一種基于深度相機的人體掃描設備及應用

摘? 要：文章對當前市場上幾種常見人體掃描設備的原理進行分析，對基于深度相機的人體掃描設備的數據采集、精度保障、彩色貼圖和尺寸提取幾個方面進行了深度研究，介紹了此類設備在服裝高端定制、國民體型測量和服裝號型更新方面的應用，并創新性地提出在健康產品定制、3D影視、動漫游戲和3D照相館方面的探索性應用。

關鍵詞：人體掃描;人體數據;服裝定制;虛擬試衣;新零售

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0117-05

A Human Scanning Device and Application Based on Depth Cameras

DING Juntao

（Weinan Lingzhi 3D Technology Co.， Ltd， Weinan? 714026， China）

Abstract： Based on the principle analysis of several common human scanning equipment in the market， an in-depth study of human scanning devices equipped with depth cameras is conducted， mainly including data collection， precision control， color mapping and size extraction. This paper also mainly introduces several applications of such equipment in high-end clothing customization， national body shape measurement and clothing size updating， and innovatively proposes some exploratory applications in healthy product customization， 3D film and television， animation games and 3D photo studios.

Keywords： human scanning; human datasets; garment customization; virtual fitting; new retail

0? 引? 言

人體三維掃描系統通過圖像傳感裝置采集投射到人體表面的光（激光、白光及紅外線）在人體上形成的圖像，計算出人體的高密度三維點集（點云），并進而通過軟件得到人體的各個特征尺寸，可快速重建出人體三維彩色模型。掃描輸出數據可用于在服裝量體定制、人體工程仿生設計、體型診斷和健康塑形、虛擬試穿、動漫設計等多個領域。科技賦能在提升消費體驗、助推商業進化上正在扮演著越來越重要的角色，三維人體測量，同時運用大數據、移動互聯等技術在較短的時間內獲取消費者的個性化需求，實現服裝定制、3D虛擬試衣等，大大地改善了服裝購物體驗。從未來的趨勢看，由于中國原有的人體三維光學測量設備的保有量低，市場需求巨大，特別是在民用領域將繼續保持高速增長的態勢。隨著認知度的提高和技術的成熟，預計未來幾年內將出現較大規模的商業應用。

1? 人體掃描設備常用的幾種技術原理

1.1? 白光技術掃描

白光掃描技術常用在拍照式三維光學測量設備上，通常采用投影機投射變化的光柵，兩個相機進行拍攝，此種方法用在工業逆向掃描上比較多，近年也有采用多個模組采集人體數據的設備，此種方法采集時間在3～5秒，但是數據運算工作量比較多，建模時間較長，針對黑色頭發、衣服、皮鞋等深色物體掃描效果較差。

1.2? 紅外線技術掃描

紅外線是不可見光線，在光譜中波長為0.76～400微米。紅外線傳感器一般由光學系統、檢測元件和轉換電路組成，通過紅外反射原理，紅外線發射器發出的紅外線被人體遮擋后反射到相關接收器，從而轉換成電子信號，經過軟件分析計算形成人體的點云數據。

1.3? 激光技術掃描

三維激光掃描技術利用激光測距的原理，激光器發射激光，通過被測物體將反射，CMOS曝光器接收反射回來的激光，因排布順序不同而成像，用圖像落差來反映所成的像。此技術可獲取大量的目標對象數據點，相對于傳統的單點測量方式，可以說是測量領域從點測量到面測量的一場革命。圖1是激光技術掃描的基本原理，可用激光測量技術搭建人體掃描設備，在人體的四周采用導軌帶動激光頭，實現從上到下采集人體三維數據。此種方法采集的數據質量較高，設備有機械傳動，采集時間可以控制在30秒內。

1.4? 工業散斑技術掃描

數字工業散斑技術是通過在人體表面投射光學散斑紋理，然后利用數碼相機拍攝帶有散斑圖案的人體數字圖像，在毫秒內實現人體三維幾何和彩色紋理的數據采集，最后通過數字圖像相關方法（DIC）解算出人體表面點云的一種技術，該技術原理如圖2所示。

利用該技術重組出的人體掃描設備如圖3所示，使用9組測頭實現對人體360度數據的采集重建，同時每組測頭有一個彩色相機實現紋理的掃描，可自動完成貼圖處理。此設備的優勢是采集時間短，有效解決了人體晃動帶來的偏差，體驗效果比較好;重點解決了行業設備無法掃描黑色頭發、衣服的難題，同時數據質量好，全自動建模速度快，數據可以直接與3D打印和激光內雕無縫對接。

1.5? 深度相機掃描技術

深度相機又稱3D相機，顧名思義，就是通過該相機可以測量物體到相機之間的景深距離，再加上該點在3D圖像中的（x，y）坐標，就能獲取被測物體上每個點的三維坐標，從而形成空間點云，通過三維建模實現真實場景的還原。

隨著三維光學技術的發展，根據其采集原理的不同，市面上流行的深度相機主要有以下三種：一是結構光（Structured-light），代表公司有奧比中光、蘋果、微軟Kinect-1、英特爾等;二是雙目視角（Stereo），代表公司ZED、大疆;三是光飛行時間法（TOF），代表公司微軟Kinect-2、PMD、Softkinect、聯想phab。下面主要針對結構光深度相機進行具體介紹。

機構光深度相機三維成像的硬件主要是由紅外相機和近紅外激光投射器組成，投射器主動投射激光條紋結構信息，紅外相機拍攝被測物體的表面，所得到的圖像基于三角測量原理經過圖像三維解析即可獲得相關的三維數據。根據激光投射條紋編碼圖案的不同又分為條紋結構光、編碼結構光和散斑結構光。由于散斑結構光方案成熟，功耗低、分辨率高，單幀就可計算出深度圖，使用方便，我們通過采用16組此類相機搭建人體掃描設備，如圖4所示。

2? 基于深度相機的人體掃描設備關鍵技術

2.1? 人體晃動等干擾因素的解決方案

人體在掃描過程中很難保持靜止，使得數據采集存在問題，我們利用數學微積分的思想，將人體運動理解成無數個細節的剛體運動，這樣可以把一般的非剛體配準問題轉化成為分段剛體配準，先實現人體數據宏觀上的剛體配準，再進行局部細節的非剛體配準。通過分析人體掃描各個環節的影響因素，重點研究人體晃動、表面明暗材質分布等干擾因素對人體掃描及三維重建精度的影響，擬采用數字投影相關三維光學測量技術，減少人體表面明暗變化帶來的誤差，無需噴涂顯影劑即可進行人體掃描，用人體動態配準技術解決人體晃動一起的配準問題，如圖5所示。

2.2? 人體點云測量精度的保障技術

由于要處理的人體表面的散斑照片是由圖像采集系統獲得的，照明光源的不穩定、CCD的熱噪聲，CCD成像平面與人體表面不平行，散斑模式，成像系統的畸變等等諸多因素的存在，實際的圖像和理想圖像之間不可避免存在偏差，由此引起測量精度的降低;對于已經獲得的數字圖像進行相關計算涉及的相關函數、亞像素位移測量算法和插值算法等的選擇、圖像子區形函數和灰度插值方法，都決定著最終人體點云的精度。

通過上面的分析，影響人體掃描測量精度的因素主要為圖像采集系統和數字圖像相關計算。根據影響測量精度的因素，可以從以下兩個方面來解決：（1）在成像系統方面：保持照明光源的均勻穩定，盡量減少波動;采用高精度的相機標定技術和畸變校正模型解決CCD光軸與人體表面不垂直的問題以及鏡頭畸變引起的測量誤差;使用高質量、低噪聲的CCD圖像傳感器來提高模擬散斑圖的對比度，如圖6所示。（2）在數字圖像相關計算方面：使用抗干擾能力最強標準的相關函數或歸一化最小平方距離相關函數可以避免光照不均勻引起的測量誤差;使用基于灰度梯度迭代的最小二乘法來優化相關函數;選擇高階插值方法;在考慮運算效率的前提下，選擇大俠合適的圖像計算子區。

2.3? 人體模型彩色數據化技術

采用直接對物體進行彩色拍照的方法，獲得物體的二維彩色圖像，然后根據全局標定結果，確定物體三維信息與彩色信息的對應關系，從而對人體模型進行紋理貼圖，如圖7所示。對于各組相機獲得的點云重疊部分，對紋理信息采取平均化處理，并對重疊部分與未重疊部分的交接部分，采取插值平滑的方法，使顏色過渡自然，從而生成整個人體點云的彩色模型。

2.4? 人體尺寸自動提取技術

人體尺寸的自動提取對于虛擬試衣，服裝個性化定制，人體虛擬模型生成有著重要意義。可以采用直接對人體點云進行分割，分割為頭部，左右手臂，左右腿，軀干共6部分，提取跨點，腋窩點，頸椎點等共計21個人體關鍵點，然后根據《GBT 16160-2008服裝用人體測量的部位與方法》國家標準規定的測量方法測量人體的尺寸，如圖8所示，通過編寫程序，該后處理部分已經可以計算人體的大部分尺寸。尺寸提取報告如表1所示。

3? 人體掃描設備在各個行業的應用

3.1? 人體掃描設備在服裝高端定制方面的應用

在供給側結構性改革的大背景下，傳統制造業轉型升級，人民對美好生活水平的需求日益增高，關乎生活的服裝行業迎來新一輪的發展，服裝高端定制成為服裝行業轉型升級的突破口，服裝智能設計與制造領域主要針對滿足消費者對服裝個性化定制的需求，以及以大規模定制的生產方式實現服裝個性化定制生產模式，主要面臨人體三維數字化模型的建立、人體尺寸的提取及人體特征分析，人體的形態和尺寸是服裝設計的基礎。在面向消費者個性化定制的服裝智能設計中，獲取人體的三維數字化模型，并以數字化模型為基礎進行人體尺寸的提取和人體體型特征的分析是整個服裝個性化定制的基礎。圖9為服裝高端定制流程。

服裝行業引入數字化定制給行業帶來的好處：（1）按需定制，減少庫存。（2）雙線引流，線下免費測量，吸粉和倒流，線上及時推送數據和產品。（3）強化品牌，通過人體數據測量和人體健康篩查，提升消費體驗。（4）促進轉型，以數據為核心，實現從傳統模式向智能化、信息化、個性化的柔性生產模式轉變。（5）提升效率，節省成本。

3.2? 人體掃描設備在國民體型測量與服裝號型更新方面的應用

人體數據已經作為國家信息基礎設施的一項重要的基礎數據資源，政府、服裝及與人體設計相關行業已經認識到國民體型普查的重要性，建立國家人體數據庫成為必然，目前存在的問題是數據采集不夠廣泛，沒有形成權威性，國家服裝用人體數據庫的建立可采用國家相關單位牽頭，按地域、年齡、群體等進行相關分類，行業組織協調統籌，以實現數據的分類收集分析。

服裝號型是服裝行業生產設計的重要依據和參考，批量生產的服裝合體性差的根本原因在于目前所使用的號型系統不能真實地反映目標客戶人群的體型特征，建立人體數據庫可以跟蹤、研究相關客戶群體、形成“動態流動”的數據庫，為服裝號型的修訂、更新以及人體體型的細分提供數據支撐。

另外通過對人體數據庫的挖掘，數據不僅用在服裝領域，還拓展到座椅設計、飛行員、宇航員、消防員等特種人群防護裝備的開發和其他人體工學辦公場所的設計。

3.3? 人體掃描設備在體育健身行業的新應用

“這是最好的時代，這是最壞的時代”，這句話無疑是2018健身房變革年以來國內健身行業最好的寫照：一方面，消費升級大背景下，全民不斷增強的健康觀念和身材管理意愿，對于健身消費的需求日益旺盛;另一方面，傳統單一的經營模式讓大多數健身房陷入艱難生存的局面，行業同質化競爭、消費滿意度及客戶黏性低下導致大批健身房進入資金鏈斷裂、并購、倒閉的惡性循環。

目前，為了提升行業競爭力，一些健身俱樂部已經引入了人體3D掃描技術，讓會員全方位地了解自己的身體狀況和健身效果。這項技術通過完全自動化的身體掃描儀，掃描身體的完整三維圖像，并測量各種關乎健康的關鍵數值，包括體重指數（BMI）、身體組成（人體所含脂類、水分、蛋白質等主要化學成分的比率）和體脂成分。

通過對客戶進行身體掃描，教練員可以發現客戶的問題所在，并針對性地制定健身計劃。這項技術可以讓客戶持續地了解自身進步，從而提升健身館與客戶之間的互動性。在市場開發方面先與潛在客戶建立關系，然后開始設定目標、掃描身體、鍛煉身體。

3.4? 其他行業的拓展應用

3.4.1? 健康產品定制

3D人體三維掃描儀全方位的應用還體現在健康產品定制上面，通過人體三維掃描儀快速獲取人體3D數字模型和用戶指定部位的尺寸數據，通過對數據進行分析，判斷被測對象的基本身體特征，然后基于被測對象的掃描數據和體型特征為其定制符合其身體特征的個性化產品。

3.4.2? 3D影視、CG動漫游戲后期輔助設計與制作

通過人體三維掃描儀采集獲取人體3D數字模型，重建人體各種姿態下的三維數據，將采集獲取的3D數據導入專業的動畫設計軟件，進行人體數據的編輯、重建、角色設計等，從而滿足影視動漫虛擬人物重建的需求。

3.4.3? 3D人體模型打印

通過人體三維掃描儀獲取人體精細的3D數據模型，將3D數據導入三維設計軟件進行人體三維編輯，細節優化，姿態調整等，然后將編輯過的3D數據輸入到3D打印機進行人體模型的打印，亦可直接將掃描獲取的3D數據直接導入打印機進行打印。

4? 結? 論

目前人體掃描設備主要分為兩個應用方向，一類是應用于專業需求的人體測量方面，如服裝定制、醫療器械、健身管理等，另一類則應用于人體模型展示，三維掃描技術體驗、3D打印、影視動漫、VR應用等。

以數字化技術為驅動，朝向數據化、智能化、數字化、多元化，滿足日益個性化、極致化和動態化的消費者需求是消費產業的變革方向。復雜的產業鏈條和龐大的產業規模，造就了整個產業鏈條數字化改造難與重塑價值高并存的雙重特色。

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作者簡介：丁軍濤（1984.04—），男，漢族，陜西咸陽人，工程師，本科，研究方向：三維測量技術和3D打印技術應用。