基于不同人體測(cè)量方法的數(shù)據(jù)一致性和可替換性研究

余佳佳， 李 健

(北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院， 北京 100029)

人體測(cè)量作為體型研究及服裝相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的基礎(chǔ)，其測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性極大程度影響后續(xù)研究成果的有效性。目前，人體測(cè)量方法主要包括手工測(cè)量法和三維掃描測(cè)量法[1]。其中，三維掃描測(cè)量法因所具有的掃描快速性、點(diǎn)云數(shù)據(jù)可保存性、數(shù)據(jù)可延伸探索性等優(yōu)點(diǎn)被各研究人員青睞。

為采集到覆蓋率更廣的人體樣本，研究人員通常會(huì)在不同時(shí)期針對(duì)不同地區(qū)人群，使用不同院?；蜓芯繂挝坏娜S人體掃描設(shè)備獲取人體數(shù)據(jù)。然而由于三維掃描儀價(jià)格昂貴且需要專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)[2]，各研究院?；蚱髽I(yè)通常擇其一而購之。由于不同掃描儀存在掃描原理和精度等不同，對(duì)不同儀器所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定不同儀器所得三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的一致性、可替換性及不同設(shè)備所測(cè)數(shù)據(jù)間的等價(jià)性，具有很重要的意義[3]。目前已有研究中，張淑君等[4]通過對(duì)[TC]2三維掃描數(shù)據(jù)和手工數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)，得出2組數(shù)據(jù)存在顯著性差異的結(jié)論，并利用曲線擬合的方式對(duì)單一儀器測(cè)量的三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步探討；鄒奉元等[5]通過分析[TC]2三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的極差、方差以及標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間，對(duì)三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)重復(fù)性進(jìn)行了研究，并分析了造成測(cè)量誤差的原因；Li等[6]通過配對(duì)T檢驗(yàn)等方法對(duì)三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行了探討。目前，服裝領(lǐng)域大多為針對(duì)某單一掃描儀器測(cè)量數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的關(guān)系研究，多利用如T檢驗(yàn)等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)，針對(duì)不同掃描儀器間的數(shù)據(jù)關(guān)系研究及其他數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)方法的嘗試還較少。

本文提出利用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)研究不同數(shù)據(jù)間的一致性關(guān)系的方法，并基于國家標(biāo)準(zhǔn)要求比對(duì)HumanSolutions和[TC]22種三維數(shù)據(jù)與其所對(duì)應(yīng)的手工數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析檢驗(yàn)三維測(cè)量數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)手工測(cè)量數(shù)據(jù)間的一致性和可替換性，再以手工數(shù)據(jù)作為媒介，檢驗(yàn)不同掃描儀器測(cè)量數(shù)據(jù)間的等價(jià)性，明確各測(cè)量儀器數(shù)據(jù)差異及差異存在的原因，為后期人體測(cè)量儀及其測(cè)量數(shù)據(jù)的使用提供參考意見。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用具

測(cè)量儀器：馬丁計(jì)測(cè)儀、德國HumanSolutions/VITUS SAMRT XXL三維掃描儀、美國[TC]2三維掃描儀。具體掃描儀參數(shù)[7]如表1所示。

表1 三維人體掃描儀參數(shù)比較Tab.1 Anthropometric items

輔助軟件：Rapidform XOR3、SPSS Statistics 20。

輔助工具：人體站姿定位板、水平激光儀、人體測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)、計(jì)算機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

根據(jù)GB/T 22187—2008《建立人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫的一般要求》所提出的人體測(cè)量最小樣本量計(jì)算方法，計(jì)算出本文實(shí)驗(yàn)所需最小樣本量為131人。選取年齡為20～35歲的青年女性作為測(cè)量樣本，共計(jì)388人。其中，HumanSolutions所測(cè)樣本156人，[TC]2所測(cè)樣本232人。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件及要求

本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為(27±3)℃，環(huán)境濕度為(60±10)%。

根據(jù)GB/T 23698—2009《三維掃描人體測(cè)量方法的一般要求》，志愿者穿著肉色計(jì)測(cè)文胸及短褲，頭部佩戴彈性計(jì)測(cè)帽，測(cè)量時(shí)立于人體站姿定位板，目視前方，自然呼吸。本文實(shí)驗(yàn)所有測(cè)量條件和著裝完全一致。

1.4 測(cè)量項(xiàng)目

參考GB/T 16160—2017《服裝用人體測(cè)量的尺寸定義與方法》，選取與人體形態(tài)相關(guān)性強(qiáng)的圍度、寬度、厚度以及實(shí)長項(xiàng)目進(jìn)行三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的比對(duì)。其中，圍度測(cè)量項(xiàng)為頸根圍、胸圍、乳下圍、腰圍、腹部前突點(diǎn)圍、臀圍、小腿最大圍；寬度測(cè)量項(xiàng)為頸根寬、乳點(diǎn)間距、乳點(diǎn)位寬、乳下圍位寬、腰圍位寬、腹部前突點(diǎn)位寬、臀圍位寬、小腿最突圍位寬、肩幅(SP1)；厚度測(cè)量項(xiàng)為頸根厚、胸圍位中心厚、乳頭點(diǎn)位厚、乳下圍位厚、腰圍位厚、腹部前突點(diǎn)位厚、臀圍位厚、小腿最突圍位厚；實(shí)長測(cè)量項(xiàng)為后中心長、后長、前中心長、前長、肩寬2(SNP-SP2)、肩寬1(SNP-SP1)。

1.5 實(shí)驗(yàn)過程

1.5.1 手工測(cè)量

選取一名經(jīng)過專業(yè)人體測(cè)量培訓(xùn)的測(cè)量人員對(duì)樣本進(jìn)行特征點(diǎn)標(biāo)識(shí)及標(biāo)記點(diǎn)黏貼，并借助馬丁計(jì)測(cè)儀和水平激光儀對(duì)各測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量。各測(cè)量數(shù)據(jù)取其3次測(cè)量結(jié)果均值作為對(duì)應(yīng)部位測(cè)量值，并將該值視為對(duì)應(yīng)部位測(cè)量真實(shí)值。

1.5.2 三維掃描測(cè)量

三維測(cè)量前，統(tǒng)一使用1.5.1節(jié)手工測(cè)量所使用的標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置，對(duì)人體進(jìn)行立體標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)識(shí)。用HumanSolutions三維掃描儀和[TC]2三維掃描儀分別對(duì)樣本進(jìn)行全身掃描，獲取人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文實(shí)驗(yàn)通過將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件，對(duì)人體點(diǎn)云進(jìn)行異常點(diǎn)云刪除、點(diǎn)云封裝、斷面修正、搭橋補(bǔ)洞等步驟，獲取完整的三維人體模型。再依據(jù)所標(biāo)記的特征點(diǎn)確定人體測(cè)量項(xiàng)目位置，在軟件中對(duì)各部位數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量。各測(cè)量數(shù)據(jù)取其3次測(cè)量結(jié)果均值作為對(duì)應(yīng)部位測(cè)量值。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 奇異值檢驗(yàn)

對(duì)三維測(cè)量數(shù)據(jù)及手工測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行奇異值檢驗(yàn)，對(duì)異常值進(jìn)行查驗(yàn)，對(duì)錯(cuò)誤值進(jìn)行刪除。最終獲取有效樣本總計(jì)383個(gè)，HumanSolutions所測(cè)有效樣本156個(gè)，[TC]2所測(cè)有效樣本227個(gè)。

2.2 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)比對(duì)

2.2.1 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的定性比對(duì)

分別對(duì)2組三維測(cè)量數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)手工測(cè)量數(shù)據(jù)作對(duì)比折線圖，觀測(cè)樣本三維數(shù)據(jù)和手工數(shù)據(jù)結(jié)果的變化趨勢(shì)。選取胸圍數(shù)據(jù)的對(duì)比折線圖為例進(jìn)行說明，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同掃描儀數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.1 Different scanner data compared with manual data (chest circumference).(a) HumanSolutions data versus manual data ; (b) [TC]2 data versus manual data

由圖1可知，HumanSolutions和[TC]2三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間整體變化趨勢(shì)一致。

2.2.2 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的一致性判別

為明確三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)是否存在一致性，本文利用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行定量說明。組內(nèi)相關(guān)系數(shù)最先于1966年由Bartko提出用于測(cè)量和評(píng)價(jià)信度大小[8]，可用于評(píng)價(jià)不同測(cè)定方法對(duì)于同一定量測(cè)量結(jié)果的一致性或可靠性[9]。當(dāng)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)在區(qū)間(0,0.40)時(shí)，代表數(shù)據(jù)一致性較差；當(dāng)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)在區(qū)間(0.75,1.00)時(shí)，代表數(shù)據(jù)一致性良好。其中，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)具體計(jì)算方法如下式[10]所示。

式中：C表示組內(nèi)相關(guān)系數(shù)；M區(qū)組表示隨機(jī)區(qū)組間的方差；M誤差表示誤差的方差；M處理表示為處理組方差；k為組數(shù)；n為樣本量。

按照上式分別計(jì)算各部位三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。將HumanSolutions所測(cè)三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)用CH表示，[TC]2所測(cè)三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)用CT表示。

由表2可知， HumanSolutions所測(cè)三維數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)除肩寬1和肩寬2外均大于0.75。[TC]2所測(cè)三維數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)除頸根寬、后長、前長、肩寬1、肩寬2外均大于0.75。由此說明選定的測(cè)量項(xiàng)目中大部分項(xiàng)目的三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間一致性良好。

表2 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)表Tab.2 C between 3-D data and manual data

而針對(duì)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)較低的測(cè)量項(xiàng)目，需通過進(jìn)一步的分析，確認(rèn)該部位三維數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的一致性。

2.2.3 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)的可替換性檢驗(yàn)

通過三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)的對(duì)比折線圖(見圖1)及組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(見表2)可知，大部分測(cè)量項(xiàng)目的三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間具有良好的數(shù)據(jù)一致性。本文實(shí)驗(yàn)基于GB/T 23698—2009《三維掃描人體測(cè)量方法的一般要求》所述的確定三維掃描測(cè)量精準(zhǔn)度的方法，結(jié)合實(shí)際測(cè)量條件進(jìn)一步對(duì)三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)的可替換性進(jìn)行檢驗(yàn)。

分別求出各測(cè)量項(xiàng)目的三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的差值、差值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%的置信區(qū)間。將95%的置信區(qū)間結(jié)果與各測(cè)量項(xiàng)最大允差進(jìn)行對(duì)比，探討三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的可替換性。各測(cè)量項(xiàng)目結(jié)果見表3，將HumanSolutions三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)差值用ΔH表示，[TC]2三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)差值用ΔT表示。

表3 三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)可替換性檢驗(yàn)表Tab.3 Replaceability of 3-D data and manual data

由表3可知，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)在圍度項(xiàng)、部分寬度項(xiàng)(乳點(diǎn)間距、腹部前突點(diǎn)位寬)、部分厚度項(xiàng)(頸根厚、胸圍位中心厚、腰圍位厚、臀圍位厚、小腿最突圍位厚)、部分實(shí)長項(xiàng)(后長、前長、肩寬2、肩寬1)與手工數(shù)據(jù)差值的95%置信區(qū)間在最大允差范圍內(nèi)，因此針對(duì)上述測(cè)量項(xiàng)目，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間具有良好的可替換性。

[TC]2三維數(shù)據(jù)在部分圍度項(xiàng)(頸根圍、乳下圍、腹部前突點(diǎn)圍、小腿最突點(diǎn)圍)、部分寬度項(xiàng)(乳點(diǎn)間距)、部分厚度項(xiàng)(頸根厚)、部分實(shí)長項(xiàng)(后長、前長、肩寬2、肩寬1)與手工數(shù)據(jù)差值的95%置信區(qū)間在最大允差范圍內(nèi)，因此針對(duì)上述測(cè)量項(xiàng)目，[TC]2三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間具有良好的可替換性。

分析HumanSolutions測(cè)量數(shù)據(jù)中未在最大允差范圍內(nèi)的測(cè)量項(xiàng)目可知，頸根寬、乳下圍位寬、乳下圍位厚、腹部前突點(diǎn)厚等項(xiàng)目的ΔH值與最大允差差值不大于0.1 cm，乳點(diǎn)位寬、臀圍位寬、乳頭點(diǎn)位厚、后中心長處的ΔH值與最大允差差值不大于0.2 cm，腰圍位寬、小腿最突圍寬、前中心長處的ΔH值與最大允差差值不大于0.3 cm。考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，認(rèn)為三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)的差異是由進(jìn)行手工測(cè)量及三維掃描時(shí)志愿者姿態(tài)變化或呼吸等因素所導(dǎo)致的[11]，后期實(shí)驗(yàn)時(shí)需盡量降低姿勢(shì)變化幅度，并盡量使志愿者在某個(gè)自然呼氣或自然吸氣狀態(tài)下進(jìn)行手工測(cè)量及三維掃描。

分析[TC]2測(cè)量數(shù)據(jù)中未在最大允差范圍內(nèi)的測(cè)量項(xiàng)目可知，圍度項(xiàng)、寬度項(xiàng)、厚度項(xiàng)、實(shí)長項(xiàng)的最大允差分別為0.8、1.1、1.0、 0.2 cm。產(chǎn)生較大差異的原因可為：進(jìn)行2種測(cè)量時(shí)，志愿者姿態(tài)或呼吸等導(dǎo)致尺寸的變化；手工測(cè)量時(shí)所測(cè)人體為柔性人體，而三維測(cè)量時(shí)所測(cè)三維人體模型可視為剛性人體，所以柔性人體和剛性人體的測(cè)量結(jié)果間存在差異。

2.3 不同三維儀器數(shù)據(jù)的比對(duì)及分析

對(duì)比2種儀器所得三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)間的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)可知，CH數(shù)值整體大于CT數(shù)值，說明HumanSolutions所測(cè)三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的一致性優(yōu)于[TC]2所測(cè)三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)間的一致性。

表3中，對(duì)比2種儀器所得三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)差值的95%置信區(qū)間可知，HumanSolutions與[TC]2所測(cè)得三維數(shù)據(jù)在圍度項(xiàng)上均與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)存在較好的可替換性；在寬度項(xiàng)的腰圍位寬、腹部前突點(diǎn)位寬、臀圍位寬、小腿最突點(diǎn)位寬，HumanSolutions所測(cè)三維數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的ΔH范圍更接近于最大允差范圍；在厚度項(xiàng)除頸根厚外，HumanSolutions所測(cè)三維數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的ΔH范圍更接近于最大允差范圍。說明在大部分人體圍度項(xiàng)測(cè)量上，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)和[TC]2三維數(shù)據(jù)具有等價(jià)性，可相互替換使用；在人體寬度項(xiàng)、厚度項(xiàng)測(cè)量上，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)較[TC]2三維數(shù)據(jù)具有更高的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

明確2種儀器所測(cè)三維數(shù)據(jù)間的關(guān)系后，對(duì)數(shù)據(jù)存在差異的原因進(jìn)行探究。由掃描儀參數(shù)可知，HumanSolutions三維掃描儀每秒獲取的數(shù)據(jù)密度(2 000 000字節(jié)/s)遠(yuǎn)大于[TC]2三維掃描儀(400 000字節(jié)/s)。分別從HumanSolutions三維掃描人體數(shù)據(jù)庫及[TC]2三維掃描人體數(shù)據(jù)庫中提取1個(gè)在某測(cè)量部位具有相同圍度數(shù)值、相近扁平率的人體樣本，截取該部位點(diǎn)云截面并以測(cè)量時(shí)該部位的立體標(biāo)記點(diǎn)作為重合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云截面進(jìn)行重疊，得到點(diǎn)云截面重疊圖。圖2為具有相同圍度及扁平率的某個(gè)樣本臀部點(diǎn)云截面重疊圖，其中點(diǎn)A為臀部立體標(biāo)記點(diǎn)。由重疊圖可知，HumanSolutions掃描所得點(diǎn)云較[TC]2三維所得點(diǎn)云密集，包含更多的信息，由此推斷當(dāng)針對(duì)同個(gè)樣本進(jìn)行掃描時(shí)，[TC]2掃描儀數(shù)據(jù)丟失信息量較HumanSolutions掃描儀多，所測(cè)數(shù)據(jù)的精度較HumanSolutions掃描儀的差。進(jìn)一步對(duì)[TC]2掃描所得點(diǎn)云截面圖進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖2 HumanSolutions與[TC]2掃描點(diǎn)云截面對(duì)比Fig.2 Points cloud comparison between HumanSolutions and [TC]2

圖3 [TC]2-腰圍點(diǎn)云截面圖Fig.3 [TC]2-cross section of waist point cloud

通過[TC]2掃描所獲取的人體點(diǎn)云在胸部至人體肚臍部呈現(xiàn)出層次明顯的雙層點(diǎn)云片，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)在人體側(cè)面存在部分缺失，是導(dǎo)致[TC]2三維測(cè)量數(shù)據(jù)與手工測(cè)量數(shù)據(jù)間平均差值的95%置信區(qū)間與最大允差范圍存在差異的原因。

3 結(jié) 論

用HumanSolutions和[TC]2所測(cè)三維數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)手工數(shù)據(jù)，除個(gè)別項(xiàng)目外，在大多數(shù)項(xiàng)目中存在良好的數(shù)據(jù)一致性。HumanSolutions三維數(shù)據(jù)在圍度項(xiàng)及大部分厚度項(xiàng)、實(shí)長項(xiàng)與手工數(shù)據(jù)具有可替換性，[TC]2三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)在不易受呼吸影響的項(xiàng)目上具有可替換性。此外，HumanSolutions三維數(shù)據(jù)較[TC]2三維數(shù)據(jù)與手工數(shù)據(jù)具有更優(yōu)的數(shù)據(jù)一致性和可替換性。

HumanSolutions三維數(shù)據(jù)和[TC]2三維數(shù)據(jù)在大部分圍度項(xiàng)存在數(shù)據(jù)的可替換性。

所以，在同時(shí)使用不同測(cè)量方法所獲取的人體數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性和可替換性檢驗(yàn)是非常必要的。對(duì)于一致性強(qiáng)和具有可替換性的數(shù)據(jù)，可直接等價(jià)使用；對(duì)于不可替換的數(shù)據(jù)，可以通過建立數(shù)據(jù)間數(shù)學(xué)模型進(jìn)行等價(jià)，或借助手工測(cè)量數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。建議后期研究通過增加樣本量等方式對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入探討。

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