基于三維人體掃描數(shù)據(jù)的女性三維體型特征分析

基于三維人體掃描數(shù)據(jù)的女性三維體型特征分析

隨著三維掃描技術(shù)的成熟，三維掃描技術(shù)的人體研究和體積分析已成為世界服裝工程研究的熱點。如:2002年英國完成的SizeUK項目,2003年美國完成的SizeUSA項目等。最近幾年在國內(nèi)服裝領(lǐng)域,一些高校相繼引進(jìn)三維人體掃描儀,進(jìn)行了一定規(guī)模的人體調(diào)查,建立三維人體數(shù)據(jù)庫,并做了相關(guān)人體工程研究。本文在三維人體數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,首先提出了不同層次的人體形態(tài)分析方案,并引入了一種新的體型類別評價指標(biāo)——軀干體積指數(shù),然后重點對體型類別進(jìn)行實例分析,為進(jìn)一步研究數(shù)字化服裝量身定制系統(tǒng)提供支持。1局部形態(tài)特征分析本文在前人研究的基礎(chǔ)上,基于三維人體掃描數(shù)據(jù),從3個層次對女性人體形態(tài)特征進(jìn)行系統(tǒng)的分析。第1層次為人體的體型類別分析。其方法是以人體的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用多種量化方法,對人體總體的體型特征進(jìn)行分類。同時對不同方法數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行比較,以概括不同方法對體型分類結(jié)果的差別。該層次的分析,所需的特征信息量較少,主要是二維尺寸數(shù)據(jù),有些也涉及體重與軀干體積,特點是面向服裝批量生產(chǎn)。第2層次為人體的局部形態(tài)特征分析,包括正面形態(tài)特征分析和側(cè)面形態(tài)特征分析。其方法是從三維人體掃描數(shù)據(jù)中提取人體的正面形態(tài)特征指標(biāo)和側(cè)面形態(tài)特征指標(biāo)(見圖1),然后對其進(jìn)行統(tǒng)計分析,并分別根據(jù)不同的形態(tài)特征指標(biāo)進(jìn)行形態(tài)分類。該層次的分析,能對人體局部形態(tài)進(jìn)行量化,進(jìn)一步補充體型分析未涉及到的人體特征信息,以細(xì)化人體的形體類別,可以為服裝的批量定制服務(wù)。第3層次為基于人體三維框架的特征分析。其方法是從三維掃描數(shù)據(jù)中定義并提取描述人體三維信息的主要特征數(shù)據(jù),作為人體的三維特征框架信息,然后以特征框架數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對人體進(jìn)行個性化的分析。本文從人體軀干部分共提取10個關(guān)鍵切面,作為人體軀干的特征框架數(shù)據(jù)(見圖2)。該層次的分析,所需的體形信息量較大,但相對于原始掃描數(shù)據(jù),其信息量得到了有效的縮減,同時很大程度上保留了人體的主要三維特征信息。利用該特征框架,以一定的方法能對人體的三維形狀進(jìn)行重構(gòu)。另外,通過特征框架數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,能獲得目標(biāo)群體的平均三維形態(tài),為建立基于該群體的標(biāo)準(zhǔn)人臺提供服務(wù)。其結(jié)果將有望進(jìn)一步指導(dǎo)與改善批量生產(chǎn)或批量定制服裝的合體性。2性別分析2.1漢字部的體特征在服裝人體工程方面對體型的描述分為定性描述和定量描述。定性描述是對人體的整體或局部的形狀進(jìn)行觀察以找出特征,并使用語言或符號對形體的特征加以敘述。定量描述是依據(jù)人體測量數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)或函數(shù)關(guān)系等對形體建立一定的模型,用數(shù)學(xué)語言表達(dá)形體,是較難的一種描述,包括人體體型的量化和局部形態(tài)特征的量化。2.1.1描述體型t根據(jù)肥胖程度來描述,常用的術(shù)語有肥胖型、正常型或中間型、偏瘦型。在服裝工業(yè)領(lǐng)域,常按外形輪廓去描述體型。主要的描述語言可概括為:1)形狀名稱,如橢圓型、圓型、漏斗型、菱型、長方型、直桶型、三角型、倒三角型、勺型、圣誕樹型、圓錐型等;2)字母或數(shù)字,如O型、X型、H型、A型、8字型等;3)水果或蔬菜名稱,如蘋果型、梨型等。另外還有用年齡階段去描述,如少女型、小姐型、少婦型、婦女型。2.1.2體型指數(shù)和體型特征的定義體型的量化指標(biāo)包括頭身比、圍高比、差值法和體型指數(shù)等。頭身比是指人體總體高與頭長的比;圍高比是用關(guān)鍵部位的圍度與人體身高的比值進(jìn)行體型分類;差值法是用胸腰差或者臀腰差判別體型。體型指數(shù)是利用計算方法,將形體中的一些數(shù)據(jù)加以比較,得出1個新的數(shù)值,以此來表明體型特征。對于體型指數(shù)的定義也不是固定不變的,而是根據(jù)被研究形體的側(cè)重點確定的。在服裝人體工學(xué)領(lǐng)域,國際上常用指數(shù)是BMI(bodymassindex),它是人體體重與身高平方的比值。2.2人體圖像量化方法研究中采用的特征參數(shù)分別為胸圍、腰圍、臀圍、軀干體積、軀干高。采用的體型量化方法分2種:一種是量化人體體型整體胖瘦程度,即采用軀干體積指數(shù)的量化方法,軀干體積指數(shù)=軀干體積與軀干長度的平方之比;另一種是量化人體體型的整體形狀,即胸腰差-臀腰差的量化方法和胸腰比-臀腰比的量化方法。人體掃描數(shù)據(jù)樣本為華東地區(qū),年齡在18~45歲的女性,共計861個。掃描設(shè)備為美國[TC]2三維人體掃描與測量系統(tǒng),樣本數(shù)據(jù)的5個特征參數(shù)的基本統(tǒng)計信息見表1。2.2.1干預(yù)體積tvi指數(shù)在服裝人體工學(xué)領(lǐng)域,國際上常用的指數(shù)是BMI(bodymassindex),它是人體體重與身高平方的比值。由于該指數(shù)與體重有關(guān),也就與人體的體積與密度有關(guān)。在服裝工業(yè)中,對于體型判別注重的是人體的形體輪廓,即體積因素,而與密度無直接關(guān)系。有學(xué)者根據(jù)BMI指數(shù),定義了一個類似的更適合服裝工業(yè)應(yīng)用的人體體積指數(shù)BVI(bodyvolumeindex)=人體體積/身高2。該指數(shù)有效地消除了人體密度差異對體型的影響。但由于本文研究的對象是人體軀干,而且人體的體型特征信息主要集中在軀干,四肢與頭部的形狀信息對于服裝的應(yīng)用價值相對較小,因此,本文在BVI指數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正,提出軀干體積指數(shù)TVI(torsovolumeindex)=軀干體積/軀干長度2。該指數(shù)的意義可以理解為人體軀干的平均橫切面面積與軀干長度的比值。它的定義有效剔除了人體四肢與頭部形狀的差異對整體體型的影響。當(dāng)然,軀干體積的計算相對人體體重要復(fù)雜,需要人體掃描的精確數(shù)據(jù),本文由三維掃描系統(tǒng)獲得。根據(jù)人體軀干體積指數(shù)的正態(tài)分布圖,左右側(cè)各取10%左右作為劃分偏瘦體,肥胖體的參考。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,TVI數(shù)據(jù)的15%分位數(shù)為6.63,90%分位數(shù)為9.06。然后,對軀干體積指數(shù)接近6.63與9.06的人體掃描數(shù)據(jù),通過[TC]2系統(tǒng)進(jìn)行三維形狀觀察。最后將偏瘦體和肥胖體的軀干體積指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)分別調(diào)整為6.70與9.70。在確定偏瘦體與肥胖體后,中間部分(即軀干體積指數(shù)值在6.70至9.70之間)為一般人體體型,由于體型范圍較大,將其再分為2種,中間體與豐滿體。劃分方法是以6.70與9.70之間的中間值8.20為分界點。在[6.70,8.20]之間的為中間體,在[8.20,9.70]之間的為豐滿體。表2列出了根據(jù)體積指數(shù)TVI進(jìn)行體型分類的結(jié)果。由該表可知,在所有的調(diào)查樣本中,中間體型最多,為504個,占總數(shù)的58.54%;偏瘦體與豐滿體分別占17.65%和19.28%;肥胖體最少,為39個,僅占4.53%,但肥胖體的TVI指數(shù)跨距最大(9.70~13.917),在此區(qū)間,可以進(jìn)一步劃分,如將TVI值大于11.5的人體確定為特胖體型。本文由于肥胖體數(shù)據(jù)量較少,故不做劃分。2.2.2種體型的劃分結(jié)果在服裝工程領(lǐng)域中,基于胸腰比-臀腰比的體型分類方法也是經(jīng)常使用的方法。根據(jù)胸腰比、臀腰比的變化,可知他們之間的3種變化趨勢,見圖3。由于體型的類別只是從整體上反映人體形狀特征,且不同體型間的劃分比較模糊。在此,本文將3種變化趨勢中的中間狀態(tài)的體型合并到左右2種體型中。這樣就將體型類別確定為4種,分別為X型、H型、A型、V型,如圖4所示。根據(jù)胸腰比值和臀腰比值的數(shù)據(jù)分析結(jié)果,取他們的平均值作為劃分界線,具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果如表3所示。由該表可知,所有對象中X型和V型的頻數(shù)相同,均為335個,各占38.91%;A型人體91個,占10.57%;V型人體100個,占11.61%。另外,為了能直觀表現(xiàn)各體型的劃分情況,本文根據(jù)胸腰比、臀腰比2個指標(biāo)對所有樣本數(shù)據(jù)做出散點圖(見圖5)。從該圖中可以看出胸腰比與臀腰比有一定的相關(guān)關(guān)系(其Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.6781),即胸腰比增大,臀腰比也有相應(yīng)增大趨勢;胸腰比減小,臀腰比也有減小的趨勢。這也驗證了X型和H型人體的比例較大,A型和V型人體的比例相對較小的結(jié)果。2.2.3養(yǎng)殖體型的劃分許多國家的服裝號型標(biāo)準(zhǔn)中,都采用胸腰差-臀腰差的體型劃分方法。為此,本文將對該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以便與基于胸腰比-臀腰比的體型分類方法進(jìn)行比較。由表1可知,所有樣本數(shù)據(jù)的胸腰差的范圍為[-2.68,27.17];臀腰差的范圍為[3.49,33.27]。若按我國的服裝號型標(biāo)準(zhǔn)中的體型分類進(jìn)行劃分,結(jié)果如表4所示。由該表可知,在所調(diào)查的861名女性人體中,絕大部分集中在A、B、C這3種體型,共占93.3%,其中B體型最多,為355個,占41.2%。這與以往調(diào)查的A體型占最大比例的結(jié)果有些變化。本文認(rèn)為原因之一是在掃描數(shù)據(jù)的腰圍尺寸提取時,是以人體后部輪廓最凹的位置為標(biāo)記進(jìn)行水平測量的,所得的數(shù)據(jù)一般要比人體的最小腰圍偏大,從而導(dǎo)致胸腰差值的整體數(shù)據(jù)變小。因為胸腰差-臀腰差的量化指標(biāo)與胸腰比-臀腰比量化指標(biāo)都是反應(yīng)人體外形輪廓,所以與胸腰比-臀腰比的分類方法類似,本文也將其定為4類體型,只是劃分標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。取胸腰差、臀腰差的平均值作為分界線(胸腰差平均值=11.875cm;臀腰差平均值=17.561cm),4類體型的劃分情況如表5和圖6所示。從圖6中可以看出胸腰差與臀腰差有一定的相關(guān)關(guān)系(Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.5232),相關(guān)性弱于胸腰比與臀腰比間的相關(guān)性。2.2.4tvi指數(shù)的變化不同的體型分類方法,其注重的角度不一樣,采用3種不同方法的體型分類后,人體各特征參數(shù)的平均值的變化情況,如表6~9所示(這里只分析本文涉及的5個特征參數(shù))。由表6可知,采用TVI值進(jìn)行體型分類后,各體型軀干長的平均值比較接近,為65cm左右。而胸圍、腰圍、臀圍和體積的變化明顯呈遞增趨勢,接近線性變化。從此結(jié)果,即高度不變,圍度逐漸增加,驗證了TVI指數(shù)能很好地表示人體的體積肥瘦情況。由表7~8可知,采用胸腰比-臀腰比和采用胸腰差-臀腰差2種方法進(jìn)行分類后,對應(yīng)各指標(biāo)的變化規(guī)律比較接近,分類的結(jié)果都能反應(yīng)人體的廓形變化特征。具體特征如下:1)X型人體,腰圍較小,胸腰差、臀腰差均較大;2)H型人體,腰圍較大,胸腰差、臀腰差均較小;3)V型人體,腰圍中等偏大,但比H型小,胸腰差相對增大,開始接近或大于臀腰差;4)A型人體,腰圍中等,胸腰差較小、臀腰差較大。另外,從TVI值的變化看,調(diào)查對象中H型、V型的TVI值相對較大,說明這2類樣本中肥胖或豐滿體型可能偏多。由表9可知:腰圍、臀圍平均值的變化順序是由Y型、A型、B型、C型逐漸增大,其中腰圍增大較明顯;而胸圍平均值是Y體型稍大,A型、B型、C型胸圍平均值基本接近;軀干體積平均值C型稍大,Y型、A型、B型基本接近;軀干長度平均值,4種體型基本接近。由此說明,對于課題中所調(diào)查的樣本對象,采用我國服裝號型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行體型分類,更能反應(yīng)人體下身圍度相對逐漸增肥的趨勢,但不能很好地反應(yīng)人體軀干體積整體增肥的趨勢。3服裝號型劃分方法1)在體型類別的實例分析中,首先采用基于軀干體積指數(shù)(TVI)分類。該指數(shù)是在前人相關(guān)的研究基礎(chǔ)上,根據(jù)服裝工程的特殊應(yīng)用提