摘? 要：文章對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上幾種常見(jiàn)人體掃描設(shè)備的原理進(jìn)行分析，對(duì)基于深度相機(jī)的人體掃描設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、精度保障、彩色貼圖和尺寸提取幾個(gè)方面進(jìn)行了深度研究，介紹了此類設(shè)備在服裝高端定制、國(guó)民體型測(cè)量和服裝號(hào)型更新方面的應(yīng)用，并創(chuàng)新性地提出在健康產(chǎn)品定制、3D影視、動(dòng)漫游戲和3D照相館方面的探索性應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：人體掃描;人體數(shù)據(jù);服裝定制;虛擬試衣;新零售

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）19-0117-05

A Human Scanning Device and Application Based on Depth Cameras

DING Juntao

（Weinan Lingzhi 3D Technology Co.， Ltd， Weinan? 714026， China）

Abstract： Based on the principle analysis of several common human scanning equipment in the market， an in-depth study of human scanning devices equipped with depth cameras is conducted， mainly including data collection， precision control， color mapping and size extraction. This paper also mainly introduces several applications of such equipment in high-end clothing customization， national body shape measurement and clothing size updating， and innovatively proposes some exploratory applications in healthy product customization， 3D film and television， animation games and 3D photo studios.

Keywords： human scanning; human datasets; garment customization; virtual fitting; new retail

0? 引? 言

人體三維掃描系統(tǒng)通過(guò)圖像傳感裝置采集投射到人體表面的光（激光、白光及紅外線）在人體上形成的圖像，計(jì)算出人體的高密度三維點(diǎn)集（點(diǎn)云），并進(jìn)而通過(guò)軟件得到人體的各個(gè)特征尺寸，可快速重建出人體三維彩色模型。掃描輸出數(shù)據(jù)可用于在服裝量體定制、人體工程仿生設(shè)計(jì)、體型診斷和健康塑形、虛擬試穿、動(dòng)漫設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域?？萍假x能在提升消費(fèi)體驗(yàn)、助推商業(yè)進(jìn)化上正在扮演著越來(lái)越重要的角色，三維人體測(cè)量，同時(shí)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)在較短的時(shí)間內(nèi)獲取消費(fèi)者的個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)服裝定制、3D虛擬試衣等，大大地改善了服裝購(gòu)物體驗(yàn)。從未來(lái)的趨勢(shì)看，由于中國(guó)原有的人體三維光學(xué)測(cè)量設(shè)備的保有量低，市場(chǎng)需求巨大，特別是在民用領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)保持高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。隨著認(rèn)知度的提高和技術(shù)的成熟，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)將出現(xiàn)較大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

1? 人體掃描設(shè)備常用的幾種技術(shù)原理

1.1? 白光技術(shù)掃描

白光掃描技術(shù)常用在拍照式三維光學(xué)測(cè)量設(shè)備上，通常采用投影機(jī)投射變化的光柵，兩個(gè)相機(jī)進(jìn)行拍攝，此種方法用在工業(yè)逆向掃描上比較多，近年也有采用多個(gè)模組采集人體數(shù)據(jù)的設(shè)備，此種方法采集時(shí)間在3～5秒，但是數(shù)據(jù)運(yùn)算工作量比較多，建模時(shí)間較長(zhǎng)，針對(duì)黑色頭發(fā)、衣服、皮鞋等深色物體掃描效果較差。

1.2? 紅外線技術(shù)掃描

紅外線是不可見(jiàn)光線，在光譜中波長(zhǎng)為0.76～400微米。紅外線傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路組成，通過(guò)紅外反射原理，紅外線發(fā)射器發(fā)出的紅外線被人體遮擋后反射到相關(guān)接收器，從而轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件分析計(jì)算形成人體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.3? 激光技術(shù)掃描

三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，激光器發(fā)射激光，通過(guò)被測(cè)物體將反射，CMOS曝光器接收反射回來(lái)的激光，因排布順序不同而成像，用圖像落差來(lái)反映所成的像。此技術(shù)可獲取大量的目標(biāo)對(duì)象數(shù)據(jù)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式，可以說(shuō)是測(cè)量領(lǐng)域從點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的一場(chǎng)革命。圖1是激光技術(shù)掃描的基本原理，可用激光測(cè)量技術(shù)搭建人體掃描設(shè)備，在人體的四周采用導(dǎo)軌帶動(dòng)激光頭，實(shí)現(xiàn)從上到下采集人體三維數(shù)據(jù)。此種方法采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，設(shè)備有機(jī)械傳動(dòng)，采集時(shí)間可以控制在30秒內(nèi)。

1.4? 工業(yè)散斑技術(shù)掃描

數(shù)字工業(yè)散斑技術(shù)是通過(guò)在人體表面投射光學(xué)散斑紋理，然后利用數(shù)碼相機(jī)拍攝帶有散斑圖案的人體數(shù)字圖像，在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)人體三維幾何和彩色紋理的數(shù)據(jù)采集，最后通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）解算出人體表面點(diǎn)云的一種技術(shù)，該技術(shù)原理如圖2所示。

利用該技術(shù)重組出的人體掃描設(shè)備如圖3所示，使用9組測(cè)頭實(shí)現(xiàn)對(duì)人體360度數(shù)據(jù)的采集重建，同時(shí)每組測(cè)頭有一個(gè)彩色相機(jī)實(shí)現(xiàn)紋理的掃描，可自動(dòng)完成貼圖處理。此設(shè)備的優(yōu)勢(shì)是采集時(shí)間短，有效解決了人體晃動(dòng)帶來(lái)的偏差，體驗(yàn)效果比較好;重點(diǎn)解決了行業(yè)設(shè)備無(wú)法掃描黑色頭發(fā)、衣服的難題，同時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量好，全自動(dòng)建模速度快，數(shù)據(jù)可以直接與3D打印和激光內(nèi)雕無(wú)縫對(duì)接。

1.5? 深度相機(jī)掃描技術(shù)

深度相機(jī)又稱3D相機(jī)，顧名思義，就是通過(guò)該相機(jī)可以測(cè)量物體到相機(jī)之間的景深距離，再加上該點(diǎn)在3D圖像中的（x，y）坐標(biāo)，就能獲取被測(cè)物體上每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而形成空間點(diǎn)云，通過(guò)三維建模實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的還原。

隨著三維光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)其采集原理的不同，市面上流行的深度相機(jī)主要有以下三種：一是結(jié)構(gòu)光（Structured-light），代表公司有奧比中光、蘋(píng)果、微軟Kinect-1、英特爾等;二是雙目視角（Stereo），代表公司ZED、大疆;三是光飛行時(shí)間法（TOF），代表公司微軟Kinect-2、PMD、Softkinect、聯(lián)想phab。下面主要針對(duì)結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)進(jìn)行具體介紹。

機(jī)構(gòu)光深度相機(jī)三維成像的硬件主要是由紅外相機(jī)和近紅外激光投射器組成，投射器主動(dòng)投射激光條紋結(jié)構(gòu)信息，紅外相機(jī)拍攝被測(cè)物體的表面，所得到的圖像基于三角測(cè)量原理經(jīng)過(guò)圖像三維解析即可獲得相關(guān)的三維數(shù)據(jù)。根據(jù)激光投射條紋編碼圖案的不同又分為條紋結(jié)構(gòu)光、編碼結(jié)構(gòu)光和散斑結(jié)構(gòu)光。由于散斑結(jié)構(gòu)光方案成熟，功耗低、分辨率高，單幀就可計(jì)算出深度圖，使用方便，我們通過(guò)采用16組此類相機(jī)搭建人體掃描設(shè)備，如圖4所示。

2? 基于深度相機(jī)的人體掃描設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

2.1? 人體晃動(dòng)等干擾因素的解決方案

人體在掃描過(guò)程中很難保持靜止，使得數(shù)據(jù)采集存在問(wèn)題，我們利用數(shù)學(xué)微積分的思想，將人體運(yùn)動(dòng)理解成無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)的剛體運(yùn)動(dòng)，這樣可以把一般的非剛體配準(zhǔn)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為分段剛體配準(zhǔn)，先實(shí)現(xiàn)人體數(shù)據(jù)宏觀上的剛體配準(zhǔn)，再進(jìn)行局部細(xì)節(jié)的非剛體配準(zhǔn)。通過(guò)分析人體掃描各個(gè)環(huán)節(jié)的影響因素，重點(diǎn)研究人體晃動(dòng)、表面明暗材質(zhì)分布等干擾因素對(duì)人體掃描及三維重建精度的影響，擬采用數(shù)字投影相關(guān)三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)，減少人體表面明暗變化帶來(lái)的誤差，無(wú)需噴涂顯影劑即可進(jìn)行人體掃描，用人體動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)技術(shù)解決人體晃動(dòng)一起的配準(zhǔn)問(wèn)題，如圖5所示。

2.2? 人體點(diǎn)云測(cè)量精度的保障技術(shù)

由于要處理的人體表面的散斑照片是由圖像采集系統(tǒng)獲得的，照明光源的不穩(wěn)定、CCD的熱噪聲，CCD成像平面與人體表面不平行，散斑模式，成像系統(tǒng)的畸變等等諸多因素的存在，實(shí)際的圖像和理想圖像之間不可避免存在偏差，由此引起測(cè)量精度的降低;對(duì)于已經(jīng)獲得的數(shù)字圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算涉及的相關(guān)函數(shù)、亞像素位移測(cè)量算法和插值算法等的選擇、圖像子區(qū)形函數(shù)和灰度插值方法，都決定著最終人體點(diǎn)云的精度。

通過(guò)上面的分析，影響人體掃描測(cè)量精度的因素主要為圖像采集系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算。根據(jù)影響測(cè)量精度的因素，可以從以下兩個(gè)方面來(lái)解決：（1）在成像系統(tǒng)方面：保持照明光源的均勻穩(wěn)定，盡量減少波動(dòng);采用高精度的相機(jī)標(biāo)定技術(shù)和畸變校正模型解決CCD光軸與人體表面不垂直的問(wèn)題以及鏡頭畸變引起的測(cè)量誤差;使用高質(zhì)量、低噪聲的CCD圖像傳感器來(lái)提高模擬散斑圖的對(duì)比度，如圖6所示。（2）在數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算方面：使用抗干擾能力最強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)函數(shù)或歸一化最小平方距離相關(guān)函數(shù)可以避免光照不均勻引起的測(cè)量誤差;使用基于灰度梯度迭代的最小二乘法來(lái)優(yōu)化相關(guān)函數(shù);選擇高階插值方法;在考慮運(yùn)算效率的前提下，選擇大俠合適的圖像計(jì)算子區(qū)。

2.3? 人體模型彩色數(shù)據(jù)化技術(shù)

采用直接對(duì)物體進(jìn)行彩色拍照的方法，獲得物體的二維彩色圖像，然后根據(jù)全局標(biāo)定結(jié)果，確定物體三維信息與彩色信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而對(duì)人體模型進(jìn)行紋理貼圖，如圖7所示。對(duì)于各組相機(jī)獲得的點(diǎn)云重疊部分，對(duì)紋理信息采取平均化處理，并對(duì)重疊部分與未重疊部分的交接部分，采取插值平滑的方法，使顏色過(guò)渡自然，從而生成整個(gè)人體點(diǎn)云的彩色模型。

2.4? 人體尺寸自動(dòng)提取技術(shù)

人體尺寸的自動(dòng)提取對(duì)于虛擬試衣，服裝個(gè)性化定制，人體虛擬模型生成有著重要意義?？梢圆捎弥苯訉?duì)人體點(diǎn)云進(jìn)行分割，分割為頭部，左右手臂，左右腿，軀干共6部分，提取跨點(diǎn)，腋窩點(diǎn)，頸椎點(diǎn)等共計(jì)21個(gè)人體關(guān)鍵點(diǎn)，然后根據(jù)《GBT 16160-2008服裝用人體測(cè)量的部位與方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量方法測(cè)量人體的尺寸，如圖8所示，通過(guò)編寫(xiě)程序，該后處理部分已經(jīng)可以計(jì)算人體的大部分尺寸。尺寸提取報(bào)告如表1所示。

3? 人體掃描設(shè)備在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用

3.1? 人體掃描設(shè)備在服裝高端定制方面的應(yīng)用

在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的大背景下，傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，人民對(duì)美好生活水平的需求日益增高，關(guān)乎生活的服裝行業(yè)迎來(lái)新一輪的發(fā)展，服裝高端定制成為服裝行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的突破口，服裝智能設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域主要針對(duì)滿足消費(fèi)者對(duì)服裝個(gè)性化定制的需求，以及以大規(guī)模定制的生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)服裝個(gè)性化定制生產(chǎn)模式，主要面臨人體三維數(shù)字化模型的建立、人體尺寸的提取及人體特征分析，人體的形態(tài)和尺寸是服裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在面向消費(fèi)者個(gè)性化定制的服裝智能設(shè)計(jì)中，獲取人體的三維數(shù)字化模型，并以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)進(jìn)行人體尺寸的提取和人體體型特征的分析是整個(gè)服裝個(gè)性化定制的基礎(chǔ)。圖9為服裝高端定制流程。

服裝行業(yè)引入數(shù)字化定制給行業(yè)帶來(lái)的好處：（1）按需定制，減少庫(kù)存。（2）雙線引流，線下免費(fèi)測(cè)量，吸粉和倒流，線上及時(shí)推送數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。（3）強(qiáng)化品牌，通過(guò)人體數(shù)據(jù)測(cè)量和人體健康篩查，提升消費(fèi)體驗(yàn)。（4）促進(jìn)轉(zhuǎn)型，以數(shù)據(jù)為核心，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)模式向智能化、信息化、個(gè)性化的柔性生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。（5）提升效率，節(jié)省成本。

3.2? 人體掃描設(shè)備在國(guó)民體型測(cè)量與服裝號(hào)型更新方面的應(yīng)用

人體數(shù)據(jù)已經(jīng)作為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，政府、服裝及與人體設(shè)計(jì)相關(guān)行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到國(guó)民體型普查的重要性，建立國(guó)家人體數(shù)據(jù)庫(kù)成為必然，目前存在的問(wèn)題是數(shù)據(jù)采集不夠廣泛，沒(méi)有形成權(quán)威性，國(guó)家服裝用人體數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可采用國(guó)家相關(guān)單位牽頭，按地域、年齡、群體等進(jìn)行相關(guān)分類，行業(yè)組織協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類收集分析。

服裝號(hào)型是服裝行業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和參考，批量生產(chǎn)的服裝合體性差的根本原因在于目前所使用的號(hào)型系統(tǒng)不能真實(shí)地反映目標(biāo)客戶人群的體型特征，建立人體數(shù)據(jù)庫(kù)可以跟蹤、研究相關(guān)客戶群體、形成“動(dòng)態(tài)流動(dòng)”的數(shù)據(jù)庫(kù)，為服裝號(hào)型的修訂、更新以及人體體型的細(xì)分提供數(shù)據(jù)支撐。

另外通過(guò)對(duì)人體數(shù)據(jù)庫(kù)的挖掘，數(shù)據(jù)不僅用在服裝領(lǐng)域，還拓展到座椅設(shè)計(jì)、飛行員、宇航員、消防員等特種人群防護(hù)裝備的開(kāi)發(fā)和其他人體工學(xué)辦公場(chǎng)所的設(shè)計(jì)。

3.3? 人體掃描設(shè)備在體育健身行業(yè)的新應(yīng)用

“這是最好的時(shí)代，這是最壞的時(shí)代”，這句話無(wú)疑是2018健身房變革年以來(lái)國(guó)內(nèi)健身行業(yè)最好的寫(xiě)照：一方面，消費(fèi)升級(jí)大背景下，全民不斷增強(qiáng)的健康觀念和身材管理意愿，對(duì)于健身消費(fèi)的需求日益旺盛;另一方面，傳統(tǒng)單一的經(jīng)營(yíng)模式讓大多數(shù)健身房陷入艱難生存的局面，行業(yè)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)、消費(fèi)滿意度及客戶黏性低下導(dǎo)致大批健身房進(jìn)入資金鏈斷裂、并購(gòu)、倒閉的惡性循環(huán)。

目前，為了提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，一些健身俱樂(lè)部已經(jīng)引入了人體3D掃描技術(shù)，讓會(huì)員全方位地了解自己的身體狀況和健身效果。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)完全自動(dòng)化的身體掃描儀，掃描身體的完整三維圖像，并測(cè)量各種關(guān)乎健康的關(guān)鍵數(shù)值，包括體重指數(shù)（BMI）、身體組成（人體所含脂類、水分、蛋白質(zhì)等主要化學(xué)成分的比率）和體脂成分。

通過(guò)對(duì)客戶進(jìn)行身體掃描，教練員可以發(fā)現(xiàn)客戶的問(wèn)題所在，并針對(duì)性地制定健身計(jì)劃。這項(xiàng)技術(shù)可以讓客戶持續(xù)地了解自身進(jìn)步，從而提升健身館與客戶之間的互動(dòng)性。在市場(chǎng)開(kāi)發(fā)方面先與潛在客戶建立關(guān)系，然后開(kāi)始設(shè)定目標(biāo)、掃描身體、鍛煉身體。

3.4? 其他行業(yè)的拓展應(yīng)用

3.4.1? 健康產(chǎn)品定制

3D人體三維掃描儀全方位的應(yīng)用還體現(xiàn)在健康產(chǎn)品定制上面，通過(guò)人體三維掃描儀快速獲取人體3D數(shù)字模型和用戶指定部位的尺寸數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷被測(cè)對(duì)象的基本身體特征，然后基于被測(cè)對(duì)象的掃描數(shù)據(jù)和體型特征為其定制符合其身體特征的個(gè)性化產(chǎn)品。

3.4.2? 3D影視、CG動(dòng)漫游戲后期輔助設(shè)計(jì)與制作

通過(guò)人體三維掃描儀采集獲取人體3D數(shù)字模型，重建人體各種姿態(tài)下的三維數(shù)據(jù)，將采集獲取的3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行人體數(shù)據(jù)的編輯、重建、角色設(shè)計(jì)等，從而滿足影視動(dòng)漫虛擬人物重建的需求。

3.4.3? 3D人體模型打印

通過(guò)人體三維掃描儀獲取人體精細(xì)的3D數(shù)據(jù)模型，將3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行人體三維編輯，細(xì)節(jié)優(yōu)化，姿態(tài)調(diào)整等，然后將編輯過(guò)的3D數(shù)據(jù)輸入到3D打印機(jī)進(jìn)行人體模型的打印，亦可直接將掃描獲取的3D數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入打印機(jī)進(jìn)行打印。

4? 結(jié)? 論

目前人體掃描設(shè)備主要分為兩個(gè)應(yīng)用方向，一類是應(yīng)用于專業(yè)需求的人體測(cè)量方面，如服裝定制、醫(yī)療器械、健身管理等，另一類則應(yīng)用于人體模型展示，三維掃描技術(shù)體驗(yàn)、3D打印、影視動(dòng)漫、VR應(yīng)用等。

以數(shù)字化技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，朝向數(shù)據(jù)化、智能化、數(shù)字化、多元化，滿足日益?zhèn)€性化、極致化和動(dòng)態(tài)化的消費(fèi)者需求是消費(fèi)產(chǎn)業(yè)的變革方向。復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈條和龐大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，造就了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條數(shù)字化改造難與重塑價(jià)值高并存的雙重特色。

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作者簡(jiǎn)介：丁軍濤（1984.04—），男，漢族，陜西咸陽(yáng)人，工程師，本科，研究方向：三維測(cè)量技術(shù)和3D打印技術(shù)應(yīng)用。