服装领域光学人体测量技术的应用

赵 倩，邓咏梅

（1.西安工程大学 服装与艺术设计学院，陕西 西安 710048；2.绍兴市柯桥区西纺纺织产业创新研究院，浙江 绍兴 312030）

人体测量可通过非接触式和接触式来实现，随着产业升级和研究的深入，非接触式人体测量被应用于更多领域。基于现代光学的非接触式三维人体测量技术，将图像作为直接检测对象和信息来源获取体表信息[1]，信息以点云数据呈现，是人体特征点和特征线的构成基础，通过软件处理，用点云数据重构人体虚拟数字化模型[2]。

1 光学人体测量的原理与分类

1.1 光学人体测量的基本原理及在逆向工程中的意义

逆向工程又称反求工程，主要是获取产品模型的点云数据，采用曲面重建技术，将产品模型转换为数字模型，并在此基础上进行开发和再加工[3]。获取逆向模型是逆向优化建模的第一步，是用三维扫描仪对已有产品模型进行扫描测量来获得产品结构数据[4]，从而对被测物进行仿真模拟。

1.2 光学人体测量的分类

光学人体测量可分为激光三角测量法、结构光法、激光测距法、图像分析法、工业CT（ICT）全息法等。测量方法不同，得到的点云数据形式也不同，可分为4种，如图1所示。综合分析各种测量方法，主要基于普通光、激光和红外3种光源[5]。

1.2.1 普通光扫描法

CubiCam扫描仪采用莫尔条纹法原理（图2），采用白光快照，只要1 s便可在短距离内形成人体轮廓图像，分辨率较高，还可消除人体呼吸造成的偏差。

美国[TC]2扫描仪（图3），采用白光相位原理，通过白光分层测量技术获取人体点云数据，其原理是将白光正弦曲线投射到被测物上，依据莫尔光投射原理，对被测物表面形成的投射变形图样进行计算，得到被测物的表面数据，6台摄影仪同时采集数据，通过合并形成完整的物体表面形态数据[6-7]。

6台摄像机分3个位置设置，每个位置的两台仪器上下放置，可扫描人体95%左右的表面，图像解析度是12 mm，精确度为3 mm，可获得黑白图像。

1.2.2 激光扫描法

德国Vitus Smart（图4），可获取更多人体细节数据，便于在较小空间使用，其激光是对眼睛无损害的级别，运用相似三角形原理，采用激光测距仪多方位测量，计算人体轮廓坐标，形成人体三维模型，通过测量获取人体尺寸[8]。

Cyberware三维测量系统（图5），采用更复杂精细的技术和硬件结构，系统软硬件紧密结合，整个过程由软件控制，可在软件系统查看三维结果。从4个方位进行扫描，每个方位的仪器沿竖直方向运动对被测物进行扫描，获取物体表面完整数据一般需要16 s。通过多个机位的扫描，将数据拼合形成物体表面完整数据，该仪器还会形成一个被测物的24点位彩色结构图，所以成本偏高。

1.2.3 基于红外深度传感器的三维扫描法

基于深度图像融合获得的人体三维尺寸信息，是近年的发展热点。如图6所示，红外相机向外发射红外结构光，通过光学三角测量得到被测物以毫米为单位的深度图像[9]，多幅深度图像融合成完整的物体三维重建模型，因小巧便携、价格低廉和较高的扫描精度等特点，在平衡成本和实用性上具有较大优势。

基于红外深度传感器的Body Line（BL）扫描系统，应用位置传感探测器（PSD）的光电二极管技术（LED），发射脉冲式红外线，当被测物反射光源后，投射镜头感应其反射光，应用该反射光构造被测物的外部形态，再通过二级镜头采集这些光线，探测器感知并聚焦这些光线，抽取三维数据，错漏数据较少，减少了人体穿着服装造成的误差，最终得到接近人体净尺寸的体表数据[10]，如图7所示。

2 光学人体测量在服装领域的应用

基于以人为本的理念，实现更具价值的研究成果，围绕人体体表数据研究，使各产业获得了更多的发展可能。例如，在影视制作中为动画人物设计动作，需要捕捉人体动态数据；在口罩设计中，需要考虑更多的人体数据，形成更优化的结构，使得医务工作者长时间佩戴也不会产生勒痕等。

2.1 体型数据库的建立

只有对人体体型作统计分析，才能将产品设计和市场需求接轨，形成健康的产业运作。大部分企业有自己的号型规格，这与他们的目标群体有关，即他们针对的客户体型就是他们号型规格的设计原则，而往往很难获得准确、真实的体型特征数据。没有大数据的统计，小样本的测量无法实现真正的群体规则。三维扫描技术可以获取目标群体准确的大量参数，其精细程度可以满足研究者和企业的所有设计需求，并且可通过多种渠道采集数据，不仅可以获得更多群体资讯，还可以引导新产品的开发。

2.2 数字化人台的建立

立体裁剪弥补了平面设计在曲面设计中的众多不足，然而，传统的方式常常耗费大量人力和物力，成本高，且耗时长。服装产业数字一体化发展，从服装设计到生产、销售都进入了数据处理的快速时代。基于三维扫描获取的人体数据形成数字化人台，可以对群体的体型划分提供有价值的信息，也可以为更多功能性服装的研发提供技术参数和评价基础。

2.3 量身定制（MTM）

系统首先通过三维人体测量获得客户人体数据，以需求为导向，形成下单式设计规则，设计师根据订单要求在设计系统中进行从服装设计到成品制作的操作。完成一个订单的过程，一般为3天，是降低成本、减少库存、提高效率的有效手段。随着辅助产业的发展，例如工艺的实现和产业链的成熟，订制化服装设计的服务质量和效率会有所提升。

2.4 数字化服装博物馆

在共享型社会理念之下，数字化服装博物馆应运而生。高校建立自己的服装数字博物馆，通过仿真服装面辅料、款式、技术、工具等，让学生或者参观者了解本校服装专业的发展历史和研究成果，具有直观、交互性高的优点。企业将自己的产品和专利制作成数字化宣传物料，用于对外交流和商谈平台宣传。

2.5 在其他领域的应用

约90%的女性对自己的身材不满意，希望通过服装来修饰体型，而现有的塑身衣舒适性普遍较低[11]，为了达到减小围度的目的，过大的服装压力会对人体的生理和心理健康产生伤害。通过建立人体仿真模型和服装模型，模拟压力分布，进行功能性和舒适性压力研究。根据塑身需求调整压力分布，制作有效且较符合服用要求的塑身服装，同时还可以通过模拟来评价其服用性能[12]。

体育运动的精彩绝妙之处在于失之毫厘、差之千里。三维运动捕捉系统可以捕捉各个时空的细微动作，形成固定模型，获取准确参数，如位置、角度力量等，帮助提升运动成绩[13]。

近年来，乳腺癌术后乳房重建被越来越多的临床医生重视，并已成为乳腺癌全程管理的重要部分[14]，作为美容项目的乳房整形也日趋受到青睐，三维建模可以实现虚拟手术的演示。

3 结语

随着交叉产业的升级和服装产业需求的提升，快速、准确地获取人体体表数据成为至关重要的工程研究基础，而众多数据采集手段都各有优势和不足，这与需求的多样化有关，应根据具体的需求选择测量方式。此外，数字化时代的发展越来越精细，未来有待形成更高效、精确和全面的采集方式。