三維人體掃描技術(shù)及其在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

蘇軍強(qiáng)， 趙曉露， 沈津竹， 王宏付

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，基于光學(xué)測(cè)量的各種技術(shù)和設(shè)備不斷出現(xiàn)。面向個(gè)性化量體的三維人體掃描技術(shù)是三維光學(xué)測(cè)量在服裝制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。由于市場(chǎng)上的品牌多樣，所宣傳的技術(shù)原理及稱謂不統(tǒng)一，同時(shí)由于三維掃描設(shè)備對(duì)使用環(huán)境的一些特殊要求，目前三維人體掃描技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中到達(dá)了瓶頸期，部分消費(fèi)者對(duì)三維掃描技術(shù)的先進(jìn)性、適用性及其前景持有一定的懷疑態(tài)度。

文中從三維人體掃描技術(shù)的原理、測(cè)量精度的密切影響因素、典型性應(yīng)用及適用領(lǐng)域等方面進(jìn)行梳理，以期為三維人體掃描技術(shù)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 三維人體掃描技術(shù)的原理及影響因素

光學(xué)三維測(cè)量是用光學(xué)原理采集物體表面三維空間信息的方法和技術(shù)。關(guān)于三維人體掃描技術(shù)的原理，陳益松等[1]進(jìn)行了較為系統(tǒng)的論述，并對(duì)其采用的技術(shù)及主流設(shè)備進(jìn)行了分類，如圖1所示。

文獻(xiàn)[1]指出，共線方程是三維光學(xué)測(cè)量的基本原理：任何三維測(cè)量的結(jié)構(gòu)光透射位置、被測(cè)量物體位置和拍攝位置都成三角關(guān)系，都屬于三角測(cè)量的范疇。主動(dòng)三維測(cè)量的三角關(guān)系是從雙相機(jī)被動(dòng)測(cè)量原理演變而來。

圖1 光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)原理及分類 Fig.1 Principle and classification of the optical 3D measurement technology

1.1 共線方程

攝影測(cè)量中有3個(gè)不同層次的坐標(biāo)系：物空間坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系。共線方程實(shí)際是通過相機(jī)坐標(biāo)系作為中間坐標(biāo)系來建立圖像坐標(biāo)系與物空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系[1]。共線方程的齊次坐標(biāo)矩陣表達(dá)式為

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知，物點(diǎn)在像點(diǎn)和光心的連線上，但是物點(diǎn)的深度卻無法確定。因此，單臺(tái)相機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間物點(diǎn)定位。

使用2臺(tái)(含)以上、處于不同位置的相機(jī)對(duì)同一物點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，則可以得到多組共線方程。從數(shù)學(xué)模型來說，當(dāng)有2i(i≥2)個(gè)代數(shù)方程時(shí)，物點(diǎn)坐標(biāo)P即可解析出來。多臺(tái)相機(jī)對(duì)空間物點(diǎn)P成像的原理如圖2所示，物點(diǎn)P為相機(jī)光心Oi和相應(yīng)的像點(diǎn)Pi組成的射線的交點(diǎn)。

就測(cè)量原理而言，三維測(cè)量技術(shù)均是采用以共線方程為基礎(chǔ)的技術(shù)形式對(duì)被測(cè)物進(jìn)行全方位測(cè)量。市場(chǎng)根據(jù)三維技術(shù)原理研發(fā)的測(cè)量?jī)x器包括結(jié)構(gòu)光三維掃描儀、激光三維掃描儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)3類。三維掃描技術(shù)在遙感、工程測(cè)繪、建筑測(cè)量、文物古跡修復(fù)、美容醫(yī)療、虛擬仿真、游戲動(dòng)漫等產(chǎn)業(yè)已有較為廣泛的應(yīng)用。

圖2 多相機(jī)交會(huì)確定物點(diǎn)的原理Fig.2 Schematic diagram of multiple cameras intersecting to determine object points

1.2 影響三維人體掃描精度的因素

人體體表形態(tài)復(fù)雜，既具有相對(duì)光滑的幾何平面，又存在腋窩、襠底、臀股溝、下頜底、肩頭等遮蔽、反凹角、馬鞍形特殊區(qū)域，同時(shí)人體屬于面積較大的被掃描件。因此，市場(chǎng)上的三維人體掃描儀均使用多單元聯(lián)合的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體全方位的測(cè)量。同時(shí)，人體體表形態(tài)是隨著人體生理過程不斷變化的，并且測(cè)量過程中人體不同的站姿、肌肉緊張程度、呼吸深度等，會(huì)顯現(xiàn)出不同的體表形態(tài)，進(jìn)而影響到測(cè)量的精度。由此可見，三維人體測(cè)量是一個(gè)人體、設(shè)備、軟件綜合作用的過程，影響其測(cè)量精度的因素也多與這3個(gè)要素有關(guān)。

1.2.1人體站姿與晃動(dòng) 人體掃描時(shí)，掃描對(duì)象的站姿對(duì)于圖像采集及后續(xù)特征點(diǎn)、特征部位判斷至關(guān)重要。掃描站姿多參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ISO 20685—2010[2]執(zhí)行，但是在實(shí)際操作中，被測(cè)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解和掌握程度不夠，仍是影響測(cè)量精度的主要因素之一，存在的主要問題包括：①上臂與軀干打開角度過小，會(huì)影響胸圍、上臂圍、腋底點(diǎn)位置的判定和相應(yīng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確；②雙腿站立角度過小，輕則會(huì)影響襠底點(diǎn)判定，致使腿部?jī)?nèi)長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，重則會(huì)影響對(duì)臀部形態(tài)的重構(gòu)，如前后襠的形態(tài)和尺寸；③下頜底內(nèi)收過度，會(huì)造成頸部掃描“空洞”過大，影響對(duì)頸部圍度測(cè)量結(jié)果和形態(tài)的重構(gòu)；④肌肉緊張過度，尤其是健壯男性體，會(huì)造成體表形態(tài)異常，從而影響最終的測(cè)量精度。

人體掃描時(shí)的無意識(shí)晃動(dòng)是掃描誤差的另一個(gè)主要影響因素。由三維人體掃描的原理可知，人體全身掃描實(shí)質(zhì)是通過計(jì)算機(jī)對(duì)多臺(tái)光學(xué)三維單元進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，再通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接，獲得精確完整的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。而在掃描過程中，人體總會(huì)不可避免地有晃動(dòng)、搖擺等無意識(shí)動(dòng)作，當(dāng)晃動(dòng)超過一定程度則會(huì)成為影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。由晃動(dòng)帶來的測(cè)量誤差較大，主要表現(xiàn)在：①前臂端的測(cè)量誤差；②軀干圍度的測(cè)量誤差；③頸圍的測(cè)量誤差。

1.2.2設(shè)備完成掃描的時(shí)間 由上述晃動(dòng)帶來的測(cè)量誤差推斷可知，設(shè)備完成掃描的時(shí)間也是影響測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。

目前，無論是激光片光法還是編碼光柵法，其完成掃描的時(shí)間都在秒級(jí)，可劃分為3 s10 s 3類。在此過程中，人體晃動(dòng)所帶來的測(cè)量誤差將不可避免，并且一定會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。YU W等[3]經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)備獲取人體體表形態(tài)的時(shí)間是影響三維人體測(cè)量精度的最關(guān)鍵因素。微軟公司推出的Kinect體感設(shè)備，具有紅外識(shí)別和深度感知功能，該設(shè)備抓取人體圖像的時(shí)間極快，一般在零點(diǎn)幾秒至幾秒之內(nèi)完成。因此，近年來，利用多臺(tái)Kinect體感設(shè)備進(jìn)行三維人體測(cè)量[4-7]，成為發(fā)展的新方向，實(shí)際應(yīng)用效果較好。文獻(xiàn)[4]針對(duì)Kinect掃描較大面積物體時(shí)數(shù)據(jù)精度偏差嚴(yán)重的情況，通過在人體前后分別配置上下4臺(tái)Kinect的方式，減小其掃描范圍的同時(shí)，快速(3 s以內(nèi))抓取人體體表數(shù)據(jù)。Kinect 4個(gè)部分的數(shù)據(jù)通過兩兩校準(zhǔn)，自動(dòng)拼接成一個(gè)完整人體數(shù)據(jù)。之后，將掃描得到的人體點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理，并使用SCAPE模型和迭代最近點(diǎn)查找方法得到最終的人體點(diǎn)云。與傳統(tǒng)的三維人體掃描設(shè)備相比，其硬件設(shè)備成本明顯較低，其提出的人體模型重建方法數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單、重建時(shí)間短，是值得繼續(xù)深入研究的方向。

1.2.3軟件對(duì)特征點(diǎn)的識(shí)別 獲取人體體表圖像，只是人體識(shí)別的必要步驟，如何準(zhǔn)確識(shí)別人體的特征點(diǎn)和特征部位，是關(guān)乎測(cè)量精度的另一個(gè)核心問題。關(guān)于人體體表特征點(diǎn)識(shí)別，大概有兩類方法： ① 貼標(biāo)記點(diǎn)法。該方法是在掃描前，將人體特征點(diǎn)部位粘貼若干個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，這些標(biāo)記點(diǎn)在掃描后具有清晰、易識(shí)別的特征，可以較為容易地被圖像識(shí)別軟件捕獲。其優(yōu)點(diǎn)是人體特征點(diǎn)易于識(shí)別，測(cè)量精度較高，但是缺點(diǎn)也非常明顯，粘貼標(biāo)記點(diǎn)需要較長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)對(duì)人體特征點(diǎn)的識(shí)別需要較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)。 ② 幾何特征判定法。主要依靠人體特征部位的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，先大致確定特征點(diǎn)或者特征部位的范圍，然后采用包圍盒法逐漸縮小范圍，依靠特征部位的幾何特征以及統(tǒng)計(jì)規(guī)律的雙重約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征點(diǎn)、特征部位的判定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些部位的自動(dòng)測(cè)量。該方法的優(yōu)勢(shì)是測(cè)量效率高，對(duì)操作人員的技能要求低，缺點(diǎn)是測(cè)量精度對(duì)軟件的算法、人口統(tǒng)計(jì)規(guī)律的準(zhǔn)確性和適用性要求較高。

1.3 內(nèi)置人體模型和算法

就市場(chǎng)上主流人體掃描儀的內(nèi)置人體模型和算法而言，不同品牌供應(yīng)商所依據(jù)的人體模型不同，多是依據(jù)本國(guó)人體統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)建立模型并制定數(shù)據(jù)提取算法的。由于模型和算法的不同，針對(duì)同一被掃描體，不同的掃描設(shè)備會(huì)出現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)不一致的問題。

因此，有學(xué)者專門針對(duì)三維掃描輸出數(shù)據(jù)的有效性開展研究。郭盼盼等[8]針對(duì)50名青年女體，采用手工、基于普通照片的二維非接觸式人體測(cè)量和三維人體掃描儀(SYMCAD)，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行量體。實(shí)驗(yàn)結(jié)論顯示，3者數(shù)據(jù)均存在差異，從統(tǒng)計(jì)分析的趨勢(shì)來看，二維測(cè)量結(jié)果總體上大于手工測(cè)量結(jié)果，三維測(cè)量結(jié)果總體上小于手工測(cè)量結(jié)果?？赡軐?dǎo)致這種差異的原因之一：數(shù)字化圖像處理過程中陰影的處理技術(shù)及相應(yīng)的算法值得關(guān)注和進(jìn)一步研究。

在掃描設(shè)備精度設(shè)置方面，有學(xué)者提出應(yīng)當(dāng)針對(duì)數(shù)據(jù)使用目的的不同而有所差別。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的GILL S等[9]認(rèn)為將所有的掃描數(shù)據(jù)都適用于產(chǎn)品開發(fā)是錯(cuò)誤的，用于樣板開發(fā)的數(shù)據(jù)應(yīng)與用于號(hào)型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有所不同。但問題在于現(xiàn)有的三維掃描應(yīng)用偏向于人體體型調(diào)查和號(hào)型系統(tǒng)修正或完善。文中分別采用來自Size Stream和[TC]2的三維人體掃描儀數(shù)據(jù)，與6種傳統(tǒng)制版方法所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，服裝制版所必需的一些數(shù)據(jù)(側(cè)頸點(diǎn)到后腰的距離、肩峰點(diǎn)到前中的距離)，并不能直接從現(xiàn)有的掃描系統(tǒng)內(nèi)獲取；一些數(shù)據(jù)(后橫、臂根深、小肩寬、前橫、前胸寬)與手工測(cè)量數(shù)值具有一致性偏差。

由此可見，三維掃描設(shè)備內(nèi)置人體模型、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、測(cè)量精度仍存在繼續(xù)完善的需求，相關(guān)研究學(xué)者應(yīng)給予足夠的重視。

2 在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用與開發(fā)

隨著定制化市場(chǎng)的發(fā)育和成長(zhǎng)，如何發(fā)揮三維人體掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在便捷化人體測(cè)量設(shè)備、服裝定制樣板快速生成、虛擬服裝展示、服裝號(hào)型更新和優(yōu)化方面進(jìn)行數(shù)據(jù)的應(yīng)用、挖掘與開發(fā)工作，是近年來服裝領(lǐng)域探索的熱點(diǎn)問題。

2.1 便捷式人體測(cè)量

近年來，服裝定制需求成為服裝行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出了一批致力于實(shí)現(xiàn)服裝規(guī)模化定制和生產(chǎn)的企業(yè)。三維人體掃描技術(shù)、遠(yuǎn)程量體技術(shù)、智能量體等概念和相關(guān)解決方案不斷創(chuàng)新，但就相關(guān)企業(yè)實(shí)際運(yùn)作的情況而言，遠(yuǎn)程定制人體測(cè)量仍然是基礎(chǔ)性難題，沒有得到很好的解決。

從技術(shù)原理來看，采用三維人體掃描設(shè)備，是保證測(cè)量精度和數(shù)據(jù)可靠性的最優(yōu)選擇。為了求得精度和易用性的平衡，市場(chǎng)上開發(fā)了移動(dòng)式和便攜式三維人體掃描設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)團(tuán)體定制用戶的上門量體服務(wù)，有廠商開發(fā)了車載移動(dòng)式三維掃描設(shè)備。Scanliner是全球第一輛卡車裝備的三維人體掃描系統(tǒng)[10]。采用的掃描儀是德國(guó)Tecmath公司生產(chǎn)的Vitus Smart，其在十幾秒內(nèi)便可以完成人體的全身測(cè)量。掃描數(shù)據(jù)通過車載電腦系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)傳輸回生產(chǎn)部門，保障生產(chǎn)時(shí)效。近年來，青島酷特智能股份有限公司也開發(fā)了類似的測(cè)量設(shè)備，即酷特“魔幻工廠”移動(dòng)大巴[11]，將三維掃描系統(tǒng)移植到移動(dòng)大巴內(nèi)，在實(shí)現(xiàn)上門量體服務(wù)的同時(shí)，將測(cè)量數(shù)據(jù)直接傳回生產(chǎn)工廠數(shù)據(jù)中心，另外客戶還可以通過手機(jī)端獲取量體數(shù)據(jù)并進(jìn)行款式選擇。此類設(shè)備所需的測(cè)量空間普遍偏大，需要能夠完整拍攝到人體，一般最小為寬度方向長(zhǎng)度×人體與掃描單元的距離×身高方向長(zhǎng)度=1 m×1.5 m×1.9 m。缺點(diǎn)是設(shè)備需要經(jīng)常校準(zhǔn)，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。

如何縮小設(shè)備體積和測(cè)量所需的空間，實(shí)現(xiàn)便捷、便攜的目標(biāo)，成為三維人體掃描設(shè)備發(fā)展的另一個(gè)方向。Space vision公司生產(chǎn)的“3D Body Scanner Traveling Type”便攜式三維人體掃描儀[12]，由3～4個(gè)(可選)掃描單元組成，每個(gè)完整的掃描單元高約200 cm，可以被拆散為3段，每段內(nèi)都是1個(gè)完整的“投射光源——捕捉相機(jī)”單元，可以掃描7 cm(寬)×20 cm(深)×65 cm(高)的范圍；每段的質(zhì)量?jī)H為3.1 kg，折疊后的體積僅為旅行箱的大小，質(zhì)量30～40 kg左右。

除此之外，一些應(yīng)用于工業(yè)零部件掃描的設(shè)備，經(jīng)過一定程度的改造，也被陸續(xù)引入服裝人體測(cè)量領(lǐng)域。北京博維恒信科技發(fā)展有限公司推出的3D CaMegacp系列[13]和加拿大Creaform公司推出的GO！SCAN[14]手持三維人體掃描系統(tǒng)，采用雙目立體視覺原理，設(shè)備外形小巧，質(zhì)量輕，可隨身攜帶；無需標(biāo)定，開機(jī)即可使用；操作簡(jiǎn)單，無需專業(yè)技能。美國(guó)FARO公司推出的 8 軸 Design ScanArm 2.5C遠(yuǎn)程軸便攜式掃描儀[15]，可以進(jìn)行全彩色人體測(cè)量。該系統(tǒng)可以提供2.5，3.5，4.0 m的臂長(zhǎng)選擇，掃描速度達(dá)600 000 點(diǎn)/s(2 000 點(diǎn) / 行·幀×300 幀/s)，配合3D System 公司的 Geomagic 軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體掃描的操作和交互性數(shù)據(jù)分析。

便攜性是該類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，但掃描時(shí)間普遍較長(zhǎng)，完成一個(gè)完整的人體掃描，需要十幾分鐘甚至更久，成為這類設(shè)備在服裝定制領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙。

2.2 虛擬人臺(tái)(個(gè)性化人臺(tái))

一直以來，通過三維掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建個(gè)性化虛擬仿真人臺(tái)，是服裝領(lǐng)域進(jìn)行個(gè)體化定制的首要需求。相關(guān)研究多從計(jì)算機(jī)技術(shù)出發(fā)，在高仿真曲面虛擬人臺(tái)構(gòu)建方面的研究成果發(fā)布較多[16-18]，且在一些商業(yè)軟件(如Clo 3D，Optitex，Marvelous，Vidya等)系統(tǒng)中已有應(yīng)用。

虛擬仿真人臺(tái)需要與服裝面料的材質(zhì)、紋理、性能等指標(biāo)的仿真項(xiàng)目對(duì)接，才可能完成虛擬服裝設(shè)計(jì)等目標(biāo)。由于相關(guān)研究的不完善，虛擬仿真人臺(tái)及相關(guān)服裝設(shè)計(jì)，僅作為實(shí)物設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)的參考，在實(shí)際工作中尚未見獨(dú)立應(yīng)用的案例。

隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，有研究人員提出將3D人體掃描與3D打印技術(shù)相結(jié)合，制造出面向定制應(yīng)用的個(gè)體化實(shí)體人臺(tái)。該思路具有應(yīng)用價(jià)值，但3D打印材料及成本是主要的限制因素。深圳市廣德教育科技有限公司推出的3D打印服裝人臺(tái)模型生產(chǎn)系統(tǒng)，采用該思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并研發(fā)了“3D打印+硅膠體表層”的高仿真?zhèn)€體化人臺(tái)。北京博維恒信科技發(fā)展有限公司正在試驗(yàn)的基于“3D打印+泡沫成型”的個(gè)體化人臺(tái)，采用最為普通的泡沫顆粒成型技術(shù)，將單臺(tái)的生產(chǎn)成本控制在200元左右，是值得關(guān)注的研究方向。

2.3 服裝樣板自動(dòng)生成

在三維人體模型上進(jìn)行3D服裝設(shè)計(jì)，再利用曲面展開技術(shù)將設(shè)計(jì)的結(jié)果展平到2D服裝樣板，從而實(shí)現(xiàn)由3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)到2D服裝樣板的開發(fā)過程，是服裝樣板自動(dòng)生產(chǎn)研究的重要思路。

從可展性的角度而言，曲面可分為可展曲面和不可展曲面[19-24]?？烧骨娴恼蛊?，理論上可以通過建立曲面的數(shù)學(xué)模型，使展開曲面與原始曲面完全一樣；不可展曲面展開主要采用化曲為直、以直線代替曲線的近似展開方法。三維服裝模型多是不可展曲面。根據(jù)近年來的研究成果，不可展曲面的近似展開有幾何展開法、力學(xué)展開法和幾何展開力學(xué)修正法[25]。

已有研究表明，有關(guān)服裝樣板自動(dòng)生成技術(shù)研究工作，均存在一定的困難和局限性，或依賴于傳統(tǒng)的制板經(jīng)驗(yàn)，或傾向于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用效果不佳。面向服裝定制應(yīng)用的人體曲面展開技術(shù)，仍是應(yīng)用研究的難題之一。

2.3.1基于放碼的方法 該方法認(rèn)為個(gè)體化定制，可以通過在傳統(tǒng)號(hào)型系列樣板生成規(guī)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)修改來實(shí)現(xiàn)。其根本依據(jù)是個(gè)體化與標(biāo)準(zhǔn)人體(或號(hào)型系列)的差異關(guān)系，即先按照標(biāo)準(zhǔn)人體放碼，再將個(gè)體化部位數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)部位數(shù)據(jù)對(duì)比，再就異常之處進(jìn)行修改。該方法雖然可以實(shí)現(xiàn)個(gè)體化樣板，但是放碼點(diǎn)位置、放碼量值、放碼規(guī)則的確定等都由制板師單獨(dú)計(jì)算和判斷，其對(duì)制板技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)要求非常高，基本沒有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)。

2.3.2基于參數(shù)化方法 該類思想將服裝樣板的生成看作是參數(shù)化圖形關(guān)系建立的過程，個(gè)體化體現(xiàn)為參數(shù)值和參數(shù)關(guān)系的不同。如果能夠利用圖論等[26]理論實(shí)現(xiàn)對(duì)制板過程參數(shù)化描述，則個(gè)體化樣板的自動(dòng)生成只需根據(jù)體型與樣板的關(guān)系，調(diào)整繪圖參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。但服裝紙樣受服裝款式、材料等較多因素的綜合影響，紙樣圖形的規(guī)律性不明顯；同時(shí)，服裝款式變化豐富，參數(shù)設(shè)計(jì)中的約束關(guān)系和尺寸驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，所以該方法僅用于結(jié)構(gòu)形式比較固定的西服、襯衫等產(chǎn)品。

2.3.3基于人工智能的方法 此方法是用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等人工智能技術(shù)建立專家制板系統(tǒng)[27]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)服裝款式設(shè)計(jì)的理解，快速完成個(gè)體化服裝樣板的開發(fā)工作。該類方法經(jīng)過十幾年的研究積累，近年來表現(xiàn)出走出實(shí)驗(yàn)室開始產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的趨勢(shì)。

此類方法面臨的主要問題是：服裝樣板的合體性評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)的樣本量與流行性的矛盾。服裝樣板合體性評(píng)價(jià)，涉及美學(xué)、服裝造型學(xué)、柔性材料力學(xué)等多種學(xué)科知識(shí)，是專家制板系統(tǒng)必不可少的基礎(chǔ)，但是當(dāng)前技術(shù)尚無法建立行業(yè)通用的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。同時(shí)，人工智能需要通過服裝款式識(shí)別實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練“類人智能”，工作量較大，且由于服裝的流行性，所建立的專家知識(shí)庫(kù)會(huì)滯后于服裝的流行，致使人工智能識(shí)別結(jié)果的價(jià)值降低。利用人工智能實(shí)現(xiàn)個(gè)體化樣板，值得關(guān)注，但仍有很長(zhǎng)的路要走。

2.4 服裝功效學(xué)評(píng)價(jià)

將三維人體掃描技術(shù)應(yīng)用于服裝(尤其是功能性服裝)的測(cè)試，是該技術(shù)的另一應(yīng)用領(lǐng)域。田苗等[28]探討了三維動(dòng)作捕捉儀在服裝工效學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。在生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)中，采用三維動(dòng)作捕捉儀進(jìn)行不同負(fù)重或行走狀態(tài)下的身體模式分析、動(dòng)作分析、平衡判定，及身體不同截面方向、特定關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析的案例，為相關(guān)研究提供了啟發(fā)。面對(duì)國(guó)民健康需求的增長(zhǎng)，文章提出將三維動(dòng)作捕捉儀與各種健康監(jiān)測(cè)設(shè)備相結(jié)合，通過功效學(xué)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝結(jié)構(gòu)和功能的改善或進(jìn)行智能服裝設(shè)計(jì)；與行走模式步態(tài)分析等生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論相結(jié)合，提高工裝類服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，利用功效學(xué)評(píng)價(jià)減少職業(yè)傷害，改進(jìn)服裝及裝備設(shè)計(jì)的科學(xué)性，更好地進(jìn)行服裝功能性設(shè)計(jì)。

除此之外，將三維掃描設(shè)備與動(dòng)作捕捉技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而與動(dòng)畫服裝設(shè)計(jì)相結(jié)合，也是三維人體掃描技術(shù)的應(yīng)用方向之一。

2.5 國(guó)民體型測(cè)量與服裝號(hào)型更新

作為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，國(guó)外的政府、服裝及與人體設(shè)計(jì)相關(guān)行業(yè)較早認(rèn)識(shí)到國(guó)民體型普查的重要性，并將人體數(shù)據(jù)作為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源。服裝號(hào)型系統(tǒng)是服裝制造的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其準(zhǔn)確性與服裝的適體性和銷售的成功率關(guān)系密切；而準(zhǔn)確的號(hào)型系統(tǒng)依賴于大量、及時(shí)、精確和科學(xué)的國(guó)民體型計(jì)測(cè)工作，它對(duì)于服裝款式設(shè)計(jì)和工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。

多個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家采用三維人體掃描技術(shù)開展了國(guó)民體型普查和服裝號(hào)型標(biāo)準(zhǔn)更新的工作。影響較大的項(xiàng)目有英國(guó)的Size UK、美國(guó)的Size USA、法國(guó)的Size France。此外，亞洲的日本、韓國(guó)、泰國(guó)，南美洲的巴西，大洋洲的澳大利亞等國(guó)家也陸續(xù)開展了此類工作。

在這些項(xiàng)目中，英國(guó)的Size UK項(xiàng)目首開利用三維人體掃描儀進(jìn)行大規(guī)模人體普查工作的先河，成為此類國(guó)民體型普查工作的成功范例[29]。Size UK項(xiàng)目于2000—2002年開展，共計(jì)掃描了11 000個(gè)人體(其中女體占比50%，男體占比50%； 年齡在16～90歲，不包括兒童)，掃描狀態(tài)分為兩種：站姿和坐姿。然后利用計(jì)算機(jī)軟件在每個(gè)站姿人體上提取了130個(gè)身體部位的尺寸，同時(shí)利用手工測(cè)量方法，量取8～10個(gè)人體數(shù)據(jù)。這些掃描數(shù)據(jù)，包括號(hào)型和體型數(shù)據(jù)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，均保存在UK National Sizing Survey (http://www.sizemic.eu/)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，可以進(jìn)行在線訪問和數(shù)據(jù)挖掘工作。

為方便某些公司進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘工作，以更好地獲取體型和號(hào)型信息，Size UK項(xiàng)目提供在線訪問原始數(shù)據(jù)的服務(wù)。如此大量、準(zhǔn)確和價(jià)格相對(duì)低廉的數(shù)據(jù)，不僅能用于服裝行業(yè)，還能用于諸如安全座椅設(shè)計(jì)、飛機(jī)座艙設(shè)計(jì)及其他人體工學(xué)辦公場(chǎng)所的設(shè)計(jì)。

此外，3D掃描系統(tǒng)還能用于且促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)定制工作。隨著測(cè)量成本的大幅下降，人們服裝消費(fèi)可以步入“走進(jìn)附近的購(gòu)物中心，掃描人體，在線下單，坐等收貨”的定制模式，而且該定制產(chǎn)品是最大程度適應(yīng)個(gè)體的定制產(chǎn)品，與現(xiàn)有購(gòu)買成衣的模式及效果大為不同。

2.6 在服裝教育領(lǐng)域的應(yīng)用

在三維人體掃描技術(shù)發(fā)展的過程中，其初始目的和主要應(yīng)用方向多集中于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。但在其應(yīng)用的過程中發(fā)現(xiàn)，沒有受過服裝專業(yè)教育或培訓(xùn)的工人很難領(lǐng)悟和恰當(dāng)使用該項(xiàng)技術(shù)。因此，近幾年，國(guó)外開始探索將三維人體掃描技術(shù)與服裝專業(yè)教育相結(jié)合的路徑。美國(guó)康奈爾大學(xué)的ASHDOWN S P等[30]提出了“從3D掃描到觸覺模型”的教學(xué)改革。自2007年開始，康奈爾大學(xué)與艾爾朗(Alvanon)公司開展合作，應(yīng)用艾爾朗公司專門為教育而提供的半身人臺(tái)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行教學(xué)。較之全身模型，學(xué)生可以利用較少的材料、時(shí)間和空間在半身模臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。學(xué)生通過數(shù)字化儀將設(shè)計(jì)好的樣板轉(zhuǎn)換并錄入CAD系統(tǒng)，再放大出全身尺碼規(guī)格。該項(xiàng)教育革新在康奈爾大學(xué)運(yùn)行情況良好，在服裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)和服裝樣板生成方面效率和效果均較好，正在陸續(xù)推廣到世界各地。

3 結(jié)語

針對(duì)三維人體掃描技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些共性問題，文中首先探討了三維人體掃描技術(shù)的原理，并指出了與測(cè)量精度密切相關(guān)的影響因素：人體站姿與晃動(dòng)、設(shè)備完成掃描的時(shí)間、軟件對(duì)特征點(diǎn)的識(shí)別與算法模型?；谟绊懸蛩?，硬件方面，從便捷式人體測(cè)量設(shè)備的開發(fā)展開研究；軟件方面，從虛擬人臺(tái)、服裝樣板自動(dòng)生成、服裝功效學(xué)評(píng)價(jià)4方面研究存在的主要難點(diǎn)和值得繼續(xù)研究的方向。在三維掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以國(guó)民體型測(cè)量與服裝號(hào)型更新、服裝專業(yè)教育2個(gè)方向?yàn)槔?，介紹了三維掃描數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)外的獨(dú)特應(yīng)用方面。在進(jìn)行上述6個(gè)方面的論述時(shí)，指出了各領(lǐng)域存在的主要研究難點(diǎn)和進(jìn)一步研究方向，以此為三維人體掃描技術(shù)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供方向性的指導(dǎo)。