年齡對三維人體測量數據精確性的影響

汪海仙, 尚笑梅

(蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215006)

人體體型會隨著年齡的增加發生較大的變化[1]。中老年女性由于脂肪堆積，圍度方面的尺寸變化比較明顯，總體而言各圍度尺寸比標準體型尺寸偏大[2]。目前，常用的人體測量方法有手工測量和三維測量。手工測量簡便、直觀，一直在服裝行業中占據重要地位[3- 4]；三維測量不與人體直接接觸，它是基于光或激光的人體測量技術，通過掃描儀獲取人體數據和形狀[5- 6]。三維人體測量和手工人體測量的測量原理不同，且三維測量儀器內置固定的數學模型，因而不能像手工測量那樣根據體型差異的變化進行動態調整，三維測量數據的精確性會受到影響。數據的精確性直接影響數據的可用性[7]。HAN H[8]分析手工測量和三維測量數據差異與年齡的關系，得出年齡不會影響高度方面的數據差異，而對胸下圍和肩寬影響較大。

文中采用手工測量和三維人體測量的方法，得到99名女性的人體數據，對數據進行分析，找出兩種測量方法的差異。通過比較不同年齡層數據，發現兩種測量方法的差異與年齡層相關，此分析結果有助于提高三維人體測量數據的精確性。

1 人體測量實驗

1.1 實驗對象

江蘇省某高校在校女大學生及某工廠女職工共99人，年齡為20～59歲。

1.2 測量部位

選取與服裝結構設計相關的11個人體部位進行測量，包括：身高、肩寬、全臂長、胸圍、胸下圍、腰圍、臀圍、最小頸圍、頸根圍、腰高、肩至胸乳點(BP點)。

1.3 實驗環境

室內溫度為27±3℃，濕度為60%±10%，燈光強度適中，既保證被測者無不適感，又不影響測量者讀數[9-10]。

1.4 實驗儀器

Size Stream三維立體全身3D掃描儀，美國Size Stream有限公司制造。

1.5 實驗方法

1.5.1手工測量 將坐標紙貼于平整墻面且與地面平行，被測者穿著測體褲，眼睛平視前方，直立站在坐標紙前方，手臂自然下垂，雙腳并攏。經過專業培訓的3名測量者使用軟尺、三角尺和直尺進行測量，每個數據重復測量3次。

1.5.2三維人體測量 被測者穿著測體褲，眼睛平視前方，雙手握拳，雙臂向下伸直與人體保持一定距離，雙腿分開站立在指定位置。由能夠熟練操作3D掃描儀的3名測量人員對被測者進行測量，每個數據重復測量3次。

2 兩種測量方法數據差異分析

文中實驗一共測得99名女性的人體數據。利用SPSS軟件的Explore功能分別對每個部位的人體數據進行預處理，根據處理結果得到的莖葉圖，剔除137個異常值。

2.1 三維測量和手工測量數據的差異性分析

以手工測量數據為標準，利用Excel分別對兩種測量方法得到的人體數據進行基本統計數據分析，得出兩種測量方法的均值、平均差值、平均絕對差值及其對應的標準差，平均值統計結果如圖1所示，差值統計結果見表1。平均差值是三維測量和手工測量數據之間差值的平均值，它可以反映各個部位三維測量與手工測量數據的整體差異情況。平均絕對差值是三維測量數據與手工測量數據差絕對值的平均值。平均絕對差值越大，說明兩種測量方法的測量數據差異越大，反之則越小。

圖1 各部位手工測量和三維測量的平均值Fig.1 Average of manual and 3D body scanner data of each body part

Tab.1 Differences between manual measurement and 3D body scanner datacm

注：**表示在0.01水平(雙側)上存在顯著性。

1) 由圖1可以看出，除了腰高以外，三維測量數據的平均值均大于手工測量數據的平均值，說明在大多數部位的人體測量中，三維測量數據大于手工測量數據。

2)由表1可知，只有身高、全臂長、肩至BP點的平均絕對差值是小于2 cm，符合誤差允許的范圍。肩至BP點的平均絕對差值、平均差值、平均絕對差值的標準差和平均差值的標準差均是所有測量部位中最小的，平均差值小于0.1 cm，說明在所有測量部位中，它的測量數據穩定性較好，三維測量數據與手工測量數據較吻合。而腰高和臀圍的平均絕對差值都大于5 cm，且腰高的平均絕對差值的標準差最大，離散程度最大，最不穩定。胸圍、胸下圍、腰圍、最小頸圍這些圍度數據的平均差值都接近3 cm，平均差值的標準差接近2 cm，由此可見在圍度測量方面，三維人體測量與手工測量相比誤差較大。

2.2 三維測量和手工測量數據的差異顯著性T檢驗

為了驗證各部位兩種測量方法差異的顯著性，將兩種測量方法得到的各部位平均差值進行獨立樣本T檢驗，具體檢驗結果見表1。

在檢驗結果中只有肩至BP點的雙尾檢測值大于0.05，而其他部位的雙尾檢測值都小于0.01。說明手工人體測量和三維人體測量的肩至BP點數據沒有明顯差異；其他測量部位的數據都具有極顯著差異，手工測量和三維測量數據的誤差較大。

3 年齡對三維數據精確性的影響

文中根據GB/T 22187—2008將樣本分為4個年齡層并編號，將20～29歲歸為數據集A，共28個樣本；將30～39歲歸為數據集B，共28個樣本；將40～49歲歸為數據集C，共25個樣本；將50～59歲歸為數據集D，共18個樣本。

3.1 平均差值對比分析

以手工測量數據為標準，計算出各年齡層每個測量部位三維測量數據與手工測量的平均差值，具體結果見表2。由表2可以得出以下結論：

1) 同一部位不同年齡層的平均差值都有差異，說明年齡對手工測量和三維測量數據的差異會產生影響，三維測量數據的精確性受年齡的影響。其中肩寬、胸圍、頸根圍和最小頸圍差異的極差大于2 cm，說明這些部位不同年齡層的數據差異較大，三維測量數據的精確性較低。

2) 隨著年齡的增加，兩種測量方法得到腰圍和最小頸圍數據的差異也越大， 說明腰圍和最小頸圍的三維測量數據隨著年齡的增加，精確性也越差。其中A年齡層的胸圍、最小頸圍、頸根圍和肩寬平均差值明顯要低于B,C,D年齡層，主要是因為A年齡層女性體型屬于正常體型的較多，隨著年齡的增加，身體代謝變慢，女性體型開始偏胖，特殊體型人數增加。

3) 隨著年齡的增加，身高、胸下圍、腰高、臀圍和全臂長的手工測量和三維測量數據差異沒有明顯的規律性變化，但不同年齡層之間的數據差異都存在區別，三維測量數據的精確性受年齡的影響。

表2 不同年齡層手工測量和三維測量的平均差值

Tab.2 Mean differences between manual measurement and 3D body scanner data of different age groups

3.2 平均差值的方差分析和假設檢驗

以年齡作為唯一因素，各部位的平均差值為變量，進行單因素方差分析，并運用多重比較的字母標記法[8]進行標注，具體結果見表3。

表3 年齡對手工測量和三維測量數據差異的方差分析

注：**表示在0.01水平(雙側)上存在顯著性；*表示在0.05水平(雙側)上存在顯著性。

由表3可以得出以下結論：

1)在檢驗結果中，只有胸下圍和臀圍的雙尾檢測值大于0.05，說明不同年齡層之間的胸下圍和臀圍測量數據差異不顯著，三圍掃描儀定位臀凸點和乳房根點時與手工定位相似。

2)A年齡層的胸圍、最小頸圍、頸根圍和肩寬與其他3個年齡層存在極顯著差異。由于A年齡層的女性較年輕，乳房形態大多為圓盤形和半球形，尖挺而飽滿，但B年齡層之后的女性乳房會因為哺乳而造成胸部形態變化，且隨著年齡的增加，女性乳房會干癟下垂或外擴，導致三維掃描儀器無法準確定位出胸圍截面，不能使用內嵌數學模型精確計算出胸圍。但當進行胸圍手工測量時，專業化的測量者可以根據女性胸部形態調整軟尺進行測量。肩寬是左右肩峰點間的水平弧長，B年齡層之后的女性開始體型變胖、駝背，駝背越嚴重，肩胛骨就越突出，三維掃描儀在模擬手工軟尺測量時仿真性尚不夠高，由于肩胛骨處凹凸較大，導致三維測量數據偏大。

3)對于身高和腰高，雖然雙尾檢測值小于0.01，呈現極顯著差異，但不同年齡層身高數據差異稍小，主要是身高隨著年齡的增加變化較小，不會對不同的測量方法產生影響。

4 結語

1)11個測量部位中除了腰高以外，三維測量的數據大于手工測量的數據。肩至BP點的數據差異最小，兩種測量方法得到的數據較吻合。但由于人體站姿不同，兩種測量方法測得的腰高和臀圍的平均絕對差值和平均差值都較大，數據差異明顯，即使在三維掃描儀的內嵌數學模型中把站姿轉換成直立姿勢，依然存在問題。

2)肩至BP點的三維測量和手工測量數據沒有極顯著差異，其余測量部位的數據差異都顯著，因此肩至BP點的三維測量數據精確性最高。

3)年齡對三維人體測量數據的精確性存在一定影響，其中腰圍和最小頸圍三維測量數據的精確性隨著年齡的增加而降低，而不同年齡層的胸下圍、臀圍數據差異不顯著。

4)不同年齡層的身高、腰高、胸圍、最小頸圍、頸根圍和肩寬的數據存在顯著差異，且A年齡層中胸圍、最小頸圍、頸根圍和肩寬數據差異明顯小于B,C,D年齡層。