三维人体测量技术的发展现状及其应用

王晓菲，王燕珍

(上海工程技术大学 纺织服装学院, 上海 201620)

人体的尺寸数据是国家生产发展的基础数据，数据的应用关乎到人类的衣食住行。传统的人体测量方法使用广泛，但都是接触式的测量，有很大的局限性：①接触测量时间过长，往往会使被测体者感到疲劳或窘迫；②测量者技术可能不够娴熟造成测量的精度没有保障，从而给测量结果带来不可避免的误差；③三维的人体曲面有些数据无法准确量取，一维和二维的数据反映不出三维的人体特征[1]。传统的人体测量已经不能满足我国服装业的发展，与传统的测量技术相比，三维人体测量技术具有测量数据精确度高、时间短、全面快捷的优势，适合量身定制的服装批量生产，很多软件可以对获得的数字化人体进行有效互动测量，有极大的商业价值[2]。随着人体测量、服装纸样设计、服装排料以及服装裁剪的自动化发展，先进、智能的三维人体测量显得尤为重要，发展势在必行[3]。

随着服装CAD与CAM技术的迅速发展，服装的立体化、个性化和时装化成为年轻消费者追求的潮流，为了顺应这一时代潮流趋势。本文通过文献查阅研究法研究三维人体测量技术在服装业中的应用，以期为服装业的发展提供理论参考。

1 三维人体测量技术

1.1 概 念

三维人体测量技术包含计算机技术、图形处理技术、光学测量技术以及数字化信号处理技术等多个学科的知识[1]。三维人体扫描系统又叫人体数字化系统，亦被称为三维人体测量系统，被广泛应用于服装、影视动画、医疗以及人机工程等领域，是发展人体(人脸)识别模式、人体特殊装备(人体假肢、个性化武器装备)、特种服装设计(潜水服、航空航天服)以及开展人机工程研究的理想工具。

三维人体测量技术的主要方式是非接触式三维人体测量，主要方法包括：[TC]2分层轮廓测量法、激光测量法、立体摄影测量法、莫尔条纹测量法、投影条纹相位测量法、Loughborough人体阴影扫描装置和Cyber全身扫描系统等。

1.2 工作原理

三维人体测量仪的工作原理是以非接触的光学测量为基础，通过多台光学3D扫描器，利用光照射系统进行联动控制，使用全方位视觉设备对人体进行全面的拍摄扫描，捕获人体的体表外形，通过系统来提取扫描得出的数据结果，最终实现人体点云数据的精确输出。

人体扫描系统主要由光扫描系统和激光扫描组成。最常用的三维扫描方法为激光扫描法与白光相位扫描法[4]，当前主要的人体扫描系统中使用 [TC]2、Symcad光扫描技术的仪器；使用Cyberware Wb4、Vitus Smart和3DLS[5]激光扫描系统的仪器。扫描系统工作流程图如图1所示，整个流程主要分为4个步骤[6]：①通过机械运动的光源照射和扫描物体；②扫描物体的反射图像被CCD(Charge Coupled Device)摄像头探测；③通过反射图像计算出人体与CCD摄像头的距离；④利用软件转换距离数据生成3D图像。

图1 扫描系统工作流程图

1.3 常用设备

三维人体测量仪器性能比较见表1，服装上常用三维人体扫描仪的性能比较主要包括产地、结构光技术、工作时间、精确度及环境要求等。

表1 三维人体测量仪器性能比较

三维人体测量仪的主要特点包括：①测量速度高效，每次采集时间可精短至0.4 s；②测量的精确度非常高，最高可以达到0.05 mm；③每次收集的数据较多，可达到100万点以上；④测量的面积很大，单次最大可达1 000 mm×800 mm；⑤不需要黏贴标记点，利用纹理特征自动拼接出逼真的3D彩色数据，真实再现人体的站姿、坐姿、头部以及躯干等标准参数；⑥按照正常的工作日操作，以每天8 h计算，光源可以用作20年拍人模式和拍物模式的自由切换，操作简单、方便，使用安全；⑦计算机能联动控制多种格式输出，如ASC、TXT、STL、IGS、WRL以及OBJ等格式，也可以和CATIA、MAYA、PRO/E、UG、Geomagic等软件接口，可根据用户的需要进行多机自由组合。

2 三维人体测量技术研究现状

2.1 国内研究现状

与欧美发达国家相比，国内的三维人体测量技术在其领域的研究相对落后[7]。

在1983—1999年之间，我国先后颁布了GB/T 5704.1—1985《人体测量仪器 人体测高仪》、GB/T 5704.2—1985《人体测量仪器 人体测量用直脚规》、GB/T 16160—2008《服装人体测量的部位与方法》以及GB/T 5703—2010《用于技术设计的人体测量基础项目》等人体测量方面的国家标准，对人体测量仪器和方法进行了统一，为以后正确开展人体测量奠定了坚实的基础。2009年,中国国家标准化管理委员会颁布了GB/T 23698—2009《三维扫描人体测量方法的一般要求》，在三维人体测量中对 25个人体表面关键特征点及 36 个人体表面关键特征尺寸给出了明确标准。总后军需装备研究所、北京服装学院均研制出了双视点投影光栅体型扫描仪; 西安交通大学激光与红外应用研究所开发出了光电人体尺寸测量系统; 基于立体摄像测量方法，中山大学研发了“2000 服装 CAD 系统”。东华大学、西安工程大学建立的人体数据库研究成为国内规模最大、专业技术水平最高的三维人体扫描研究实体，主要用于开展人体的测量、服装号型标准的制订和改善等方面的相关工作。广州大学纺织服装学院赛博服装科研中心投入2 400多万元开展的“中国三维人体数据库”项目服装研究实体仍在研究当中。

博克三维人体数据采集图见图2，衣得体三维扫描图见图3。2图均由上海工程技术大学纺织服装学院实验室的博克三维人体扫描仪一代(深圳市博克时代科技开发有限公司生产)和YDT-3D-462衣得体三维扫描仪(上海衣得体信息科技有限公司生产)所采集，由图可知，从目前国内来看，全国的一些高校和研究所正在对三维人体测量技术进行积极的探索和研发。

图2 博克三维人体数据采集图

图3 衣得体三维扫描图

2.2 国外研究现状

发达国家三维人体扫描技术的研究起步相对较早，技术成熟，比较商业化，尤其在服装领域的应用最为突出[8]。美国纺织服装技术中心([TC]2分层轮廓测量方法) 研发的利用白光相位测量技术10 s就能快速获得人体80多个尺寸的测量，完成对人体45 000个点的扫描的人体测量系统，其精确度误差在0.6 mm以内，能全面、准确地反映出人体的体型情况。德国的TecMath人体扫描系统仅仅20 s内就可以完成一次最高能够捕捉人体的80 000个数据点的扫描过程，其精确度误差能够保持在0.2 mm以内[7]。

目前，世界上已经建立了90 多个规模较大的人体测量数据库，其中大部分是欧美发达国家，亚洲国家相对较少，约有 10 个，其中日本占了一半以上。在美国、荷兰、意大利等国家CASER人体测量技术研究被得到了大量应用。英国3D电子商务中心在网上广泛开展了三维人体测量数据等相关方面的商业活动。日本HQLD提出了人体测量和增进人类福祉计划。

3 三维人体测量技术在服装业中的应用

3.1 服装号型标准和人体数据库

人体测量为服装号型标准的制定以及科学的研究提供了基础的数据[9]，对服装业的发展有着巨大的研发潜质和应用价值。三维人体测量技术可以采用三维人体测量仪对不同地方和国家的人体进行测量，极大的提高了测量的效率和精确度，并且能详细地划分出测量部位，获得有效的人体测量数据，最终实现人体体型的细分和更新，从而为制定出新的服装号型、建立大规模的人体体型数据库和服装号型标准提供更为准确有效的数据参考依据，也可以利用详细人体尺寸测量的数据和3D空间形态特征，深入地研发人体的体型，为各类原型设计以及服装用标准人台提供基础数据[10]。

我国在人体测量的基础上颁布了GB/T 1000—1988《中国成年人人体尺寸》国家标准；1986年开展了全国性的人体测量工作，制定出GB/T 1335—1997《服装号型》国家标准；2003年北京服装学院爱慕人体工学研究所开始建立人体数据库及相关项目的研究，2006年完成的“基于人体测量的男装版型技术与标准研究”是目前最具权威和准确性的人体数据库；东华大学([TC]2)和西安工程大学(TecMath)等高等院校也相继建立起了人体数据库；都为服装业的大规模定制生产(MC)和量身定制生产(MTM)奠定了坚实的数据基础。

2001年由英国政府、科研院校、服装企业以及一些大型的服装零售商携手共同完成了一项全国性项目名为Size UK的大规模人体测量，并由此建立了英国国家标准的人体尺寸数据库[11]。欧洲纺织协会(EURATEX)和欧洲委员会(CEC)鼓励所有的成员国进行全国性人体普查,研发欧洲人体体型数据库，建立欧洲人体尺寸标准。美国在2003年利用[TC]2对13个州10 000多人进行了大规模人体普查，公司利用研发的三维人体扫描仪进行大规模人体测量，然后建立与英国相似的人体尺寸数据库(新的Size UK)[12]。

3.2 服装工业个性化量身定制系统

在服装业的量身定制系统中主要是利用三维人体测量仪对消费者的人体进行自动化测量，通过自动化测量的数据计算出结果，然后再根据客户的要求和习惯转化成服装成品尺寸，最后与服装效果图、服装纸样设计、排料、服装裁剪、服装缝制、成品熨烫、检验以及成品包装等相结合，最终实现量身定制服装的生产。从测量到成衣的过程仅仅需要2～3天，很大的缩短了时装高级定制的生产周期，极大地提高了服装工业的生产效率和生产利润。

国内著名服装品牌九牧王公司推出“量身定制”系统后，消费者可以通过个性化定制系统购买到合身的服装，这一项业务并不额外收取加工费及运费等，定制的价格是同类服装产品的标准零售价[13]。英国Baird Menswear西服公司率先使用量身定制系统进行了西服的生产[14]。英国Colchester的防卫服装以及纺织代办处利用自动人体测量仪和防弹部门联手制造了实用的防护盔甲[15]。法国Telmat公司的专家使用Symcad进行了人体尺寸的测量，为法国海军成功定制制服积累了丰富的经验[16]。加拿大的国家军队利用三维人体测量技术采集了每个士兵的人体体型数据后研发了不同军种的服装号型规格[9]。

3.3 电子商务及网上购物

随着网络信息化时代的到来，以网络为基础的电子商务不仅改变着全球的贸易方式,而且将为服装企业带来崭新的发展机遇。消费者通过三维人体测量可以轻松得到一张准确的体型数据卡，然后利用体型数据卡通过互联网进行网上购物[17]。

对于企业而言，可以建立更具体、精准的目标消费者体型档案库；对于消费者来说，这些测得的身体数据也方便了顾客选购其他品牌的服装。网络服装商城让网上消费者消除了必须实地试衣的困扰，消费者只要通过上网登录自己的基本信息(身高、体重、脸形和尺寸等)，网站根据消费者填写的信息建立一个属于消费者自己的“虚拟试衣模特”，从而满足消费者个性化的服装需求。

3.4 成衣展示的数字化和虚拟试衣

虚拟试衣技术通过消费者体型的立体视觉原理或三维数据信息，利用计算机技术构造出三维人体模型，消费者可以从计算机所存储的服装效果图来挑选喜欢并且适合自己的服装款式，然后通过计算机的图形学原理和图像处理把所选择的服装穿到虚拟人体模型上，从而更直观、更逼真地看到三维虚拟人体模型的立体着装效果[18]。三维虚拟试衣流程图如图4所示。

图4 三维虚拟试衣流程图

美国Browzwear公司的旗舰产品“C-Me”是专门用于网上服装销售的三维虚拟试衣软件[19]，其直接从公司的服装CAD系统中获取服装纸样和服装面料等信息，再把服装2D纸样在虚拟化的模特身上缝合起来，从而模拟出试穿的3D过程。把三维虚拟服装穿在三维人体模型上可以生动、形象地展示出服装的静态模拟穿着效果与动态模拟穿着效果。穿着三维虚拟服装的网络模特在试衣软件中不仅可以全方位旋转，而且还可以自由走动，因此服装消费者可以全方位观察服装的穿着效果[20]。虚拟试衣在现实中的应用[21]见图5。

图5 虚拟试衣的应用

3.5 服装快速反应系统

服装快速反应是指服装企业可以在恰当的时间向目标客户提供需要的数量、合适的价格、高品质的服装产品，重点是充分利用各种资源来增强服装企业生产的灵活性[22]。建立服装快速反应系统是当今世界纺织服装业在激烈的市场竞争中脱颖而出的关键举措，快速反应系统的建立和完善，可以提高纺织服装企业对市场的反应速度，缩短国内外市场的时空距离[23]。服装快速反应系统的目标是实施“针对顾客的价值创造”，需要借助三维CAD系统及网络信息技术来实施，服装生产企业必须与面料供应商、服装零售商建立互利共赢的友好合作关系。三维人体扫描系统可以准确、快速地测量出人体数据, 生成三维人体模型, 直观显示出设计的服装穿着后的效果，可以根据面料和花型等参数的输入，能够瞬时展示出虚拟的样品，在面料、图案设计师、款式设计者、零售商或顾客的参与下对样品进行讨论、修改直至满意，使服装的前期策划、款式设计、样衣试制、生产和销售更好的联系起来，使服装快速反应系统更好的发展[24]。

4 结束语

通过对三维人体测量技术国内外的研究现状以及在服装业的应用研究发现，从服装号型标准、人体数据库、量身定制系统、电子商务、虚拟试衣以及服装快速反应系统等方面，可以得出三维人体测量技术的应用使服装业的发展迅速步入到了数字化的发展阶段，使智能化、一体化、系统化服装产业的生产成为现实。三维人体测量技术满足了消费者对于个性化、适体性服装消费的迫切需求。然而，对于怎样提高三维人体测量的精确度，如何更好地进行人体建模，如何提高虚拟试衣的速度、精确度和自动化程度以及如何降低其成本等关键性问题，并未有确切的方法，三维人体测量技术的研究还有非常大的发展空间。因此，三维人体测量的智能化，三维人体数据采集的自动化，三维人体扫描的动态化、网络化，三维人体测量结果的准确、高效性，低成本以及与服装CAD系统的兼容性是三维人体测量技术需要进一步研究的方向。

三维人体模型的生成和应用是人体测量学的最新研究方向，网络信息技术与三维人体测量技术的完美结合将成为今后三维服装行业发展的主要趋势。三维人体测量技术的很多关键性技术问题还有待进一步的深入研究，通过对更为自动、精确、高效的三维人体测量技术进行深入的研发和应用，将会给人们的美好生活带来极大的便捷，三维人体测量技术的应用也将更好，前景越来越广阔。