欢迎订阅《国际纺织导报》《产业用纺织品》三维人体测量技术的现状和比较

郭云昕　张　微　刘咏梅　奚　桐

1. 东华大学 服装·艺术设计学院(中国) 2. 上海市服装研究所(中国)



欢迎订阅《国际纺织导报》《产业用纺织品》三维人体测量技术的现状和比较

郭云昕1张微2刘咏梅1奚桐2

1. 东华大学 服装·艺术设计学院(中国) 2. 上海市服装研究所(中国)

针对服装定制过程中的人体尺寸提取技术，介绍了国内外非接触式人体测量方法，分析了各类测量方式的原理、特点及发展趋势。比较结果显示：被动式非接触测量方法简单易行，但测量误差难以确定，不适用于标准测量或精确测量；主动式测量方法中基于白光和激光的扫描技术测试速度高且精确度高，但操作复杂，设备昂贵。通过对测量方式及仪器的比较发现，基于红外深度传感的测量方法和毫米波技术已有一定的市场接受度，是未来的发展趋势。

三维扫描技术； 人体测量； 红外深度传感； 毫米波技术

人体测量是指借助某种工具获得人体特征部位的尺寸数据。通过人体测量可进一步确定个体或群体之间人体尺寸上的差别，这是服装设计与生产的基础性工作。人体测量数据不但广泛运用于学术研究领域，还具有极高的商业价值。服装行业从古代的小作坊单件流模式到工业化大批量生产，至当今面向顾客个性化需求的大规模定制，在每一个发展阶段都离不开人体测量技术的更新换代。如今人们生活条件改善，崇尚个性，服装定制正成为服装领域的发展主流，因而定制的首要步骤——量体的技术研发尤为重要。

三维人体测量技术出现于20世纪80年代中期，它可实现非接触式测量，并应用于人体数据库建立、服装量体定制、人体工程学、医学及博物馆陈列等[1-3]技术领域。与手工测量方式相比，三维人体测量技术测量速度更快，且无主观人为因素引起的测量误差，因此结果更加可靠，目前已广泛运用于各大院校和研究机构的科研工作中。通过与计算机辅助服装设计系统相结合，三维扫描仪器的测量结果可与CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)及CIMS( 计算机集成制造系统)等软件对接，实现人体测量和服装设计一体化。本文基于服装定制过程对人体尺寸快速提取的需求，对各类三维人体扫描方式及仪器进行了比较分析。

1　国内外三维人体测量技术现状

非接触三维人体测量技术基本是以光学为基础，结合软件应用技术、计算机图像学及传感技术等多种科学为一体的跨学科技术[4]。按照测量方式的不同可分为主动式和被动式两大类[5]。

主动式是指测量仪器主动对被测物投射光束，通过电荷藕合器件(CCD)相机得到被测人体表面所形成的图像，对不同角度所摄图像进行坐标转换后，拼合得到完整的点云图像，所得到的原始点云图还需进行图像增强、去噪、平滑及边缘锐化等处理，根据特征部位的定义提取相应的点云数据或进行算法计算得到需要的尺寸数据。主动式方法根据光源的不同可以分为基于普通光的扫描技术(如摩尔条纹法和白光相位法)、基于激光的扫描技术和基于红外的深度传感技术等。

被动式方法是指利用摄影成像技术，直接拍摄人体图像进行测量的方法，因过程中不需要对被测对象投射光束，故称之为被动式三维测量方法。

1.1被动式三维人体测量技术

被动式人体测量技术根据拍摄采用的摄像机数可分为单目视觉法、双目视觉法和三目视觉法。单目视觉法即只采用一台摄像机，其仪器结构相对简单，摆放要求低，也不存在双目和三目中各个摄像机之间匹配的难题[6]。

英国的Loughborough人体阴影扫描装置[7]即采用单目视觉法。被测人员站立在仪器转盘中，由摄像机记录投射在人体的光线，身体形状由一系列切面表达，横截面轮廓线由一个16点连成的曲线表达，以此建立三维身体的表面模型。加拿大的VisImage人体测量系统[8]利用系统照相机捕获被测者的数字图像后，由电脑程序自动计算人体37项尺寸测量值，此系统操作简单，测量速度快，系统成本低，2005年加拿大政府指定其为防生化武器制服的专用尺码选择设备。葛彦等[9]采用一台数码相机拍摄人体正面和侧面全身照，并且拍摄前在被测者身上贴上待测点，后期处理时根据照片标杆尺寸和实际标杆尺寸的比例计算得到人体实际尺寸。方金等[10]在三维测量技术中融入了镜面系统，特殊之处在于拍摄照片时，系统内部可依靠镜面反射同步得到人体不同位置的照片(图1)，这一系统既避免了单目系统一个摄像机依次拍照造成的误差，也避免了双目或多目传感器内每个摄像机拍摄非严格同步产生的偏差。宋昌江等[11]使用对人体无害的CCD白光摄像机设计了双目系统，试验表明最终测量人体的误差低于1mm，但测量时间较长，需16～20s。

图1　单照相机镜面组合系统

可见，被动式三维人体测量技术虽然有简单易行、速度高、轻巧便携、成本低及自动化程度较高等优点，但缺点也比较明显。一是被动式测量法中使用的摄像机对拍摄环境要求较高，被测者必须站在指定位置，摄像机镜头必须保持水平和垂直，拍摄者和被拍摄者间需要高度配合；二是摄像机都有一定的视角，拍摄距离也有限，因此误差难以确定[12]；三是使用人体宽度和厚度等尺寸代入回归方程计算人体尺寸，对于人体胸部、臀部等曲面复杂部位难以完全复原，误差较大。胡海滔等[13]对照相法测量人体尺寸进行的验证也表明，使用照相法所得到的结果不能满足相关标准要求。因此，只有在明确测量对象允许误差较大时才可考虑使用被动式三维人体测量技术，而在人体数据库建立、标准制定和生产实践应用中则不应采用这种测量技术。

1.2主动式三维人体测量技术

1.2.1莫尔条纹法

莫尔条纹法是将结构光射到被测物——人体表面，人体表面的凹凸不平使投射的光栅不再规律排列，此栅线与基准栅线通过干涉得到的莫尔等高线含有数据信息，通过分析即可获得尺寸数据。但此法一般提取的莫尔条纹数只能是整数级的，提取分析的数据不完整，因此测量精度和数据量受到了很大限制。虽然市场上已经推出了采用此原理研发的设备，但在三维测量技术的发展中，莫尔条纹原理的设备数据可使用性不强。香港理工大学开发的CubiCam[14]，即为采用莫尔条纹法原理制作的三维扫描仪，它使用正常光进行快速照明，仅需1 s，即可在短距离(测量物与相机间距较小)内生成人体图像轮廓，这种高分辨率的莫尔图像甚至可消除人体自主呼吸产生的测量偏差。

1.2.2白光相位法

白光相位法使用的是普通光照明技术，与莫尔条纹法类似，它同样是将人体表面凹凸不平产生的变形光栅录入计算机后分析得到人体表面轮廓信息，从而计算得到人体尺寸[15]。不足之处是该法难以获得人体隐藏面积的数据，如腋窝、大腿分叉处、下颚等，因而造成人体三维数据部分缺失，且由于照相机易受白光影响，该设备需要在暗室中操作。总体而言，基于白光相位的人体三维测量技术成本较低，测量结果相对可靠，数据处理时间短，可用于快速定制生产。

美国的[TC]2和法国的SYMCAD OptiFit是常用的利用白光相位原理制造的三维测量仪。[TC]2系统开发了用于商业化用途的白光分层轮廓测量技术(PMP)[16]。系统共有6台照相机，分别安装在对称的3个台柱上(图2)，通过对6台照相机拍摄的照片进行连接，得到人体大约95%部位的数据。所测的一系列数据可直接与服装打板、变版的CAD软件对接，实现从人体测量、快速变版到自动裁床等一系列自动化生产过程。从[TC]2第五代产品开始使用的均为Primesense公司的深度传感技术。

图2　[TC]2在投影机、摄像机和扫描物体之间的三角测量

OptiFit系统采用普通白光进行测量，测试不受人体运动和内衣颜色的影响，具有人体尺寸提取及体型分析功能，并提供数据传输模块，该模块提供开放式平台，可以连接大多数CAD/CAM系统，因而可使用这一软件实现量身定制。OptiFit整个系统还可装载在中等大小的卡车或20 in的集装箱(5.900 m×2.424 m×2.393 m)内[17]，实现三维扫描仪器的可移动性。

1.2.3激光测量法

激光测量法即三角测量法，运用相似三角形的原理，用多个激光测距仪在不同方位接收激光在人体表面的反射光，通过对反射光的时间间隔、光轴角度及强度等进行分析，得到数据信息[18]。激光测量法的精度很高，不受环境光线的干扰，但对筛选后所用激光的发射功率有限制，以确保对人体无害。由于激光扫描头需结合智能机械摇臂或机械滑轨进行扫描，摇臂需设有位置传感器，因而对机械精度要求较高，因此该扫描系统价格昂贵。目前市场上的一些主流激光扫描仪的扫描时间较长，测量过程中被测者摇摆、呼吸和姿态的变化对最终数据结果影响显著。

德国Human Solutions公司开发的扫描系统[19]能在2s内完成扫描，如此短的时间可有效避免人体晃动等造成的扫描问题[20]。每个人体三维扫描仪包括4个柱子，体积小，输出结果能提供丰富的人体尺寸。Human Solutions公司还开发了全球第一辆装备三维人体扫描系统的卡车——Scanliner，车上有测量扫描区、更衣室及等待室等部分，顾客在车上十几秒内就可完成测量工作，但缺点是仍然需要更衣测量，造成诸多不便。

与Human Solutions公司的产品相比，美国的Cyberware测量系统运用的技术及结构更复杂，成本更高。Cyberware随扫描头垂直移动的相机从4个角度记录图形数据(图3)，系统大约需16s 来完成测量，并得到三维数据和一个24点位的彩色结构图。

图3　Cyberware全身扫描系统

1.2.4基于红外深度传感的测量法

近年来，随着Kinect传感器(图4)等深度信息获取设备的出现，基于深度图像融合获得人体三维模型，并提取三维尺寸信息等技术引起了人们的关注。由红外相机不断向外发射红外结构光，通过光学三角测量可得到真实世界的以毫米为单位的深度图像[21]，获取的多幅深度图像能融合完成物体三维重建。2010年，自Kinect发布后，其小巧便携的特性、低廉的价格及较好的扫描精度等特点，在平衡成本和实用性之间取得了巨大进步。Kinect的硬件配置主要包括彩色摄像头、红外摄像头、红外投影机、麦克风及MovingTouch传动电动机等。

图4　Kinect

科研人员利用Kinect进行了三维测体设备的构建，并对采集的深度数据重建人体三维模型的方法和系统进行了研究。

Alexander Weiss等[22]实现了基于单个Kinect的家用型三维人体重建系统，提出了一种从Kinect的含有噪声的单目RGB彩色图像和粗糙的深度图像中获取三维人体模型的方法。通过人体在Kinect前的移动获得多个视角的单目数据，综合这些单目数据得到准确的人体模型估计(本文定义为方法1)。试验表明，获得的三维人体的精确度相对于费用较大的商业扫描系统具有竞争性。

宋诗超[23]同样利用一台Kinect对模型正反面进行拍摄，得到深度图像及深度数据，选取三点坐标对齐法将不同角度拍摄的人体分块点云拼接起来后，再采用Delaunay三角剖分算法对仪器获取的人体点云数据进行粗略的建模，形成由三角片拼合的体表模型(图5)，完成对人体模型的重建工作。他还对人体表面各部分特征进行了编码定义，实现了尺寸数据的自动化提取(本文定义为方法2)。

图5　人体点云数据粗略的建模

Yin Chen等[24]将两台Kinect分别置于被测者正前方和正后方，每台Kinect由自动电动机带动，分别在各自纵向平面上升降，拍摄被测者的上部、中部和下部。使用新的超对称三阶图匹配算法将得到的点云图像拼合，前后图像之间缺失的间隙可由二次样条曲线弥补(本文定义为方法3)。测量时间仅需3 s，能很好地避免因试验者移动产生的测量误差，但测量精度较低。

朱江涛[25]同样使用两台Kinect来获取人体站立姿势下完整人体的精确数据，分别得到人体上、下部分生成的三维点云。使用调整算法对去噪后的两片三维点云预处理，最后用迭代最近点算法(ICP)配准两片三维点云获得完整人体三维点云模型(图6)。但该系统没有实现自动化的人体尺寸提取，需依靠半手工方式，手动选取测量点，再由计算机通过算法运算得到尺寸值(本文定义为方法4)。

图6　Kinect获取三维点云的拼合

Jing Tong等[26]使用3台Kinect的扫描系统来获取人体完整的三维模型。为避免干涉现象，系统使用2台Kinect分别扫描人体的上部分和下部分，且两部分没有重叠，使用另一台Kinect从相对方向采集人体的中间部分(本文定义为方法5)。系统提出了一种在非刚性形变下将不同身体部位拼接起来的配准算法。试验表明，系统采用的重建方法有效，但是由于Kinect采集的深度数据质量不高，系统重建的人体还是无法达到有些应用要求，且系统存在偶尔不能配准成功的情况，反复迭代的配准策略也会在一定程度上影响算法的时间，因而系统采用固定装置，故不适合于便捷、手持、移动的快速扫描。

表1所示为几种使用Kinect深度传感器构建的三维人体测量系统的参数对比。

研究现状后发现，使用新兴技术Kinect深度传感器获得人体三维模型的最大优点在于其体积小、便携度高且成本低，但实际运用还存在以下问题：Kinect摄像头获取的原始深度数据比较粗糙，深度图像噪声较大，尺寸不一致，而基于Kinect的三维重建系统需在提高速度的基础上兼顾精度；使用单台Kinect测量得到的人体不同角度深度图像，或是使用几台Kinect获得的不同角度深度图像后，如何使用精确度和速度较高的算法将这些深度图像融合重建成完整的人体三维模型是目前的难点。

目前已投入市场、技术较为成熟的配置深度传感器的三维扫描仪有法国Telmat公司的SYMCAD III 3D Body Scanner和美国的Size Stream 3D Body Scanner。

基于深度传感器的测量方法只能对人体表面进行扫描，若要获得净体尺寸，被测者仍需脱去外衣，穿着内衣或紧身衣(健身衣、泳衣)等进行测量，也可采用另一种解决方案，即通过大数据测量，获得顾客穿着较贴体服装(T恤、衬衫等)与其净体尺寸差量的计算式，由此便可在得到测量数据后，自动生成其净体尺寸，使被测者不脱衣测体成为可能。

1.2.5毫米波技术

毫米波技术目前主要应用于检查人员是否携带危险、违禁物品的场合。与红外线相比，毫米波波长更长，且具有较强的绕射能力；与厘米波相比，毫米波成像可提供合适的分辨率[27]。目前，毫米波技术基础理论的研究已较为成熟，但若投入实际应用还存在着较多问题。一是毫米波器件尤其是高频段器件相对昂贵，制约了整个系统的设计；二是应用于人体扫描领域时，图像的分辨率是有待解决的最大问题。

毫米波应用于人体扫描领域的代表产品有Me -Ality试衣间。Me -Ality试衣间是美国Bloomingdales公司的产品，该扫描系统主要服务于终端成衣店，通过毫米波技术实现顾客无需脱衣便可获取三围尺寸信息的效果。顾客可以在服装店内当场获得自己的尺寸信息，进而可挑选合适号型的服装，避免因尺寸不合适而进行的费时、费力的重复试衣。Me -Ality工作频率仅为通话时长10 s手机的工作频率的千分之一。目前Bloomingdales公司已拥有超过100万位顾客的信息。

2　三维人体测量技术的比较与分析

就本文介绍的目前市场上三维人体测量技术所使用的原理及一些仪器而言，目前对三维人体扫描仪器进行的比较和评价还仅针对测量本身，如扫描时间、计算时间，以及数据误差等，若要投入单量单裁(MTM)、大规模定制等实际智能生产制造中，扫描系统的后台要求、与CAD系统的衔接性、测体实施简便程度及性价比等也都是重要的考量指标。一般而言，投入市场应用的三维人体扫描仪都拥有一定的自主知识产权，从设备的外观设计、制造成型至测量软件的编写都是公司自主研发的。实际使用中，不同的仪器采用的编程算法不同，取点算法不同，人体取点位置也不相同，采用三维人体测量仪器进行的测试尚未形成一定的标准，不同的测量仪器对同一个人的测量结果会存在一定差异[28]，所以自主研发的测量系统或者程序有无自带原始数据输出功能也是重要的衡量标准。

具体的对比参数应包括扫描方式、测量时间、处理时间(建模与输出数据所需时间)、测量精度、仪器尺寸、质量、性价比、环境要求和价格等。

一些三维人体测量仪器的扫描处理时间、精确度、环境要求及价格的对比如表2所示。分析发现：

——国外发达国家在三维人体测量领域的研究起步较早、技术成熟、设备扫描精度高，成果的商用程度也相对较高，目前中国市场中的主流三维测量仪器大部分产自国外。相同技术下，国内的扫描仪器较之国外价格更便宜。

——激光扫描仪的扫描时间虽大于白光三维扫描仪，但精确度更好，在正常室内环境下即可完成测量，对被测者内衣颜色也没有要求，而白光系统的三维扫描仪由于照射的是普通光，因此测试需在暗室中进行，以避免外界光线的影响，且被测者还需穿着浅色内衣，以防扫描数据的缺失。

——基于白光、激光的三维扫描系统目前已经比较成熟，扫描精度高，但系统设备昂贵，性价比不高，不适合作为商业应用，推广到终端店铺使用。

——基于Kinect的三维人体测量系统最突出的优点是其体积小、便携度高且成本低，使用多台Kinect同时进行测量，可以在3s内完成整个测体过程，在实际应用中有着广阔的前景，但其测试的精确度相较于其他成熟产品则略显不足，如何在提高测量速度的基础上提升精确度是未来的研发重点。

——毫米波成像技术应用于三维人体测量领域的最大优点在于它可进行不脱衣测量，这是现有技术中唯一可以实现不脱衣测量的方法。从应用角度而言，便携、价低、高分辨率、稳定可靠等是毫米波成像系统的发展趋势。

——近几年红外深度传感器吸引了众多研究者的关注，它拥有传统三维测量系统所不具备的一些特点，如价格较低、拍摄速度较高、精确度高、对环境条件要求少等，具有较强的竞争优势，适用于面向客户，在服装店中摆放使用。

表2　三维人体测量仪器性能比较

3　结语

三维人体测量技术与传统测量技术相比具有准确、快速的优势，适合大批量量身定制的服装的生产。将智能测量人体三维技术与后续服装制作过程中的CAD/CAM结合，形成智能制造系统是服装业发展的必然趋势。但目前三维人体测量技术还不成熟，存在很多有待改进的问题，如人体尺寸标准定义如何在

计算机中实现；测量尺寸如何转化为成衣，以及测量设备的价格如何适应市场等。

人们生活方式的改变促进了服装行业的智能化变革，推进了三维人体测量技术的发展，开发测量迅速、结果精准、价格低廉的仪器设备是研发的重点。另外，采用不脱衣的方式得到人体净体尺寸也是未来测量技术的发展方向。

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The situation and comparison of three-dimensional body measurement technology

GuoYunxin1,ZhangWei2,LiuYongmei1,XiTong2

1. Fashion·Art Design Institute, Donghua University, Shanghai/China 2. Shanghai Garment Research Institute,Shanghai/China

Based on human dimension extraction technology in the process of apparel customization, the non-contract body measurement both at home and abroad was introduced， and the principles, features and development trends of the various measuring method were analyzed. The results of comparison showed that passive non-contact body measurement methods were simple to operate, but it was difficult to determine the measuring error, so they were not suitable for standard and accurate measurement. The white-light and laser scanning techniques in active non-contact body measurement method had fast speed and high precision, but the operation was complicate and the price of device was relatively expensive. By comparing measurement methods and instruments, it can be found that infrared depth sensor measurement methods and millimeter wave technology could be accepted by the public and the market, so the technology might be the future trend of development.

three-dimensional scanning technology； human body measurement； infrared depth sensor； millimeter wave technology