三維模擬人形數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)與人體數(shù)據(jù)采集

摘 要 三維人體造型藝術(shù)產(chǎn)品是結(jié)合人體生理學(xué)特征，通過(guò)數(shù)字化手段設(shè)計(jì)的模擬人形藝術(shù)產(chǎn)品，是現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)手段與人體生理學(xué)完美結(jié)合的產(chǎn)物。而精確地、數(shù)字化人類(lèi)活體表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，則是三維人體造型藝術(shù)產(chǎn)品能否真實(shí)反應(yīng)人類(lèi)自然美的關(guān)鍵。本文僅就電子計(jì)算機(jī)斷層攝影（Computed Tomography，CT）采集人類(lèi)活體特征數(shù)據(jù)，用于三維人體造型藝術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用情況做一敘述。

關(guān)鍵詞 數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì) 三維人體造型 人體數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代藝術(shù)品最常用的藝術(shù)設(shè)計(jì)手段，是指利用數(shù)字化形式、以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)為主的藝術(shù)設(shè)計(jì)，①②③已廣泛用于廣告設(shè)計(jì)、電子游戲、動(dòng)漫制作以及影視特效等產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以平面也可以是立體的二維、三維的數(shù)字化作品，可以是靜止的也可以是動(dòng)畫(huà)的藝術(shù)產(chǎn)品。而三維人體造型藝術(shù)產(chǎn)品是結(jié)合人體生理學(xué)特征，通過(guò)數(shù)字化手段設(shè)計(jì)的模擬人形藝術(shù)產(chǎn)品，包括模擬人形玩偶、仿真機(jī)器人設(shè)計(jì)等等，是現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)手段與人體生理學(xué)完美結(jié)合的產(chǎn)物。因此，人體造型藝術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品不僅要具有藝術(shù)美學(xué)特征，還要考慮人們對(duì)于真實(shí)人體的視覺(jué)審美效果，也就是要能夠真實(shí)地反映人體平面和三維的特征，既要有藝術(shù)設(shè)計(jì)上的夸張表現(xiàn)，又要充分尊重人類(lèi)自然審美觀，保證模擬人形產(chǎn)品的“仿真性”。這就要求藝術(shù)家在利用數(shù)字化設(shè)計(jì)人體藝術(shù)品之前，充分了解人體平面與三維數(shù)據(jù)特征，才能做到產(chǎn)品的“逼真性”，在這方面人體解剖學(xué)無(wú)疑可以為人體造型藝術(shù)提供基本的人體特征數(shù)字，在三維人體造型藝術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，由于人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)主要來(lái)源不是人類(lèi)活體生理特征數(shù)據(jù)，當(dāng)藝術(shù)發(fā)展到一定高度時(shí)，其對(duì)人體藝術(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)展和充分展現(xiàn)人類(lèi)自然生活狀態(tài)下的模擬人產(chǎn)品設(shè)計(jì)反而帶來(lái)了阻礙。而且隨著更多的展現(xiàn)現(xiàn)代人體藝術(shù)產(chǎn)品的涌現(xiàn)，更需要有效采集大量的充分的人活體數(shù)據(jù)特征，以適應(yīng)高度藝術(shù)化的、模擬真實(shí)人類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。藝術(shù)設(shè)計(jì)工作者為了有效采集人類(lèi)活體的平面與三維特征數(shù)據(jù)，開(kāi)始應(yīng)用現(xiàn)代的錄影、攝像等手段進(jìn)行人活體數(shù)據(jù)采集，在一定程度能夠滿足人們?cè)趧?dòng)漫及電子游戲等產(chǎn)品的個(gè)體化三維藝術(shù)設(shè)計(jì)需要。然而，普通的錄影、攝像設(shè)備等無(wú)法在活體狀態(tài)下去精確地、大量地?cái)?shù)字化人體表面，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。而整體的、精確的、數(shù)字化人類(lèi)活體表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，則是三維人體造型藝術(shù)產(chǎn)品能否真實(shí)反映人類(lèi)自然美的關(guān)鍵。

1 數(shù)碼藝術(shù)與人體特征數(shù)據(jù)采集

人體數(shù)字化三維造型藝術(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)展通常認(rèn)為起源于上世紀(jì)60年代，作為現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)的代表性人物喬治·開(kāi)普斯和羅伯特·勞申伯等開(kāi)始嘗試數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)，數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成獨(dú)立的“數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)”學(xué)專(zhuān)業(yè)。數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是既要包含藝術(shù)的美學(xué)效應(yīng)，又要表現(xiàn)出通常繪畫(huà)藝術(shù)難以表達(dá)的美學(xué)效應(yīng)，因此數(shù)碼藝術(shù)產(chǎn)品往往具有華麗的必須形式、充滿想象和奇幻的空間立體效應(yīng)，帶給人一種視覺(jué)上的刺激和精神上的強(qiáng)烈震撼。數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)已經(jīng)在現(xiàn)代電子游戲、動(dòng)漫制作、影視特效以及廣告產(chǎn)品設(shè)計(jì)中廣泛使用，數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)不僅是平面設(shè)計(jì)，也包含立體設(shè)計(jì)，如現(xiàn)代3D動(dòng)漫大量借用了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)手段。

藝術(shù)設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)離不開(kāi)社會(huì)和科技，數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)也是隨著現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展而誕生的，借助于計(jì)算機(jī)數(shù)字化革命的到來(lái)形成的獨(dú)特的藝術(shù)設(shè)計(jì)形式。因此，數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)與以往的藝術(shù)設(shè)計(jì)不同，其主體不僅僅是人類(lèi)，在人的能動(dòng)思維下，還必須借助計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行一個(gè)人機(jī)聯(lián)動(dòng)的全新的藝術(shù)創(chuàng)作形式。因此，數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)際上就是一個(gè)現(xiàn)代科技的多學(xué)科交叉的產(chǎn)物。③同以往的藝術(shù)設(shè)計(jì)主要要求設(shè)計(jì)者具備藝術(shù)創(chuàng)作能力和藝術(shù)鑒賞能力不同，數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)還要求設(shè)計(jì)者要了解計(jì)算機(jī)數(shù)字化處理原理，掌握計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用和超強(qiáng)的空間藝術(shù)想象能力，才能夠?qū)?shù)字化設(shè)計(jì)真正地與藝術(shù)美學(xué)結(jié)合，創(chuàng)作出具有藝術(shù)震撼效果的數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。但同時(shí)，所有的藝術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，如傳統(tǒng)的繪畫(huà)藝術(shù)、雕塑藝術(shù)、攝影藝術(shù)產(chǎn)品等等，都必須表現(xiàn)出藝術(shù)特質(zhì)和靈魂，因此，數(shù)碼藝術(shù)產(chǎn)品也不能丟棄傳統(tǒng)藝術(shù)的表現(xiàn)形式和美學(xué)特性，也必須遵循大眾的藝術(shù)審美觀，尤其在人體數(shù)字三維造型藝術(shù)設(shè)計(jì)方面，更要尊重人類(lèi)自身的審美觀和人類(lèi)性別的差異特征。而要保證人體數(shù)字三維造型藝術(shù)設(shè)計(jì)的真實(shí)感，就必須有來(lái)自人類(lèi)活體的特征數(shù)據(jù)作為數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

在早期人體藝術(shù)設(shè)計(jì)中，為了獲得有關(guān)人體表面和立體的特征性數(shù)據(jù)，藝術(shù)家開(kāi)始從事人體生理解剖學(xué)研究，通過(guò)測(cè)量死者的人體數(shù)據(jù)，而將醫(yī)學(xué)與藝術(shù)結(jié)合。在這方面達(dá)·芬奇和維薩利無(wú)疑做出了巨大貢獻(xiàn)，達(dá)·芬奇曾詳細(xì)繪制了人體解剖學(xué)圖譜，并采用數(shù)學(xué)方法計(jì)算人體解剖學(xué)獲得的人體特征數(shù)據(jù)，豐富了和完善人體藝用解剖學(xué)。④因此，在藝術(shù)設(shè)計(jì)的早期，設(shè)計(jì)者采用的人體各種數(shù)據(jù)，不論是人體表面還是內(nèi)部的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于人體解剖學(xué)。然而，人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于藝術(shù)設(shè)計(jì)而言，存在一個(gè)致命的缺陷，就是這些人體數(shù)據(jù)主要采自人類(lèi)死亡后的人體特征數(shù)據(jù)，由于人體死亡后的脂肪溶解、肌肉萎縮以及脫水等等因素的影響，尸體缺乏人類(lèi)活體的美感，而且與人活體數(shù)據(jù)存在一定差距。隨著現(xiàn)代科技進(jìn)展，人們?yōu)榱藦浹a(bǔ)來(lái)自解剖學(xué)數(shù)據(jù)的不足，開(kāi)始嘗試使用現(xiàn)代電子影像設(shè)備，如攝像機(jī)等采集人類(lèi)活體數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以很好地復(fù)制出模特者的表面特征，但這些數(shù)據(jù)也存在一定的缺點(diǎn)，那就是這些數(shù)據(jù)僅來(lái)自個(gè)別的“模特”，雖可以代表一個(gè)個(gè)體的特征，卻不能反映人類(lèi)男性或女性活體特征的普遍性。

2 電子計(jì)算機(jī)斷層攝影采集人類(lèi)活體數(shù)據(jù)

在20世紀(jì)末，伴隨計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)也獲得突破性進(jìn)展，其中最具代表性的成果就是現(xiàn)代可視醫(yī)學(xué)的發(fā)展，尤其是影像醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，使得人們可以直接觀察人活體表面的、活體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及人體深層次結(jié)構(gòu)變化。作為現(xiàn)代可視醫(yī)學(xué)的代表，電子計(jì)算機(jī)斷層攝影（Computed Tomography，CT）是現(xiàn)代最重大成果之一，CT是利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能與醫(yī)學(xué)X線掃描相結(jié)合形成的現(xiàn)代數(shù)字化可視醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)，1969年由Hounsfield設(shè)計(jì)成功，1979年因此獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。CT的發(fā)展先后經(jīng)歷了平面CT以及三位立體CT的發(fā)展過(guò)程，現(xiàn)代立體CT（多層螺旋）已經(jīng)廣泛應(yīng)用與醫(yī)學(xué)人體結(jié)構(gòu)觀測(cè)中。⑤⑥CT的基本原理是利用X線具有穿透人體軟組織能力，既可以觀察人體表面結(jié)構(gòu)，也可以觀察人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以快速、大樣本采集和處理數(shù)據(jù)能力，再將采集的人體數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，通過(guò)精確的數(shù)據(jù)反映活體人體特征。⑦⑧⑨CT在醫(yī)學(xué)診斷方面已經(jīng)廣泛普及，然而，使用CT采集人類(lèi)活體平面及三維數(shù)據(jù)，應(yīng)用于現(xiàn)代人體數(shù)字三維造型藝術(shù)設(shè)計(jì)還是新的嘗試。⑩

利用CT采集人體特征數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是，不僅可以測(cè)量人體的表面，采集人體平面數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)多層螺旋CT觀測(cè)機(jī)體結(jié)構(gòu)獲得三維立體數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)還可以大樣本采集數(shù)據(jù)，快速、自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)，更具有科學(xué)性，能真實(shí)反映人體特征數(shù)據(jù)。利用三維重建技術(shù)還能準(zhǔn)確獲得人體立體的特征數(shù)據(jù)，而且可以精確測(cè)量至0.01mm，并能夠在人活體狀態(tài)下觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。作為藝術(shù)設(shè)計(jì)工作者，不僅需要平面觀察和設(shè)計(jì)，更要采用立體的方式進(jìn)行藝術(shù)設(shè)計(jì)，尤其是設(shè)計(jì)模擬人形產(chǎn)品時(shí)。現(xiàn)代影像醫(yī)學(xué)CT為我們提供了一份不可多得的人體可視性醫(yī)學(xué)與藝術(shù)觀察相結(jié)合的工具，作為可視性醫(yī)學(xué)技術(shù)的代表——CT不僅能定量的、平面的觀察和采集人體數(shù)據(jù)，而且可以多角度、全方位、立體地觀察人體和采集數(shù)據(jù)，其精確的數(shù)據(jù)采集及三維重建技術(shù)優(yōu)勢(shì)為藝術(shù)研究開(kāi)辟了新的手段。因此，藝術(shù)不僅可與醫(yī)學(xué)解剖學(xué)完美地結(jié)合，藝術(shù)同樣也可以與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)相結(jié)合，利用現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)作為基礎(chǔ)創(chuàng)作出更為完美的模擬人類(lèi)藝術(shù)作品。

3 CT采集人體數(shù)據(jù)的應(yīng)用

模擬人形產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先要保證“模擬”更具有“真實(shí)感”，也就是不僅僅神似，還要形似，才會(huì)給觀賞者帶來(lái)“模擬”的“真實(shí)感”。豘為了評(píng)價(jià)CT在人體數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)點(diǎn)和科學(xué)性，研究曾選擇了40例健康自愿者進(jìn)行人活體數(shù)據(jù)CT測(cè)量，然后利用CT計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)采集的人體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再利用人體比例計(jì)算公式，對(duì)人體特征性數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，分析了男女性別在形體方面的差異。豙數(shù)據(jù)采集基本情況如下，選取40例健康志愿者，其中男、女各20例，年齡從18歲到40歲，全部志愿者的年齡平均為24.3歲。選取的20例男性健康志愿者身高平均為1735.50mm，身高范圍在1700mm至1760mm；選取的20例女性健康志愿者身高平均1628.00mm，身高范圍在1600mm至1660mm。數(shù)據(jù)采集以骨骼特征明顯的部位為基點(diǎn)，如手足、臂長(zhǎng)及頭部等，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)20例女性健康志愿者頭高與身高比為15%，頭高平均為243.7590mm；20例男性健康志愿者頭高與身高比為13.2%，頭高平均為228.8075mm，20例女性志愿者頭高/身高比值與20例男性志愿者比較有1.8個(gè)百分點(diǎn)的不同。20例女性志愿者大腿長(zhǎng)度/身高比值與20例男性志愿者比較也有高達(dá)1.6個(gè)百分點(diǎn)的差異，如男性平均大腿長(zhǎng)度占身高26.6%，女性平均大腿長(zhǎng)度占身高25%。男性與女性頭高/身高比的不同，以及男性與女性腿長(zhǎng)/身高比例的不同，可能是男女體格特征差異的重要表現(xiàn)。這種骨骼特征的明顯差異，更科學(xué)地闡述了男女性別差異造成的人體特征差異，也為人體藝術(shù)設(shè)計(jì)男、女模擬人形產(chǎn)品形態(tài)差異提供了重要的科學(xué)依據(jù)。因此，利用CT采集人活體數(shù)據(jù)，不僅可以大樣本采集，而且更精確、更科學(xué)。

人體造型藝術(shù)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于動(dòng)漫、電子游戲及影視中，為了增加視覺(jué)欣賞效果，現(xiàn)代人體造型藝術(shù)更多地使用了三維人物造型設(shè)計(jì)形式。三維人物造型藝術(shù)設(shè)計(jì)需根據(jù)應(yīng)用的目的進(jìn)行相應(yīng)的藝術(shù)設(shè)計(jì)，如影視作品中的三維成像人物設(shè)計(jì)，通常要根據(jù)影視作品的內(nèi)容需要，首先要進(jìn)行美術(shù)創(chuàng)作（繪畫(huà)等），然后才利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行人物造型設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)在立體電影的大范圍普及，為了使影片能夠真實(shí)地反映目標(biāo)人物，影視制作已經(jīng)開(kāi)始規(guī)范和要求在人物設(shè)計(jì)方面，需要對(duì)造型進(jìn)行寫(xiě)實(shí)化、再結(jié)合藝術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行人物作品創(chuàng)作。因此，現(xiàn)代影視作品展示給人們的是具有真實(shí)感和震撼視覺(jué)的藝術(shù)寫(xiě)實(shí)效果，其中代表性作品有《貝奧武夫》。此影片在之中方面，可謂已經(jīng)可以做到以假亂真的完美視覺(jué)效果，角色已經(jīng)讓人無(wú)法分辨是動(dòng)漫作品還是真人演出，這就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與藝術(shù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的代表性作品。而且現(xiàn)代影像醫(yī)學(xué)CT在精確測(cè)量以及多方位觀察人體方面更具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，如果能夠把CT采集的大量人活體數(shù)據(jù)應(yīng)用于模擬人形產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，必將帶來(lái)更為真實(shí)的視覺(jué)效果。

注釋

① 黃鳴奮.數(shù)碼藝術(shù)50 年:理念、技術(shù)與創(chuàng)新文藝?yán)碚撗芯浚?004(6):80-86.

② 王燕.繪畫(huà)藝術(shù)的延伸與發(fā)展:數(shù)碼藝術(shù).內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版)，2008(6):38-39.

③ 孟顯波.繪畫(huà)藝術(shù)的延伸與發(fā)展——數(shù)碼藝術(shù)[J].美術(shù)大觀，2006(10):59.

④ 張寶才.人體藝術(shù)解剖學(xué)[M].遼寧美術(shù)出版社，1998.

⑤ Chen DM， et al. Application of spiral CT with multi-functional reconstruction in the evaluation of complex bone and joint trauma[J]. J Practical Medical Imaging，2007.8(2):89.

⑥ Liu J， Qiu DW. Research on three-dimensional reconstruction of CT images and its application in the diagnosis of lumbar spondylosis[J]. China Medical Herald，2010.7(3):93.

⑦ 張紹祥等.第3例中國(guó)數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集報(bào)告[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.25(15):1332.

⑧ Qi J， Zhang X. Preprocessing of 3D body data before statistic analysis[J]. J Textile Res， 2006.27(1):42.

⑨ Tian QG， et al. Measurement of human figure size based on laser 3D scanning[J].Optics Precision Engineering，2007.15(1):84.

⑩豙柳博洋，潘秀云，陳明欣，傅黎明.利用電子計(jì)算機(jī)斷層攝影采集健康成年人體平面與三維數(shù)據(jù)的初步嘗試.科教導(dǎo)刊，2011(4):254-256.

豘 柳博洋.對(duì)人性化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾點(diǎn)思考.華章(美術(shù)版)，2009(7):107-109.