服裝領(lǐng)域光學(xué)人體測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

趙 倩，鄧詠梅

（1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710048；2.紹興市柯橋區(qū)西紡紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，浙江 紹興 312030）

人體測(cè)量可通過非接觸式和接觸式來實(shí)現(xiàn)，隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)和研究的深入，非接觸式人體測(cè)量被應(yīng)用于更多領(lǐng)域?；诂F(xiàn)代光學(xué)的非接觸式三維人體測(cè)量技術(shù)，將圖像作為直接檢測(cè)對(duì)象和信息來源獲取體表信息[1]，信息以點(diǎn)云數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，是人體特征點(diǎn)和特征線的構(gòu)成基礎(chǔ)，通過軟件處理，用點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)人體虛擬數(shù)字化模型[2]。

1 光學(xué)人體測(cè)量的原理與分類

1.1 光學(xué)人體測(cè)量的基本原理及在逆向工程中的意義

逆向工程又稱反求工程，主要是獲取產(chǎn)品模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用曲面重建技術(shù)，將產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)和再加工[3]。獲取逆向模型是逆向優(yōu)化建模的第一步，是用三維掃描儀對(duì)已有產(chǎn)品模型進(jìn)行掃描測(cè)量來獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[4]，從而對(duì)被測(cè)物進(jìn)行仿真模擬。

1.2 光學(xué)人體測(cè)量的分類

光學(xué)人體測(cè)量可分為激光三角測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光法、激光測(cè)距法、圖像分析法、工業(yè)CT（ICT）全息法等。測(cè)量方法不同，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)形式也不同，可分為4種，如圖1所示。綜合分析各種測(cè)量方法，主要基于普通光、激光和紅外3種光源[5]。

1.2.1 普通光掃描法

CubiCam掃描儀采用莫爾條紋法原理（圖2），采用白光快照，只要1 s便可在短距離內(nèi)形成人體輪廓圖像，分辨率較高，還可消除人體呼吸造成的偏差。

美國(guó)[TC]2掃描儀（圖3），采用白光相位原理，通過白光分層測(cè)量技術(shù)獲取人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其原理是將白光正弦曲線投射到被測(cè)物上，依據(jù)莫爾光投射原理，對(duì)被測(cè)物表面形成的投射變形圖樣進(jìn)行計(jì)算，得到被測(cè)物的表面數(shù)據(jù)，6臺(tái)攝影儀同時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過合并形成完整的物體表面形態(tài)數(shù)據(jù)[6-7]。

6臺(tái)攝像機(jī)分3個(gè)位置設(shè)置，每個(gè)位置的兩臺(tái)儀器上下放置，可掃描人體95%左右的表面，圖像解析度是12 mm，精確度為3 mm，可獲得黑白圖像。

1.2.2 激光掃描法

德國(guó)Vitus Smart（圖4），可獲取更多人體細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，便于在較小空間使用，其激光是對(duì)眼睛無損害的級(jí)別，運(yùn)用相似三角形原理，采用激光測(cè)距儀多方位測(cè)量，計(jì)算人體輪廓坐標(biāo)，形成人體三維模型，通過測(cè)量獲取人體尺寸[8]。

Cyberware三維測(cè)量系統(tǒng)（圖5），采用更復(fù)雜精細(xì)的技術(shù)和硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟硬件緊密結(jié)合，整個(gè)過程由軟件控制，可在軟件系統(tǒng)查看三維結(jié)果。從4個(gè)方位進(jìn)行掃描，每個(gè)方位的儀器沿豎直方向運(yùn)動(dòng)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行掃描，獲取物體表面完整數(shù)據(jù)一般需要16 s。通過多個(gè)機(jī)位的掃描，將數(shù)據(jù)拼合形成物體表面完整數(shù)據(jù)，該儀器還會(huì)形成一個(gè)被測(cè)物的24點(diǎn)位彩色結(jié)構(gòu)圖，所以成本偏高。

1.2.3 基于紅外深度傳感器的三維掃描法

基于深度圖像融合獲得的人體三維尺寸信息，是近年的發(fā)展熱點(diǎn)。如圖6所示，紅外相機(jī)向外發(fā)射紅外結(jié)構(gòu)光，通過光學(xué)三角測(cè)量得到被測(cè)物以毫米為單位的深度圖像[9]，多幅深度圖像融合成完整的物體三維重建模型，因小巧便攜、價(jià)格低廉和較高的掃描精度等特點(diǎn)，在平衡成本和實(shí)用性上具有較大優(yōu)勢(shì)。

基于紅外深度傳感器的Body Line（BL）掃描系統(tǒng)，應(yīng)用位置傳感探測(cè)器（PSD）的光電二極管技術(shù)（LED），發(fā)射脈沖式紅外線，當(dāng)被測(cè)物反射光源后，投射鏡頭感應(yīng)其反射光，應(yīng)用該反射光構(gòu)造被測(cè)物的外部形態(tài)，再通過二級(jí)鏡頭采集這些光線，探測(cè)器感知并聚焦這些光線，抽取三維數(shù)據(jù)，錯(cuò)漏數(shù)據(jù)較少，減少了人體穿著服裝造成的誤差，最終得到接近人體凈尺寸的體表數(shù)據(jù)[10]，如圖7所示。

2 光學(xué)人體測(cè)量在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

基于以人為本的理念，實(shí)現(xiàn)更具價(jià)值的研究成果，圍繞人體體表數(shù)據(jù)研究，使各產(chǎn)業(yè)獲得了更多的發(fā)展可能。例如，在影視制作中為動(dòng)畫人物設(shè)計(jì)動(dòng)作，需要捕捉人體動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；在口罩設(shè)計(jì)中，需要考慮更多的人體數(shù)據(jù)，形成更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，使得醫(yī)務(wù)工作者長(zhǎng)時(shí)間佩戴也不會(huì)產(chǎn)生勒痕等。

2.1 體型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

只有對(duì)人體體型作統(tǒng)計(jì)分析，才能將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和市場(chǎng)需求接軌，形成健康的產(chǎn)業(yè)運(yùn)作。大部分企業(yè)有自己的號(hào)型規(guī)格，這與他們的目標(biāo)群體有關(guān)，即他們針對(duì)的客戶體型就是他們號(hào)型規(guī)格的設(shè)計(jì)原則，而往往很難獲得準(zhǔn)確、真實(shí)的體型特征數(shù)據(jù)。沒有大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，小樣本的測(cè)量無法實(shí)現(xiàn)真正的群體規(guī)則。三維掃描技術(shù)可以獲取目標(biāo)群體準(zhǔn)確的大量參數(shù)，其精細(xì)程度可以滿足研究者和企業(yè)的所有設(shè)計(jì)需求，并且可通過多種渠道采集數(shù)據(jù)，不僅可以獲得更多群體資訊，還可以引導(dǎo)新產(chǎn)品的開發(fā)。

2.2 數(shù)字化人臺(tái)的建立

立體裁剪彌補(bǔ)了平面設(shè)計(jì)在曲面設(shè)計(jì)中的眾多不足，然而，傳統(tǒng)的方式常常耗費(fèi)大量人力和物力，成本高，且耗時(shí)長(zhǎng)。服裝產(chǎn)業(yè)數(shù)字一體化發(fā)展，從服裝設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、銷售都進(jìn)入了數(shù)據(jù)處理的快速時(shí)代。基于三維掃描獲取的人體數(shù)據(jù)形成數(shù)字化人臺(tái)，可以對(duì)群體的體型劃分提供有價(jià)值的信息，也可以為更多功能性服裝的研發(fā)提供技術(shù)參數(shù)和評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。

2.3 量身定制（MTM）

系統(tǒng)首先通過三維人體測(cè)量獲得客戶人體數(shù)據(jù)，以需求為導(dǎo)向，形成下單式設(shè)計(jì)規(guī)則，設(shè)計(jì)師根據(jù)訂單要求在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行從服裝設(shè)計(jì)到成品制作的操作。完成一個(gè)訂單的過程，一般為3天，是降低成本、減少庫(kù)存、提高效率的有效手段。隨著輔助產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，例如工藝的實(shí)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，訂制化服裝設(shè)計(jì)的服務(wù)質(zhì)量和效率會(huì)有所提升。

2.4 數(shù)字化服裝博物館

在共享型社會(huì)理念之下，數(shù)字化服裝博物館應(yīng)運(yùn)而生。高校建立自己的服裝數(shù)字博物館，通過仿真服裝面輔料、款式、技術(shù)、工具等，讓學(xué)生或者參觀者了解本校服裝專業(yè)的發(fā)展歷史和研究成果，具有直觀、交互性高的優(yōu)點(diǎn)。企業(yè)將自己的產(chǎn)品和專利制作成數(shù)字化宣傳物料，用于對(duì)外交流和商談平臺(tái)宣傳。

2.5 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

約90%的女性對(duì)自己的身材不滿意，希望通過服裝來修飾體型，而現(xiàn)有的塑身衣舒適性普遍較低[11]，為了達(dá)到減小圍度的目的，過大的服裝壓力會(huì)對(duì)人體的生理和心理健康產(chǎn)生傷害。通過建立人體仿真模型和服裝模型，模擬壓力分布，進(jìn)行功能性和舒適性壓力研究。根據(jù)塑身需求調(diào)整壓力分布，制作有效且較符合服用要求的塑身服裝，同時(shí)還可以通過模擬來評(píng)價(jià)其服用性能[12]。

體育運(yùn)動(dòng)的精彩絕妙之處在于失之毫厘、差之千里。三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)可以捕捉各個(gè)時(shí)空的細(xì)微動(dòng)作，形成固定模型，獲取準(zhǔn)確參數(shù)，如位置、角度力量等，幫助提升運(yùn)動(dòng)成績(jī)[13]。

近年來，乳腺癌術(shù)后乳房重建被越來越多的臨床醫(yī)生重視，并已成為乳腺癌全程管理的重要部分[14]，作為美容項(xiàng)目的乳房整形也日趨受到青睞，三維建?？梢詫?shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)的演示。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著交叉產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和服裝產(chǎn)業(yè)需求的提升，快速、準(zhǔn)確地獲取人體體表數(shù)據(jù)成為至關(guān)重要的工程研究基礎(chǔ)，而眾多數(shù)據(jù)采集手段都各有優(yōu)勢(shì)和不足，這與需求的多樣化有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體的需求選擇測(cè)量方式。此外，數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展越來越精細(xì)，未來有待形成更高效、精確和全面的采集方式。