燃燒假人衣下空氣層的三維現場掃描測量與表征

王 敏， 李 俊

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051；2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

人體皮膚和服裝內表面間的衣下空氣層是影響人-服裝-環境系統熱傳遞的重要因素，在利用燃燒假人測試技術進行服裝熱防護性能研究中，常常需要獲取衣下空氣層厚度及分布。三維掃描是目前獲取衣下空氣層厚度的常用方法。Kim[1]，Song[2]， Mah[3-4]等均采用三維掃描儀獲得防火服衣下空氣層厚度并分析了衣下空氣層厚度與皮膚燒傷的關系。由于傳統三維掃描儀的應用局限，如需要在暗室中進行、結構復雜、體積龐大等，都不適合安裝在有燃燒假人、噴火裝置、火焰存在的燃燒室內，因此掃描通常在燃燒測試前在三維掃描室內完成。由于服裝面料的柔性特征，異地測量、重復穿脫難以保證掃描時的衣下空氣層厚度及分布與燃燒測試時完全相同，基于該測量數據探討衣下空氣層與熱防護性能之間的關系會存在較大誤差。另外熱暴露過程中織物可能發生收縮導致熱暴露后服裝難以完整地脫下來，因而也無法獲取熱暴露后服裝的衣下空氣層變化。解決該問題的關鍵是要實現燃燒室內現場掃描。

衣下空氣層厚度表征方面，由于燃燒假人表面裝有熱流傳感器，通常還需要提取傳感器對應位置的衣下空氣層厚度。文獻[1,3]利用逆向工程軟件對三維數據進行建模，再將裸體假人和著裝假人模型對齊，過傳感器位置截取水平切面，計算傳感器對應位置同心截面線之間的距離，即為空氣層厚度。文獻[5]利用偏差檢測軟件通過三維比較和創建注釋獲得傳感器對應位置衣下空氣層厚度，但無法做到在三維空間中對傳感器進行準確定位，并且同文獻[1,3]，都需要逐個傳感器提取，如果測試樣本較多，操作費時費力，且準確性不能保證。

為解決以上問題，本文利用Kinect深度相機，結合“東華火人”燃燒室布局，通過在燃燒室內構建三維掃描平臺，實現燃燒室內現場掃描，利用Geomagic逆向工程軟件對衣下空氣層進行表征，通過實現假人表面傳感器在三維空間的準確定位，提出了一套快速有效提取傳感器對應位置衣下空氣層厚度的方法，以期為準確分析衣下空氣層厚度與熱防護性能的關系提供關鍵技術手段。

1 三維現場掃描的實現

1.1 掃描儀的選擇

實現燃燒室內現場掃描的關鍵是尋求一款易移動、易安裝且對掃描背景和光線沒有嚴格要求的設備。Mincrosoft Kinect最初是由美國微軟公司開發作為游戲外設使用，由于該設備可在捕獲彩色視頻的同時，同步輸出像素點到攝像機的距離，即深度圖像，不少研究者將其應用于三維掃描[6-8]。Kinect由RGB攝像頭、紅外線發射器以及紅外攝像頭構成，如圖1所示。RGB攝像頭用來收集RGB數據，最大支持1 280像素×960像素成像；紅外線發射器提供紅外光源；紅外攝像頭用來采集景深數據，最大支持640像素×480像素成像。紅外線發射器以及紅外攝像頭構成Kinect的掃描組件。

圖1 Microsoft Kinect的構成Fig.1 Construction of Microsoft Kinect device

Kinect的有效掃描范圍為0.5～3 m，在這個范圍內，物體越靠近Kinect，獲得的深度圖像噪聲越少，但同時掃描范圍也變小，若要采集全身人體三維數據一般需要多個Kinect裝置同步掃描。理論上圍繞人體排列的Kinect裝置越多掃描越完整，但同時也會增加掃描重疊區域，給系統校準和點云數據運算帶來很大問題。根據掃描距離、掃描范圍和掃描精度的關系，單臺Kinect比較適合用來獲取單面半身人體圖像，因此，要獲取全身人體圖像最好采用4個Kinect裝置，分別同步掃描人體正面、背面的上半身及下半身，這樣既可保證掃描的精度和完整性，又可減小重疊區域，避免多臺Kinect之間相互干擾。

本文使用的由美國Fabrate 公司開發的三維人體掃描儀KBI(Kinect body imaging system)由4個Kinect傳感器構成，每2個為1組，固定在1根立柱上，2組Kinect傳感器同時拍攝，可分別獲得人體前后上下的深度圖像。掃描時紅外發射器向目標環境投射紅外光源，紅外線被被測物體反射，紅外攝像機獲取反射圖案，再根據反射圖案進行編碼，計算出像素點到攝像機的距離。KBI可在1 s內完成全身人體掃描，最大掃描精度1 mm，點密度大于27 pts/cm2。該掃描儀結構簡單，測量精度高，對被測物體的顏色和紋理幾乎沒有要求，對掃描背景、環境光線也不敏感，適合安裝在燃燒室內。

1.2 “東華火人”燃燒室布局及系統特點

“東華火人”燃燒假人測試系統由燃燒假人本體、信息采集及傳輸系統、火焰產生及氣體輸配系統、燃燒實驗室及配套設施、燃燒假人整體測控及評價軟件平臺5個部分構成。燃燒室尺寸為3.6 m×3.6 m×2.4 m。假人放置在燃燒室中央，周圍均勻安置6組(12支)燃燒器。燃燒器距離假人本體的距離為0.5 m。根據該布局和尺寸以及燃燒測試時的極端高溫環境，傳統掃描儀幾乎無法安裝在燃燒室內。

另外“東華火人”測試系統本身的一些特點[9]，也是實現現場掃描的關鍵。1)假人在假人頸、肩、肘、腕、髖、膝、踝等有關節設置，方便對假人姿勢進行定位；2)假人可以圍繞中心軸旋轉，因此2根固定Kinect傳感器的立柱可安放在穿過中心位置的任意直線方向上，不受限于噴火器的位置；3)假人系統的滑移功能使得假人可滑離燃燒室的中心位置，為KBI掃描儀的標定裝置提供空間，便于掃描儀的校準；4)假人可調節可定位的關節以及由計算機精準控制的旋轉和滑移功能使得假人的位置和姿勢在每次掃描時得以準確再現，保證了掃描的重復性和可靠性。

1.3 三維現場掃描的實現

KBI掃描儀的便攜式結構和“東華火人”獨有的特點，使得掃描儀可以順利地安裝在燃燒室內，如圖2所示。由于燃燒時火焰周圍溫度非常高，為保護掃描儀，制作了2個箱體。箱體外層是鐵皮，內層有4 cm厚的隔熱氈，隔熱氈上覆有一層鋁箔。箱體的一面設計有門，燃燒測試時將門關上可以保護掃描儀。另外在箱體底邊的角落鑿有小孔，便于電源線的進出。

圖2 安裝在燃燒室內的掃描儀Fig.2 Body scanner installed in flame chamber. (a) Panoramic image; (b) Detail image

2 三維現場掃描流程

為獲得燃燒假人衣下空氣層厚度，需分別對裸體假人和著裝假人進行掃描。本文選擇了3件相同的連身型單層防護服用于測試，面料為NomexⅢA，面密度為210 g/m2。

1)裸體假人掃描。為后續提取每個傳感器對應位置的衣下空氣層厚度，需要確定燃燒假人表面各傳感器在三維模型中的位置。這里將直徑為3 cm的半圓體貼于假人表面傳感器位置處作為標記，如圖3所示。掃描時，首先掃描帶有標記點的假人，然后將這些標記點去除，再次掃描裸體假人，獲得無標記點的裸體假人三維數據。

圖3 燃燒假人表面傳感器定位Fig.3 Sensor location of the flame manikin. (a) Physical mark; (b) 3-D indentification; (c) Partial enlargement of 3-D indentification map

2)熱暴露前著裝假人掃描。調整假人關節角度，將實驗服穿在假人上，用手輕輕整理不平整之處。相機從正面、背面、側面對著裝假人進行拍照，并將照片作為參考以保證每件實驗服都有大致相似的穿著形態。啟動掃描儀進行掃描，掃描結束關閉掃描儀保護箱的門，開始進行轟燃測試。

3)熱暴露后著裝假人掃描。火焰熄滅后，待燃燒室內溫度降低，殘留氣體排出，再打開掃描儀保護箱的門，掃描熱暴露后的著裝假人。

以上每步掃描過程重復3次，以保證精度和可重復性。若在實驗過程中掃描儀位置發生變動，需重新標定。

3 點云數據處理及衣下空氣層表征

本文點云數據處理及衣下空氣層特征值提取均在Geomagic Control 2014中進行。

3.1 三維模型重建

圖4 燃燒假人照片及三維重建模型Fig.4 Photos and reconstructed 3-D models of flame manikin. (a) Nude manikin; (b) 3-D model of nude manikin; (c) Clothed manikin before exposure; (d) 3-D model of clothed manikin before exposure; (e) Clothed manikin after exposure; (f) 3-D model of clothed manikin after exposure

通過掃描獲得的點云數據可能存在雜點、噪點，因此需要首先執行刪除雜點、去噪、數據重采樣等操作對點云數據進行優化，然后將點云數據封裝轉換成多邊形，生成人體曲面模型。再通過對模型進行平滑、填充孔、多邊形簡化等操作最終實現三維模型的重建[5]。裸體假人、熱暴露前后著裝假人照片及其對應的三維重建模型如圖4所示。

由圖4可以看出，三維重建效果與實際非常接近，尤其反應在服裝的褶皺形態上，說明基于新建的掃描平臺所獲得的三維數據具有較高的精度。

3.2 傳感器位置的三維標識

將重建的帶有標記點的和沒有標記點的裸體假人三維模型導入Geomagic Control中。選中帶有標記點的三維模型，通過“點坐標”功能，獲得每個標記點的X、Y、Z坐標，并在“標簽”欄下輸入每個標記點名稱即對應傳感器的編號，再輸出文本格式文件。然后在Excel中導入文本格式文件，使標記點名稱、X、Y、Z值各為一縱行，再保存為CSV文件，最后將文件名后綴改為.loc，得到標記點在三維空間中的位置集文件。再選中不帶標記點的裸體假人模型，通過分析菜單下的“導入位置集”功能，將位置集文件導入，即可得到各傳感器位置的三維標識，實現傳感器在三維空間的準確定位(見圖3(b)、(c))。

3.3 衣下空氣層厚度及分布表征

Geomagic Control除了可對點云數據進行處理以外，另一項重要功能便是檢測被測物體與參考模型之間的偏差。對于本文研究，參考模型為裸體假人模型，被檢測物體則為著裝假人模型，2個模型間的偏差即為衣下空氣層厚度。

首先導入重建好的無標記點裸體假人三維模型及著裝假人三維模型，將裸體假人模型設置為參考對象，著裝假人模型設置為測試對象，再將2個模型進行對齊處理。由于掃描中假人姿勢和位置可控，偏差較小，因此采用“全局注冊”進行對齊。然后執行分析菜單下的“3-D比較”功能得到測試模型和參考模型之間的偏差，并通過色譜圖顯示模型各處的偏差大小，也即著裝假人全身的衣下空氣層厚度分布。

基于“3-D比較”結果，利用“報告”菜單下的“創建注釋”進行傳感器對應位置的空氣層厚度提取。注釋類型選擇“位置”，自動布局選擇3.2節中導入的位置集名稱，小數位數設置為2，偏差半徑設置為15 mm(傳感器半徑)，即可同步快速地提取假人表面100多個傳感器對應位置的衣下空氣層厚度。

以上操作得到的衣下空氣層厚度還包括面料厚度，但由于面料厚度一般很小，計算時可忽略。

4 結果與討論

4.1 整體衣下空氣層厚度

根據3.3節執行“3-D比較”后，計算測試模型和參考模型間所有偏差的平均值，即可得到分布在假人全身的平均衣下空氣層厚度。表1示出熱暴露前后3件防護服(樣本1～3)平均衣下空氣層厚度及其變化率。本文燃燒假人測試按照GB/T 23467—2009《用假人評估轟燃條件下服裝阻燃性能的測試方法》進行，熱暴露時間為4 s，平均熱流密度為84 kW/m2，偏差在21 kW/m2以內。

表1 熱暴露前后平均衣下空氣層厚度及其變化率Tab. 1 Average gap size and change rate before and after exposure

注：A1為熱暴露前的衣下空氣層厚度，mm；A2為熱暴露后的衣下空氣層厚度，mm；R為衣下空氣層厚度減小率，%。

根據表1可知，對于3個重復樣本，熱暴露前服裝平均衣下空氣層厚度為24.23 mm，變異系數小于3%，說明在嚴格控制穿著方式情況下，相同服裝穿著后整體形態基本一致，以往異地測量的方法不會引起較大的整體衣下空氣層厚度偏差；熱暴露后服裝平均衣下空氣層厚度在9 mm左右，較熱暴露前平均減小了59.29%，說明服裝發生了劇烈收縮。另外熱暴露前、后平均衣下空氣層厚度及其變化率的變異系數均小于3%，說明熱暴露測試及三維掃描的重復性較好。

表2 熱暴露前后服裝局部衣下空氣層厚度及其減小率Tab.2 Local air gap thickness and reduction of garment before and after exposure

注：A1表示熱暴露前的衣下空氣層厚度，mm；A2表示熱暴露后的衣下空氣層厚度，mm；R表示衣下空氣層厚度減小率，%。

4.2 局部衣下空氣層厚度

圖5示出熱暴露前后假人全身衣下空氣層厚度分布色譜圖。顏色越深，空氣層厚度越大，顏色越淺，空氣層厚度越小，白色區域表示空氣層厚度為負。根據Psikuta的研究[10]，由于掃描及數據對齊的固有誤差，可認為白色區域服裝與假人緊密貼合，空氣層厚度為零。由圖可看出，衣下空氣層在假人周圍分布并不均勻，且熱暴露前后衣下空氣層的分布狀態也不同。熱暴露前，后腰、臀部、手臂和腿部空氣層厚度較大，而肩部、前胸以及上背部等凸起部位的空氣層厚度相對較小。熱暴露后，各部位的空氣層厚度明顯減小。前胸、上背、大腿正面幾乎都呈現白色，說明這些部位的面料與假人表面緊密貼合，無空氣層存在；上臂、臀部、大腿后顏色較深，說明這些位置還有部分殘留空氣層。

圖5 熱暴露前后衣下空氣層厚度分布Fig.5 Distribution of air gap under clothing.(a) Before exposure; (b) After exposure

表2示出3個重復樣本背部17個傳感器(B01～B17)對應位置熱暴露前、后衣下空氣層厚度及其減小率。對比3個重復樣本，發現同一傳感器位置衣下空氣層厚度差異較大，17個傳感器熱暴露前后衣下空氣層厚度平均變異系數分別達到46%、35%；衣下空氣層厚度減小率差異同樣較大，除去B17傳感器，平均變異系數在21%左右。

在文獻[3]的研究中，對于女士單層連體服和男士單層連體服，3次重復穿著實驗中分別有33%和23%以上的傳感器對應位置衣下空氣層厚度變異系數大于30%，尤其是手臂和腿部，變異系數更大，研究者指出，這些位置的空氣層厚度可能不能很好地反映燃燒測試時服裝穿著在假人上的實際情況。

本文研究和前人研究結果表明，盡管掃描過程中對假人的著裝方式進行了嚴格控制，由于面料的柔性特征，服裝每次穿著的細部形態并不完全一致，以往異地測量、重復穿脫會造成局部衣下空氣層厚度差異，用異地掃描獲取的空氣層厚度數據代替燃燒測試時的情況并討論衣下空氣層厚度和皮膚燒傷的關系可能會存在誤差，證明了現場掃描的優越性和必要性。

5 結束語

衣下空氣層是影響人-服裝-環境服裝系統熱傳遞的重要因素。根據防火服裝熱防護性能研究中對于衣下空氣層的測量需求，本文通過實現燃燒室內現場掃描以及假人表面傳感器位置在三維空間的準確定位，提出了一種新的測量和表征燃燒假人著裝衣下空氣層厚度及分布的方法。

基于該方法對3件熱防護服熱暴露前后衣下空氣層進行測量和表征，結果發現，即使是穿著完全相同的服裝，假人局部衣下空氣層厚度也存在較大差異。以背部為例，對于3個重復樣本，傳感器對應位置熱暴露前后衣下空氣層厚度變異系數的平均值分別達到46%、35%，說明以往異地掃描所得到的數據不能完全代替燃燒測試時的實際情況，尤其是局部衣下空層厚度。

經驗證，三維現場掃描方法保證了掃描時的著裝狀態和燃燒測試時著裝狀態的完全一致性，并且為無創性獲取熱暴露后的衣下空氣層厚度提供關鍵技術手段；而通過對假人表面傳感器在三維空間準確定位，可以方便快捷地提取假人全身每個傳感器對應的空氣層厚度， 具有操作簡便，減少誤差，提高處理效率的特點。本文方法可以推廣到其他需要獲取假人或真人穿著狀態下衣下空氣層厚度的研究中，具有普遍適用性。

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