量技術與三維人體測量技術對比

傳統手工測量技術一般通過皮尺、馬丁尺、角度計、測距計等工具，由測量者根據自己的經驗，直觀地測量出人體數據。優點是測量工具簡單、廉價，測量結果直觀。缺點是耗時長，測量數值的穩定性偏低，缺乏量化標準，容易存在系統誤差和偶然誤差，精確度低，難以進行快速、大規模的人體測量[2]。

三維人體測量技術是集光學技術、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。系統可以在幾秒內完成全身掃描，再通過軟件提取并輸出多項人體數據。三維人體測量技術的優點是測量速度快、耗時短、精確度高，且能進行大規模的人體測量。缺點是設備價格昂貴且數據轉化復雜，普及率較低。

2 三維人體測量技術的研究進展

歐、美、日本等發達國家從20世紀70年代便開始進行三維人體測量技術研究，并研發了多種三維人體測量系統。國內三維人體測量技術研究雖起步較晚，但近年來許多高校研究出多種三維人體測量系統，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不穩定、測量精度不高等問題。三維人體測量技術的發展現狀主要包括三方面：測量參數提取技術、測量方法及代表性的三維人體測量設備。

2.1 人體測量參數提取技術研究現狀

三維人體測量設備對人體掃描后，會得到不同的數據格式和模型，并從中提取出一些重要的人體特征參數。相關研究者在人體特征參數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，構建了頸部規格系統；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，研發了女子體型識別專家系統，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識別，生成相應的服裝標識。

2.2 三維人體測量方法發展現狀

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，計算得相應的數據，如英國Cyberware全身掃描儀。激光測量法的優點是精準度比較高，缺點是測量時對人體的動靜態要求比較高，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，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，得到相關的莫爾數據信息，再經分析與計算得到人體數據，如美國TC2分層輪廓測量系統。莫爾條紋測量法的優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值。攝影測量法是當前比較成熟的一種三維人體測量技術，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，它可在10 s內完成人體4萬多個點的掃描，并計算出人體特征參數，與真實尺寸誤差在0.6 mm以內；德國Tec Math人體掃描系統，可在20 s內完成人體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，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；上海工程技術大學開發的基于Kinect的三維人體測量設備，可在5 s內捕獲待測者點云數據，并通過計算人體特征數據，生成三維人體模型。目前，該系統已在多地廣泛應用[5]。

3 三維人體測量技術的應用

3.1 數據庫的建立

三維人體測量技術測量出的數據可建立大規模的人體數據庫，為標準人臺的開發、體型的分類和人體測量學等研究提供數據基礎。西安工程科技學院、東華大學等高校均建立了人體數據庫，為服裝企業私人定制和規模化定制業務的發展打下了堅實的基礎，提高了我國服裝行業的國際競爭力。

3.2 標準人臺的開發

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，以提升產品的適應性，促進企業生產效益的提升。

3.3 人體體型的分類

汪東升等人[6]用三維人體測量技術測量了210名青年男性人體數據，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測量了108名在校女大學生體型數據，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名東部地區女性為研究對象，采用三維人體測量技術測量人體66項數據，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，并檢驗得出分類結果合理有效。

3.4 虛擬試衣

虛擬試衣系統結合了三維建模、體感交互、人體模型重建及模擬等技術，消費者通過軟件構建自己的虛擬模特實現換衣，可以節約資源，節省時間，給人們帶來便利。三維人體測量技術為虛擬試衣提供了基礎。2011年森動數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。量身定制化服務利用三維人體測量技術對人體進行測量，直接在虛擬人體模型上進行設計，根據相應的人體數據和客戶對服裝款式的要求，可以直接在人體模型上實現三維立體裁剪和紙樣設計，從而實現服裝設計、生產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，分析了三維人體測量技術與表面建模、模塊化設計和參數化設計、配置設計等相關技術的作用原理及關系。

4 三維人體測量技術的不足與建議

4.1 三維人體測量技術的不足

(1)三維人體測量要求被測者在測量過程中保持固定姿勢，若測量中出現運動，會導致部分數據丟失，造成數據準確性降低；(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生偏移，進而影響到相關數據的準確性；(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據轉化復雜等原因，在中國服裝企業中普及率較低。

4.2 三維人體測量技術的建議

當前國內三維人體測量技術的研究主要集中在測量后數據的處理和分析，為使我國三維人體測量技術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

為實時監測被測者的姿勢，及時糾正錯誤姿勢，應實現測量過程可視化；另外，為減少被測者在測量中出現晃動，提高測量數據的準確性，應建立回放系統。

4.2.2與生物識別技術相結合

準確識別相關骨骼點的位置是測量人體數據的基礎，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與生物識別技術相結合，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實現測量網絡化和智能化

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

5 結語

三維人體測量技術具有準確度高、自動化程度高、效率高等優點，目前廣泛應用于數據庫的建立、標準人臺的開發、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，未來需進一步開發出智能化、網絡化、低成本的三維人體測量技術系統，以更好地促進服裝行業的發展。