三維人體掃描系統(tǒng)與應(yīng)用研究綜述

于佳祺

(武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

我國(guó)自古以來(lái)就有“量體裁衣”的說(shuō)法，傳統(tǒng)的測(cè)量方法要求施測(cè)者不僅能夠熟練地掌握測(cè)量工具，而且對(duì)人體的結(jié)構(gòu)也要有一定了解[1]，因此往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不夠，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的要求。三維人體掃描，即非接觸式測(cè)量方式是利用機(jī)器高精度掃描獲得人體特征的測(cè)量數(shù)據(jù)，依此建立人體模型或人臺(tái)，供相關(guān)產(chǎn)業(yè)使用。關(guān)于三維人體掃描的研究和應(yīng)用在國(guó)外起步較早，目前比較常用的三維人體掃描系統(tǒng)主要有美國(guó)的3D MD三維立體成像系統(tǒng)、德國(guó)TechMath公司的三維掃描系統(tǒng)和英國(guó)的Cyberware全身掃描系統(tǒng)等。然而這些測(cè)量系統(tǒng)往往作為企業(yè)核心技術(shù)而嚴(yán)格管控，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究雖然取得一定進(jìn)步，但仍存在較大差距。在這種背景下，本文對(duì)三維人體掃描技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)的梳理，以研判我國(guó)三維人體測(cè)量領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 三維人體掃描技術(shù)

三維人體掃描測(cè)量是一種復(fù)合性測(cè)量技術(shù)，它集合了包括光電子學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像學(xué)在內(nèi)的多種學(xué)科[2]，是利用測(cè)量手段將人體的特征數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)中的一種測(cè)量技術(shù)。本文從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方式和測(cè)量方法兩個(gè)方面來(lái)闡明三維人體掃描技術(shù)的不同分類。

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方式下的三維人體掃描技術(shù)

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方式不同，三維人體掃描系統(tǒng)可以分為點(diǎn)掃描、線掃描、面掃描三類掃描系統(tǒng)。點(diǎn)掃描系統(tǒng)由日本首創(chuàng)，日本的Hamamatsu Scanner掃描系統(tǒng)，每側(cè)帶有4×32或4×64個(gè)紅外LED傳感器，掃描儀可以上下移動(dòng)改變掃描位置。線掃描系統(tǒng)是指將光源匯聚成線條狀掃描人體的外表，相較于點(diǎn)掃描精度下降，但其速度提升。美國(guó)的Cyberware Scanner和德國(guó)的Vitronic Scanner是線掃描系統(tǒng)的典型，它們均利用激光進(jìn)行單線掃描。面掃描系統(tǒng)是利用立體攝影測(cè)量直接得出物體表面特征，這種方式需要多臺(tái)相機(jī)從不同角度同時(shí)進(jìn)行掃描[3]。

1.2 不同測(cè)量方法下的三位人體掃描技術(shù)

根據(jù)不同的測(cè)量方法，三維人體掃描系統(tǒng)又可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式三維人體掃描。被動(dòng)式三維人體掃描的光源通常為人體所輻射出的紅外線或自然光照射到人身上產(chǎn)生的反射。這種方式精度相對(duì)有限，主要有單目視覺(jué)法、立體攝影法、照相測(cè)量法、紅外線測(cè)量法等四種方式。

單目視覺(jué)法對(duì)設(shè)備的要求不高，一臺(tái)相機(jī)即可完成，并且避免了多臺(tái)攝像機(jī)非同步拍攝導(dǎo)致的誤差。VisImage公司已將單目視覺(jué)法應(yīng)用于人體手腳等部位的掃描。立體攝影法則需要多臺(tái)攝像機(jī)同步進(jìn)行，且通常被掃描對(duì)象位于多臺(tái)攝像機(jī)中心。這種方法精度較高，也是重建目標(biāo)三維形態(tài)的主要方法，但是由于算法復(fù)雜，設(shè)備移動(dòng)不便，該方法的應(yīng)用并不廣泛。照相測(cè)量法的原理是當(dāng)相機(jī)拍攝掃描對(duì)象后，利用相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系計(jì)算出圖像各像素的坐標(biāo)。這種方法受相機(jī)像素制約，且易受環(huán)境光的影響，存在較大誤差。紅外線測(cè)量法指通過(guò)儀器接收人體表面發(fā)射的紅外線，處理后得到人體表面各點(diǎn)坐標(biāo)。這種方式精度有限，且易受被掃描對(duì)象運(yùn)動(dòng)的影響。

主動(dòng)式三維人體掃描指利用儀器發(fā)射處理過(guò)的光線，并對(duì)接收到的反射光進(jìn)行解算，得到人體表面數(shù)據(jù)的方式。根據(jù)發(fā)射光線種類的不同，可以分為白光相位法、紅外線和激光測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光測(cè)量法等多個(gè)類別。

白光相位法，指白光在通過(guò)光柵后變成光柵條紋照射到物體上，再經(jīng)由物體粗糙的表面產(chǎn)生變形和反射后，儀器接收反射的光柵條紋并計(jì)算得到物體表面各點(diǎn)的坐標(biāo)。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，精度較被動(dòng)式測(cè)量高，但受環(huán)境光影響較大，且儀器計(jì)算的算法設(shè)計(jì)困難[4]。紅外線測(cè)量法和激光測(cè)量法的光源采用無(wú)害的紅外線或激光，儀器通過(guò)接收并處理發(fā)射到人體表面的紅外線或激光的反射光，計(jì)算被掃描對(duì)象的位置信息和表面各點(diǎn)坐標(biāo)[5]。結(jié)構(gòu)光指將光源匯聚形成的多條窄光帶。結(jié)構(gòu)光測(cè)量法的原理為結(jié)構(gòu)光照射到被掃描對(duì)象表面后，在物體高度信息調(diào)制下產(chǎn)生畸變，畸變的光帶與基準(zhǔn)光帶干涉后得到目標(biāo)表面的等高線，并得到目標(biāo)表面特征[6]。

2 三維人體掃描系統(tǒng)

2.1 XTBody Scan系統(tǒng)

XTBody Scan是由我國(guó)劉烈金團(tuán)隊(duì)于2017年自主研發(fā)的一種三維人體掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用白光散斑投射的主動(dòng)掃描方式，掃描一次僅需0.25 ms，可獲得30萬(wàn)個(gè)左右精度達(dá)0.5 mm的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。隨后，XTBody Scan依此重建出人體的三維彩色模型。XTBody Scan總共有九組攝像頭，除去人體正面的一組攝像頭外，人體周圍四根立柱上各有上、下兩組攝像頭，被掃描者只需站立在攝像頭中間即可?？偟膩?lái)說(shuō)，XTBody Scan是比較常規(guī)的一種三維人體掃描系統(tǒng)[7]。

2.2 Sense和Kinect系統(tǒng)

Sense三維人體掃描儀是由美國(guó)3DSystems公司研發(fā)的一款手持式紅外線三維人體掃描儀。它體積較小，掃描精度0.9 mm，配備了三個(gè)鏡頭，即作為光源的紅外線發(fā)射器、獲取掃描對(duì)象表面顏色的RGB彩色攝像頭、采用“光編碼”方式獲取對(duì)象表面深度的紅外線CMOS攝像頭。Sense三維掃描儀目前已被應(yīng)用于個(gè)性化醫(yī)療器械設(shè)計(jì)和人體手臂建模[8]。

Kinect三維人體掃描設(shè)備是微軟公司開(kāi)發(fā)的體感外設(shè)，它和Sense三維掃描儀類似，它包含了紅外線發(fā)射器、RGB彩色攝像頭和CMOS深度感應(yīng)器，且同樣是手持掃描設(shè)備，但Kinect掃描范圍較大，可以覆蓋整個(gè)人體[9]。

2.3 Scanliner系統(tǒng)

Scanliner誕生較早，是全球第一輛卡車裝載的移動(dòng)三維人體掃描系統(tǒng)，它搭載了Techmath公司開(kāi)發(fā)的VITUS/smart系統(tǒng)，十幾秒即可完成對(duì)人體的全身測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是可以移動(dòng)，且不需要反復(fù)進(jìn)行標(biāo)定，但需要注意的是，在移動(dòng)和使用時(shí)需要保證卡車的穩(wěn)定并避免傾斜[1]。

2.4 3D Dreamworks與KonicaMinolta系統(tǒng)

3D Dreamworks是中國(guó)生產(chǎn)制造的紅外深度傳感方式的三維人體掃描系統(tǒng)，其精度在X/Y方向可以達(dá)到2 mm，深度精度可達(dá)5 mm。3D Dreamworks的掃描時(shí)長(zhǎng)為3 min～4 min，具有易于拼接、數(shù)據(jù)處理迅速、腋下等部位細(xì)節(jié)顯示較好的特點(diǎn)。而KonicaMinolta三維人體掃描系統(tǒng)來(lái)自日本，相比3D Dreamworks，其掃描速度較慢，需14 min～18 min，且需要標(biāo)記點(diǎn)手動(dòng)進(jìn)行拼接。雖然操作復(fù)雜且掃描時(shí)間長(zhǎng)，但其掃描精度非常高，可達(dá)到0.008 mm～0.024 mm[11]。

2.5 其他三維人體掃描系統(tǒng)

一些原本應(yīng)用于工業(yè)零件掃描的儀器經(jīng)改造后也承擔(dān)了人體掃描的重任，如北京博維恒信科技發(fā)展有限公司研發(fā)的3D CaMegacp系列、加拿大Creaform公司的GO！SCAN手持三維人體掃描系統(tǒng)[12]、日本的Hamamatsu Scanner、美國(guó)的3D MD Torso Scanner、Cyberware Scanner和德國(guó)的Anthroscan Bodyscan等三維人體掃描系統(tǒng)。

3 三維人體掃描系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 服裝領(lǐng)域

三維人體掃描在服裝設(shè)計(jì)、虛擬試衣等方面都有應(yīng)用。在服裝設(shè)計(jì)方面，韓國(guó)的CLO3D試衣系統(tǒng)滿足了設(shè)計(jì)師可以在掃描后得到的人體模型上隨時(shí)修改衣物著裝效果的需求，而美國(guó)的Runaway3D試衣系統(tǒng)則偏重消費(fèi)者，可以三維仿真模擬人體著衣效果，自行進(jìn)行服裝各部位的尺寸微調(diào)[3]。在虛擬試衣方面，美國(guó)的3DLOOK公司研發(fā)的3D人體掃描實(shí)驗(yàn)室收集了許多條獨(dú)特的身體測(cè)量結(jié)果和形狀數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)都超100萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用以對(duì)人體各個(gè)部位進(jìn)行專業(yè)研究。3DLOOK公司可以做到僅由兩張任意背景的特定造型照片，就可以得到消費(fèi)者身體數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)模擬試衣，極大地提高了消費(fèi)者購(gòu)物體驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)服裝購(gòu)物平臺(tái)也已經(jīng)開(kāi)始提供模擬試衣功能。借助三維人體掃描所得到的體型數(shù)據(jù)制作出的虛擬人臺(tái)，既可以實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者模擬換衣功能，為消費(fèi)者帶來(lái)更佳購(gòu)物體驗(yàn)，也解決了網(wǎng)購(gòu)衣物不合體的退換貨問(wèn)題。

在服裝領(lǐng)域，三維人體掃描規(guī)避了傳統(tǒng)人體測(cè)量方式在采集人體數(shù)據(jù)時(shí)需要身體接觸的弊端，兼具測(cè)量的精確度、人體的舒適度、服裝的合體度和節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。如新西蘭軍服制作中，抽取1003名軍人的身體三維掃描數(shù)據(jù)，并對(duì)軍服進(jìn)行聚類尺寸預(yù)測(cè)，以節(jié)約費(fèi)用并保證舒適度[13]。三維人體掃描技術(shù)擁有巨大的發(fā)展?jié)撃?，能同時(shí)評(píng)估服裝款式樣本的合體性，這對(duì)于需要完善版型的成衣工業(yè)很有幫助[14]。在服裝銷售領(lǐng)域，SONG H K等人[15]認(rèn)為，由于人們傾向于擁有理想體型，因此對(duì)自己身材的認(rèn)知往往存在一定程度偏差，而三維人體掃描技術(shù)能客觀地評(píng)測(cè)體型，提供有效參考。

3.2 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

三維人體掃描技術(shù)正在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。Kinect三維掃描系統(tǒng)被應(yīng)用于測(cè)量皮膚潰瘍創(chuàng)面，避免了傳統(tǒng)無(wú)菌膜勾邊法可能導(dǎo)致的傷口感染和患者不適，且精度與傳統(tǒng)無(wú)菌膜勾邊法無(wú)異[16]。

在利用支具治療AIS患者時(shí)，謝雁春團(tuán)隊(duì)將42名患者分為傳統(tǒng)石膏取模支具組和3D掃描取模支具組。調(diào)查顯示，3D組的自我形象、心理健康、治療滿意度、健康調(diào)查簡(jiǎn)表(SF-36)總分均高于傳統(tǒng)石膏取模支具組(P<0.05)，且兩組在治療效果上并沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。3D人體掃描取模制作支具不僅能有效控制病情，還更易被患者及家屬接受，有利于提高長(zhǎng)期治療的效果[17]。

LIU X等人[18]利用三維人體掃描系統(tǒng)測(cè)量了160名成年男性的身體體積。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，模型預(yù)測(cè)的結(jié)果和人體的實(shí)際體積、高度相關(guān)(P<0.001)。因此，在傳統(tǒng)水下稱重或空氣置換容積描記術(shù)不適用或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況下，使用三維人體掃描的數(shù)據(jù)同樣可大致測(cè)得人體體積。

除了體外掃描，口腔內(nèi)的三維人體掃描同樣已經(jīng)投入應(yīng)用。PéREZ-GIUGOVAZ M G等人[19]利用聚合物添加劑制作的口腔內(nèi)三維掃描儀不僅可以根據(jù)人體口腔張開(kāi)弧度調(diào)整自身大小，還可以完成口腔內(nèi)的三維數(shù)字掃描，便于對(duì)口腔內(nèi)種植體進(jìn)行調(diào)整。這種掃描儀可以提高患者的舒適度，并促進(jìn)醫(yī)療領(lǐng)域的數(shù)字化。

在臨床手術(shù)、骨科、口腔科等領(lǐng)域中，三維人體掃描都已體現(xiàn)了其價(jià)值，改變了傳統(tǒng)方法需要大量手工操作且可能會(huì)為患者帶來(lái)不適、損傷等弊端，正將醫(yī)藥器材領(lǐng)域推向方便快捷的新時(shí)代。

4 結(jié)語(yǔ)

三維人體掃描技術(shù)是在傳統(tǒng)人體測(cè)量方法不能滿足現(xiàn)實(shí)需要的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的復(fù)合性測(cè)量技術(shù)，目前的各掃描技術(shù)系統(tǒng)在掃描精度、掃描速度和掃描方式等方面各具特色，又各有優(yōu)劣。該技術(shù)在服裝生產(chǎn)銷售領(lǐng)域的應(yīng)用能兼顧測(cè)量的精確度、人體的舒適度、服裝的合體度和節(jié)約費(fèi)用等方面。由于其精度高，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

未來(lái)三維人體掃描系統(tǒng)發(fā)展方向和技術(shù)難點(diǎn)在于：一是需要提高三維人體掃描技術(shù)精度和速度。目前的三維人體掃描系統(tǒng)大多無(wú)法兼顧掃描精度和速度，因此需要研發(fā)新技術(shù)提高掃描精度和速度，使其能夠適應(yīng)多樣化環(huán)境。二是提升三維人體掃描成果的質(zhì)量。提高質(zhì)量既可以是加深三維人體掃描的深度，也可以是優(yōu)化掃描得到的人體模型，使其細(xì)節(jié)更豐富。三是建立人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)。在接受了一次三維人體掃描后，用戶的身體數(shù)據(jù)將被保存在其個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便用戶在各類場(chǎng)景中調(diào)用。四是加強(qiáng)三維人體掃描技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定，考量倫理道德范疇，不可只專注于滿足商家或公共治理需求而忽視被測(cè)量對(duì)象的個(gè)人隱私需求。