三維掃描與手工測量的精度比較研究

王燕珍，張 燕，張 婷，寧思威，胡 璇，董玉峰

（上海工程技術大學，上海 201620）

人體測量技術不斷發展，經歷了由手工接觸式到非接觸式，由二維到三維，并向自動測量和利用計算機測量、處理和分析的方向發展［1］。手工測量的方法雖然需要由經驗豐富的測量人員測量，直接測量的身體接觸會影響測量的精度，而且很難進行方便簡單的重復測量，不利于數據的采集和分析［2］；但可以進行比較精細和隱蔽部位的測量［3］。三維測量雖然具有掃描時間短，精確度高、測量部位多等多種優點［4-7］，但存在一定的測量死角，在掃描的死角或投影不到的地方會發生數據的缺失。這些都是需要分析和研究的。

1 實驗方案

1.1 試驗儀器

三維掃描：ScanWorX

手工測量：馬丁測量儀 包括：直線長度測量尺；曲線、圓周長度測量儀尺；厚度測量設備等，如人體身高測量器、棒狀測量器、測徑器、馬丁游標卡尺、直尺。

1.2 試驗對象

隨機抽取本校200名在校女大學生，平均身高為157.36cm。

1.3 試驗測量部位

根據服裝結構要求在維度上測量了胸圍、腰圍、臀圍、大腿圍、膝圍、小腿圍，排除內衣的影響因素，所以有效數據采用腰圍、臀圍、大腿圍、膝圍、小腿圍。

1.4 試驗方法

采用三維掃描和手工測量兩種方法對著緊身內衣褲的被測者進行測量。

手工測量由經過相關培訓的實驗人員使用馬丁測量儀的工具對被測者進行測量，首先用標記帶將需要測量的部位標記一下，然后進行手工測量。測量時要求被測者直立站立，盡可能不要晃動，在測量期間保持姿勢，以確保獲取較為精確的數據。

ScanWorX 是源自德國的三維掃描儀，其原理是利用激光二極管發射出條光（激光束）投射到被掃描物體表面上，投射到物體上的激光束由于物體表面形狀的變化而產生變形，傳感器（CCD）可以接收并記錄下該變形，并轉換成數字圖像，放置在激光頭內的傳感器沿著被掃描物體的垂直方向（人體高度方向）移動，即可獲得物體的完整掃描圖像［1］。

測量時，將手工測量的部位上的標記帶換成能夠被三維掃描儀掃描到的標記點再進行測量，要求被測者嚴格按照儀器測量要求站立，身體盡量不晃動，保持平衡，以減少由于人體晃動帶來的隨機誤差的影響，獲取較為精確的測量數據。

紅松是產于我國東北部林區的鄉土樹種。由于連續開挖園林中，其經濟價值的食用、藥用、工業、生態等領域，近年來，森林砍伐現象嚴重，使得野生紅松資源更加緊缺，人工紅松樹齡結構偏離。為了滿足市場需求，提高紅松產量和人工工程林紅松造林技術質量，已成為一個重要的節點。樹種選擇、時機選擇、造林面積控制，造林土地處理、混合管理、造林技術、病蟲害防治技術控制都是紅松造林技術重點。

2 正態分析

為了比較三維掃描和手工測量所得數據的精確性，采用SPSS軟件對其進行分析研究。SPSS for Windows是一個組合式軟件包，它集數據整理、分析功能于一身。SPSS統計分析過程包括描述性統計、均值比較、一般線性模型、相關分析、回歸分析、對數線性模型、聚類分析、數據簡化、生存分析、時間序列分析、多重響應等幾大類，本實驗采用顯著性分析，概率分析等方法對試驗數據進行分析。

2.1 顯著性差異分析

首先對數據進行正態分布檢驗，目的是分析兩組數據是否服從相同的分布。PP 概率圖能直觀地探查樣本數據是否與某個概率分布的統計圖形相一致，如果被檢測的數據符合所指定的分布，代表樣本數據的點簇在一條直線上。本文通過PP概率圖來檢驗三維掃描和手工測量數據的分布及兩者分布是否相同。圖1、圖2 分別是臀圍的三維掃描和手工測量數據的正態PP概率圖。

由圖1、圖2可以看出：數據的點都分布在一條直線上，因此可以認為三維掃描數據與手工測量數據分布相同，都近似服從正態分布。

2.2 概率分析

經相關性分析，臀圍的三維掃描數據與手工測量數據的相關性為0.870，顯著相關。

在經過概率分析發現：在均值基本相同的情況下，手工測量的數據相較于三維掃描的數據標準偏差較小，圖（3）、圖（4）分別為臀圍的手工測量和三維掃描的頻率直方圖。

圖3 臀圍的手工測量頻率直方圖

圖4 臀圍的三維掃描頻率直方圖

根據最小二乘法則，對臀圍的三維掃描數據和手工測量數據進行分析，實驗所得數據與曲線上對應值的殘差之平方和最小的一條曲線。計算方法如下：

用最小二乘法對以上所列數據進行多項式回歸，最高次數分別取1、2、3，經T檢驗，知3個回歸方程無顯著差別，二次回歸方程的擬合效果最佳。即用方程Y=ax2+bx+c對其進行計算分析。以下以臀圍兩組數據關系式為例，分析它們之間的關系，其余部位方法與臀圍相同。

經過相關性分析，得出測量部位的相關性見表1。

表1 各測量部位兩組數據的相關系數及其關系式

當0.8＜R＜1時，為高度相關；當0.5≤R＜0.8時，為中度相關；當0.3≤R ＜0.5時，為低度相關：當0＜R ＜0.3時，為不相關［2］。所以除了膝圍的三維掃描和手工測量的數據為低度相關外，其余部位的測量部位都為高度相關。

3 結論

3.1 考察實驗數據可知，根據表1 的相關性分析：膝圍的三維掃描和手工測量的數據相關性不大，兩者測量所得數據相差較大，而根據數據顯示膝圍三維掃描數據普遍小于手工測量數據，且差距較大；其余部位的三維掃描數據普遍大于手工測量數據，但相差不大。

3.2 根據綜合分析得出結論：手工測量的數據相對三維掃描的數據精確度略高。

3.3 未來研究方向：是什么因素影響手工測量與三維掃描的數據精度。

［1］徐繼紅，張文斌.非接觸式三維人體掃描技術的綜述［J］.揚州職業大學學報，2006，10（3）：49—53.

［2］蘇軍強，袁衛娟，劉國聯.三維人體掃描儀性能評價［J］.紡織導報，2010，（1）：77—78.

［3］徐青青.數字化服裝設計與管理［M］.北京：中國紡織出版社，2006.

［4］黃海嶠，莫碧賢，郭綺蓮，等.從三維人體掃描生成服裝樣板［J］.紡織學報，2010，31（9）：132—136，142.

［5］田慶國，葛寶臻，杜樸.基于激光三維掃描的人體特征尺寸測量［J］.光學精密工程，2007，15（1）：84—88.

［6］李清光，李德華，高岑等.基于圖像序列的三維人體掃描儀［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2008，36（5）：24—26，34.

［7］張淑敏.基于三維測量的人體形態及服裝結構研究［D］.杭州：浙江理工大學，2006.