三維人體測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展

王宏付，王永波，柯瑩

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

合體性即服裝與人體的貼合程度，它是消費(fèi)者在購買服裝時(shí)重要的參考因素。人體的體型數(shù)據(jù)是服裝設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)依據(jù)，人體測(cè)量則是正確把握人體特征，保證服裝合體的必要手段[1]。從技術(shù)發(fā)展來看，人體測(cè)量技術(shù)可以分為傳統(tǒng)手工測(cè)量技術(shù)和三維人體測(cè)量技術(shù)。文中采用對(duì)比分析法簡要比較了兩種測(cè)量技術(shù)的優(yōu)劣，運(yùn)用文獻(xiàn)研究法總結(jié)三維人體測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，剖析了現(xiàn)階段存在的問題，指出未來的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

1 手工測(cè)量與三維人體測(cè)量技術(shù)的對(duì)比

目前，中國人體測(cè)量以傳統(tǒng)手工測(cè)量為主，三維人體測(cè)量技術(shù)由于價(jià)格等因素，普及率較低，僅被一些高等服裝類院校和大型服裝企業(yè)所熟知。

傳統(tǒng)的手工測(cè)量技術(shù)一般使用軟尺和馬丁測(cè)量儀等，使用工具簡單、廉價(jià)，測(cè)量結(jié)果直觀，但耗時(shí)長，且由于胸、腰、臀等部位為人體較敏感部位，測(cè)試時(shí)容易存在系統(tǒng)誤差和偶然誤差[2]，難以進(jìn)行快速、大規(guī)模的人體測(cè)量。

三維人體測(cè)量作為現(xiàn)代圖像測(cè)量技術(shù)的一個(gè)分支，是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺等科學(xué)技術(shù)為一體的三維測(cè)量技術(shù)[3]，它在測(cè)量人體時(shí)把圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞信息的手段或載體加以利用，其目的是從人體圖像中提取有用的信息[4]。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，三維人體測(cè)量技術(shù)可在數(shù)秒內(nèi)完成對(duì)人體數(shù)百部位尺寸的測(cè)量，精確度高，被測(cè)者可以輕松完成測(cè)試，且能進(jìn)行快速、大規(guī)模的人體測(cè)量。

2 三維人體測(cè)量技術(shù)概述

美、英、德、日等發(fā)達(dá)國家對(duì)三維人體自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的研究較早，已研制開發(fā)了一系列三維人體測(cè)量系統(tǒng)，美國[TC]2、德國 TECMATH 公司都是其中的佼佼者[3]。相對(duì)于國外，中國三維人體掃描技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展迅度，一些服裝類高等院校和企業(yè)都研究出不同的三維人體測(cè)量系統(tǒng)，且三維人體測(cè)量相關(guān)的論文成果豐碩。

三維人體測(cè)量技術(shù)一般由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件可用于人體圖像的采集，主要包括掃描室、攝像機(jī)等；軟件部分可從圖像中獲取有用的信息，如所需部位的尺寸等，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，還能夠?qū)D像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放縮和截面處理。

按照測(cè)量過程中有無光源照射的不同，可以將三維人體測(cè)量技術(shù)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類，目前主要采用主動(dòng)式，按照光源形式的不同，又可分為基于普通光的掃描技術(shù)、基于紅外線的掃描技術(shù)和基于激光的掃描技術(shù)。

3 三維人體測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

3.1 人體數(shù)據(jù)庫的建立

從20世紀(jì)70年代三維人體測(cè)量技術(shù)的起步到2010年左右，有很多國家利用三維人體測(cè)量技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)相繼建立了自己國家的人體數(shù)據(jù)庫，早期數(shù)據(jù)庫中人體數(shù)據(jù)的采集以手工測(cè)量為主，后期則以三維人體測(cè)量為主。

1992—1994年，日本HQL機(jī)構(gòu)運(yùn)用手工測(cè)量和三維人體測(cè)量相結(jié)合的方法，建立起年齡段為7～90歲的人體數(shù)據(jù)庫Size-JPN9294。2004—2006年，該機(jī)構(gòu)對(duì)上述數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新和補(bǔ)充，形成Size-JPN0406[5]。

2001年英國人體數(shù)據(jù)庫Size UK成為世界上首個(gè)采用三維人體測(cè)量作為主要手段來獲用人體尺寸數(shù)據(jù)的全國性人體數(shù)據(jù)庫。該項(xiàng)目由政府帶頭，全國17個(gè)零售商以及眾多院校、公司機(jī)構(gòu)等參與合作?，F(xiàn)在Size UK中的數(shù)據(jù)由英國 Sizemic公司代為銷售，為眾多服裝企業(yè)及相關(guān)研究提供有償服務(wù)[5]。

從2006年起，由尚笑梅教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)耗時(shí)5年多構(gòu)建成了數(shù)據(jù)庫Size CN[5]。該數(shù)據(jù)庫收錄了3 000多人的尺寸數(shù)據(jù)，以人體體表數(shù)據(jù)為主，同時(shí)還可以根據(jù)已有的人體體表數(shù)據(jù)計(jì)算出未知的其他部位數(shù)據(jù)。此外，中國較為認(rèn)同的人體數(shù)據(jù)庫還有西安工程大學(xué)的中國西部三維人體數(shù)據(jù)庫和北京服裝學(xué)院愛慕人體工學(xué)研究所的人體數(shù)據(jù)庫。

3.2 人體體型的分類

3.2.1男性 許家?guī)r[6]以長三角地區(qū)青年男性為研究對(duì)象，通過三維人體測(cè)量技術(shù)，選擇了肩斜角、臀突角、背入角這3個(gè)具有代表性的人體體表角度，對(duì)人體體型初次劃分，再依據(jù)胸腰差進(jìn)行二次分類，最終得到28類人體；孫思揚(yáng)[7]通過三維人體測(cè)量技術(shù)采集了陜西省男性大學(xué)生體型數(shù)據(jù)，以胸腰差值為分類依據(jù)，利用快速聚類法，將人體分為了較瘦體、標(biāo)準(zhǔn)體、較胖體，其差值分別為17～24 cm，12～17 cm，7～12 cm。

3.2.2女性 王祺明[8]利用三維人體測(cè)量技術(shù)測(cè)量了200名江浙地區(qū)女性的人體數(shù)據(jù)，選取胸、腰、臀三圍的截面面積與三圍圍度平方的比值進(jìn)行聚類分析，將體型分為了扁體型、中間體型、圓體型3類；雷玲玲等[9]通過三維人體測(cè)量技術(shù)測(cè)量了嘉興學(xué)院女性大學(xué)生的人體尺寸，利用快速聚類法，將女性人體分為腿偏長體、臀圍偏大體、扁平體、纖瘦體4類，并得出各體型的中間體。

3.3 胸、腰、臀等部位的細(xì)化

陳姍姍等[10]通過三維人體測(cè)量技術(shù)，測(cè)量了女性乳房相關(guān)數(shù)據(jù)，以肩峰點(diǎn)到乳點(diǎn)(bustpoint，BP)之間的距離與BP點(diǎn)到前腰節(jié)點(diǎn)的距離比，乳間距與左右頸窩點(diǎn)到對(duì)應(yīng)BP點(diǎn)距離之和的比值為依據(jù)，聚類成5類，得到乳房在中間偏下位置且外闊。利用Optitex創(chuàng)建3D模特模擬乳房位置的變化，用數(shù)字化立體裁剪，取得相應(yīng)的樣板，得出BP點(diǎn)的縱向變化可引起肩省和腰省的大小及省尖縱向位置變化，BP點(diǎn)的橫向變化可以引起肩省和腰省省尖的橫向變化。

姜茸凡[11]通過三維人體測(cè)量技術(shù)測(cè)量了150位青年男性的下體體型，對(duì)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行了因子分析和聚類分析，確定了人體關(guān)鍵尺寸，以人體的身高和腰圍劃分男性下體的“號(hào)”，以“臀腰差”劃分男性下體的“型”。根據(jù)關(guān)鍵尺寸將人體劃分為高胖體(X)、高瘦體(Y)、標(biāo)準(zhǔn)體(A)、矮胖體(B)和矮瘦體(C)5類體型，身高檔差數(shù)是5 cm，腰圍檔差數(shù)是2 cm。

金娟鳳等[12]依據(jù)三維人體測(cè)量技術(shù)，測(cè)量了300位在校女青年的臀部數(shù)據(jù)，通過R型聚類分析法及Person相關(guān)分析法，得到反映臀部形態(tài)的6個(gè)典型指標(biāo)，然后采用快速聚類的方法，將臀部分為5類，對(duì)比各類型臀部截面曲線特征，驗(yàn)證了5類臀部體型劃分的合理性；石小強(qiáng)等[13]利用三維人體測(cè)量技術(shù)對(duì)江浙地區(qū)194名青年女性臀部數(shù)據(jù)特征進(jìn)行研究，得到臀位高與身高的線性關(guān)系，并運(yùn)用分裂聚類分析法將全部數(shù)據(jù)分為5類，分析得出臀位高的檔差為3 cm。姚怡等[14]采用三維人體測(cè)量技術(shù)測(cè)量青年女性體型，以腰臀比.肩胛臀凸偏差和臀型角度為依據(jù)，將臀部體型分為3類。

王軍等[15]以東北地區(qū)青年女性為研究對(duì)象，通過三維測(cè)量技術(shù)得到21個(gè)腰臀部特征變量，并采用主成分因子分析得到影響腰臀部體型特征的5大形態(tài)因子，運(yùn)用SPSS兩步聚類法對(duì)腰臀部形態(tài)進(jìn)行分類：第1類為直線型、平臀、矮瘦體；第2類為凸臀、渾圓體；第3類為曲線型、高扁體。方方等[16]利用Polyworks軟件采集三維測(cè)量模型腰臀形態(tài)相關(guān)項(xiàng)尺寸數(shù)據(jù)，以腰臀比和臀凸高比為分類指標(biāo)，對(duì)腰臀部體型進(jìn)行K-means 聚類分析，得到梨形翹臀型、翹臀型、O形翹臀型、梨形中臀型、適中型、中O 型、梨形垂臀型、垂臀型、O形垂臀型9類體型。

3.4 量身定制化的服裝生產(chǎn)系統(tǒng)

量身定制是一種以顧客為中心的服裝生產(chǎn)制作系統(tǒng)，一種高度自動(dòng)化的工業(yè)化生產(chǎn)方式[17]，既能滿足服裝的舒適合體性又能體現(xiàn)顧客的穿著個(gè)性要求。量身定制必須滿足尺寸的合體度，即尺寸定制[18]，而獲得人體體型數(shù)據(jù)是這一系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟。利用三維人體測(cè)量儀對(duì)人體進(jìn)行高效、高精度的測(cè)量，根據(jù)相應(yīng)的尺碼數(shù)據(jù)和客戶對(duì)服裝款式的要求，由電腦系統(tǒng)自動(dòng)生成服裝尺寸，與先進(jìn)的紙樣設(shè)計(jì)和排料裁剪系統(tǒng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)量身定制服裝的生產(chǎn)。如英國的Baird Menswear公司，其銷售的西服中有80%是通過“量身定做”系統(tǒng)完成的[19]。

3.5 推進(jìn)三維虛擬試衣系統(tǒng)

三維虛擬試衣系統(tǒng)涉及三維建模、體感交互、人體模型重建及模擬等技術(shù)[20]。如試衣者通過自身尺寸建立三維人體模型；虛擬試衣操作，包括型號(hào)選擇、款式選擇、面料選擇以及顏色選擇等。這一技術(shù)可以節(jié)約人力物力，省去穿脫衣服的麻煩，給人們帶來便利。

德國弗勞恩霍夫?qū)W會(huì)的科學(xué)家[21]開發(fā)了一款虛擬試衣軟件，需要通過三維測(cè)量獲得人體數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給服裝銷售商，生成顧客三維影像。顧客根據(jù)可選擇的服裝款式，選取喜愛的服裝在電腦上進(jìn)行“試穿”，同時(shí)還可以切換不同動(dòng)作查看衣服的合體性。

森動(dòng)數(shù)碼有限公司[22]于2011年推出了亞洲首個(gè)3D虛擬試衣間，當(dāng)購物者站在屏幕前時(shí)，虛擬試衣鏡會(huì)自動(dòng)放映試穿效果的三維圖像，并且只需簡單旋轉(zhuǎn)屏幕上的按鈕，就可以更換衣服。與之前出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)試衣間不同，此產(chǎn)品無需消費(fèi)者輸入身高、體重、年齡等信息，只要你站在試衣鏡前，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行三維掃描，從而獲取相關(guān)信息，為消費(fèi)者省去很多麻煩。

3.6 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

三維人體測(cè)量技術(shù)在動(dòng)畫、電影、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車制造和醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。以醫(yī)療行業(yè)為例：汪翠梅[20]通過三維人體測(cè)量技術(shù)對(duì)中原地區(qū)漢族成人耳廓進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)耳部各測(cè)量指標(biāo)的正常值范圍，分析不同年齡下各測(cè)量指標(biāo)的差異及各比例關(guān)系，為臨床醫(yī)生提供客觀的數(shù)據(jù)；RAMSAY J等[24]以30名有特發(fā)性脊柱側(cè)凸的青年女性為研究對(duì)象，利用三維人體測(cè)量技術(shù)測(cè)量站立狀態(tài)下女性左右乳房體積，然后用核磁共振技術(shù)測(cè)量俯臥狀態(tài)下女性乳房體積，驗(yàn)證乳房的不對(duì)稱性，發(fā)現(xiàn)二者具有強(qiáng)相關(guān)性；魯晉等[25]選取30名皮膚慢性潰瘍患者，利用無菌薄膜勾邊法、NIH ImageJ方法和三維人體測(cè)量技術(shù)對(duì)患者創(chuàng)面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果具有一致性，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；KIM J等[26]對(duì)比了三維人體測(cè)量數(shù)字模型、錐體束計(jì)算機(jī)斷層掃描所得牙頜數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)石膏模型測(cè)量的相應(yīng)指標(biāo)，包括牙齒近遠(yuǎn)中寬度、上下頜牙弓長度與寬度等，結(jié)果表明三維人體測(cè)量掃描模型測(cè)量的精確性最高。

4 三維人體測(cè)量技術(shù)發(fā)展的局限性與發(fā)展方向

4.1 發(fā)展的局限性

三維人體測(cè)量技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的手工測(cè)量已經(jīng)有了很大改善，但它依然存在一些不足： ①三維人體測(cè)量要求被測(cè)者在測(cè)量過程中保持固定姿勢(shì)，若測(cè)量中出現(xiàn)晃動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，造成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性降低；②當(dāng)被測(cè)者過度肥胖時(shí)，胸、腰處會(huì)存在贅肉，在測(cè)量中發(fā)現(xiàn)標(biāo)定的胸圍線和腰圍線(與實(shí)際的胸圍線和腰圍線)有一定的偏移，這不僅會(huì)造成胸圍和腰圍的數(shù)據(jù)有誤差，還會(huì)影響乳頭高和腰圍高等相關(guān)變量數(shù)值的準(zhǔn)確性；③受到三維人體測(cè)量技術(shù)成本及測(cè)量空間需求的限制，難以在中國服裝企業(yè)中大規(guī)模推廣使用。

4.2 發(fā)展的方向

三維測(cè)量技術(shù)的研究將是中國未來服裝領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，它能夠大量節(jié)約人力成本和時(shí)間成本。中國現(xiàn)階段對(duì)三維人體測(cè)量技術(shù)的研究主要集中在對(duì)后期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為使中國的三維人體測(cè)量技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

4.2.1測(cè)量過程可視化和建立回放系統(tǒng) 測(cè)量過程的可視化能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)者的姿勢(shì)，若姿勢(shì)錯(cuò)誤，可及時(shí)提醒；三維測(cè)量技術(shù)一般通過圖片獲取數(shù)據(jù)，如果將回放系統(tǒng)與原有的圖片相結(jié)合，可以看出被測(cè)者在測(cè)量中是否出現(xiàn)晃動(dòng)，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.2.2與生物識(shí)別相結(jié)合 骨骼點(diǎn)的識(shí)別是測(cè)量人體數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，國外三維人體測(cè)量技術(shù)的骨骼點(diǎn)基于他們的生理規(guī)律，與中國有所差異。如能加入生物識(shí)別進(jìn)行改進(jìn)，自動(dòng)識(shí)別重要骨骼點(diǎn)，則可提高測(cè)量的精度。

4.2.3實(shí)現(xiàn)測(cè)量智能化和網(wǎng)絡(luò)化 人工智能技術(shù)的發(fā)展為人體測(cè)量的智能化提供了基礎(chǔ)，未來的測(cè)量系統(tǒng)將不僅僅只停留在測(cè)量階段，還應(yīng)該具有自動(dòng)識(shí)別和分析等功能；三維人體測(cè)量技術(shù)可以依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向更多領(lǐng)域拓展，降低測(cè)量成本，人們希望未來在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行自身的人體尺寸測(cè)量，形成人體尺寸卡，幫助選購合體服裝，智能化和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

5 結(jié)語

通過三維人體測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)手工測(cè)量技術(shù)的對(duì)比，利用文獻(xiàn)查閱法總結(jié)了三維人體測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究，剖析了目前其存在的問題，如測(cè)量中被測(cè)者出現(xiàn)晃動(dòng)、標(biāo)定出現(xiàn)錯(cuò)誤等，針對(duì)這些問題提出了解決方案，并展望了三維人體測(cè)量的未來發(fā)展方向。只有積極開發(fā)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、低成本等的三維人體測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)，才能更好地服務(wù)于中國服裝業(yè)。