基于三维人体扫描数据的女性三维体型特征分析

基于三维人体扫描数据的女性三维体型特征分析

随着三维扫描技术的成熟，三维扫描技术的人体研究和体积分析已成为世界服装工程研究的热点。如:2002年英国完成的SizeUK项目,2003年美国完成的SizeUSA项目等。最近几年在国内服装领域,一些高校相继引进三维人体扫描仪,进行了一定规模的人体调查,建立三维人体数据库,并做了相关人体工程研究。本文在三维人体数据库的基础上,首先提出了不同层次的人体形态分析方案,并引入了一种新的体型类别评价指标——躯干体积指数,然后重点对体型类别进行实例分析,为进一步研究数字化服装量身定制系统提供支持。1局部形态特征分析本文在前人研究的基础上,基于三维人体扫描数据,从3个层次对女性人体形态特征进行系统的分析。第1层次为人体的体型类别分析。其方法是以人体的关键特征数据为基础,采用多种量化方法,对人体总体的体型特征进行分类。同时对不同方法数据分析结果进行比较,以概括不同方法对体型分类结果的差别。该层次的分析,所需的特征信息量较少,主要是二维尺寸数据,有些也涉及体重与躯干体积,特点是面向服装批量生产。第2层次为人体的局部形态特征分析,包括正面形态特征分析和侧面形态特征分析。其方法是从三维人体扫描数据中提取人体的正面形态特征指标和侧面形态特征指标(见图1),然后对其进行统计分析,并分别根据不同的形态特征指标进行形态分类。该层次的分析,能对人体局部形态进行量化,进一步补充体型分析未涉及到的人体特征信息,以细化人体的形体类别,可以为服装的批量定制服务。第3层次为基于人体三维框架的特征分析。其方法是从三维扫描数据中定义并提取描述人体三维信息的主要特征数据,作为人体的三维特征框架信息,然后以特征框架数据为基础,对人体进行个性化的分析。本文从人体躯干部分共提取10个关键切面,作为人体躯干的特征框架数据(见图2)。该层次的分析,所需的体形信息量较大,但相对于原始扫描数据,其信息量得到了有效的缩减,同时很大程度上保留了人体的主要三维特征信息。利用该特征框架,以一定的方法能对人体的三维形状进行重构。另外,通过特征框架数据的统计分析,能获得目标群体的平均三维形态,为建立基于该群体的标准人台提供服务。其结果将有望进一步指导与改善批量生产或批量定制服装的合体性。2性别分析2.1汉字部的体特征在服装人体工程方面对体型的描述分为定性描述和定量描述。定性描述是对人体的整体或局部的形状进行观察以找出特征,并使用语言或符号对形体的特征加以叙述。定量描述是依据人体测量数据,通过数据或函数关系等对形体建立一定的模型,用数学语言表达形体,是较难的一种描述,包括人体体型的量化和局部形态特征的量化。2.1.1描述体型t根据肥胖程度来描述,常用的术语有肥胖型、正常型或中间型、偏瘦型。在服装工业领域,常按外形轮廓去描述体型。主要的描述语言可概括为:1)形状名称,如椭圆型、圆型、漏斗型、菱型、长方型、直桶型、三角型、倒三角型、勺型、圣诞树型、圆锥型等;2)字母或数字,如O型、X型、H型、A型、8字型等;3)水果或蔬菜名称,如苹果型、梨型等。另外还有用年龄阶段去描述,如少女型、小姐型、少妇型、妇女型。2.1.2体型指数和体型特征的定义体型的量化指标包括头身比、围高比、差值法和体型指数等。头身比是指人体总体高与头长的比;围高比是用关键部位的围度与人体身高的比值进行体型分类;差值法是用胸腰差或者臀腰差判别体型。体型指数是利用计算方法,将形体中的一些数据加以比较,得出1个新的数值,以此来表明体型特征。对于体型指数的定义也不是固定不变的,而是根据被研究形体的侧重点确定的。在服装人体工学领域,国际上常用指数是BMI(bodymassindex),它是人体体重与身高平方的比值。2.2人体图像量化方法研究中采用的特征参数分别为胸围、腰围、臀围、躯干体积、躯干高。采用的体型量化方法分2种:一种是量化人体体型整体胖瘦程度,即采用躯干体积指数的量化方法,躯干体积指数=躯干体积与躯干长度的平方之比;另一种是量化人体体型的整体形状,即胸腰差-臀腰差的量化方法和胸腰比-臀腰比的量化方法。人体扫描数据样本为华东地区,年龄在18~45岁的女性,共计861个。扫描设备为美国[TC]2三维人体扫描与测量系统,样本数据的5个特征参数的基本统计信息见表1。2.2.1干预体积tvi指数在服装人体工学领域,国际上常用的指数是BMI(bodymassindex),它是人体体重与身高平方的比值。由于该指数与体重有关,也就与人体的体积与密度有关。在服装工业中,对于体型判别注重的是人体的形体轮廓,即体积因素,而与密度无直接关系。有学者根据BMI指数,定义了一个类似的更适合服装工业应用的人体体积指数BVI(bodyvolumeindex)=人体体积/身高2。该指数有效地消除了人体密度差异对体型的影响。但由于本文研究的对象是人体躯干,而且人体的体型特征信息主要集中在躯干,四肢与头部的形状信息对于服装的应用价值相对较小,因此,本文在BVI指数的基础上进行了修正,提出躯干体积指数TVI(torsovolumeindex)=躯干体积/躯干长度2。该指数的意义可以理解为人体躯干的平均横切面面积与躯干长度的比值。它的定义有效剔除了人体四肢与头部形状的差异对整体体型的影响。当然,躯干体积的计算相对人体体重要复杂,需要人体扫描的精确数据,本文由三维扫描系统获得。根据人体躯干体积指数的正态分布图,左右侧各取10%左右作为划分偏瘦体,肥胖体的参考。根据数据统计结果,TVI数据的15%分位数为6.63,90%分位数为9.06。然后,对躯干体积指数接近6.63与9.06的人体扫描数据,通过[TC]2系统进行三维形状观察。最后将偏瘦体和肥胖体的躯干体积指数划分标准分别调整为6.70与9.70。在确定偏瘦体与肥胖体后,中间部分(即躯干体积指数值在6.70至9.70之间)为一般人体体型,由于体型范围较大,将其再分为2种,中间体与丰满体。划分方法是以6.70与9.70之间的中间值8.20为分界点。在[6.70,8.20]之间的为中间体,在[8.20,9.70]之间的为丰满体。表2列出了根据体积指数TVI进行体型分类的结果。由该表可知,在所有的调查样本中,中间体型最多,为504个,占总数的58.54%;偏瘦体与丰满体分别占17.65%和19.28%;肥胖体最少,为39个,仅占4.53%,但肥胖体的TVI指数跨距最大(9.70~13.917),在此区间,可以进一步划分,如将TVI值大于11.5的人体确定为特胖体型。本文由于肥胖体数据量较少,故不做划分。2.2.2种体型的划分结果在服装工程领域中,基于胸腰比-臀腰比的体型分类方法也是经常使用的方法。根据胸腰比、臀腰比的变化,可知他们之间的3种变化趋势,见图3。由于体型的类别只是从整体上反映人体形状特征,且不同体型间的划分比较模糊。在此,本文将3种变化趋势中的中间状态的体型合并到左右2种体型中。这样就将体型类别确定为4种,分别为X型、H型、A型、V型,如图4所示。根据胸腰比值和臀腰比值的数据分析结果,取他们的平均值作为划分界线,具体的划分标准与结果如表3所示。由该表可知,所有对象中X型和V型的频数相同,均为335个,各占38.91%;A型人体91个,占10.57%;V型人体100个,占11.61%。另外,为了能直观表现各体型的划分情况,本文根据胸腰比、臀腰比2个指标对所有样本数据做出散点图(见图5)。从该图中可以看出胸腰比与臀腰比有一定的相关关系(其Pearson相关系数r=0.6781),即胸腰比增大,臀腰比也有相应增大趋势;胸腰比减小,臀腰比也有减小的趋势。这也验证了X型和H型人体的比例较大,A型和V型人体的比例相对较小的结果。2.2.3养殖体型的划分许多国家的服装号型标准中,都采用胸腰差-臀腰差的体型划分方法。为此,本文将对该方法进行数据分析,以便与基于胸腰比-臀腰比的体型分类方法进行比较。由表1可知,所有样本数据的胸腰差的范围为[-2.68,27.17];臀腰差的范围为[3.49,33.27]。若按我国的服装号型标准中的体型分类进行划分,结果如表4所示。由该表可知,在所调查的861名女性人体中,绝大部分集中在A、B、C这3种体型,共占93.3%,其中B体型最多,为355个,占41.2%。这与以往调查的A体型占最大比例的结果有些变化。本文认为原因之一是在扫描数据的腰围尺寸提取时,是以人体后部轮廓最凹的位置为标记进行水平测量的,所得的数据一般要比人体的最小腰围偏大,从而导致胸腰差值的整体数据变小。因为胸腰差-臀腰差的量化指标与胸腰比-臀腰比量化指标都是反应人体外形轮廓,所以与胸腰比-臀腰比的分类方法类似,本文也将其定为4类体型,只是划分标准有所区别。取胸腰差、臀腰差的平均值作为分界线(胸腰差平均值=11.875cm;臀腰差平均值=17.561cm),4类体型的划分情况如表5和图6所示。从图6中可以看出胸腰差与臀腰差有一定的相关关系(Pearson相关系数r=0.5232),相关性弱于胸腰比与臀腰比间的相关性。2.2.4tvi指数的变化不同的体型分类方法,其注重的角度不一样,采用3种不同方法的体型分类后,人体各特征参数的平均值的变化情况,如表6~9所示(这里只分析本文涉及的5个特征参数)。由表6可知,采用TVI值进行体型分类后,各体型躯干长的平均值比较接近,为65cm左右。而胸围、腰围、臀围和体积的变化明显呈递增趋势,接近线性变化。从此结果,即高度不变,围度逐渐增加,验证了TVI指数能很好地表示人体的体积肥瘦情况。由表7~8可知,采用胸腰比-臀腰比和采用胸腰差-臀腰差2种方法进行分类后,对应各指标的变化规律比较接近,分类的结果都能反应人体的廓形变化特征。具体特征如下:1)X型人体,腰围较小,胸腰差、臀腰差均较大;2)H型人体,腰围较大,胸腰差、臀腰差均较小;3)V型人体,腰围中等偏大,但比H型小,胸腰差相对增大,开始接近或大于臀腰差;4)A型人体,腰围中等,胸腰差较小、臀腰差较大。另外,从TVI值的变化看,调查对象中H型、V型的TVI值相对较大,说明这2类样本中肥胖或丰满体型可能偏多。由表9可知:腰围、臀围平均值的变化顺序是由Y型、A型、B型、C型逐渐增大,其中腰围增大较明显;而胸围平均值是Y体型稍大,A型、B型、C型胸围平均值基本接近;躯干体积平均值C型稍大,Y型、A型、B型基本接近;躯干长度平均值,4种体型基本接近。由此说明,对于课题中所调查的样本对象,采用我国服装号型标准进行体型分类,更能反应人体下身围度相对逐渐增肥的趋势,但不能很好地反应人体躯干体积整体增肥的趋势。3服装号型划分方法1)在体型类别的实例分析中,首先采用基于躯干体积指数(TVI)分类。该指数是在前人相关的研究基础上,根据服装工程的特殊应用提