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基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究中文摘要 进行了仿真，预测值与测量值基本吻合，满足服装业生产的基本要求。 6 、设计出系统的操作界面，并对系统的可行性进行了验证。 关键词：青年男体；边缘提取；体型分类与判别；b p 神经网络；非接触测量 l i 作者：匡才远 指导教师：刘国联 r e s e a r c ho nn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to f y o u n gm e n sb o d i e sb a s e do nd i g i t a li m a g e sa b s t r a c t r e s e a r c ho nn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to fy o u n gm e n s b o d i e sb a s e do nd i g i t a li m a g e s a b s t r a c t n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nh u m a nb o d ym e a s u r e m e n t n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n ti n s t n m a e n t sw e r ei n t r o d u c e db yh i g h e ra c a d e m yo ra c a d e m i c i n s t i t u t i o n sf r o ma b r o a d h o w e v e r , t h o s ei n s t r u m e n t sw e r en o tw i d e l ya p p l i e di nc h i n a b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c e si nb o d i l yf o r mb e t w e e nc h i n e s ea n df o r e i g n e ra sw e l la s h i g h e rp r i c e h e n c e ，i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tw h i c hc a nb e o p e r a t e de a s i l ya n dl o wc o s t l y i nt h i st h e s i s ，n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do ne x t r a c t i o no f s i l h o u e t t e sf r o md i g i t a li m a g e s , d e t e r m i n a t i o no ff e a t u r ep o i n t sa sw e l la sp r e d i c t i o no f h e i g h t ，l e n g t ho rc i r c u m f e r e n c e t h ea d v a n t a g eo ft h i ss y s t e mw a st h a ti tc a l lb ea p p l i e d c o n v e n i e n t l yi nt h ea p p a r e li n d u s t r yt om e e tt h er e q u i r e m e n to fm e a s u r et om a d ea n d q u i c kr e s p o n s e t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sp r e s e n t e da sf o l l o w y o u n gm e nw e r es e l e c t e da ss u b j e c t s t h em e a s u r e so nb o d i l yf o r mw e r eo b t a i n e d b yu s i n gp h o t o g r a m m e t r y , t r a d i t i o n a lm a n u a lw a y sa n dn o n - c o n t a c ta u t o m a t i cm e t h o d s a n g l e so fb o d i l yf o r m ，s u c ha ss h o u l d e rs l o p ea n g l e ，d o r s a la n g l e ，h i pb u l g ea n g l e ， b a c ke n t e ra n g l ea n db o d yl a t e r a la n g l ew e r eu s e dt od e s c r i b et h ec h a r a c t e r so fb o d i l y f o r m t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sa m o n gt h o s ea n g l e sw a sc a r r i e do u tt oo b t a i nf e a t u r e a n g l e s t h ec l u s t e ra n a l y s i sw a sd o n eb a s e do nm i n i m a ld i s t a n c e s t h en u m b e ro fc l u s t e r w a sd e t e r m i n e db a s e do nm u l t i v a r i a t ea n a l y s i so fv a r i a n c e i na d d i t i o n , t h ed i s c r i m i n a n t s w e r ed e v e l o p e dt oe s t i m a t en e w s a m p l e h u m a nb o d yi m a g e st a k e nb yd i g i t a lc a m e r aw e r ef o c u s e d t h ei m a g e sw e r ef u r t h e r p r o c e s s e db yu s i n gt h ea l g o r i t h m so fc o l o rs e g m e n t a t i o n ，b e s tt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n ，f i l l i n g h o l e s , o p e n i n ga n dp i x e lc o n n e c t i v i t y , a n dt h es i l h o u e t t e sw e r ee x t r a c t e df r o mt h ep r o c e s s e d i m a g e s t h ee x t r a c t e ds m o o t ha n dc l o s e ds i l h o u e t t e sc o n f i r m e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dw a s i l l r e s e a r c ho nn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n to f y o u n gm e n sb o d i e sb a s e do nd i g i t a li m a g e sa b s 仃a c t e f f e c t i v et op r o c e s sh u m a nb o d yi m a g e s t h ee x t r a c t e ds i l h o u e t t e so fh u m a nb o d yi m a g e sw e r ef o c u s e d t h ef e a t u r ep o i n t so n t h es i l h o u e t t e sw e r ed e t e r m i n e db a s e do nt h ec h a r a c t e r so fb o d i l yf o r m t h e n , b o d y h e i g h t ，a r ml e n g t h ，s h o u l d e rw i d t h ，n e c kw i d t h , n e c kt h i c k n e s s ，n e c kb a s ew i d t h ，n e c k b a s et h i c k n e s s ，c h e s tw i d t h ，c h e s tt h i c k n e s s ，w a i s tw i d t h ，w a i s tt h i c k n e s s ，b e l tw i d t h ，b e l t t h i c k n e s s ，h i pw i d t ha n dh i pt h i c k n e s sw e r eo b t a i n e d c e r v i c a lh e i g h t ，n e c kc i r c u m f e r e n c e ，n e c kb a s ec i r c u m f e r e n c e ，c h e s tc i r c u m f e r e n c e ， w a i s tc i r c u m f e r e n c e ，b e l tc i r c u m f e r e n c ea sw e l la sh i pc i r c u m f e r e n c ew e r ep r e d i c t e db y u s i n gt r a i n e db a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k t h ei n t e r f a c eo fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e d t h ef e a s i b i l i t yo f t h i ss y s t e mw a st e s t e d t h eo b t a i n e dm e a s u r e sc o n f i r m e dt h a tt h ed e v e l o p e ds y s t e mw a s e f f e c t i v et om e a s u r ey o u n gm e n sb o d i e s k e yw o r d s ： y o u n gm e n sb o d i e s ； s i l h o u e t t e se x t r a c t i o n ；c l u s t e ra n a l y s i sa n d d i s c r i m i n a n t ；b pn e u r a ln e t w o r k ；n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t w w r i t t e nb yc a i - y u a nk u a n g s u p e r v i s e db yg u o l i a nl i u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名- 亟立蒸e l 学位论文使用授权声明 期：肿f f f 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全都或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 莲丑建一e t 期：竺鲨：竺 导师签名：掣霉a 乳e t 期：j 芝盟1 垒上 基于数字图像的青年男体非接触i 贝4 量系统的研究第1 章绪论 第1 章绪论 随着生产技术的进步，人们越来越多地意识到在进行产品设计和工程设计时，需 要考虑人的因素。在新产品开发时，设计者更多地以消费者的感觉和消费需求作为产 品开发的依据。服装作为感性产品，不仅要能满足消费者在款式、色彩、工艺、材料 等方面的需求，更要能满足人体动态、静态时基本活动量的需求。服装的结构设计需 要从人体体型特征出发，成衣尺寸设计要能满足消费者日常活动的基本需求【l 2 】。因 此，准确测定人体尺寸是非常重要的，而传统手i n 量方法存在速度慢、直接接触人 体等缺点。因此，研发实用快速的非接触测量系统具有重要的意义。 1 1 国内外关于人体测量研究现状 人体具有复杂的体表形状，要使服装能够满足人体的基本需求，需要对人体进行 测量。因此，人体测量是服装设计和生产的基础性工作。静态测量技术是服装生产中 运用最广泛的测量技术，分为接触式手工测量技术与非接触式自动测量技术。 1 1 1 接触式手工测量技术 接触式人体测量是运用专门的测量仪器对人体进行接触式测量。常用的工具有人 体测高仪和软卷尺等。接触式手i n 量技术虽然在测量过程中存在着缺点，主要是测 量时间长，工作量大，但具有非接触式自动测量难以达到的优点。 服装人体测量的部位与方法是根据中华人民共和国国家标准g b f f1 6 6 卜 1 9 9 6 制定的。该标准规定了服装人体尺寸的测量部位与测量方法，适用于成衣规格 的采集i 引。 为了便于对人体进行测量，在人体的表面确定一些点和线作为测量的基准。基准点 和基准线的确定不仅要满足人体测量的需求，还要具有明显、固定、易测的特点。因此， 一般选择骨骼的端点、突起点和肌肉的沟槽等部位作为基准点和基准线l l 】。 1 1 2 非接触式自动测量技术 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第1 章绪论 随着计算机技术的发展，通过计算机控制并进行图像处理的非接触测量装置已陆 续产生，被部分研究机构和高校引用。通常使用的方法有立体摄影测量法、激光测量 法、莫尔条纹测量法、t c 2 分层轮廓测量法、投影条纹相位测量法等方法【4 6 】。 近年来，计算机视觉图形学与几何学的最新研究成果也应用于非接触式测量，肖 正扬等以光、电、机等技术为基础，研究人体的非接触自动测量技术。该技术利用人 体的转动，采集同一点在不同像面上的成像，以获取人体特征点的数据 7 1 。d a v i dj f e a t h e r s 等研究表明，机、电三维测量方法与传统测量方法相似，存在较小的系统误 差。即使测量对象穿着衣服进行测量，也没有增加测量的系统误型引。g o n g b i n gs h a h 等提出人体侧面测量方法，将1 5 个电位计水平放置，环绕在被测量对象周围。半圆 装置从上往下运动，用于扫描人体侧面轮廓。基于人体相对于矢状切面成对称的假设， 该装置只扫描左侧人体。得到所需要的侧面轮廓后，运用a u t oc a d 软件进行人体轮 廓重构，再计算出相应部位的尺寸【9 。爱达荷州国家工程实验室、美国空军实验室及 c y b e r w a r e 合作，提出适用于成年人全身表面测量的新方案。该系统运用四个相对独 立、同步移动的扫描装置从四个方向获取不同象限的测量数据。从每个扫描装置中发 射出的水平光栅交汇成光平面，围绕被测量对象从上往下移动。每个装置里的照相机 随光平面上下移动，探测光栅在人体表面交汇点的位置【i o 】。k a t h l e e nm 等提出在被测 量对象身上标出小圆点后进行扫描测量的方法。扫描图像处理后，计算圆点之间的直 线距离、重复测量绝对偏差( m a d ) 及变异系数( c v ) 。结果表明运用该方法获取 的尺寸具有较好的再现性【l 。p i e r r em e u n i e r 等提出以二维图像为基础的测量方法， 自动标记算法的可靠性、测量模型的正确性以保证测量结果具有较好的准确性和再现 性【1 2 1 。r o yep a r g a s 提出通过读取人体点云图中水平切面上圆周点的坐标，得到人体 围度的测量尺寸。选择人体表面一系列的连续点，计算点与点之间的距离，得到人体 表面的长度尺寸l l 引。m d u r s u nk a y a 提出运用自适应神经一一模糊推论系统 ( a n f i s ) 来预测尺寸【1 4 1 。k a t h l e e nm r o b i n e t t e 提出运用c a e s a r 扫描提取技术进 行人体测量，所得结果的重现性较好【l5 1 。j u n m i n gl u 提出运用轮廓分析、最小围度 检测、灰度值检测及人体等高线划分等算法在人体图像上得到标记点和特征线。基于 标记点和特征线得到人体测量尺寸【1 6 1 。c h i e n c h ic h a n g 提出采用低成本、便携式激 光测量装置进行手部的测量。在测量过程中，运用一块玻璃作为测量支持物以减少扫 描阴影面积，保证手的不自然移动减小到最低程度。采用特殊的导向装置来控制并校 2 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第l 章绪论 正由玻璃引起的折光误差【1 7 1 。 1 1 3 非接触自动测量技术的应用 非接触测量技术具有测量速度快，准确性高等特点，在服装工程等领域中有着广 泛的应用。 1 1 3 1 服装的三维设计 非接触式三维人体激光扫描仪采集目标客户的数据，应用v c + + 与o p e n g l 混合 编程的方法完成三维人体及服装的真实感显示，使顾客在屏幕前从各个方向直接看到 自身的服装穿着效果。如果不满意，通过人机交互方式进行修改直到满意为止，提高 服装款式的接受率旧。还可以实现度身定制( m t m ) 的数字化着装系统的设计【1 8 】。 1 1 3 2 服装的量身定做 随着计算机视觉技术的发展，依据计算机视觉原理的测量技术受到了广泛的关 注。基于立体匹配、结构光技术和相位移原理研制出的非接触式人体测量系统，能在 半秒内完成对站立的人体扫描，并在一分钟内就可以获得人体轮廓的数字化的高精度 信息，并可显示在屏幕上和通过电话线或网络传送到远距离工作站上。 通过观察被测量的人体，确定了体型并得到该个体相关部位尺寸后，调出该体型 基础纸样对变更点进行数值修正，对得到的新纸样进行曲线修整，修正后的新纸样就 是针对该体型的合体纸样。最后，安排至i j 相应的服装流水生产线上加工制造1 9 1 。 运用计算枫模拟方法来获取脚部尺寸，模拟结果与手工测量结果的误差仅为 5 m m 。运用计算机处理获取脚部尺寸能够给生产商生产合脚鞋子提供帮助口们。 1 1 3 3 建立人体数据库 e r i em i n - y a n gw a n g 等学者根据台湾地区主要行业工人的群体结构，测量了工人 2 6 6 个静态尺寸和4 2 个动态尺寸范围，建立了台湾地区工人的人体数据库。为设计 人员设计具有工效性能的设备、装置及作业空间提供了参考依据【2 1 1 。e m i l i aj a r o s z 测 量了荷兰老年女性的人体尺寸，补充了人体数据库。测量结果可用于设计或改善工作 空间、公寓、室内器具及社会服务中心，也可以用于老年人的服装设计 2 2 1 。此外，测 量结果还用于修正现有的c a d 系统【2 3 1 。m o n i c ap b a r r o s o 等学者测量了葡萄牙成年 工人的尺寸，用于建立葡萄牙成年工人的人体数据库【2 4 1 。 与传统手工测量方法相比，3 d 人体测量能够瞬时收集准确的测量数据，并且避 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第l 章绪论 免与人体大面积的接触。为满足设计运动服的需求，需要测量人体动态尺寸，但3 d 人体扫描仪测量的人体动态数据存在较大的偏差【2 甜。 1 2 国内外关于人体体型研究现状 1 2 1 人体特征研究 人体可以分为头、躯干、上肢、下肢等四个部分。成衣制作所需要的基础尺寸主 要集中这些部位。 1 2 1 1 躯干特征 躯干是人体的主要部分，由颈、胸、腹部组成，对于人体总体形态有决定性的影 响，是服装设计制作中要重点研究的部位。 颈部基本形状为圆柱体，圆柱体的底面呈前低后高的斜面。颈部是连接人体头部 和肩部的部分，与衣领有密切的关系【。 胸廓的形状近似于卵形，上小下大呈下斜状。胸廓的前面上半部胸部明显向前隆 起：下方边缘形成水平向上略弯曲的乳下弧线。腹部易沉积脂肪，成年人腹部往往较 肥大并向前凸起【1 1 。 a m t an v a s a v a d a 研究发现女性头部和颈部的人体测量参数值明显小于男性的。 性别差异对颈部测量参数的影响大于对头部测量参数的影响。女性第3 颈椎与第7 颈椎之间的前一后尺寸远小于男性的，但中一侧尺寸却不刚2 6 1 。 t f f o k 研究表明中国新生婴儿的胸围与出生体重存在显著相关关系。胸围、乳 点间距、胸骨长、腹围等尺寸与种族有关。中国新生儿的胸围小于法国的新生j d t 研。 1 2 1 2 上肢特征 上肢与躯干的肩部相连，分为上臂、下臂和手三部分，与服装结构设计关系较大 的是臂部的形态特征。 上臂覆盖的肌肉使上臂形成前后径较大、左右径较小的椭圆柱体；下臂覆盖的肌 肉使下臂形成左右径较大、前后径较小、上端粗壮、下端细小的体型特征。 上肢的活动范围较大，整个上肢可以前后摆动、侧举和上举，上臂与下臂之间可 以屈伸，下臂还可以有1 8 0 。的转动等。因此，在服装的设计和制作中，除了要注意 上肢的静止形态，还要了解运动中的形态特征，使服装含有适应上肢活动的松量【1 瑚】。 4 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第l 章绪论 y u n i sa a m o h a m m a d 研究发现惯用左手个体的手的尺寸与惯用右手个体之间 存在显著性差异，男性手的尺寸与女性的也存在显著性差异。因此，相关设备要根据 惯用左手、惯用右手、男性尺寸、女性尺寸分别设计【2 9 1 。 1 2 1 3 下肢特征 人体的下肢是由胯部、腿部和足部组成，与服装外观关系密切的是胯部和腿部的 形态特征。 腿部的形体特征为上粗下细，大腿肌肉丰满、粗壮，小腿后侧形成“腿肚 。从 正面看，大腿从上至下略向内倾斜，而小腿近于垂直状；从侧面看，大腿略向前弓， 小腿略向后弓，形成s 曲线状【l 2 8 1 。 k e w a lk r i s h a n 研究发现头部的测量尺寸与身高存在显著相关关系，该相关程度 远高于脸部尺寸与身高的关系。头部水平围长、最大头长、最大头宽是预测身高的最 佳参数3 0 1 。k e w a lk r i s h a n 研究还发现身高与手长、手宽、脚长、脚宽等存在显著的 正相关关系。身高和脚长的相关系数最高和最小标准差都表明，运用脚长来预测身高 具有较好的可靠性和准确性【3 i 】。 1 2 2 人体体型特征研究 人体体型是多变的。由于年龄差异、个体差异、性别差异、种族差异、世代差异、 生活方式差异及种族融合等因素的影响【3 2 3 4 1 ，人体体型特征存在不少差异。 1 2 2 1 女性体型研究 女性体型的总体特征为：胸部隆起，表面起伏变化较大，骨盆较宽大，脊柱的腰 柱部分较长，显得腰部以下较发达【1 2 8 1 。近年来，专家学者对女性的体型特征进行了 研究，取得了一些成果。 王花娥运用相关分析和主成分分析的方法，对女性躯干部分的特征进行了研究。 研究结果表明身胸比、胸腰差及曲背指数可以作为划分女性体型的三个特征指标，并 根据指标的组合，将女性形体分为3 6 种体型【3 5 1 。 陈文飞在研究中综合考虑地域差别、年龄差别对女性体型的影响，通过聚类分析 和主成分分析等方法将人体体型多个指标转换成围度因子和高度因子，并将人体划分 为9 种类型【3 6 1 。 张颖根据人体典型指标的数字特征，分析出模特的体型特征为身材高挑、体型偏 气 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第l 章绪论 瘦，上下身比例完美，腿部修长，但胸围、腰围及臀围较相同高度的普通人体更为丰 满、立体3 7 1 。 沈迎军分析了上海地区高龄女性的体型特征，结果表明与脂肪厚度相关的指标随 年龄的增大而有所增大；高度方向上的指标随年龄增长而减小；腰、腹、臀部的前后 径明显增大【3 引。 丁笑君对浙江青年女性的胸部、侧面、臀部、腹部局部形体特征进行了分析，运 用b p 神经网络分别对胸部、侧面、臀部和腹部等部位建立了模型，该模型可以较准 确和快速的识另l j 形体【3 9 t 。 赵微在青年女性体型分类中，选择围度差作为上体分类的主要依据，另设前后腰 节差为上体次分类的依据；选择臀腰差作为下体分类的主要依据，另设腹围差作为下 体次分类的依据。该体型分类方法能够反映青年女性前挺、驼背、挺腹等体型特征【4 0 1 。 郑艳分析了我国中西部地区女大学生的体型特征，结果表明女大学生头身比浮动 在6 5 与7 5 之间：女大学生上下身长均值比为1 ：1 4 1 9 ，接近完美体型比，符合 人体美学比例。通过对女大学生人体围度的评价分析可知，我国中西部地区女大学生 的平均体型虽属标准体，但均己接近较瘦体的临界值4 。 c j e y ah e n r y 等学者测量了泰国城乡老年女性的尺寸。研究结果表明城市老年女 性的二头肌、三头肌的皮肤褶厚度大于乡村的老年女性【4 2 1 。 1 2 2 2 男性体型研究 男性体型的总体特征为：胸部较为平坦，男子肩部胸部骨骼肌肉宽大，显得腰部 以上较发s t l 2 卧。专家学者对男性的体型特征进行了研究，取得了系列成果。 王爱华分析了华北东北地区、华东地区及西南等地区的体型数据，结果表明华北 东北地区人体体型差异较其余两地区大，体型分布面较广，其次是华东地区；华东地 区人体背部体型差异较大；西南地区左右肩倾斜角、腰围的差异较大【4 3 1 。 王祺明博士对青年男子的体型进行了研究，在分析其体型特征后，指出人台的尺 寸与实际人体尺寸存在着较大的差异 4 4 1 。 总后军需装备研究所的夏鹏泽等学者，调查研究了中国军人这个特殊群体的体型 特征及其随年龄变化的情况。结果表明，年龄对体型变化具有显著性影响4 5 1 。 李元虹研究了中老年男子的体型特征。结果表明随着年龄的增长，胸围、腰围和 臀围都明显增大，但中年男子胸围和臀围的增量大于老年男子，腰围的增量比较接近； f i 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第1 章绪论 胸腰落差和腰臀落差逐渐减小；总肩宽逐渐变窄。此外，中年男子b 体型属于常见 体型，而老年男子c 体型属于常见体型【4 6 1 。 c j e y ah e n r y 等测量了泰国城乡老年男性尺寸。结果表明城市老年男性的腰围、 二头肌及三头肌的皮肤褶厚度要大于乡村的老年男性h 2 1 。 1 2 2 3 小学生体型研究 李哲运用相关分析、聚类分析等方法分析了人体各部位数据，建立了不同年龄段 人体主要部位之间的数学模型；分析了小学生体型随年龄变化的规律；制定了小学生 号型系列及各控制部位数值；计算了小学生服装号型覆盖率，并进行成衣规格设计m 。 尽管人体的体型特征存在差异，但局部尺寸之间存在一定的关联。m m o k d a d 研 究表明身高、体重与人体其他尺寸之间存在显著相关性。此外，年龄对身高、体重有 着重要的影响【4 引。 1 2 3 人体体型的分类变量 人体的体型可以采用不同的变量来表示，其中主要有以下三类h 9 1 。 1 2 3 1 围度 人体的围度不一定是阿步变化。相同的胸围，不同的腰围( 腹围或臀围) ，就显 示出不同的体型。因此，不同围度的差值可作为区分体型的依据。目前，国家标准采 用胸腰差作为体型分类的依据。 1 2 3 2 前后腰节长的差 前后腰节长是女装设计、制作中经常要考虑的部位。前后腰节长的差最能表示正 常人与挺胸凸肚或有曲背的体型的差别。因此，该差值可作为体型划分的依据。 1 2 3 3 指数 常用的指数有体重与身高的比( 又称为丰满指数) ，某种围度与身高的比，不同 围度的比等。 1 3 本研究的目的、意义及内容 1 3 1 研究的目的及意义 人体测量作为一项基础性工作已引起研究人员的关注。目前，国内已有部分高等 7 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第1 章绪论 院校和研究机构从国# 1 - 弓1 进了非接触测量装置，这些系统普遍成本偏高、安装复杂、 占用空间大，而且系统基于的原型与国内人体体型存在一定的差异，在服装业推广还 有相当的距离。国内学者进行人体非接触测量系统的研究，目前仅处于研发阶段。 服装作为感性产品，尺寸满足穿着者日常活动需求是最重要的，服装业对尺寸测 量的精确度要求比其他行业低。本研究从满足服装行业的要求出发，研究便捷、快速 的非接触i 贝! i 量系统。 本研究采用数码摄像的方法，通过提取青年男体数字图像边缘、确定边缘上人体 特征点及建立二次生成数据的数学模型等技术手段，研发适合于服装业用的非接触式 测量系统。该系统能够顺应现代服装业的快速反应、网上定制发展趋势的需求，具有 较好的学术意义和应用价值。 1 3 2 研究的思路 本文研究思路的框架图如图1 1 所示。 图1 1 研究思路框架图 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第l 章绪论 1 3 3 研究的内容 根据实际需要，本论文主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 人体体表的差异主要体现在各部位的角度差异，本研究以青年男体的数字 图像为研究对象，量取表征人体体型特征的肩斜角、背侧角、臀突角、背入角、体侧 角等体表角度，并按照体表角度进行体型分类，筛选出大样本作为研究的重点对象， 统计分析该类群体的长度、宽度及厚度等尺寸数据，总结体型的特征规律。 ( 2 ) 以人体正面及侧面的数字图像为研究对象，运用彩色分割、最佳阈值分割、 孔洞填充及开运算等图像处理技术，提取人体图像边缘。 ( 3 ) 以提取的人体图像边缘为研究对象，运用计算机数字图像处理的数学基础 和专业知识，在图像边缘上确定特征点和特征线，得到非接触式测量尺寸。 ( 4 ) 由于通过图像处理后得到的尺寸是2 d 尺寸，围度等尺寸需要通过间接方法 得到。本研究中，通过b p 神经网络对相关数据进行训练，再进行相应尺寸的仿真运 算，得到人体的尺寸。 ( 5 ) 运用新样本对该系统进行检验，将得到的非接触式测量结果与样本的真实 值进行比较，检验该系统的可行性与有效性。 9 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究 第2 章人体测量项目的定义及其测量 第2 章人体测量项目的定义及其测量 本研究以青年男性为研究对象，运用三维人体测量法、照相测量法及手r n 量法 相结合的方法进行人体测量，以期得到青年男性的体型数据，为后续研究奠定基础。 2 1 测量对象与时间 本研究的测量对象：青年男性，年龄为1 8 - 2 6 岁，平均身高1 7 1 5 5 c m ，平均体 重6 2 5k g 。在测量对象选择过程中，力求其体型特征符合青年男性的群体结构特点。 测量时间：2 0 0 7 年3 月- 2 0 0 7 年7 月。 2 2 样本量的确定 样本量胛确定是抽样方案最重要的内容之一。刀取值太大，会造成人力物力的浪 费；力取值太小，根据样本对总体的估计就会造成较大的误差，同样会造成严重的损 失。选择的样本尽量代表更多的人，而且重要尺寸指标的误差落在允许范围内【5 0 5 2 1 。 从单一的总体中抽取样本进行某一项目的测量得x 1 ( f = 1 - - - n ) ，人体各部位尺 寸可以近似看作服从正态分布z n ( u ，o ，_ 2 ) 。工为样本均值，通常工业生产和科学研 究中采用9 5 的置信水平，则： 误差为：= x - , u = 1 9 6 0 - 乍i t v 玎 相对保证误差为：a ：一a ：1 9 6 ； 1 t , 4 n 从而，样本量疗= 1 9 6 2 ( 署) 2 j 删= 7 其中，a 是相对保证误差。通常，重大科研中a 取值为1 2 ，一般科研的取 值为3 4 ，5 适用于工业生产。本研究为减小误差，a 的取值为1 。c v 是变异 l o 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究 第2 章人体测量项目的定义及其测量 系数，变异系数越大表明个体波动范围越大，需要的样本量也越大。j 为样本标准差， x 为样本均值。 为了获取青年男性的特征尺寸的变异系数，在正式实验之前运用手i n 量方法测 量了1 0 0 名青年男体的身高、胸围、腰围、臀围等尺寸。通过这些数据来计算服装用 人体主要测量项目的c v 值，从而计算出本次测量所需样本量，z ，计算结果如表2 - 1 所 示。 表2 1 人体主要测量项目的卯值和所需样本数 测量项目身高胸围腰围臀围 平均值x e m 1 7 1 7 18 5 1 97 3 6 58 8 5 1 标准差s 5 8 75 4 86 5 26 4 9 变异系数删 0 0 3 40 0 6 40 0 8 80 0 7 3 样本数行 4 51 5 82 9 82 0 5 由表2 1 可知，腰围的变异系数最大，所需要的样本量也最大，故本次人体测量 数目超过2 9 8 人即可。实际测量人数为3 1 0 人。其中，3 0 0 人用于数据分析，另外1 0 人用于验证使用。 2 3 测量条件 2 3 1 测量环境 根据仪器正常工作所需要的外部环境及人体感觉舒适最适宜的温度条件，本次测 量的条件为：t = 2 5 + 2 ，r h = 6 5 + 5 。 2 3 2 测量地点 测量地点为本校服装工程系三维人体测量实验室。 2 3 3 测量要求 本次实验包括三维人体扫描法测量、照相测量法测量及手工测量等环节。为了提 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第2 章人体测量项目的定义及其测量 高测量结果的精确性，对被测量对象的着装及站姿提出了如下要求。 2 3 3 1 着装要求 ( 1 ) 被测量对象穿着浅色内衣站在测量区域内； ( 2 ) 穿着的内衣必须紧贴身体； ( 3 ) 被测量对象要卸去首饰、手表、眼镜等装饰物。 2 3 3 2 站姿要求 三维人体扫描法测量对站姿的要求如下： ( 1 ) 手臂应远离身体，能够辨别出腋窝，但要保证手不能超出测量区域。如果 测量对象较为肥胖，则要求其将手臂、腿张开的幅度略大些； ( 2 手要握成拳头； ( 3 ) 两脚要站在测量室中指定的位置； ( 4 ) 测量对象要身体直立静止、眼睛平视前方，俯视或仰视都不能准确探测到 颈部的位置。 照相测量法测量对站姿的要求如下： ( 1 ) 拍正面照片时，要求被测者立正站直，头部自然抬平，两臂伸直张开略与 身体保持一定距离，两脚以所画基准线为中心向两边微分。 ( 2 ) 拍侧面照片时，要求被测量对象保持与正面类似的姿势，只是手臂张开的 程度以不挡住后腰最凹处和体侧腹部标记点为准，要求两脚并拢。当不能达到既露出 后腰最凹点又露出体侧腹部标记点要求时，则需要补拍一张侧面照片，此时要求被测 量对象右手臂水平前举。 手工测量时对站姿的要求如下： 被测量对象直立静止、眼睛平视前方、上肢自然下垂、手掌朝向体侧、左右足后 跟并拢、呼吸均匀正常。 2 4 测量方法 本次实验运用了三维人体扫描测量法、照相测量法及手工测量法等方法对青年男 性进行了体型测量。 1 2 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第2 章人体测量项目的定义及其测量 2 4 1 三维人体扫描测量法 本实验所使用的三维人体扫描仪s y m c a d 是由德国奔马公司生产的仪器，它采用 数字白光投射技术，无接触地自动测量人体，并且不受人体移动影响。除了能输出三 维人体数据外，还可以在3 0 秒内自动计算出9 0 个尺寸数据。该仪器的主要技术参数 如表2 2 所示。 扫描技术物理白光投影和光栅三维测量 扫描区域 1 0 x 5 x 8 英尺 系统尺寸 l x w x h ：4 8 7 x1 6 0 x 2 3 5 m x 轴( 水平方向) 1 1 m m ( 二维和三维) 数据点密度 y 轴( 垂直方向) 1 1 m m ( - - 维) 4 4 m m ( 三维) z 轴( 深度方向) 1 0 m m ( 三维) 扫描的平均数据点从2 5 ，0 0 0 到1 8 0 ，0 0 0 个点 输入电压 2 0 0 v 2 4 0 v 扫描时间 2 5 s 总共处理时间 3 0 s ( 数据处理时间) * o b j * d x f * u n v * s t l 等多种格式 输出数据格式 i v , v r m l ( - - 维) a s ci i ( 测量) 操作环境暗室，正常环境光 操作系统 w i n 2 0 0 0 ，x p 与服装c a d 的连接 a s s y s t ，l e c t r a 自动完善的精度校准 测量时间较短，测量对象感觉舒适 优点 由于暗室测量，在正常环境光下进行易被消费者接受 物理白光，1 0 0 安全 2 4 2 照相测量法 运用照相测量法拍摄青年男性正面及侧面的数字图像，从数字图像中不仅可以量 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究 第2 章人体测量项目的定义及其测量 取人体体表的角度，而且可以运用图像处理技术提取人体图像的边缘。 2 4 2 1 测量工具 使用的主要工具有数码相机、三角架及背景。 数码相机的型号为：奥林巴斯，分辨率为4 0 0 万象素。 使用三角架的主要目的是为了获取稳定的画面，方便数字图像的后续处理；同时， 使实验人员轻松地集中精力拍摄被测量对象【5 3 1 。 为了后续研究的需要，便于将人体与背景分开，本实验采用不同的背景进行预实 验，分析后得出理想的背景颜色。 2 4 2 2 体表角度的量取方法 本实验中需要量取的体表角度主要有肩斜角、体侧角、臀突角、背入角、背侧角 ( 具体定义见第3 章) 。以上体表角度值是利用c o r e l d r a w l 2 0 软件量取。 运用c o r e l d r a w l 2 0 软件量取角度的精确度为1 度。为了提高测量结果的可信 度，准确测量每个体表角度是十分重要的。c o r e l d r a w l 2 0 软件的界面是有限的， 如要显示完整的人体，则必然会有部分图像分辨不清晰。因此，允许在不影响测量精 确度的前提下尽可能放大图片。 2 4 3 手工测量 手工测量法属于传统的测量方法，根据测量特征点的位置能够比较精确地测量所 需要的尺寸。 2 4 3 i 测量特征点的确定 特征点的确定对测量尺寸的准确性起着至关重要的作用。本研究中需要的测量特 征点如图2 1 所示。 测量特征点的定义如下： 肩颈点：位于颈侧根部，从人体侧面观察，位于颈根部宽度的中心点偏后的位置。 第7 颈椎点：第7 颈椎棘突尖端的点。 颈窝点：第一胸椎的上缘点。 1 4 綦于数宁图像的青年男体非接触测量系统的研究第2 章人体测量项目的定义及其测量 ( a ) 正面特征点 图2 1 测量特征点 肩端点：锁骨与肩胛岗相连接部位向上的最高点。 肩峰点：肩胛骨外缘的最外侧点。 胸宽点：肩峰点与前腋点连线的中点。 前腋点：人体正面中，手臂与躯干的分界点。 乳点：乳头的中心点。 肩胛突点：人体肩胛部位最突出的点。 背宽点：肩峰点与后腋点连线的中点。 后腋点：人体背面中，手臂与躯干的分界点。 桡骨头点：桡骨小头上缘的最高点。 最低肋骨点：身体肋骨的最低点。 髂嵴点：髂嵴向外最突出点。 髂前上棘点：髂前上棘向前下方最突出点。 1s ( b ) 背面特征点 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第2 章人体测量项目的定义及其测量 桡骨茎突点：桡骨茎突的下端点。 大转子点：股骨大转子的最高点。 腰点：第五腰椎棘突尖端的点。 胫骨点：胫骨上端内侧，踝内侧缘上最高的点。 腓骨头点：腓骨头向外最突出的点。 外踝点：腓骨外踝的下端点。 2 4 3 2 测量项目 本实验中需要测量的项目定义如下： 颈围：甲状软骨凸下缘点处的颈部围长。 颈根围：经过人体颈侧点、颈椎、颈窝的颈部围长。 肩宽：两肩峰点之间的距离。 背宽：过肩胛突点的两背宽点之间的距离。 胸宽：两胸宽点之间的距离。 胸围：在乳头处水平测量的胸部围长。 臂根围：经肩峰点、前后腋点围量一周的长度。 臂围：在上臂根部处水平围量一周的长度。 腕围：绕桡骨茎突点和尺骨茎突点的腕部围长。 腰围：腰部最细部位的水平围长。 臀围：臀部向后最突出部位的水平围长。 腹围：腰围和臀围中间部位的水平围长。 大腿根围：大腿最大的围长。 小腿肚围：小腿肚最大的围长。 踝围：经过内、外踝点的水平围长。 膝围：经过髌骨点的水平围长。 1 6 基于数字图像的青年男体非接触测量系统的研究第3 章基于体