接觸與非接觸式人體測量數(shù)據(jù)比較

潘 力, 王 軍,2, 姚 彤, 于 佐 君

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院, 遼寧 大連 116034; 2.天津工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與服裝學(xué)院, 天津 300387; 3.大連工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與信息工程學(xué)院, 遼寧 大連 116600 )

0 引 言

人體測量為與產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)的行業(yè)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),主要有接觸式測量和非接觸式測量2種方式[1]。接觸式測量是指測量儀器與人體直接接觸從而直接獲得人體數(shù)據(jù)信息的測量方式,測量工具主要是馬丁測量儀。非接觸式測量是指測量工具不與人體直接接觸,通過間接手段獲得人體數(shù)據(jù)信息的測量方式,測量工具主要是非接觸式三維人體掃描儀[2-3]。

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到數(shù)據(jù)的可用性[4-5]。在基于三維人體測量的服裝數(shù)字化應(yīng)用研究中,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗證及與傳統(tǒng)服裝標(biāo)準(zhǔn)中手工測量數(shù)據(jù)的比較分析是相關(guān)研究的基礎(chǔ)。本文基于服裝號型標(biāo)準(zhǔn),對三維掃描與手工測量所得數(shù)據(jù)進行比較研究,分析了三維掃描數(shù)據(jù)的可用性及2組數(shù)據(jù)差異產(chǎn)生的原因。

1 人體測量實驗

實驗地點:大連工業(yè)大學(xué)遼寧省數(shù)字化服裝設(shè)計與工程重點實驗室。

實驗對象:18～25周歲在校女大學(xué)生。

實驗儀器:Vitus Tech math三維人體掃描儀、馬丁測量儀。

測量數(shù)據(jù):身高、胸圍、腰圍、臀圍、第7頸椎點高、全臂長、頸圍等。

2 樣本量的確定

為保證非接觸式三維人體測量和接觸式手工測量的數(shù)據(jù)比較在統(tǒng)計學(xué)上有效,測量實驗樣本量的大小應(yīng)能在95%的置信度和0.05(或更高)的顯著性水平下。經(jīng)驗證,三維掃描測量和傳統(tǒng)測量差值的觀測值成正態(tài)分布,根據(jù)GB/T 23698—2009“三維掃描人體測量方法的一般要求”[6],查得最小樣本量可以用如下公式估計:

(1)

式中:s為三維掃描與手工測量差值的標(biāo)準(zhǔn)差,δ為待檢的差值闕值,1.96為0.05顯著性水平下雙側(cè)檢驗時的臨界Z值,1.65為95%置信度下的臨界Z值。

對于一個特定的系統(tǒng),差值標(biāo)準(zhǔn)差的真值通常是未知的,因此該值通過對類似系統(tǒng)的前期研究來估算。待檢測的差值闕值可以根據(jù)GB/T 23698—2009“三維掃描人體測量方法的一般要求”中查到,見表1。

對于每一項人體尺寸,三維掃描和傳統(tǒng)測量之間差值的方差是不同的,而且不同類別人體尺寸待檢的差值闕值也是不同的,所以通常針對不同類別的人體尺寸項目估算多個最小樣本量,選擇其中最大的一個。采用這種方法,在最差情況下計算所得的最小樣本量也足以滿足95%置信度和0.05顯著性水平的要求[6]。

表1 三維掃描與手工測量數(shù)據(jù)允許平均差異最大值

Tab.1 Maximum allowable mean difference of 3D scanner and manual measurement

體段長度高度大圍度小圍度平均差異最大值/cm0.50.40.90.4

在前期研究的基礎(chǔ)之上,根據(jù)公式(1)計算出主要部位的樣本量如表2。根據(jù)表2,本研究所需樣本量最大的人體部位是臂長,需要204人。隨機抽取229名在校女大學(xué)生進行接觸式與非接觸式測量,并比較研究2種測量方式提取數(shù)據(jù)的差異程度。

表2 人體主要測量部位最小樣本量

Tab.2 Minimum samples of main measurement body sites

身高第7頸椎點高臂長頸根圍胸圍腰圍臀圍最小樣本量3964204130402717

3 2種測量方式測量數(shù)據(jù)的比較

3.1 基本統(tǒng)計分析比較

運用SPSS17.0數(shù)學(xué)統(tǒng)計軟件分別對2種測量方式的基本統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行比較,結(jié)果見表3。2種測量方式所提取的數(shù)據(jù)存在不同程度的差異,主要從數(shù)據(jù)的均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差4個方面來衡量。從均值上看,差異最大的是胸圍,最小的是身高。三維掃描儀測量所得身高、胸圍、腰圍、臀圍數(shù)據(jù)略大于手工測量數(shù)據(jù),第7頸椎點高、頸根圍、臂長數(shù)據(jù)略小于手工測量數(shù)據(jù)。2組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差相差較小,差值由小到大依次是身高、第7頸椎點高、腰圍、臀圍、頸根圍、胸圍和臂長。

表3 2種測量方式測量數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計量

3.2 測量數(shù)據(jù)的相似性分析

測量數(shù)據(jù)的相似性分析主要依據(jù)測量部位的平均值進行比對研究,2組數(shù)據(jù)的相似率即為平均值中的較小值與較大值的百分比。非接觸式三維掃描與接觸式手工測量數(shù)據(jù)的相似率見表4。

表4 非接觸式三維掃描與接觸式手工測量數(shù)據(jù)的相似率

Tab.4 Similarity rate of non-contact 3D scanner and contact manual measurement data

由表4數(shù)據(jù)可知,2種測量方式身體主要部位數(shù)據(jù)的相似率較高,相似率由高到低依次是身高、第7頸椎點高、臂長、頸根圍、腰圍、臀圍、胸圍。

4 數(shù)據(jù)差異分析

4.1 誤差分析

手工測量與三維人體掃描的測量誤差可能主要有如下幾個方面:首先,人體呼吸的影響,一般人體呼氣和吸氣胸圍的差值為2～4 cm,故呼吸可能是胸圍及腰圍數(shù)據(jù)測量誤差形成的主要原因。其次,被測者身體晃動會造成測量結(jié)果的差異,輕微的晃動也會對三維掃描結(jié)果產(chǎn)生較大影響。第三,受主客觀因素的影響,2種測量方式在確定人體骨骼點、測量部位時均存在一定誤差。

4.2 數(shù)據(jù)差異分析

高度及長度方向數(shù)據(jù)差異分析:2種測量方式在高度及長度方面數(shù)據(jù)差異較小,其中身高的均值、極大值與極小值相差最小。2組數(shù)據(jù)身高、第7頸椎點高和臂長的相似率均較高,分別是99.9%、99.6%和98.9%。

圍度方向數(shù)據(jù)差異分析:2種測量方式所測胸圍、腰圍、臀圍、頸根圍數(shù)據(jù)存在一定差異。其中,三維掃描所測胸圍、腰圍及臀圍數(shù)據(jù)均值與極值均略大于相應(yīng)的手工測量數(shù)據(jù)。引起數(shù)據(jù)差異的主要原因與2種測量手段的圍度測量方式不同有關(guān),三維人體掃描儀提取圍度數(shù)據(jù)為體表不規(guī)則曲面周長,而手工測量提取體表近似圍長。人體同一切面體表凹凸曲線長通常大于其外輪廓橢圓圍長,其中胸部凹凸最大,因此2種測量方式的胸圍差異最大。

2種測量方式所得頸根圍數(shù)據(jù)均值差異較小,而極大值與極小值差異性相左。引起差異的主要原因可能是被測量者姿勢變化的影響。

此外,在測量圍度時,無論是哪種測量方式,在確定相關(guān)圍度測量部位時都會存在一定的偏差,影響測量數(shù)據(jù)的差異。

2組圍度數(shù)據(jù)相似性由高到低依次是頸根圍、腰圍、臀圍和胸圍,相似率分別為98.2%、97.4%、97.3%和96.0%。

5 結(jié) 論

(1)非接觸式三維人體測量方式具有快速、準(zhǔn)確、全面獲取人體數(shù)據(jù)信息等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于人體測量與數(shù)據(jù)采集項目中。

(2)2種測量方式相比,在高度與長度方向的平均值差異較小,圍度方向差異相對略大,其中胸圍平均值的差異最為顯著。

(3)非接觸式與接觸式測量方式提取數(shù)據(jù)的相似率總體較高,相似率由高到低依次是身高、第7頸椎點高、臂長、頸根圍、腰圍、臀圍和胸圍。

(4)非接觸式三維人體掃描儀提取人體體表數(shù)據(jù)信息,對服裝用胸圍數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性測量有較明顯影響,可通過手工測量方式予以補充。

[1] 王軍,李曉久. 基于三維測量的數(shù)字化服裝應(yīng)用研究綜述[J]. 紡織導(dǎo)報, 2011(11):82-84.

[2] BRETSCHNEIDER T, KOOP U, SCHREINER V, et al. Validation of the body scanner as a measuring tool for a rapid quantification of body shape[J]. Skin Research and Technology, 2009, 15(3):364-369.

[3] LOVATO C, CASTELLANI U, FANTONI S, et al. Computer assisted estimation of anthropometric parameters from whole body scanner data[G] // MAGNENAT-THALMANN N. Modelling the Physiological Human: 3D Physiological Human Workshop. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2009:71-83.

[4] 鄒奉元,張穎. 基于不同方法的人體測量數(shù)據(jù)重復(fù)性研究[J]. 紡織學(xué)報, 2004, 25(4):71-72.

[5] 張淑君,丁笑君,鄒奉元. 三維人體掃描儀測量數(shù)據(jù)與手工測量數(shù)據(jù)關(guān)系研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報, 2006, 23(3):298-301.

[6] 全國人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. GB/T 23698—2009 三維掃描人體測量方法的一般要求[S]. 北京:國家標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.