三維人體測量精度的比較分析

王蓉、張文利、趙蒙蒙、李艷梅,上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院

近幾年隨著社會的發(fā)展,消費者在追求服裝時尚的同時還要有個性，符合自身的需求。而且我國是人口大國，不同民族和地區(qū)的人體特征差異較明顯，因此現(xiàn)行的國家號型標(biāo)準體系已經(jīng)不能很好地適應(yīng)大批量的服裝生產(chǎn)，同時也不能滿足服裝定制的需求。為了獲得精準的人體特征原始數(shù)據(jù)，準確的制定我國的服裝號型規(guī)格以及滿足消費者個性化的需求，這就對人體測量方式提出了更高的要求。在人體測量的發(fā)展過程中，由接觸式的測量過渡到非接觸式的測量，由二維向三維發(fā)展，同時包含自動測量以及計算機的測量數(shù)據(jù)的處理和分析?，F(xiàn)在比較常用的人體測量方式有手工測量和三維掃描測量，傳統(tǒng)的手工測量更加方便直觀，而三維掃描測量則有準確高效的優(yōu)點。對此，本文進行了兩種測量方式的對比研究，探索不同測量方式所得數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換方式。

1 試驗方案

1.1 試驗對象

全國人體測量上海地區(qū)數(shù)據(jù)庫中抽取男性200人，年齡為17～60歲，平均年齡35.3歲，平均身高168.95 cm。水平前伸；左臂屈肘呈90°；兩手腕水平。同時左手大拇指分開；右手五指并攏。座椅高度適中，使腳接觸地面；腘窩處輕觸椅面；大腿和小腿呈90°；從正面看，兩肩同高度，眼睛目視前方，雙腿并攏。

圖3 三維全身掃描姿勢—坐姿

（3）標(biāo)記點的描畫和張貼要求

每個被測人身上需黏貼18個標(biāo)記點，見表2。

表2 三維掃描測量黏貼的18個點的位置

1.3 試驗方法

采用手工測量及三維掃描人體測量對著緊身內(nèi)衣褲的測量者進行測量。

手工測量由經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)的試驗人員使用馬丁測量儀的工具對被測者進行測量，首先用標(biāo)記帶將需要測量的部位標(biāo)記一下，然后進行手工測量。測量時要求被測者直立站立，盡可能不要晃動，在測量期間保持姿勢，以確保獲取較為精確的數(shù)據(jù)。

圖1 各年齡段人數(shù)統(tǒng)計

如圖1所示，其中17～30歲的人有97人，31～40歲的有77人，50歲以上的為26人，從左到右呈現(xiàn)遞減的趨勢，對應(yīng)的，所占的百分比從17歲到60歲呈現(xiàn)遞減的趨勢，說明參與測量的200人中青年的人數(shù)較多為86%，老年人約占13%。

1.2 測量儀器與要求

1.3.1 測量設(shè)備及精度要求

手工測量以及三維掃描測量使用的設(shè)備及精度要求見表1。

表1 測量設(shè)備及精度要求

三維人體掃描儀測量要求

（1）立姿

自然站立，分兩個姿勢，立姿I如圖2左，兩手臂和軀干分開的角度要大一些，尤其是體型比較胖的人；立姿II如圖2右，自然站立，兩手臂自然下垂，貼近身體。

圖2 三維全身掃描姿勢-站姿

（2）坐姿

坐姿要求被測者挺胸坐在升降測試椅上，保持三個90°，如圖3所示。從側(cè)面看，右臂

測量時，將手工測量的部位上的標(biāo)記帶換成能夠被三維掃描儀掃描到的標(biāo)記點再進行測量，要求被測者嚴格按照儀器測量要求站立，身體盡量不晃動，保持平衡，以減少由于人體晃動帶來的隨機誤差的影響，獲取較為精確的測量數(shù)據(jù)。

1.3.1 人體測量部位

手工測量和三維掃描測量的部位對比，見表3。

表3 手工測量部位與三維掃描測量部位

選取的手工和三維測量交叉的測量部位，見表4。

表4 手工和三維測量交叉的測量部位及測量方法

1.3.2 對測量者和被測量者的要求

（1）被測人著裝要求：

①被測人必須佩戴統(tǒng)一的測量帽，將所有頭發(fā)置于測量帽內(nèi)。

②男性著裝：赤足，僅著緊身淺色不帶花邊的三角內(nèi)褲，內(nèi)褲無明顯褶皺，褲腰不超過臍點。

（2）測量者的要求：

傳統(tǒng)的人體測量需要測量者有專業(yè)的測量知識，清楚地掌握人體的各個基準點及其位置，測量的項目、方法。

2 數(shù)據(jù)的處理及分析

2.1 數(shù)據(jù)提取

對于測量的所有人體數(shù)據(jù)并不能直接用于數(shù)據(jù)的分析，要先對測量的人體數(shù)據(jù)進行分類和提取。

（1）手工測量數(shù)據(jù)的選取

從30個手工測量的數(shù)據(jù)里提取出需要的數(shù)據(jù)：會陰上部前后長、上臂圍、大腿圍、身高、會陰高體重，表5列出了部分數(shù)據(jù)示例。

表5 手工測量數(shù)據(jù)整理

（2）三維掃描測量數(shù)據(jù)的選取

三維掃描人體測量時，由于有遮擋現(xiàn)象，部分區(qū)域沒有原始數(shù)據(jù)，因此要篩選出有效數(shù)據(jù)，而且原始數(shù)據(jù)的格式不能直接利用，需要對數(shù)據(jù)的類型進行轉(zhuǎn)換，以便于分析。對數(shù)據(jù)進行篩選之后整理，表6列出了對應(yīng)的部分數(shù)據(jù)示例。

表6 手工測量數(shù)據(jù)整理

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過相關(guān)分析找到三維掃描人體數(shù)據(jù)與手工測量數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，對比兩種測量方法測得人體數(shù)據(jù)的差異性，為二者之間的轉(zhuǎn)換找到通路。因測量部位眾多，著重以身高為例闡述分析方法，其他部位的研究思路相同，后面將給出對應(yīng)的分析結(jié)果。

2.2.1 身高的顯著性差異檢驗

（1）通過P-P概率圖來檢驗儀器測量（圖4～b）和手工測量數(shù)據(jù)（圖4-a）的分布。

圖4 三維掃描測量和手工測量的身高P-P概率圖

由圖4可以看出，正態(tài)P-P概率圖中代表身高的的點大都簇在一條直線上。因此可以認為儀器測量數(shù)據(jù)與手工測量數(shù)據(jù)的分布相同，都近似服從正態(tài)分布。

（2）概率分析

經(jīng)相關(guān)性分析，三維掃描數(shù)據(jù)和手工數(shù)據(jù)相關(guān)性為0.982，顯著相關(guān)。

在經(jīng)過概率分析發(fā)現(xiàn)：在均值基本相同的情況下，手工測量的數(shù)據(jù)相較于三維掃描的數(shù)據(jù)標(biāo)準偏差較小，手工測量的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定圖5為身高的三維掃描（圖5-b）和手工測量（圖5-a）的頻率直方圖。

圖5 身高的三維掃描數(shù)據(jù)直方圖

2.2.2 身高的T檢驗

單樣本的T檢驗用于對總體均值進行檢驗，是利用樣本數(shù)據(jù)，檢驗當(dāng)前的總體均值是否與事先假設(shè)的總體均值存在顯著性的差異，即設(shè)樣本x1,x2,……，xn來自于正態(tài)分布N(μ,σ2)，樣本均值為，樣本的標(biāo)準差為 s2，對于均值μ的檢驗步驟如下：

①建立原假設(shè)H0：μ=μ0,H1：μ≠μ0。即原假設(shè)為總體均值與檢驗值之間不存在顯著差異。

③利用原假設(shè)和樣本數(shù)據(jù)計算t統(tǒng)計量和其他對應(yīng)的p值。

④對比p值和α，結(jié)合原假設(shè)作出推斷。如果p值＜α,則拒絕原假設(shè)，得出總體均值與檢驗值之間存在顯著差異的結(jié)論；如果p值＞α,則不能拒絕原假設(shè)，應(yīng)該認為總體均值與檢驗值之間不存在顯著差異。

表5 身高測量數(shù)據(jù)的T檢驗結(jié)果

對兩組數(shù)據(jù)進行T檢驗，在顯著水平為0.05的情況下，結(jié)果顯示顯著性差異0.01＜0.05說明身高的儀器測量和手工測量兩組數(shù)據(jù)有顯著性差異，有必要對儀器測量數(shù)據(jù)和手工測量數(shù)據(jù)進行回歸分析。

2.2.3 身高的相關(guān)分析

相關(guān)分析和回歸分析是研究現(xiàn)象之間存在的相互關(guān)聯(lián)的兩種基本方法，其中相關(guān)分析用某個指標(biāo)來表明現(xiàn)象之間相互依存關(guān)系的密切程度。選擇三維掃描測量的數(shù)據(jù)為自變量，手工測量的數(shù)據(jù)作為因變量，進行相關(guān)分析。測定系數(shù)r2=0.964，即自變量三維掃描測量的身高數(shù)據(jù)可以解釋為因變量手工測量數(shù)據(jù)的96.4%的變異。

同樣的方法可以得到其他對比部位的相關(guān)系數(shù)：

表6 測量部位兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)

當(dāng)0.8＜R＜1時，為高度相關(guān)；當(dāng)0.5≤R＜0.8時，為中度相關(guān)；當(dāng)0.3≤R＜0.5時，為低度相關(guān)：當(dāng)0＜R＜0.3時，為不相關(guān)。所以除了會陰上部前后長的三維掃描和手工測量的數(shù)據(jù)為不相關(guān)，臂圍的三維掃描和手工測量數(shù)據(jù)是中度相關(guān)外，其余部位的測量部位都為高度相關(guān)。

考察實驗數(shù)據(jù)可知，根據(jù)表6的相關(guān)性分析，會陰高的三維掃描測量和手工測量沒有相關(guān)性，兩者測量所得數(shù)據(jù)相差較大，而根據(jù)數(shù)據(jù)顯示會陰上部前后長的三維掃描數(shù)據(jù)普遍小于手工測量數(shù)據(jù)，且差距較大。其余部位的三維掃描數(shù)據(jù)普遍大于手工測量數(shù)據(jù)，但相差不大。

3 結(jié)論

本文通過對比200組男性人體測量數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）考察實驗數(shù)據(jù)可知，除了會陰上部前后長的三維掃描和手工測量的數(shù)據(jù)為不相關(guān)，臂圍的三維掃描和手工測量數(shù)據(jù)是中度相關(guān)外，其余部位的測量部位都為高度相關(guān)。

（2）除去會陰上部前后長的三維掃描數(shù)據(jù)普遍小于手工測量數(shù)據(jù)外，其余部位的三維掃描數(shù)據(jù)普遍大于手工測量數(shù)據(jù)的趨勢。

（3）除去會陰上部前后長，其余各部位的回歸模型基本上呈線性關(guān)系。

（4）各部位的回歸模型的準確率從高到低依次為：身高、會陰高、大腿圍、上臂圍。

根據(jù)綜合分析得出結(jié)論：手工測量的數(shù)據(jù)相對三維掃描的數(shù)據(jù)精確度略高，但是二者相差不大，三維掃描測量速度快，使用便捷，具有廣泛的應(yīng)用空間。

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