三维人体扫描系统与应用研究综述

于佳祺

(武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430070)

我国自古以来就有“量体裁衣”的说法，传统的测量方法要求施测者不仅能够熟练地掌握测量工具，而且对人体的结构也要有一定了解[1]，因此往往导致数据精度不够，难以满足现代工业化生产的要求。三维人体扫描，即非接触式测量方式是利用机器高精度扫描获得人体特征的测量数据，依此建立人体模型或人台，供相关产业使用。关于三维人体扫描的研究和应用在国外起步较早，目前比较常用的三维人体扫描系统主要有美国的3D MD三维立体成像系统、德国TechMath公司的三维扫描系统和英国的Cyberware全身扫描系统等。然而这些测量系统往往作为企业核心技术而严格管控，国内相关领域研究虽然取得一定进步，但仍存在较大差距。在这种背景下，本文对三维人体扫描技术和应用领域进行系统的梳理，以研判我国三维人体测量领域未来发展趋势。

1 三维人体扫描技术

三维人体扫描测量是一种复合性测量技术，它集合了包括光电子学、信息处理、计算机视觉和图像学在内的多种学科[2]，是利用测量手段将人体的特征数据保存到计算机中的一种测量技术。本文从点云数据的获取方式和测量方法两个方面来阐明三维人体扫描技术的不同分类。

1.1 点云数据获取方式下的三维人体扫描技术

根据点云数据的获取方式不同，三维人体扫描系统可以分为点扫描、线扫描、面扫描三类扫描系统。点扫描系统由日本首创，日本的Hamamatsu Scanner扫描系统，每侧带有4×32或4×64个红外LED传感器，扫描仪可以上下移动改变扫描位置。线扫描系统是指将光源汇聚成线条状扫描人体的外表，相较于点扫描精度下降，但其速度提升。美国的Cyberware Scanner和德国的Vitronic Scanner是线扫描系统的典型，它们均利用激光进行单线扫描。面扫描系统是利用立体摄影测量直接得出物体表面特征，这种方式需要多台相机从不同角度同时进行扫描[3]。

1.2 不同测量方法下的三位人体扫描技术

根据不同的测量方法，三维人体扫描系统又可以分为被动式和主动式三维人体扫描。被动式三维人体扫描的光源通常为人体所辐射出的红外线或自然光照射到人身上产生的反射。这种方式精度相对有限，主要有单目视觉法、立体摄影法、照相测量法、红外线测量法等四种方式。

单目视觉法对设备的要求不高，一台相机即可完成，并且避免了多台摄像机非同步拍摄导致的误差。VisImage公司已将单目视觉法应用于人体手脚等部位的扫描。立体摄影法则需要多台摄像机同步进行，且通常被扫描对象位于多台摄像机中心。这种方法精度较高，也是重建目标三维形态的主要方法，但是由于算法复杂，设备移动不便，该方法的应用并不广泛。照相测量法的原理是当相机拍摄扫描对象后，利用相机坐标系和世界坐标系之间的关系计算出图像各像素的坐标。这种方法受相机像素制约，且易受环境光的影响，存在较大误差。红外线测量法指通过仪器接收人体表面发射的红外线，处理后得到人体表面各点坐标。这种方式精度有限，且易受被扫描对象运动的影响。

主动式三维人体扫描指利用仪器发射处理过的光线，并对接收到的反射光进行解算，得到人体表面数据的方式。根据发射光线种类的不同，可以分为白光相位法、红外线和激光测量法、结构光测量法等多个类别。

白光相位法，指白光在通过光栅后变成光栅条纹照射到物体上，再经由物体粗糙的表面产生变形和反射后，仪器接收反射的光栅条纹并计算得到物体表面各点的坐标。该方法设备简单，精度较被动式测量高，但受环境光影响较大，且仪器计算的算法设计困难[4]。红外线测量法和激光测量法的光源采用无害的红外线或激光，仪器通过接收并处理发射到人体表面的红外线或激光的反射光，计算被扫描对象的位置信息和表面各点坐标[5]。结构光指将光源汇聚形成的多条窄光带。结构光测量法的原理为结构光照射到被扫描对象表面后，在物体高度信息调制下产生畸变，畸变的光带与基准光带干涉后得到目标表面的等高线，并得到目标表面特征[6]。

2 三维人体扫描系统

2.1 XTBody Scan系统

XTBody Scan是由我国刘烈金团队于2017年自主研发的一种三维人体扫描系统。该系统采用白光散斑投射的主动扫描方式，扫描一次仅需0.25 ms，可获得30万个左右精度达0.5 mm的点云数据。随后，XTBody Scan依此重建出人体的三维彩色模型。XTBody Scan总共有九组摄像头，除去人体正面的一组摄像头外，人体周围四根立柱上各有上、下两组摄像头，被扫描者只需站立在摄像头中间即可。总的来说，XTBody Scan是比较常规的一种三维人体扫描系统[7]。

2.2 Sense和Kinect系统

Sense三维人体扫描仪是由美国3DSystems公司研发的一款手持式红外线三维人体扫描仪。它体积较小，扫描精度0.9 mm，配备了三个镜头，即作为光源的红外线发射器、获取扫描对象表面颜色的RGB彩色摄像头、采用“光编码”方式获取对象表面深度的红外线CMOS摄像头。Sense三维扫描仪目前已被应用于个性化医疗器械设计和人体手臂建模[8]。

Kinect三维人体扫描设备是微软公司开发的体感外设，它和Sense三维扫描仪类似，它包含了红外线发射器、RGB彩色摄像头和CMOS深度感应器，且同样是手持扫描设备，但Kinect扫描范围较大，可以覆盖整个人体[9]。

2.3 Scanliner系统

Scanliner诞生较早，是全球第一辆卡车装载的移动三维人体扫描系统，它搭载了Techmath公司开发的VITUS/smart系统，十几秒即可完成对人体的全身测量。其优点是可以移动，且不需要反复进行标定，但需要注意的是，在移动和使用时需要保证卡车的稳定并避免倾斜[1]。

2.4 3D Dreamworks与KonicaMinolta系统

3D Dreamworks是中国生产制造的红外深度传感方式的三维人体扫描系统，其精度在X/Y方向可以达到2 mm，深度精度可达5 mm。3D Dreamworks的扫描时长为3 min～4 min，具有易于拼接、数据处理迅速、腋下等部位细节显示较好的特点。而KonicaMinolta三维人体扫描系统来自日本，相比3D Dreamworks，其扫描速度较慢，需14 min～18 min，且需要标记点手动进行拼接。虽然操作复杂且扫描时间长，但其扫描精度非常高，可达到0.008 mm～0.024 mm[11]。

2.5 其他三维人体扫描系统

一些原本应用于工业零件扫描的仪器经改造后也承担了人体扫描的重任，如北京博维恒信科技发展有限公司研发的3D CaMegacp系列、加拿大Creaform公司的GO！SCAN手持三维人体扫描系统[12]、日本的Hamamatsu Scanner、美国的3D MD Torso Scanner、Cyberware Scanner和德国的Anthroscan Bodyscan等三维人体扫描系统。

3 三维人体扫描系统的应用领域

3.1 服装领域

三维人体扫描在服装设计、虚拟试衣等方面都有应用。在服装设计方面，韩国的CLO3D试衣系统满足了设计师可以在扫描后得到的人体模型上随时修改衣物着装效果的需求，而美国的Runaway3D试衣系统则偏重消费者，可以三维仿真模拟人体着衣效果，自行进行服装各部位的尺寸微调[3]。在虚拟试衣方面，美国的3DLOOK公司研发的3D人体扫描实验室收集了许多条独特的身体测量结果和形状数据，每条数据都超100万个数据点，用以对人体各个部位进行专业研究。3DLOOK公司可以做到仅由两张任意背景的特定造型照片，就可以得到消费者身体数据并实现模拟试衣，极大地提高了消费者购物体验。目前，国内服装购物平台也已经开始提供模拟试衣功能。借助三维人体扫描所得到的体型数据制作出的虚拟人台，既可以实现消费者模拟换衣功能，为消费者带来更佳购物体验，也解决了网购衣物不合体的退换货问题。

在服装领域，三维人体扫描规避了传统人体测量方式在采集人体数据时需要身体接触的弊端，兼具测量的精确度、人体的舒适度、服装的合体度和节约成本等优点。如新西兰军服制作中，抽取1003名军人的身体三维扫描数据，并对军服进行聚类尺寸预测，以节约费用并保证舒适度[13]。三维人体扫描技术拥有巨大的发展潜能，能同时评估服装款式样本的合体性，这对于需要完善版型的成衣工业很有帮助[14]。在服装销售领域，SONG H K等人[15]认为，由于人们倾向于拥有理想体型，因此对自己身材的认知往往存在一定程度偏差，而三维人体扫描技术能客观地评测体型，提供有效参考。

3.2 医学领域

三维人体扫描技术正在医学领域中发挥着越来越重要的作用。Kinect三维扫描系统被应用于测量皮肤溃疡创面，避免了传统无菌膜勾边法可能导致的伤口感染和患者不适，且精度与传统无菌膜勾边法无异[16]。

在利用支具治疗AIS患者时，谢雁春团队将42名患者分为传统石膏取模支具组和3D扫描取模支具组。调查显示，3D组的自我形象、心理健康、治疗满意度、健康调查简表(SF-36)总分均高于传统石膏取模支具组(P<0.05)，且两组在治疗效果上并没有显著差异(P>0.05)。3D人体扫描取模制作支具不仅能有效控制病情，还更易被患者及家属接受，有利于提高长期治疗的效果[17]。

LIU X等人[18]利用三维人体扫描系统测量了160名成年男性的身体体积。计算发现，模型预测的结果和人体的实际体积、高度相关(P<0.001)。因此，在传统水下称重或空气置换容积描记术不适用或无法实现的情况下，使用三维人体扫描的数据同样可大致测得人体体积。

除了体外扫描，口腔内的三维人体扫描同样已经投入应用。PÉREZ-GIUGOVAZ M G等人[19]利用聚合物添加剂制作的口腔内三维扫描仪不仅可以根据人体口腔张开弧度调整自身大小，还可以完成口腔内的三维数字扫描，便于对口腔内种植体进行调整。这种扫描仪可以提高患者的舒适度，并促进医疗领域的数字化。

在临床手术、骨科、口腔科等领域中，三维人体扫描都已体现了其价值，改变了传统方法需要大量手工操作且可能会为患者带来不适、损伤等弊端，正将医药器材领域推向方便快捷的新时代。

4 结语

三维人体扫描技术是在传统人体测量方法不能满足现实需要的基础上产生的复合性测量技术，目前的各扫描技术系统在扫描精度、扫描速度和扫描方式等方面各具特色，又各有优劣。该技术在服装生产销售领域的应用能兼顾测量的精确度、人体的舒适度、服装的合体度和节约费用等方面。由于其精度高，在医学领域也发挥着越来越重要的作用。

未来三维人体扫描系统发展方向和技术难点在于：一是需要提高三维人体扫描技术精度和速度。目前的三维人体扫描系统大多无法兼顾扫描精度和速度，因此需要研发新技术提高扫描精度和速度，使其能够适应多样化环境。二是提升三维人体扫描成果的质量。提高质量既可以是加深三维人体扫描的深度，也可以是优化扫描得到的人体模型，使其细节更丰富。三是建立人体模型数据库。在接受了一次三维人体扫描后，用户的身体数据将被保存在其个人数据库中，方便用户在各类场景中调用。四是加强三维人体扫描技术标准和规范的制定，考量伦理道德范畴，不可只专注于满足商家或公共治理需求而忽视被测量对象的个人隐私需求。