接触与非接触式人体测量数据比较

潘 力, 王 军,2, 姚 彤, 于 佐 君

( 1.大连工业大学 服装学院, 辽宁 大连 116034; 2.天津工业大学 艺术与服装学院, 天津 300387; 3.大连工业大学 艺术与信息工程学院, 辽宁 大连 116600 )

0 引 言

人体测量为与产品设计相关的行业提供了重要的基础数据,主要有接触式测量和非接触式测量2种方式[1]。接触式测量是指测量仪器与人体直接接触从而直接获得人体数据信息的测量方式,测量工具主要是马丁测量仪。非接触式测量是指测量工具不与人体直接接触,通过间接手段获得人体数据信息的测量方式,测量工具主要是非接触式三维人体扫描仪[2-3]。

数据的准确性直接影响到数据的可用性[4-5]。在基于三维人体测量的服装数字化应用研究中,数据准确性验证及与传统服装标准中手工测量数据的比较分析是相关研究的基础。本文基于服装号型标准,对三维扫描与手工测量所得数据进行比较研究,分析了三维扫描数据的可用性及2组数据差异产生的原因。

1 人体测量实验

实验地点:大连工业大学辽宁省数字化服装设计与工程重点实验室。

实验对象:18～25周岁在校女大学生。

实验仪器:Vitus Tech math三维人体扫描仪、马丁测量仪。

测量数据:身高、胸围、腰围、臀围、第7颈椎点高、全臂长、颈围等。

2 样本量的确定

为保证非接触式三维人体测量和接触式手工测量的数据比较在统计学上有效,测量实验样本量的大小应能在95%的置信度和0.05(或更高)的显著性水平下。经验证,三维扫描测量和传统测量差值的观测值成正态分布,根据GB/T 23698—2009“三维扫描人体测量方法的一般要求”[6],查得最小样本量可以用如下公式估计:

(1)

式中:s为三维扫描与手工测量差值的标准差,δ为待检的差值阙值,1.96为0.05显著性水平下双侧检验时的临界Z值,1.65为95%置信度下的临界Z值。

对于一个特定的系统,差值标准差的真值通常是未知的,因此该值通过对类似系统的前期研究来估算。待检测的差值阙值可以根据GB/T 23698—2009“三维扫描人体测量方法的一般要求”中查到,见表1。

对于每一项人体尺寸,三维扫描和传统测量之间差值的方差是不同的,而且不同类别人体尺寸待检的差值阙值也是不同的,所以通常针对不同类别的人体尺寸项目估算多个最小样本量,选择其中最大的一个。采用这种方法,在最差情况下计算所得的最小样本量也足以满足95%置信度和0.05显著性水平的要求[6]。

表1 三维扫描与手工测量数据允许平均差异最大值

Tab.1 Maximum allowable mean difference of 3D scanner and manual measurement

体段长度高度大围度小围度平均差异最大值/cm0.50.40.90.4

在前期研究的基础之上,根据公式(1)计算出主要部位的样本量如表2。根据表2,本研究所需样本量最大的人体部位是臂长,需要204人。随机抽取229名在校女大学生进行接触式与非接触式测量,并比较研究2种测量方式提取数据的差异程度。

表2 人体主要测量部位最小样本量

Tab.2 Minimum samples of main measurement body sites

身高第7颈椎点高臂长颈根围胸围腰围臀围最小样本量3964204130402717

3 2种测量方式测量数据的比较

3.1 基本统计分析比较

运用SPSS17.0数学统计软件分别对2种测量方式的基本统计数据进行比较,结果见表3。2种测量方式所提取的数据存在不同程度的差异,主要从数据的均值、最小值、最大值和标准差4个方面来衡量。从均值上看,差异最大的是胸围,最小的是身高。三维扫描仪测量所得身高、胸围、腰围、臀围数据略大于手工测量数据,第7颈椎点高、颈根围、臂长数据略小于手工测量数据。2组数据的标准差相差较小,差值由小到大依次是身高、第7颈椎点高、腰围、臀围、颈根围、胸围和臂长。

表3 2种测量方式测量数据的基本统计量

3.2 测量数据的相似性分析

测量数据的相似性分析主要依据测量部位的平均值进行比对研究,2组数据的相似率即为平均值中的较小值与较大值的百分比。非接触式三维扫描与接触式手工测量数据的相似率见表4。

表4 非接触式三维扫描与接触式手工测量数据的相似率

Tab.4 Similarity rate of non-contact 3D scanner and contact manual measurement data

由表4数据可知,2种测量方式身体主要部位数据的相似率较高,相似率由高到低依次是身高、第7颈椎点高、臂长、颈根围、腰围、臀围、胸围。

4 数据差异分析

4.1 误差分析

手工测量与三维人体扫描的测量误差可能主要有如下几个方面:首先,人体呼吸的影响,一般人体呼气和吸气胸围的差值为2～4 cm,故呼吸可能是胸围及腰围数据测量误差形成的主要原因。其次,被测者身体晃动会造成测量结果的差异,轻微的晃动也会对三维扫描结果产生较大影响。第三,受主客观因素的影响,2种测量方式在确定人体骨骼点、测量部位时均存在一定误差。

4.2 数据差异分析

高度及长度方向数据差异分析:2种测量方式在高度及长度方面数据差异较小,其中身高的均值、极大值与极小值相差最小。2组数据身高、第7颈椎点高和臂长的相似率均较高,分别是99.9%、99.6%和98.9%。

围度方向数据差异分析:2种测量方式所测胸围、腰围、臀围、颈根围数据存在一定差异。其中,三维扫描所测胸围、腰围及臀围数据均值与极值均略大于相应的手工测量数据。引起数据差异的主要原因与2种测量手段的围度测量方式不同有关,三维人体扫描仪提取围度数据为体表不规则曲面周长,而手工测量提取体表近似围长。人体同一切面体表凹凸曲线长通常大于其外轮廓椭圆围长,其中胸部凹凸最大,因此2种测量方式的胸围差异最大。

2种测量方式所得颈根围数据均值差异较小,而极大值与极小值差异性相左。引起差异的主要原因可能是被测量者姿势变化的影响。

此外,在测量围度时,无论是哪种测量方式,在确定相关围度测量部位时都会存在一定的偏差,影响测量数据的差异。

2组围度数据相似性由高到低依次是颈根围、腰围、臀围和胸围,相似率分别为98.2%、97.4%、97.3%和96.0%。

5 结 论

(1)非接触式三维人体测量方式具有快速、准确、全面获取人体数据信息等优势,被广泛应用于人体测量与数据采集项目中。

(2)2种测量方式相比,在高度与长度方向的平均值差异较小,围度方向差异相对略大,其中胸围平均值的差异最为显著。

(3)非接触式与接触式测量方式提取数据的相似率总体较高,相似率由高到低依次是身高、第7颈椎点高、臂长、颈根围、腰围、臀围和胸围。

(4)非接触式三维人体扫描仪提取人体体表数据信息,对服装用胸围数据的准确性测量有较明显影响,可通过手工测量方式予以补充。

[1] 王军,李晓久. 基于三维测量的数字化服装应用研究综述[J]. 纺织导报, 2011(11):82-84.

[2] BRETSCHNEIDER T, KOOP U, SCHREINER V, et al. Validation of the body scanner as a measuring tool for a rapid quantification of body shape[J]. Skin Research and Technology, 2009, 15(3):364-369.

[3] LOVATO C, CASTELLANI U, FANTONI S, et al. Computer assisted estimation of anthropometric parameters from whole body scanner data[G] // MAGNENAT-THALMANN N. Modelling the Physiological Human: 3D Physiological Human Workshop. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2009:71-83.

[4] 邹奉元,张颖. 基于不同方法的人体测量数据重复性研究[J]. 纺织学报, 2004, 25(4):71-72.

[5] 张淑君,丁笑君,邹奉元. 三维人体扫描仪测量数据与手工测量数据关系研究[J]. 浙江理工大学学报, 2006, 23(3):298-301.

[6] 全国人类工效学标准化技术委员会. GB/T 23698—2009 三维扫描人体测量方法的一般要求[S]. 北京:国家标准出版社, 2009.