三維人體測量技術的發展現狀及其應用

王曉菲，王燕珍

(上海工程技術大學 紡織服裝學院, 上海 201620)

人體的尺寸數據是國家生產發展的基礎數據，數據的應用關乎到人類的衣食住行。傳統的人體測量方法使用廣泛，但都是接觸式的測量，有很大的局限性：①接觸測量時間過長，往往會使被測體者感到疲勞或窘迫；②測量者技術可能不夠嫻熟造成測量的精度沒有保障，從而給測量結果帶來不可避免的誤差；③三維的人體曲面有些數據無法準確量取，一維和二維的數據反映不出三維的人體特征[1]。傳統的人體測量已經不能滿足我國服裝業的發展，與傳統的測量技術相比，三維人體測量技術具有測量數據精確度高、時間短、全面快捷的優勢，適合量身定制的服裝批量生產，很多軟件可以對獲得的數字化人體進行有效互動測量，有極大的商業價值[2]。隨著人體測量、服裝紙樣設計、服裝排料以及服裝裁剪的自動化發展，先進、智能的三維人體測量顯得尤為重要，發展勢在必行[3]。

隨著服裝CAD與CAM技術的迅速發展，服裝的立體化、個性化和時裝化成為年輕消費者追求的潮流，為了順應這一時代潮流趨勢。本文通過文獻查閱研究法研究三維人體測量技術在服裝業中的應用，以期為服裝業的發展提供理論參考。

1 三維人體測量技術

1.1 概 念

三維人體測量技術包含計算機技術、圖形處理技術、光學測量技術以及數字化信號處理技術等多個學科的知識[1]。三維人體掃描系統又叫人體數字化系統，亦被稱為三維人體測量系統，被廣泛應用于服裝、影視動畫、醫療以及人機工程等領域，是發展人體(人臉)識別模式、人體特殊裝備(人體假肢、個性化武器裝備)、特種服裝設計(潛水服、航空航天服)以及開展人機工程研究的理想工具。

三維人體測量技術的主要方式是非接觸式三維人體測量，主要方法包括：[TC]2分層輪廓測量法、激光測量法、立體攝影測量法、莫爾條紋測量法、投影條紋相位測量法、Loughborough人體陰影掃描裝置和Cyber全身掃描系統等。

1.2 工作原理

三維人體測量儀的工作原理是以非接觸的光學測量為基礎，通過多臺光學3D掃描器，利用光照射系統進行聯動控制，使用全方位視覺設備對人體進行全面的拍攝掃描，捕獲人體的體表外形，通過系統來提取掃描得出的數據結果，最終實現人體點云數據的精確輸出。

人體掃描系統主要由光掃描系統和激光掃描組成。最常用的三維掃描方法為激光掃描法與白光相位掃描法[4]，當前主要的人體掃描系統中使用 [TC]2、Symcad光掃描技術的儀器；使用Cyberware Wb4、Vitus Smart和3DLS[5]激光掃描系統的儀器。掃描系統工作流程圖如圖1所示，整個流程主要分為4個步驟[6]：①通過機械運動的光源照射和掃描物體；②掃描物體的反射圖像被CCD(Charge Coupled Device)攝像頭探測；③通過反射圖像計算出人體與CCD攝像頭的距離；④利用軟件轉換距離數據生成3D圖像。

圖1 掃描系統工作流程圖

1.3 常用設備

三維人體測量儀器性能比較見表1，服裝上常用三維人體掃描儀的性能比較主要包括產地、結構光技術、工作時間、精確度及環境要求等。

表1 三維人體測量儀器性能比較

三維人體測量儀的主要特點包括：①測量速度高效，每次采集時間可精短至0.4 s；②測量的精確度非常高，最高可以達到0.05 mm；③每次收集的數據較多，可達到100萬點以上；④測量的面積很大，單次最大可達1 000 mm×800 mm；⑤不需要黏貼標記點，利用紋理特征自動拼接出逼真的3D彩色數據，真實再現人體的站姿、坐姿、頭部以及軀干等標準參數；⑥按照正常的工作日操作，以每天8 h計算，光源可以用作20年拍人模式和拍物模式的自由切換，操作簡單、方便，使用安全；⑦計算機能聯動控制多種格式輸出，如ASC、TXT、STL、IGS、WRL以及OBJ等格式，也可以和CATIA、MAYA、PRO/E、UG、Geomagic等軟件接口，可根據用戶的需要進行多機自由組合。

2 三維人體測量技術研究現狀

2.1 國內研究現狀

與歐美發達國家相比，國內的三維人體測量技術在其領域的研究相對落后[7]。

在1983—1999年之間，我國先后頒布了GB/T 5704.1—1985《人體測量儀器 人體測高儀》、GB/T 5704.2—1985《人體測量儀器 人體測量用直腳規》、GB/T 16160—2008《服裝人體測量的部位與方法》以及GB/T 5703—2010《用于技術設計的人體測量基礎項目》等人體測量方面的國家標準，對人體測量儀器和方法進行了統一，為以后正確開展人體測量奠定了堅實的基礎。2009年,中國國家標準化管理委員會頒布了GB/T 23698—2009《三維掃描人體測量方法的一般要求》，在三維人體測量中對 25個人體表面關鍵特征點及 36 個人體表面關鍵特征尺寸給出了明確標準。總后軍需裝備研究所、北京服裝學院均研制出了雙視點投影光柵體型掃描儀; 西安交通大學激光與紅外應用研究所開發出了光電人體尺寸測量系統; 基于立體攝像測量方法，中山大學研發了“2000 服裝 CAD 系統”。東華大學、西安工程大學建立的人體數據庫研究成為國內規模最大、專業技術水平最高的三維人體掃描研究實體，主要用于開展人體的測量、服裝號型標準的制訂和改善等方面的相關工作。廣州大學紡織服裝學院賽博服裝科研中心投入2 400多萬元開展的“中國三維人體數據庫”項目服裝研究實體仍在研究當中。

博克三維人體數據采集圖見圖2，衣得體三維掃描圖見圖3。2圖均由上海工程技術大學紡織服裝學院實驗室的博克三維人體掃描儀一代(深圳市博克時代科技開發有限公司生產)和YDT-3D-462衣得體三維掃描儀(上海衣得體信息科技有限公司生產)所采集，由圖可知，從目前國內來看，全國的一些高校和研究所正在對三維人體測量技術進行積極的探索和研發。

圖2 博克三維人體數據采集圖

圖3 衣得體三維掃描圖

2.2 國外研究現狀

發達國家三維人體掃描技術的研究起步相對較早，技術成熟，比較商業化，尤其在服裝領域的應用最為突出[8]。美國紡織服裝技術中心([TC]2分層輪廓測量方法) 研發的利用白光相位測量技術10 s就能快速獲得人體80多個尺寸的測量，完成對人體45 000個點的掃描的人體測量系統，其精確度誤差在0.6 mm以內，能全面、準確地反映出人體的體型情況。德國的TecMath人體掃描系統僅僅20 s內就可以完成一次最高能夠捕捉人體的80 000個數據點的掃描過程，其精確度誤差能夠保持在0.2 mm以內[7]。

目前，世界上已經建立了90 多個規模較大的人體測量數據庫，其中大部分是歐美發達國家，亞洲國家相對較少，約有 10 個，其中日本占了一半以上。在美國、荷蘭、意大利等國家CASER人體測量技術研究被得到了大量應用。英國3D電子商務中心在網上廣泛開展了三維人體測量數據等相關方面的商業活動。日本HQLD提出了人體測量和增進人類福祉計劃。

3 三維人體測量技術在服裝業中的應用

3.1 服裝號型標準和人體數據庫

人體測量為服裝號型標準的制定以及科學的研究提供了基礎的數據[9]，對服裝業的發展有著巨大的研發潛質和應用價值。三維人體測量技術可以采用三維人體測量儀對不同地方和國家的人體進行測量，極大的提高了測量的效率和精確度，并且能詳細地劃分出測量部位，獲得有效的人體測量數據，最終實現人體體型的細分和更新，從而為制定出新的服裝號型、建立大規模的人體體型數據庫和服裝號型標準提供更為準確有效的數據參考依據，也可以利用詳細人體尺寸測量的數據和3D空間形態特征，深入地研發人體的體型，為各類原型設計以及服裝用標準人臺提供基礎數據[10]。

我國在人體測量的基礎上頒布了GB/T 1000—1988《中國成年人人體尺寸》國家標準；1986年開展了全國性的人體測量工作，制定出GB/T 1335—1997《服裝號型》國家標準；2003年北京服裝學院愛慕人體工學研究所開始建立人體數據庫及相關項目的研究，2006年完成的“基于人體測量的男裝版型技術與標準研究”是目前最具權威和準確性的人體數據庫；東華大學([TC]2)和西安工程大學(TecMath)等高等院校也相繼建立起了人體數據庫；都為服裝業的大規模定制生產(MC)和量身定制生產(MTM)奠定了堅實的數據基礎。

2001年由英國政府、科研院校、服裝企業以及一些大型的服裝零售商攜手共同完成了一項全國性項目名為Size UK的大規模人體測量，并由此建立了英國國家標準的人體尺寸數據庫[11]。歐洲紡織協會(EURATEX)和歐洲委員會(CEC)鼓勵所有的成員國進行全國性人體普查,研發歐洲人體體型數據庫，建立歐洲人體尺寸標準。美國在2003年利用[TC]2對13個州10 000多人進行了大規模人體普查，公司利用研發的三維人體掃描儀進行大規模人體測量，然后建立與英國相似的人體尺寸數據庫(新的Size UK)[12]。

3.2 服裝工業個性化量身定制系統

在服裝業的量身定制系統中主要是利用三維人體測量儀對消費者的人體進行自動化測量，通過自動化測量的數據計算出結果，然后再根據客戶的要求和習慣轉化成服裝成品尺寸，最后與服裝效果圖、服裝紙樣設計、排料、服裝裁剪、服裝縫制、成品熨燙、檢驗以及成品包裝等相結合，最終實現量身定制服裝的生產。從測量到成衣的過程僅僅需要2～3天，很大的縮短了時裝高級定制的生產周期，極大地提高了服裝工業的生產效率和生產利潤。

國內著名服裝品牌九牧王公司推出“量身定制”系統后，消費者可以通過個性化定制系統購買到合身的服裝，這一項業務并不額外收取加工費及運費等，定制的價格是同類服裝產品的標準零售價[13]。英國Baird Menswear西服公司率先使用量身定制系統進行了西服的生產[14]。英國Colchester的防衛服裝以及紡織代辦處利用自動人體測量儀和防彈部門聯手制造了實用的防護盔甲[15]。法國Telmat公司的專家使用Symcad進行了人體尺寸的測量，為法國海軍成功定制制服積累了豐富的經驗[16]。加拿大的國家軍隊利用三維人體測量技術采集了每個士兵的人體體型數據后研發了不同軍種的服裝號型規格[9]。

3.3 電子商務及網上購物

隨著網絡信息化時代的到來，以網絡為基礎的電子商務不僅改變著全球的貿易方式,而且將為服裝企業帶來嶄新的發展機遇。消費者通過三維人體測量可以輕松得到一張準確的體型數據卡，然后利用體型數據卡通過互聯網進行網上購物[17]。

對于企業而言，可以建立更具體、精準的目標消費者體型檔案庫；對于消費者來說，這些測得的身體數據也方便了顧客選購其他品牌的服裝。網絡服裝商城讓網上消費者消除了必須實地試衣的困擾，消費者只要通過上網登錄自己的基本信息(身高、體重、臉形和尺寸等)，網站根據消費者填寫的信息建立一個屬于消費者自己的“虛擬試衣模特”，從而滿足消費者個性化的服裝需求。

3.4 成衣展示的數字化和虛擬試衣

虛擬試衣技術通過消費者體型的立體視覺原理或三維數據信息，利用計算機技術構造出三維人體模型，消費者可以從計算機所存儲的服裝效果圖來挑選喜歡并且適合自己的服裝款式，然后通過計算機的圖形學原理和圖像處理把所選擇的服裝穿到虛擬人體模型上，從而更直觀、更逼真地看到三維虛擬人體模型的立體著裝效果[18]。三維虛擬試衣流程圖如圖4所示。

圖4 三維虛擬試衣流程圖

美國Browzwear公司的旗艦產品“C-Me”是專門用于網上服裝銷售的三維虛擬試衣軟件[19]，其直接從公司的服裝CAD系統中獲取服裝紙樣和服裝面料等信息，再把服裝2D紙樣在虛擬化的模特身上縫合起來，從而模擬出試穿的3D過程。把三維虛擬服裝穿在三維人體模型上可以生動、形象地展示出服裝的靜態模擬穿著效果與動態模擬穿著效果。穿著三維虛擬服裝的網絡模特在試衣軟件中不僅可以全方位旋轉，而且還可以自由走動，因此服裝消費者可以全方位觀察服裝的穿著效果[20]。虛擬試衣在現實中的應用[21]見圖5。

圖5 虛擬試衣的應用

3.5 服裝快速反應系統

服裝快速反應是指服裝企業可以在恰當的時間向目標客戶提供需要的數量、合適的價格、高品質的服裝產品，重點是充分利用各種資源來增強服裝企業生產的靈活性[22]。建立服裝快速反應系統是當今世界紡織服裝業在激烈的市場競爭中脫穎而出的關鍵舉措，快速反應系統的建立和完善，可以提高紡織服裝企業對市場的反應速度，縮短國內外市場的時空距離[23]。服裝快速反應系統的目標是實施“針對顧客的價值創造”，需要借助三維CAD系統及網絡信息技術來實施，服裝生產企業必須與面料供應商、服裝零售商建立互利共贏的友好合作關系。三維人體掃描系統可以準確、快速地測量出人體數據, 生成三維人體模型, 直觀顯示出設計的服裝穿著后的效果，可以根據面料和花型等參數的輸入，能夠瞬時展示出虛擬的樣品，在面料、圖案設計師、款式設計者、零售商或顧客的參與下對樣品進行討論、修改直至滿意，使服裝的前期策劃、款式設計、樣衣試制、生產和銷售更好的聯系起來，使服裝快速反應系統更好的發展[24]。

4 結束語

通過對三維人體測量技術國內外的研究現狀以及在服裝業的應用研究發現，從服裝號型標準、人體數據庫、量身定制系統、電子商務、虛擬試衣以及服裝快速反應系統等方面，可以得出三維人體測量技術的應用使服裝業的發展迅速步入到了數字化的發展階段，使智能化、一體化、系統化服裝產業的生產成為現實。三維人體測量技術滿足了消費者對于個性化、適體性服裝消費的迫切需求。然而，對于怎樣提高三維人體測量的精確度，如何更好地進行人體建模，如何提高虛擬試衣的速度、精確度和自動化程度以及如何降低其成本等關鍵性問題，并未有確切的方法，三維人體測量技術的研究還有非常大的發展空間。因此，三維人體測量的智能化，三維人體數據采集的自動化，三維人體掃描的動態化、網絡化，三維人體測量結果的準確、高效性，低成本以及與服裝CAD系統的兼容性是三維人體測量技術需要進一步研究的方向。

三維人體模型的生成和應用是人體測量學的最新研究方向，網絡信息技術與三維人體測量技術的完美結合將成為今后三維服裝行業發展的主要趨勢。三維人體測量技術的很多關鍵性技術問題還有待進一步的深入研究，通過對更為自動、精確、高效的三維人體測量技術進行深入的研發和應用，將會給人們的美好生活帶來極大的便捷，三維人體測量技術的應用也將更好，前景越來越廣闊。