基于不同人體測量方法的數據一致性和可替換性研究

余佳佳， 李 健

(北京服裝學院 服裝藝術與工程學院， 北京 100029)

人體測量作為體型研究及服裝相關產品研發的基礎，其測量數據的精確性極大程度影響后續研究成果的有效性。目前，人體測量方法主要包括手工測量法和三維掃描測量法[1]。其中，三維掃描測量法因所具有的掃描快速性、點云數據可保存性、數據可延伸探索性等優點被各研究人員青睞。

為采集到覆蓋率更廣的人體樣本，研究人員通常會在不同時期針對不同地區人群，使用不同院校或研究單位的三維人體掃描設備獲取人體數據。然而由于三維掃描儀價格昂貴且需要專業人員進行維護[2]，各研究院校或企業通常擇其一而購之。由于不同掃描儀存在掃描原理和精度等不同，對不同儀器所獲取的數據進行比對，確定不同儀器所得三維數據與手工數據的一致性、可替換性及不同設備所測數據間的等價性，具有很重要的意義[3]。目前已有研究中，張淑君等[4]通過對[TC]2三維掃描數據和手工數據進行T檢驗，得出2組數據存在顯著性差異的結論，并利用曲線擬合的方式對單一儀器測量的三維數據與手工數據間的關系進行了進一步探討；鄒奉元等[5]通過分析[TC]2三維數據與手工數據的極差、方差以及標準差的置信區間，對三維數據與手工數據重復性進行了研究，并分析了造成測量誤差的原因；Li等[6]通過配對T檢驗等方法對三維數據與手工數據的一致性進行了探討。目前，服裝領域大多為針對某單一掃描儀器測量數據與手工數據間的關系研究，多利用如T檢驗等方法進行數據一致性檢驗，針對不同掃描儀器間的數據關系研究及其他數據一致性檢驗方法的嘗試還較少。

本文提出利用組內相關系數研究不同數據間的一致性關系的方法，并基于國家標準要求比對HumanSolutions和[TC]22種三維數據與其所對應的手工數據測量結果，分析檢驗三維測量數據與對應手工測量數據間的一致性和可替換性，再以手工數據作為媒介，檢驗不同掃描儀器測量數據間的等價性，明確各測量儀器數據差異及差異存在的原因，為后期人體測量儀及其測量數據的使用提供參考意見。

1 實驗部分

1.1 實驗用具

測量儀器：馬丁計測儀、德國HumanSolutions/VITUS SAMRT XXL三維掃描儀、美國[TC]2三維掃描儀。具體掃描儀參數[7]如表1所示。

表1 三維人體掃描儀參數比較Tab.1 Anthropometric items

輔助軟件：Rapidform XOR3、SPSS Statistics 20。

輔助工具：人體站姿定位板、水平激光儀、人體測量標記點、計算機。

1.2 實驗對象

根據GB/T 22187—2008《建立人體測量數據庫的一般要求》所提出的人體測量最小樣本量計算方法，計算出本文實驗所需最小樣本量為131人。選取年齡為20～35歲的青年女性作為測量樣本，共計388人。其中，HumanSolutions所測樣本156人，[TC]2所測樣本232人。

1.3 實驗條件及要求

本文實驗環境溫度為(27±3)℃，環境濕度為(60±10)%。

根據GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般要求》，志愿者穿著肉色計測文胸及短褲，頭部佩戴彈性計測帽，測量時立于人體站姿定位板，目視前方，自然呼吸。本文實驗所有測量條件和著裝完全一致。

1.4 測量項目

參考GB/T 16160—2017《服裝用人體測量的尺寸定義與方法》，選取與人體形態相關性強的圍度、寬度、厚度以及實長項目進行三維數據與手工數據的比對。其中，圍度測量項為頸根圍、胸圍、乳下圍、腰圍、腹部前突點圍、臀圍、小腿最大圍；寬度測量項為頸根寬、乳點間距、乳點位寬、乳下圍位寬、腰圍位寬、腹部前突點位寬、臀圍位寬、小腿最突圍位寬、肩幅(SP1)；厚度測量項為頸根厚、胸圍位中心厚、乳頭點位厚、乳下圍位厚、腰圍位厚、腹部前突點位厚、臀圍位厚、小腿最突圍位厚；實長測量項為后中心長、后長、前中心長、前長、肩寬2(SNP-SP2)、肩寬1(SNP-SP1)。

1.5 實驗過程

1.5.1 手工測量

選取一名經過專業人體測量培訓的測量人員對樣本進行特征點標識及標記點黏貼，并借助馬丁計測儀和水平激光儀對各測量項目進行測量。各測量數據取其3次測量結果均值作為對應部位測量值，并將該值視為對應部位測量真實值。

1.5.2 三維掃描測量

三維測量前，統一使用1.5.1節手工測量所使用的標識點位置，對人體進行立體標記點標識。用HumanSolutions三維掃描儀和[TC]2三維掃描儀分別對樣本進行全身掃描，獲取人體點云數據。本文實驗通過將點云數據導入逆向工程軟件，對人體點云進行異常點云刪除、點云封裝、斷面修正、搭橋補洞等步驟，獲取完整的三維人體模型。再依據所標記的特征點確定人體測量項目位置，在軟件中對各部位數據進行手動測量。各測量數據取其3次測量結果均值作為對應部位測量值。

2 數據處理與分析

2.1 奇異值檢驗

對三維測量數據及手工測量數據分別進行奇異值檢驗，對異常值進行查驗，對錯誤值進行刪除。最終獲取有效樣本總計383個，HumanSolutions所測有效樣本156個，[TC]2所測有效樣本227個。

2.2 三維數據與手工數據比對

2.2.1 三維數據與手工數據的定性比對

分別對2組三維測量數據及其對應手工測量數據作對比折線圖，觀測樣本三維數據和手工數據結果的變化趨勢。選取胸圍數據的對比折線圖為例進行說明，結果如圖1所示。

圖1 不同掃描儀數據與手工數據對比Fig.1 Different scanner data compared with manual data (chest circumference).(a) HumanSolutions data versus manual data ; (b) [TC]2 data versus manual data

由圖1可知，HumanSolutions和[TC]2三維數據與其對應手工數據間整體變化趨勢一致。

2.2.2 三維數據與手工數據的一致性判別

為明確三維數據與手工數據是否存在一致性，本文利用組內相關系數對數據一致性進行定量說明。組內相關系數最先于1966年由Bartko提出用于測量和評價信度大小[8]，可用于評價不同測定方法對于同一定量測量結果的一致性或可靠性[9]。當組內相關系數在區間(0,0.40)時，代表數據一致性較差；當組內相關系數在區間(0.75,1.00)時，代表數據一致性良好。其中，組內相關系數具體計算方法如下式[10]所示。

式中：C表示組內相關系數；M區組表示隨機區組間的方差；M誤差表示誤差的方差；M處理表示為處理組方差；k為組數；n為樣本量。

按照上式分別計算各部位三維數據與其對應手工數據間的組內相關系數，計算結果如表2所示。將HumanSolutions所測三維數據與手工數據的組內相關系數用CH表示，[TC]2所測三維數據與手工數據的組內相關系數用CT表示。

由表2可知， HumanSolutions所測三維數據與對應手工數據的組內相關系數除肩寬1和肩寬2外均大于0.75。[TC]2所測三維數據與對應手工數據的組內相關系數除頸根寬、后長、前長、肩寬1、肩寬2外均大于0.75。由此說明選定的測量項目中大部分項目的三維數據與其對應手工數據間一致性良好。

表2 三維數據與手工數據組內相關系數表Tab.2 C between 3-D data and manual data

而針對組內相關系數較低的測量項目，需通過進一步的分析，確認該部位三維數據與對應手工數據間的一致性。

2.2.3 三維數據與手工數據的可替換性檢驗

通過三維數據與其對應手工數據的對比折線圖(見圖1)及組內相關系數(見表2)可知，大部分測量項目的三維數據與其對應手工數據間具有良好的數據一致性。本文實驗基于GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般要求》所述的確定三維掃描測量精準度的方法，結合實際測量條件進一步對三維數據與其對應手工數據的可替換性進行檢驗。

分別求出各測量項目的三維數據與手工數據間的差值、差值的均值、標準差和95%的置信區間。將95%的置信區間結果與各測量項最大允差進行對比，探討三維數據與其對應手工數據間的可替換性。各測量項目結果見表3，將HumanSolutions三維數據與其對應手工數據差值用ΔH表示，[TC]2三維數據與其對應手工數據差值用ΔT表示。

表3 三維數據與手工數據可替換性檢驗表Tab.3 Replaceability of 3-D data and manual data

由表3可知，HumanSolutions三維數據在圍度項、部分寬度項(乳點間距、腹部前突點位寬)、部分厚度項(頸根厚、胸圍位中心厚、腰圍位厚、臀圍位厚、小腿最突圍位厚)、部分實長項(后長、前長、肩寬2、肩寬1)與手工數據差值的95%置信區間在最大允差范圍內，因此針對上述測量項目，HumanSolutions三維數據與其對應手工數據間具有良好的可替換性。

[TC]2三維數據在部分圍度項(頸根圍、乳下圍、腹部前突點圍、小腿最突點圍)、部分寬度項(乳點間距)、部分厚度項(頸根厚)、部分實長項(后長、前長、肩寬2、肩寬1)與手工數據差值的95%置信區間在最大允差范圍內，因此針對上述測量項目，[TC]2三維數據與其對應手工數據間具有良好的可替換性。

分析HumanSolutions測量數據中未在最大允差范圍內的測量項目可知，頸根寬、乳下圍位寬、乳下圍位厚、腹部前突點厚等項目的ΔH值與最大允差差值不大于0.1 cm，乳點位寬、臀圍位寬、乳頭點位厚、后中心長處的ΔH值與最大允差差值不大于0.2 cm，腰圍位寬、小腿最突圍寬、前中心長處的ΔH值與最大允差差值不大于0.3 cm。考慮實際實驗操作，認為三維數據與其對應手工數據的差異是由進行手工測量及三維掃描時志愿者姿態變化或呼吸等因素所導致的[11]，后期實驗時需盡量降低姿勢變化幅度，并盡量使志愿者在某個自然呼氣或自然吸氣狀態下進行手工測量及三維掃描。

分析[TC]2測量數據中未在最大允差范圍內的測量項目可知，圍度項、寬度項、厚度項、實長項的最大允差分別為0.8、1.1、1.0、 0.2 cm。產生較大差異的原因可為：進行2種測量時，志愿者姿態或呼吸等導致尺寸的變化；手工測量時所測人體為柔性人體，而三維測量時所測三維人體模型可視為剛性人體，所以柔性人體和剛性人體的測量結果間存在差異。

2.3 不同三維儀器數據的比對及分析

對比2種儀器所得三維數據與其對應手工數據間的組內相關系數可知，CH數值整體大于CT數值，說明HumanSolutions所測三維數據與手工數據間的一致性優于[TC]2所測三維數據與手工數據間的一致性。

表3中，對比2種儀器所得三維數據與其對應手工數據差值的95%置信區間可知，HumanSolutions與[TC]2所測得三維數據在圍度項上均與其對應手工數據存在較好的可替換性；在寬度項的腰圍位寬、腹部前突點位寬、臀圍位寬、小腿最突點位寬，HumanSolutions所測三維數據對應的ΔH范圍更接近于最大允差范圍；在厚度項除頸根厚外，HumanSolutions所測三維數據所對應的ΔH范圍更接近于最大允差范圍。說明在大部分人體圍度項測量上，HumanSolutions三維數據和[TC]2三維數據具有等價性，可相互替換使用；在人體寬度項、厚度項測量上，HumanSolutions三維數據較[TC]2三維數據具有更高的數據準確性。

明確2種儀器所測三維數據間的關系后，對數據存在差異的原因進行探究。由掃描儀參數可知，HumanSolutions三維掃描儀每秒獲取的數據密度(2 000 000字節/s)遠大于[TC]2三維掃描儀(400 000字節/s)。分別從HumanSolutions三維掃描人體數據庫及[TC]2三維掃描人體數據庫中提取1個在某測量部位具有相同圍度數值、相近扁平率的人體樣本，截取該部位點云截面并以測量時該部位的立體標記點作為重合點對點云截面進行重疊，得到點云截面重疊圖。圖2為具有相同圍度及扁平率的某個樣本臀部點云截面重疊圖，其中點A為臀部立體標記點。由重疊圖可知，HumanSolutions掃描所得點云較[TC]2三維所得點云密集，包含更多的信息，由此推斷當針對同個樣本進行掃描時，[TC]2掃描儀數據丟失信息量較HumanSolutions掃描儀多，所測數據的精度較HumanSolutions掃描儀的差。進一步對[TC]2掃描所得點云截面圖進行觀測，結果如圖3所示。

圖2 HumanSolutions與[TC]2掃描點云截面對比Fig.2 Points cloud comparison between HumanSolutions and [TC]2

圖3 [TC]2-腰圍點云截面圖Fig.3 [TC]2-cross section of waist point cloud

通過[TC]2掃描所獲取的人體點云在胸部至人體肚臍部呈現出層次明顯的雙層點云片，且點云數據在人體側面存在部分缺失，是導致[TC]2三維測量數據與手工測量數據間平均差值的95%置信區間與最大允差范圍存在差異的原因。

3 結 論

用HumanSolutions和[TC]2所測三維數據與其對應手工數據，除個別項目外，在大多數項目中存在良好的數據一致性。HumanSolutions三維數據在圍度項及大部分厚度項、實長項與手工數據具有可替換性，[TC]2三維數據與手工數據在不易受呼吸影響的項目上具有可替換性。此外，HumanSolutions三維數據較[TC]2三維數據與手工數據具有更優的數據一致性和可替換性。

HumanSolutions三維數據和[TC]2三維數據在大部分圍度項存在數據的可替換性。

所以，在同時使用不同測量方法所獲取的人體數據時，對數據進行一致性和可替換性檢驗是非常必要的。對于一致性強和具有可替換性的數據，可直接等價使用；對于不可替換的數據，可以通過建立數據間數學模型進行等價，或借助手工測量數據作為補充。建議后期研究通過增加樣本量等方式對相關內容進行深入探討。

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