摘  要：文章对当前市场上几种常见人体扫描设备的原理进行分析，对基于深度相机的人体扫描设备的数据采集、精度保障、彩色贴图和尺寸提取几个方面进行了深度研究，介绍了此类设备在服装高端定制、国民体型测量和服装号型更新方面的应用，并创新性地提出在健康产品定制、3D影视、动漫游戏和3D照相馆方面的探索性应用。

关键词：人体扫描;人体数据;服装定制;虚拟试衣;新零售

中图分类号：TP39 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）19-0117-05

A Human Scanning Device and Application Based on Depth Cameras

DING Juntao

（Weinan Lingzhi 3D Technology Co.， Ltd， Weinan  714026， China）

Abstract： Based on the principle analysis of several common human scanning equipment in the market， an in-depth study of human scanning devices equipped with depth cameras is conducted， mainly including data collection， precision control， color mapping and size extraction. This paper also mainly introduces several applications of such equipment in high-end clothing customization， national body shape measurement and clothing size updating， and innovatively proposes some exploratory applications in healthy product customization， 3D film and television， animation games and 3D photo studios.

Keywords： human scanning; human datasets; garment customization; virtual fitting; new retail

0  引  言

人體三维扫描系统通过图像传感装置采集投射到人体表面的光（激光、白光及红外线）在人体上形成的图像，计算出人体的高密度三维点集（点云），并进而通过软件得到人体的各个特征尺寸，可快速重建出人体三维彩色模型。扫描输出数据可用于在服装量体定制、人体工程仿生设计、体型诊断和健康塑形、虚拟试穿、动漫设计等多个领域。科技赋能在提升消费体验、助推商业进化上正在扮演着越来越重要的角色，三维人体测量，同时运用大数据、移动互联等技术在较短的时间内获取消费者的个性化需求，实现服装定制、3D虚拟试衣等，大大地改善了服装购物体验。从未来的趋势看，由于中国原有的人体三维光学测量设备的保有量低，市场需求巨大，特别是在民用领域将继续保持高速增长的态势。随着认知度的提高和技术的成熟，预计未来几年内将出现较大规模的商业应用。

1  人体扫描设备常用的几种技术原理

1.1  白光技术扫描

白光扫描技术常用在拍照式三维光学测量设备上，通常采用投影机投射变化的光栅，两个相机进行拍摄，此种方法用在工业逆向扫描上比较多，近年也有采用多个模组采集人体数据的设备，此种方法采集时间在3～5秒，但是数据运算工作量比较多，建模时间较长，针对黑色头发、衣服、皮鞋等深色物体扫描效果较差。

1.2  红外线技术扫描

红外线是不可见光线，在光谱中波长为0.76～400微米。红外线传感器一般由光学系统、检测元件和转换电路组成，通过红外反射原理，红外线发射器发出的红外线被人体遮挡后反射到相关接收器，从而转换成电子信号，经过软件分析计算形成人体的点云数据。

1.3  激光技术扫描

三维激光扫描技术利用激光测距的原理，激光器发射激光，通过被测物体将反射，CMOS曝光器接收反射回来的激光，因排布顺序不同而成像，用图像落差来反映所成的像。此技术可获取大量的目标对象数据点，相对于传统的单点测量方式，可以说是测量领域从点测量到面测量的一场革命。图1是激光技术扫描的基本原理，可用激光测量技术搭建人体扫描设备，在人体的四周采用导轨带动激光头，实现从上到下采集人体三维数据。此种方法采集的数据质量较高，设备有机械传动，采集时间可以控制在30秒内。

1.4  工业散斑技术扫描

数字工业散斑技术是通过在人体表面投射光学散斑纹理，然后利用数码相机拍摄带有散斑图案的人体数字图像，在毫秒内实现人体三维几何和彩色纹理的数据采集，最后通过数字图像相关方法（DIC）解算出人体表面点云的一种技术，该技术原理如图2所示。

利用该技术重组出的人体扫描设备如图3所示，使用9组测头实现对人体360度数据的采集重建，同时每组测头有一个彩色相机实现纹理的扫描，可自动完成贴图处理。此设备的优势是采集时间短，有效解决了人体晃动带来的偏差，体验效果比较好;重点解决了行业设备无法扫描黑色头发、衣服的难题，同时数据质量好，全自动建模速度快，数据可以直接与3D打印和激光内雕无缝对接。

1.5  深度相机扫描技术

深度相机又称3D相机，顾名思义，就是通过该相机可以测量物体到相机之间的景深距离，再加上该点在3D图像中的（x，y）坐标，就能获取被测物体上每个点的三维坐标，从而形成空间点云，通过三维建模实现真实场景的还原。

随着三维光学技术的发展，根据其采集原理的不同，市面上流行的深度相机主要有以下三种：一是结构光（Structured-light），代表公司有奥比中光、苹果、微软Kinect-1、英特尔等;二是双目视角（Stereo），代表公司ZED、大疆;三是光飞行时间法（TOF），代表公司微软Kinect-2、PMD、Softkinect、联想phab。下面主要针对结构光深度相机进行具体介绍。

机构光深度相机三维成像的硬件主要是由红外相机和近红外激光投射器组成，投射器主动投射激光条纹结构信息，红外相机拍摄被测物体的表面，所得到的图像基于三角测量原理经过图像三维解析即可获得相关的三维数据。根据激光投射条纹编码图案的不同又分为条纹结构光、编码结构光和散斑结构光。由于散斑结构光方案成熟，功耗低、分辨率高，单帧就可计算出深度图，使用方便，我们通过采用16组此类相机搭建人体扫描设备，如图4所示。

2  基于深度相机的人体扫描设备关键技术

2.1  人体晃动等干扰因素的解决方案

人体在扫描过程中很难保持静止，使得数据采集存在问题，我们利用数学微积分的思想，将人体运动理解成无数个细节的刚体运动，这样可以把一般的非刚体配准问题转化成为分段刚体配准，先实现人体数据宏观上的刚体配准，再进行局部细节的非刚体配准。通过分析人体扫描各个环节的影响因素，重点研究人体晃动、表面明暗材质分布等干扰因素对人体扫描及三维重建精度的影响，拟采用数字投影相关三维光学测量技术，减少人体表面明暗变化带来的误差，无需喷涂显影剂即可进行人体扫描，用人体动态配准技术解决人体晃动一起的配准问题，如图5所示。

2.2  人体点云测量精度的保障技术

由于要处理的人体表面的散斑照片是由图像采集系统获得的，照明光源的不稳定、CCD的热噪声，CCD成像平面与人体表面不平行，散斑模式，成像系统的畸变等等诸多因素的存在，实际的图像和理想图像之间不可避免存在偏差，由此引起测量精度的降低;对于已经获得的数字图像进行相关计算涉及的相关函数、亚像素位移测量算法和插值算法等的选择、图像子区形函数和灰度插值方法，都决定着最终人体点云的精度。

通过上面的分析，影响人体扫描测量精度的因素主要为图像采集系统和数字图像相关计算。根据影响测量精度的因素，可以从以下两个方面来解决：（1）在成像系统方面：保持照明光源的均匀稳定，尽量减少波动;采用高精度的相机标定技术和畸变校正模型解决CCD光轴与人体表面不垂直的问题以及镜头畸变引起的测量误差;使用高质量、低噪声的CCD图像传感器来提高模拟散斑图的对比度，如图6所示。（2）在数字图像相关计算方面：使用抗干扰能力最强标准的相关函数或归一化最小平方距离相关函数可以避免光照不均匀引起的测量误差;使用基于灰度梯度迭代的最小二乘法来优化相关函数;选择高阶插值方法;在考虑运算效率的前提下，选择大侠合适的图像计算子区。

2.3  人体模型彩色数据化技术

采用直接对物体进行彩色拍照的方法，获得物体的二维彩色图像，然后根据全局标定结果，确定物体三维信息与彩色信息的对应关系，从而对人体模型进行纹理贴图，如图7所示。对于各组相机获得的点云重叠部分，对纹理信息采取平均化处理，并对重叠部分与未重叠部分的交接部分，采取插值平滑的方法，使颜色过渡自然，从而生成整个人体点云的彩色模型。

2.4  人体尺寸自动提取技术

人体尺寸的自动提取对于虚拟试衣，服装个性化定制，人体虚拟模型生成有着重要意义。可以采用直接对人体点云进行分割，分割为头部，左右手臂，左右腿，躯干共6部分，提取跨点，腋窝点，颈椎点等共计21个人体关键点，然后根据《GBT 16160-2008服装用人体测量的部位与方法》国家标准规定的测量方法测量人体的尺寸，如图8所示，通过编写程序，该后处理部分已经可以计算人体的大部分尺寸。尺寸提取报告如表1所示。

3  人體扫描设备在各个行业的应用

3.1  人体扫描设备在服装高端定制方面的应用

在供给侧结构性改革的大背景下，传统制造业转型升级，人民对美好生活水平的需求日益增高，关乎生活的服装行业迎来新一轮的发展，服装高端定制成为服装行业转型升级的突破口，服装智能设计与制造领域主要针对满足消费者对服装个性化定制的需求，以及以大规模定制的生产方式实现服装个性化定制生产模式，主要面临人体三维数字化模型的建立、人体尺寸的提取及人体特征分析，人体的形态和尺寸是服装设计的基础。在面向消费者个性化定制的服装智能设计中，获取人体的三维数字化模型，并以数字化模型为基础进行人体尺寸的提取和人体体型特征的分析是整个服装个性化定制的基础。图9为服装高端定制流程。

服装行业引入数字化定制给行业带来的好处：（1）按需定制，减少库存。（2）双线引流，线下免费测量，吸粉和倒流，线上及时推送数据和产品。（3）强化品牌，通过人体数据测量和人体健康筛查，提升消费体验。（4）促进转型，以数据为核心，实现从传统模式向智能化、信息化、个性化的柔性生产模式转变。（5）提升效率，节省成本。

3.2  人体扫描设备在国民体型测量与服装号型更新方面的应用

人体数据已经作为国家信息基础设施的一项重要的基础数据资源，政府、服装及与人体设计相关行业已经认识到国民体型普查的重要性，建立国家人体数据库成为必然，目前存在的问题是数据采集不够广泛，没有形成权威性，国家服装用人体数据库的建立可采用国家相关单位牵头，按地域、年龄、群体等进行相关分类，行业组织协调统筹，以实现数据的分类收集分析。

服装号型是服装行业生产设计的重要依据和参考，批量生产的服装合体性差的根本原因在于目前所使用的号型系统不能真实地反映目标客户人群的体型特征，建立人体数据库可以跟踪、研究相关客户群体、形成“动态流动”的数据库，为服装号型的修订、更新以及人体体型的细分提供数据支撑。

另外通过对人体数据库的挖掘，数据不仅用在服装领域，还拓展到座椅设计、飞行员、宇航员、消防员等特种人群防护装备的开发和其他人体工学办公场所的设计。

3.3  人体扫描设备在体育健身行业的新应用

“这是最好的时代，这是最坏的时代”，这句话无疑是2018健身房变革年以来国内健身行业最好的写照：一方面，消费升级大背景下，全民不断增强的健康观念和身材管理意愿，对于健身消费的需求日益旺盛;另一方面，传统单一的经营模式让大多数健身房陷入艰难生存的局面，行业同质化竞争、消费满意度及客户黏性低下导致大批健身房进入资金链断裂、并购、倒闭的恶性循环。

目前，为了提升行业竞争力，一些健身俱乐部已经引入了人体3D扫描技术，让会员全方位地了解自己的身体状况和健身效果。这项技术通过完全自动化的身体扫描仪，扫描身体的完整三维图像，并测量各种关乎健康的关键数值，包括体重指数（BMI）、身体组成（人体所含脂类、水分、蛋白质等主要化学成分的比率）和体脂成分。

通过对客户进行身体扫描，教练员可以发现客户的问题所在，并针对性地制定健身计划。这项技术可以让客户持续地了解自身进步，从而提升健身馆与客户之间的互动性。在市场开发方面先与潜在客户建立关系，然后开始设定目标、扫描身体、锻炼身体。

3.4  其他行业的拓展应用

3.4.1  健康产品定制

3D人体三维扫描仪全方位的应用还体现在健康产品定制上面，通过人体三维扫描仪快速获取人体3D数字模型和用户指定部位的尺寸数据，通过对数据进行分析，判断被测对象的基本身体特征，然后基于被测对象的扫描数据和体型特征为其定制符合其身体特征的个性化产品。

3.4.2  3D影视、CG动漫游戏后期辅助設计与制作

通过人体三维扫描仪采集获取人体3D数字模型，重建人体各种姿态下的三维数据，将采集获取的3D数据导入专业的动画设计软件，进行人体数据的编辑、重建、角色设计等，从而满足影视动漫虚拟人物重建的需求。

3.4.3  3D人体模型打印

通过人体三维扫描仪获取人体精细的3D数据模型，将3D数据导入三维设计软件进行人体三维编辑，细节优化，姿态调整等，然后将编辑过的3D数据输入到3D打印机进行人体模型的打印，亦可直接将扫描获取的3D数据直接导入打印机进行打印。

4  结  论

目前人体扫描设备主要分为两个应用方向，一类是应用于专业需求的人体测量方面，如服装定制、医疗器械、健身管理等，另一类则应用于人体模型展示，三维扫描技术体验、3D打印、影视动漫、VR应用等。

以数字化技术为驱动，朝向数据化、智能化、数字化、多元化，满足日益个性化、极致化和动态化的消费者需求是消费产业的变革方向。复杂的产业链条和庞大的产业规模，造就了整个产业链条数字化改造难与重塑价值高并存的双重特色。

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[4] 苏军强，赵晓露，沈津竹，等.三维人体扫描技术及其在服装领域的应用 [J].服装学报，2019，4（1）：33-39.

[5] 刘东生，陈建林，费点，等.基于深度相机的大场景三维重建 [J].光学精密工程，2020，28（1）：234-243.

作者简介：丁军涛（1984.04—），男，汉族，陕西咸阳人，工程师，本科，研究方向：三维测量技术和3D打印技术应用。