进化中的三维人体扫描技术

三维服装CAD技术和虚拟服装设计及试衣技术是近年来服装行业新的研究热点，随着信息技术和计算机技术的快速发展和广泛应用，服装数字化技术也得到空前的发展，特别是基于人体扫描技术的三维人体重建和虚拟试衣技术领域。

通过三维人体扫描仪等信号采集设备，可以方便地获取人体表面信息，这些信息通过大量的点来表达，往往形成包含几百万个点的大型数据包，通常称为点云（Point Clouds）。通过对点云的处理，可以得到人体的表面表达，实现人体表面重建，进而进行三维服装设计和虚拟试衣。与服装CAM技术结合，能直接将设计用于生产加工，从而实现服装设计与生产的全面数字化。

美国、英国等发达国家在三维人体扫描技术领域的研究起步比较早，在该领域处于领先水平。20世纪80年代开始，我国的一些高等院校和研究机构相继步入该领域并进行了深入的研究。

三维人体扫描是现代人体测量技术的主要特征，它是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等技术于一体的高新技术。一个完整的三维人体扫描系统主要由光源、成像设备、数据存储及处理系统组成，其工作流程如图1-1所示。

图1-1　三维人体扫描系统工作流程

首先，光源向人体表面投射光束，可以是白光、激光、红外线、结构光等，这些光投射到人体表面后将产生变形；其次，摄像装置同步拍摄投射到人体表面的光线图；再次，系统软件提取图像中包含的人体表面的数据信息；最后，通过系统软件构建人体模型、提取人体尺寸数据。

根据光源和系统处理方式的不同，常见的三维人体扫描方法主要有以下几种：

（1）立体视觉法

该方法的基本原理是利用成像设备从不同的位置获取被测人体的多幅图像，提取图像中对应的目标点，利用三角测量原理，通过计算图像中对应点的位置偏差来获得点的三维坐标。

立体视觉法可以分为双目立体视觉法和多目立体视觉法，其中双目立体视觉法采用模拟人的双眼观测景物的方式，具有效率快、精度高、成本低、系统结构简单、使用范围广等特点，是立体视觉最常用的实现方式。在立体视觉系统中，摄像机标定以及图像之间的对应点匹配是该领域研究的热点和难点。

法国Lectra公司的Vitus Smart三维人体扫描仪就是采用立体视觉法，该扫描仪由四个柱子的模块系统组成，每个柱子包括2个CCD摄像机和一个激光发射器。扫描人体时，8个垂直运动的CCD摄像机拍摄激光发射器投射到人体上的激光光纹图像，并迅速计算出人体表面点的三维坐标值，并快速重建一个高度精确的“人体数码双胞胎”，通过系统软件快速提取100多个人体尺寸数据。(www.xing528.com)

天津工业大学的研究团队基于双目立体视觉原理研制了一种便携式三维人体测量系统，能够完成人体表面点云扫描、点云数据处理、人体模型重建以及人体尺寸的自动测量等。

（2）结构光三角测量法

其原理是先将结构光投射到被测人体上，同时在偏离投射方向的一定角度处用CCD摄像机拍摄人体图像，由于人体表面的起伏会使投射的光源在CCD摄像机中的成像发生一定的偏移，通过求解光的发射点、投影点和成像点的三角关系来确定人体上各点的三维坐标信息。根据光源类型，主要有激光、白炽灯、数字镜像仪、投影仪等。

美国Cyberware的全身三维扫描系统WBX（Whole Body 3-DScanner Model）就是采用结构光三角测量法。该系统由操作平台、4个扫描头、标尺、系统软件等构成。采用激光作为光源，由激光二极管发射一束激光到人体表面，使用镜面组合从两个位置同时取景，激光条纹因人体体表的形状而产生形变，系统传感器记录形变并通过系统软件生成人体的数字图像。系统的4个扫描头以2mm为间隔，对人体从上至下进行高速扫描，能够在17s内扫描全身几十万个数据点。

（3）莫尔条纹干涉法

该方法的基本原理是将一个基准光栅投影到人体表面上，通过人体表面高度信息差使光栅线发生变形，变形的光栅与基准光栅经干涉得到条纹图，系统通过对生成的条纹图进行处理而获取人体表面的三维信息。

莫尔条纹干涉法又可分为扫描莫尔法、影像莫尔法、投影莫尔法等。其中扫描莫尔法用电子扫描光栅和变形迭加生成莫尔等高线，利用现代电子技术，通过改变扫描光栅的栅距、相位等生成不同相位的等高条纹图像，便于计算机处理。影像条纹法是将基准光栅投影到被测人体表面，通过同一栅板观察人体，从而形成干涉条纹。投影条纹法则利用光源将基准栅经过聚光镜投影到被测物体人体表面，经人体表面调制后的栅线与观察点处的参考栅相互干涉，从而形成条纹。

Wicks ＆Wilson Limited生产的Triform扫描仪采用白光作为光源，用改进的莫尔轮廓技术捕获被测人体的表面形状，12s内扫描得到一个包含150万个点的人体立体彩色点云图。

（4）白光相位法

该方法的基本原理是采用白光照明，光栅经过光学投影装置投影到被测人体表面上，由于人体表面形状的凹凸不平，光栅图像产生畸变并带有人体表面的轮廓信息，用摄像机把变形后的相移光栅图像摄入计算机内，经系统处理，计算得到畸变光栅的相位分布图，即可获得被测人体表面的三维数据点。

美国的TC2是该方法的典型代表，通过在不到12s的时间内对人体40万个点的扫描，迅速获得与服装相关的100个左右的人体尺寸，可以全面精确地反映人体体型。