郭云昕　張　微　劉詠梅　奚　桐

1. 東華大學 服裝·藝術設計學院(中國) 2. 上海市服裝研究所(中國)

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歡迎訂閱《國際紡織導報》《產(chǎn)業(yè)用紡織品》三維人體測量技術的現(xiàn)狀和比較

郭云昕1張微2劉詠梅1奚桐2

1. 東華大學 服裝·藝術設計學院(中國) 2. 上海市服裝研究所(中國)

針對服裝定制過程中的人體尺寸提取技術，介紹了國內(nèi)外非接觸式人體測量方法，分析了各類測量方式的原理、特點及發(fā)展趨勢。比較結果顯示：被動式非接觸測量方法簡單易行，但測量誤差難以確定，不適用于標準測量或精確測量；主動式測量方法中基于白光和激光的掃描技術測試速度高且精確度高，但操作復雜，設備昂貴。通過對測量方式及儀器的比較發(fā)現(xiàn)，基于紅外深度傳感的測量方法和毫米波技術已有一定的市場接受度，是未來的發(fā)展趨勢。

三維掃描技術； 人體測量； 紅外深度傳感； 毫米波技術

人體測量是指借助某種工具獲得人體特征部位的尺寸數(shù)據(jù)。通過人體測量可進一步確定個體或群體之間人體尺寸上的差別，這是服裝設計與生產(chǎn)的基礎性工作。人體測量數(shù)據(jù)不但廣泛運用于學術研究領域，還具有極高的商業(yè)價值。服裝行業(yè)從古代的小作坊單件流模式到工業(yè)化大批量生產(chǎn)，至當今面向顧客個性化需求的大規(guī)模定制，在每一個發(fā)展階段都離不開人體測量技術的更新?lián)Q代。如今人們生活條件改善，崇尚個性，服裝定制正成為服裝領域的發(fā)展主流，因而定制的首要步驟——量體的技術研發(fā)尤為重要。

三維人體測量技術出現(xiàn)于20世紀80年代中期，它可實現(xiàn)非接觸式測量，并應用于人體數(shù)據(jù)庫建立、服裝量體定制、人體工程學、醫(yī)學及博物館陳列等[1-3]技術領域。與手工測量方式相比，三維人體測量技術測量速度更快，且無主觀人為因素引起的測量誤差，因此結果更加可靠，目前已廣泛運用于各大院校和研究機構的科研工作中。通過與計算機輔助服裝設計系統(tǒng)相結合，三維掃描儀器的測量結果可與CAD(計算機輔助設計)、CAM(計算機輔助制造)及CIMS( 計算機集成制造系統(tǒng))等軟件對接，實現(xiàn)人體測量和服裝設計一體化。本文基于服裝定制過程對人體尺寸快速提取的需求，對各類三維人體掃描方式及儀器進行了比較分析。

1　國內(nèi)外三維人體測量技術現(xiàn)狀

非接觸三維人體測量技術基本是以光學為基礎，結合軟件應用技術、計算機圖像學及傳感技術等多種科學為一體的跨學科技術[4]。按照測量方式的不同可分為主動式和被動式兩大類[5]。

主動式是指測量儀器主動對被測物投射光束，通過電荷藕合器件(CCD)相機得到被測人體表面所形成的圖像，對不同角度所攝圖像進行坐標轉換后，拼合得到完整的點云圖像，所得到的原始點云圖還需進行圖像增強、去噪、平滑及邊緣銳化等處理，根據(jù)特征部位的定義提取相應的點云數(shù)據(jù)或進行算法計算得到需要的尺寸數(shù)據(jù)。主動式方法根據(jù)光源的不同可以分為基于普通光的掃描技術(如摩爾條紋法和白光相位法)、基于激光的掃描技術和基于紅外的深度傳感技術等。

被動式方法是指利用攝影成像技術，直接拍攝人體圖像進行測量的方法，因過程中不需要對被測對象投射光束，故稱之為被動式三維測量方法。

1.1被動式三維人體測量技術

被動式人體測量技術根據(jù)拍攝采用的攝像機數(shù)可分為單目視覺法、雙目視覺法和三目視覺法。單目視覺法即只采用一臺攝像機，其儀器結構相對簡單，擺放要求低，也不存在雙目和三目中各個攝像機之間匹配的難題[6]。

英國的Loughborough人體陰影掃描裝置[7]即采用單目視覺法。被測人員站立在儀器轉盤中，由攝像機記錄投射在人體的光線，身體形狀由一系列切面表達，橫截面輪廓線由一個16點連成的曲線表達，以此建立三維身體的表面模型。加拿大的VisImage人體測量系統(tǒng)[8]利用系統(tǒng)照相機捕獲被測者的數(shù)字圖像后，由電腦程序自動計算人體37項尺寸測量值，此系統(tǒng)操作簡單，測量速度快，系統(tǒng)成本低，2005年加拿大政府指定其為防生化武器制服的專用尺碼選擇設備。葛彥等[9]采用一臺數(shù)碼相機拍攝人體正面和側面全身照，并且拍攝前在被測者身上貼上待測點，后期處理時根據(jù)照片標桿尺寸和實際標桿尺寸的比例計算得到人體實際尺寸。方金等[10]在三維測量技術中融入了鏡面系統(tǒng)，特殊之處在于拍攝照片時，系統(tǒng)內(nèi)部可依靠鏡面反射同步得到人體不同位置的照片(圖1)，這一系統(tǒng)既避免了單目系統(tǒng)一個攝像機依次拍照造成的誤差，也避免了雙目或多目傳感器內(nèi)每個攝像機拍攝非嚴格同步產(chǎn)生的偏差。宋昌江等[11]使用對人體無害的CCD白光攝像機設計了雙目系統(tǒng)，試驗表明最終測量人體的誤差低于1mm，但測量時間較長，需16～20s。

圖1　單照相機鏡面組合系統(tǒng)

可見，被動式三維人體測量技術雖然有簡單易行、速度高、輕巧便攜、成本低及自動化程度較高等優(yōu)點，但缺點也比較明顯。一是被動式測量法中使用的攝像機對拍攝環(huán)境要求較高，被測者必須站在指定位置，攝像機鏡頭必須保持水平和垂直，拍攝者和被拍攝者間需要高度配合；二是攝像機都有一定的視角，拍攝距離也有限，因此誤差難以確定[12]；三是使用人體寬度和厚度等尺寸代入回歸方程計算人體尺寸，對于人體胸部、臀部等曲面復雜部位難以完全復原，誤差較大。胡海滔等[13]對照相法測量人體尺寸進行的驗證也表明，使用照相法所得到的結果不能滿足相關標準要求。因此，只有在明確測量對象允許誤差較大時才可考慮使用被動式三維人體測量技術，而在人體數(shù)據(jù)庫建立、標準制定和生產(chǎn)實踐應用中則不應采用這種測量技術。

1.2主動式三維人體測量技術

1.2.1莫爾條紋法

莫爾條紋法是將結構光射到被測物——人體表面，人體表面的凹凸不平使投射的光柵不再規(guī)律排列，此柵線與基準柵線通過干涉得到的莫爾等高線含有數(shù)據(jù)信息，通過分析即可獲得尺寸數(shù)據(jù)。但此法一般提取的莫爾條紋數(shù)只能是整數(shù)級的，提取分析的數(shù)據(jù)不完整，因此測量精度和數(shù)據(jù)量受到了很大限制。雖然市場上已經(jīng)推出了采用此原理研發(fā)的設備，但在三維測量技術的發(fā)展中，莫爾條紋原理的設備數(shù)據(jù)可使用性不強。香港理工大學開發(fā)的CubiCam[14]，即為采用莫爾條紋法原理制作的三維掃描儀，它使用正常光進行快速照明，僅需1 s，即可在短距離(測量物與相機間距較小)內(nèi)生成人體圖像輪廓，這種高分辨率的莫爾圖像甚至可消除人體自主呼吸產(chǎn)生的測量偏差。

1.2.2白光相位法

白光相位法使用的是普通光照明技術，與莫爾條紋法類似，它同樣是將人體表面凹凸不平產(chǎn)生的變形光柵錄入計算機后分析得到人體表面輪廓信息，從而計算得到人體尺寸[15]。不足之處是該法難以獲得人體隱藏面積的數(shù)據(jù)，如腋窩、大腿分叉處、下顎等，因而造成人體三維數(shù)據(jù)部分缺失，且由于照相機易受白光影響，該設備需要在暗室中操作?？傮w而言，基于白光相位的人體三維測量技術成本較低，測量結果相對可靠，數(shù)據(jù)處理時間短，可用于快速定制生產(chǎn)。

美國的[TC]2和法國的SYMCAD OptiFit是常用的利用白光相位原理制造的三維測量儀。[TC]2系統(tǒng)開發(fā)了用于商業(yè)化用途的白光分層輪廓測量技術(PMP)[16]。系統(tǒng)共有6臺照相機，分別安裝在對稱的3個臺柱上(圖2)，通過對6臺照相機拍攝的照片進行連接，得到人體大約95%部位的數(shù)據(jù)。所測的一系列數(shù)據(jù)可直接與服裝打板、變版的CAD軟件對接，實現(xiàn)從人體測量、快速變版到自動裁床等一系列自動化生產(chǎn)過程。從[TC]2第五代產(chǎn)品開始使用的均為Primesense公司的深度傳感技術。

圖2　[TC]2在投影機、攝像機和掃描物體之間的三角測量

OptiFit系統(tǒng)采用普通白光進行測量，測試不受人體運動和內(nèi)衣顏色的影響，具有人體尺寸提取及體型分析功能，并提供數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊提供開放式平臺，可以連接大多數(shù)CAD/CAM系統(tǒng)，因而可使用這一軟件實現(xiàn)量身定制。OptiFit整個系統(tǒng)還可裝載在中等大小的卡車或20 in的集裝箱(5.900 m×2.424 m×2.393 m)內(nèi)[17]，實現(xiàn)三維掃描儀器的可移動性。

1.2.3激光測量法

激光測量法即三角測量法，運用相似三角形的原理，用多個激光測距儀在不同方位接收激光在人體表面的反射光，通過對反射光的時間間隔、光軸角度及強度等進行分析，得到數(shù)據(jù)信息[18]。激光測量法的精度很高，不受環(huán)境光線的干擾，但對篩選后所用激光的發(fā)射功率有限制，以確保對人體無害。由于激光掃描頭需結合智能機械搖臂或機械滑軌進行掃描，搖臂需設有位置傳感器，因而對機械精度要求較高，因此該掃描系統(tǒng)價格昂貴。目前市場上的一些主流激光掃描儀的掃描時間較長，測量過程中被測者搖擺、呼吸和姿態(tài)的變化對最終數(shù)據(jù)結果影響顯著。

德國Human Solutions公司開發(fā)的掃描系統(tǒng)[19]能在2s內(nèi)完成掃描，如此短的時間可有效避免人體晃動等造成的掃描問題[20]。每個人體三維掃描儀包括4個柱子，體積小，輸出結果能提供豐富的人體尺寸。Human Solutions公司還開發(fā)了全球第一輛裝備三維人體掃描系統(tǒng)的卡車——Scanliner，車上有測量掃描區(qū)、更衣室及等待室等部分，顧客在車上十幾秒內(nèi)就可完成測量工作，但缺點是仍然需要更衣測量，造成諸多不便。

與Human Solutions公司的產(chǎn)品相比，美國的Cyberware測量系統(tǒng)運用的技術及結構更復雜，成本更高。Cyberware隨掃描頭垂直移動的相機從4個角度記錄圖形數(shù)據(jù)(圖3)，系統(tǒng)大約需16s 來完成測量，并得到三維數(shù)據(jù)和一個24點位的彩色結構圖。

圖3　Cyberware全身掃描系統(tǒng)

1.2.4基于紅外深度傳感的測量法

近年來，隨著Kinect傳感器(圖4)等深度信息獲取設備的出現(xiàn)，基于深度圖像融合獲得人體三維模型，并提取三維尺寸信息等技術引起了人們的關注。由紅外相機不斷向外發(fā)射紅外結構光，通過光學三角測量可得到真實世界的以毫米為單位的深度圖像[21]，獲取的多幅深度圖像能融合完成物體三維重建。2010年，自Kinect發(fā)布后，其小巧便攜的特性、低廉的價格及較好的掃描精度等特點，在平衡成本和實用性之間取得了巨大進步。Kinect的硬件配置主要包括彩色攝像頭、紅外攝像頭、紅外投影機、麥克風及MovingTouch傳動電動機等。

圖4　Kinect

科研人員利用Kinect進行了三維測體設備的構建，并對采集的深度數(shù)據(jù)重建人體三維模型的方法和系統(tǒng)進行了研究。

Alexander Weiss等[22]實現(xiàn)了基于單個Kinect的家用型三維人體重建系統(tǒng)，提出了一種從Kinect的含有噪聲的單目RGB彩色圖像和粗糙的深度圖像中獲取三維人體模型的方法。通過人體在Kinect前的移動獲得多個視角的單目數(shù)據(jù)，綜合這些單目數(shù)據(jù)得到準確的人體模型估計(本文定義為方法1)。試驗表明，獲得的三維人體的精確度相對于費用較大的商業(yè)掃描系統(tǒng)具有競爭性。

宋詩超[23]同樣利用一臺Kinect對模型正反面進行拍攝，得到深度圖像及深度數(shù)據(jù)，選取三點坐標對齊法將不同角度拍攝的人體分塊點云拼接起來后，再采用Delaunay三角剖分算法對儀器獲取的人體點云數(shù)據(jù)進行粗略的建模，形成由三角片拼合的體表模型(圖5)，完成對人體模型的重建工作。他還對人體表面各部分特征進行了編碼定義，實現(xiàn)了尺寸數(shù)據(jù)的自動化提取(本文定義為方法2)。

圖5　人體點云數(shù)據(jù)粗略的建模

Yin Chen等[24]將兩臺Kinect分別置于被測者正前方和正后方，每臺Kinect由自動電動機帶動，分別在各自縱向平面上升降，拍攝被測者的上部、中部和下部。使用新的超對稱三階圖匹配算法將得到的點云圖像拼合，前后圖像之間缺失的間隙可由二次樣條曲線彌補(本文定義為方法3)。測量時間僅需3 s，能很好地避免因試驗者移動產(chǎn)生的測量誤差，但測量精度較低。

朱江濤[25]同樣使用兩臺Kinect來獲取人體站立姿勢下完整人體的精確數(shù)據(jù)，分別得到人體上、下部分生成的三維點云。使用調整算法對去噪后的兩片三維點云預處理，最后用迭代最近點算法(ICP)配準兩片三維點云獲得完整人體三維點云模型(圖6)。但該系統(tǒng)沒有實現(xiàn)自動化的人體尺寸提取，需依靠半手工方式，手動選取測量點，再由計算機通過算法運算得到尺寸值(本文定義為方法4)。

圖6　Kinect獲取三維點云的拼合

Jing Tong等[26]使用3臺Kinect的掃描系統(tǒng)來獲取人體完整的三維模型。為避免干涉現(xiàn)象，系統(tǒng)使用2臺Kinect分別掃描人體的上部分和下部分，且兩部分沒有重疊，使用另一臺Kinect從相對方向采集人體的中間部分(本文定義為方法5)。系統(tǒng)提出了一種在非剛性形變下將不同身體部位拼接起來的配準算法。試驗表明，系統(tǒng)采用的重建方法有效，但是由于Kinect采集的深度數(shù)據(jù)質量不高，系統(tǒng)重建的人體還是無法達到有些應用要求，且系統(tǒng)存在偶爾不能配準成功的情況，反復迭代的配準策略也會在一定程度上影響算法的時間，因而系統(tǒng)采用固定裝置，故不適合于便捷、手持、移動的快速掃描。

表1所示為幾種使用Kinect深度傳感器構建的三維人體測量系統(tǒng)的參數(shù)對比。

研究現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)，使用新興技術Kinect深度傳感器獲得人體三維模型的最大優(yōu)點在于其體積小、便攜度高且成本低，但實際運用還存在以下問題：Kinect攝像頭獲取的原始深度數(shù)據(jù)比較粗糙，深度圖像噪聲較大，尺寸不一致，而基于Kinect的三維重建系統(tǒng)需在提高速度的基礎上兼顧精度；使用單臺Kinect測量得到的人體不同角度深度圖像，或是使用幾臺Kinect獲得的不同角度深度圖像后，如何使用精確度和速度較高的算法將這些深度圖像融合重建成完整的人體三維模型是目前的難點。

目前已投入市場、技術較為成熟的配置深度傳感器的三維掃描儀有法國Telmat公司的SYMCAD III 3D Body Scanner和美國的Size Stream 3D Body Scanner。

基于深度傳感器的測量方法只能對人體表面進行掃描，若要獲得凈體尺寸，被測者仍需脫去外衣，穿著內(nèi)衣或緊身衣(健身衣、泳衣)等進行測量，也可采用另一種解決方案，即通過大數(shù)據(jù)測量，獲得顧客穿著較貼體服裝(T恤、襯衫等)與其凈體尺寸差量的計算式，由此便可在得到測量數(shù)據(jù)后，自動生成其凈體尺寸，使被測者不脫衣測體成為可能。

1.2.5毫米波技術

毫米波技術目前主要應用于檢查人員是否攜帶危險、違禁物品的場合。與紅外線相比，毫米波波長更長，且具有較強的繞射能力；與厘米波相比，毫米波成像可提供合適的分辨率[27]。目前，毫米波技術基礎理論的研究已較為成熟，但若投入實際應用還存在著較多問題。一是毫米波器件尤其是高頻段器件相對昂貴，制約了整個系統(tǒng)的設計；二是應用于人體掃描領域時，圖像的分辨率是有待解決的最大問題。

毫米波應用于人體掃描領域的代表產(chǎn)品有Me -Ality試衣間。Me -Ality試衣間是美國Bloomingdales公司的產(chǎn)品，該掃描系統(tǒng)主要服務于終端成衣店，通過毫米波技術實現(xiàn)顧客無需脫衣便可獲取三圍尺寸信息的效果。顧客可以在服裝店內(nèi)當場獲得自己的尺寸信息，進而可挑選合適號型的服裝，避免因尺寸不合適而進行的費時、費力的重復試衣。Me -Ality工作頻率僅為通話時長10 s手機的工作頻率的千分之一。目前Bloomingdales公司已擁有超過100萬位顧客的信息。

2　三維人體測量技術的比較與分析

就本文介紹的目前市場上三維人體測量技術所使用的原理及一些儀器而言，目前對三維人體掃描儀器進行的比較和評價還僅針對測量本身，如掃描時間、計算時間，以及數(shù)據(jù)誤差等，若要投入單量單裁(MTM)、大規(guī)模定制等實際智能生產(chǎn)制造中，掃描系統(tǒng)的后臺要求、與CAD系統(tǒng)的銜接性、測體實施簡便程度及性價比等也都是重要的考量指標。一般而言，投入市場應用的三維人體掃描儀都擁有一定的自主知識產(chǎn)權，從設備的外觀設計、制造成型至測量軟件的編寫都是公司自主研發(fā)的。實際使用中，不同的儀器采用的編程算法不同，取點算法不同，人體取點位置也不相同，采用三維人體測量儀器進行的測試尚未形成一定的標準，不同的測量儀器對同一個人的測量結果會存在一定差異[28]，所以自主研發(fā)的測量系統(tǒng)或者程序有無自帶原始數(shù)據(jù)輸出功能也是重要的衡量標準。

具體的對比參數(shù)應包括掃描方式、測量時間、處理時間(建模與輸出數(shù)據(jù)所需時間)、測量精度、儀器尺寸、質量、性價比、環(huán)境要求和價格等。

一些三維人體測量儀器的掃描處理時間、精確度、環(huán)境要求及價格的對比如表2所示。分析發(fā)現(xiàn)：

——國外發(fā)達國家在三維人體測量領域的研究起步較早、技術成熟、設備掃描精度高，成果的商用程度也相對較高，目前中國市場中的主流三維測量儀器大部分產(chǎn)自國外。相同技術下，國內(nèi)的掃描儀器較之國外價格更便宜。

——激光掃描儀的掃描時間雖大于白光三維掃描儀，但精確度更好，在正常室內(nèi)環(huán)境下即可完成測量，對被測者內(nèi)衣顏色也沒有要求，而白光系統(tǒng)的三維掃描儀由于照射的是普通光，因此測試需在暗室中進行，以避免外界光線的影響，且被測者還需穿著淺色內(nèi)衣，以防掃描數(shù)據(jù)的缺失。

——基于白光、激光的三維掃描系統(tǒng)目前已經(jīng)比較成熟，掃描精度高，但系統(tǒng)設備昂貴，性價比不高，不適合作為商業(yè)應用，推廣到終端店鋪使用。

——基于Kinect的三維人體測量系統(tǒng)最突出的優(yōu)點是其體積小、便攜度高且成本低，使用多臺Kinect同時進行測量，可以在3s內(nèi)完成整個測體過程，在實際應用中有著廣闊的前景，但其測試的精確度相較于其他成熟產(chǎn)品則略顯不足，如何在提高測量速度的基礎上提升精確度是未來的研發(fā)重點。

——毫米波成像技術應用于三維人體測量領域的最大優(yōu)點在于它可進行不脫衣測量，這是現(xiàn)有技術中唯一可以實現(xiàn)不脫衣測量的方法。從應用角度而言，便攜、價低、高分辨率、穩(wěn)定可靠等是毫米波成像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

——近幾年紅外深度傳感器吸引了眾多研究者的關注，它擁有傳統(tǒng)三維測量系統(tǒng)所不具備的一些特點，如價格較低、拍攝速度較高、精確度高、對環(huán)境條件要求少等，具有較強的競爭優(yōu)勢，適用于面向客戶，在服裝店中擺放使用。

表2　三維人體測量儀器性能比較

3　結語

三維人體測量技術與傳統(tǒng)測量技術相比具有準確、快速的優(yōu)勢，適合大批量量身定制的服裝的生產(chǎn)。將智能測量人體三維技術與后續(xù)服裝制作過程中的CAD/CAM結合，形成智能制造系統(tǒng)是服裝業(yè)發(fā)展的必然趨勢。但目前三維人體測量技術還不成熟，存在很多有待改進的問題，如人體尺寸標準定義如何在

計算機中實現(xiàn)；測量尺寸如何轉化為成衣，以及測量設備的價格如何適應市場等。

人們生活方式的改變促進了服裝行業(yè)的智能化變革，推進了三維人體測量技術的發(fā)展，開發(fā)測量迅速、結果精準、價格低廉的儀器設備是研發(fā)的重點。另外，采用不脫衣的方式得到人體凈體尺寸也是未來測量技術的發(fā)展方向。

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The situation and comparison of three-dimensional body measurement technology

GuoYunxin1,ZhangWei2,LiuYongmei1,XiTong2

1. Fashion·Art Design Institute, Donghua University, Shanghai/China 2. Shanghai Garment Research Institute,Shanghai/China

Based on human dimension extraction technology in the process of apparel customization, the non-contract body measurement both at home and abroad was introduced， and the principles, features and development trends of the various measuring method were analyzed. The results of comparison showed that passive non-contact body measurement methods were simple to operate, but it was difficult to determine the measuring error, so they were not suitable for standard and accurate measurement. The white-light and laser scanning techniques in active non-contact body measurement method had fast speed and high precision, but the operation was complicate and the price of device was relatively expensive. By comparing measurement methods and instruments, it can be found that infrared depth sensor measurement methods and millimeter wave technology could be accepted by the public and the market, so the technology might be the future trend of development.

three-dimensional scanning technology； human body measurement； infrared depth sensor； millimeter wave technology