ISO 20685-22023 人类工效学国际兼容人体测量数据库的三维扫描方法第2部分表面形状和相对标志位置可重复性的评估协议标准立项发展报告

人类工效学国际兼容人体测量数据库的三维扫描方法第2部分：表面形状和相对标志位置可重复性的评估协议标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Ergonomics—3-DScanningMethodologiesforInternationallyCompatibleAnthropometricDatabases—Part2:EvaluationProtocolofSurfaceShapeandRepeatabilityofRelativeLandmarkPositions摘要随着三维人体扫描技术在人类工效学、产品设计、服装工程、医疗健康及人机交互等领域的广泛应用，不同扫描设备和测量方法所产生的人体测量数据的一致性与可重复性问题日益凸显。为解决这一问题，国际标准化组织（ISO）于2023年9月14日正式发布了ISO20685-2:2023《人类工效学国际兼容人体测量数据库的三维扫描方法第2部分：表面形状和相对标志位置可重复性的评估协议》。该标准为三维人体扫描系统中表面形状的准确性和相对标志位置的可重复性评估提供了统一的测试协议与评价指标体系，是ISO20685系列标准的重要组成部分。本报告对该标准的立项背景、技术内容、关键条款、应用价值及未来发展趋势进行了系统阐述，旨在为标准使用者提供全面的技术指引和参考依据。关键词：人类工效学；三维扫描；人体测量数据库；表面形状；标志点；可重复性；评估协议Keywords:Ergonomics;3-DScanning;AnthropometricDatabase;SurfaceShape;Landmark;Repeatability;EvaluationProtocol1引言1.1标准立项背景人体测量学（Anthropometry）是研究人体尺寸、形态和组成的科学，其数据广泛应用于工业设计、服装制造、人机工程评估、医疗康复及航空航天等领域。传统的人体测量方法主要依赖手工接触式测量工具，如卷尺、卡钳等，虽然操作简便，但测量效率低、数据一致性差，难以全面捕捉人体复杂的三维表面形态。近年来，三维激光扫描、结构光扫描、光栅投影及红外深度传感等非接触式三维扫描技术的迅速发展，使得快速、高精度、全自动地获取人体三维模型成为可能。三维扫描技术不仅能够获取传统测量方法难以获得的体表形态信息，还能通过后处理软件自动提取数百项人体尺寸参数，极大提高了人体测量工作的效率和精度。然而，三维扫描技术的应用也带来了一系列新的标准化挑战。不同制造商、不同型号的扫描设备在测量原理、分辨率、扫描范围及数据处理算法等方面存在显著差异，导致同一被测对象在不同设备上获得的测量结果可能存在偏差。此外，同一台设备在不同操作条件、不同被测者姿态及不同扫描次数下获得的结果也可能出现波动。这些差异直接影响人体测量数据的准确性、可比性和可重复性，进而制约了国际人体测量数据库的共建共享。1.2国际标准化需求建立国际兼容的人体测量数据库是多个国际组织和研究机构长期以来的共同目标。ISO7250系列标准（Basichumanbodymeasurementsfortechnologicaldesign）规定了基础人体测量项目的定义和测量方法，而ISO15535标准（Generalrequirementsforestablishinganthropometricdatabases）则规定了人体测量数据库建立的一般要求。但这些标准主要针对传统接触式测量方法制定，难以充分覆盖三维扫描技术的特点和需求。在此背景下，ISO/TC159（人类工效学技术委员会）下设的SC3分委会（人体测量与生物力学）启动了ISO20685系列标准的制定工作。2015年，ISO20685-1:2015《人类工效学国际兼容人体测量数据库的三维扫描方法第1部分：协议要求》正式发布，该标准规定了使用三维扫描系统获取人体测量数据时需要遵循的总体协议要求，包括被测者准备、扫描环境设置、设备校准及数据质量评估等内容。ISO20685-2:2023作为该系列的第2部分，重点关注三维扫描系统自身性能的评估与验证，特别是表面形状的测量精度和相对标志位置的可重复性，为第1部分中涉及的设备性能验证要求提供了具体可操作的测试协议和量化评价指标。2标准概述2.1标准基本信息ISO20685-2:2023《人类工效学国际兼容人体测量数据库的三维扫描方法第2部分：表面形状和相对标志位置可重复性的评估协议》由国际标准化组织（ISO）于2023年9月14日正式发布。该标准归属于ISO/TC159/SC3技术委员会（人类工效学技术委员会人体测量与生物力学分技术委员会），分类号为人类工效学，标准语言为英语。该标准当前状态为现行（Active），自发布之日起即成为国际通用的人体三维扫描系统性能评估的参考依据。2.2标准适用范围该标准适用于以下范围：-使用三维扫描系统获取人体表面形状数据的所有应用场景，包括但不限于人体工效学设计、服装定制、人体工程评估、医学整形及康复辅具设计等；-需要对三维扫描系统的表面形状测量精度进行评估的实验室、检测机构及设备制造商；-需要验证三维扫描系统在重复测量条件下相对标志位置（relativelandmarkpositions）一致性的用户和应用场景；-建立或维护人体测量数据库的机构和组织，用于评估不同时间点、不同设备采集数据的兼容性。值得注意的是，本标准的评估对象是三维扫描系统本身（包括硬件设备和配套软件），而非特定被测者的人体尺寸参数。因此，该标准的使用者主要定位于设备制造商、第三方检测机构、研究实验室以及建立人体测量数据库的机构。2.3标准结构ISO20685-2:2023在结构上遵循国际标准的通用格式，主要包含以下章节：-第1章：范围（Scope）-第2章：规范性引用文件（Normativereferences）-第3章：术语和定义（Termsanddefinitions）-第4章：符号和缩略语（Symbolsandabbreviatedterms）-第5章：测试原理（Testprinciple）-第6章：测试装置与仪器（Testapparatusandinstrumentation）-第7章：测试程序（Testprocedure）-第8章：数据处理与分析（Dataprocessingandanalysis）-第9章：结果报告（Reportingofresults）-附录A至附录D：规范性/资料性附录3标准核心技术内容3.1表面形状测量精度的评估方法表面形状测量精度是评价三维扫描系统获取人体表面几何信息准确性的核心指标。ISO20685-2:2023规定了一套基于标准几何参考体的系统评估方案。这一方案的核心目标是提供一种与设备无关、可比性强的精度评价方法，用以衡量不同扫描系统在统一测试条件下对已知曲面形态的还原能力。标准中明确规定使用具有已知几何参数的校准参考体作为测试对象，该参考体应包含多种几何特征。具体而言，参考体的设计应涵盖平面区域、曲率均匀的球面或圆柱面区域、曲率突变的棱线或过渡区域等，以便全面评估扫描系统在不同表面形态下的测量能力。参考体应经过高精度坐标测量机（CMM）等溯源性计量设备校准，其标称几何尺寸和表面公差应在标准中规定的容差范围内。在测试过程中，被测三维扫描系统对参考体进行多次独立扫描，将获得的点云数据与参考体的标称几何模型进行配准和偏差计算，从而获得系统的表面形状测量误差分布。该评估方法的关键在于偏差指标的量化。标准规定了若干核心评价参数，包括均方根误差（RMSError）和平均绝对偏差等，用以综合反映扫描数据与真实几何之间的整体偏离程度。均方根误差对较大偏差较为敏感，适用于严格衡量整体精度；而平均绝对偏差则提供了更为稳健的误差水平估计。此外，标准还要求分析最大正向偏差和最大负向偏差，以识别扫描结果中可能存在的系统性局部变形。这些指标的计算过程和公差阈值均在标准文本中给予了明确规定，为不同测试机构之间结果的横向比较提供了统一基准。3.2相对标志位置可重复性的评估方法人体表面标志点（如肩峰点、髂前上棘点、大转子点等）在人体测量中具有重要的解剖学参考价值。在实际操作中，操作者往往需要在三维模型上手工标识或以物理标记物的方式确定这些标志点，其定位的准确性和一致性直接影响基于标志点提取的各项人体尺寸参数（如身高、臂长、肩宽等）的可靠性。ISO20685-2:2023详细规定了相对标志位置重复性的测试协议。首先，测试需要在同一被测对象（可采用人体模特或真人受试者，但应确保测试期间被测对象不发生形变和位移）上进行多次重复扫描，扫描次数一般不少于5次。可采用两种方式确定标志点的位置：一是在扫描前于被测对象体表粘贴不透明标记球或标记贴片，利用三维模型上的高对比度特征进行定位；二是在扫描完成后由经验丰富的操作人员直接在三维模型上按解剖学定义手工标记标志点位置。对于后一种方式，标志点的定位一致性还取决于操作人员的专业水平。评价标志点可重复性的核心指标是标准差和最大偏差。标准规定，多次扫描结果中各标志点坐标的三维位置偏差应通过统计方法计算其标准差（通常分别在X、Y、Z三个方向及三维合成方向上进行分析）。此外，标志点之间的相对距离（即标志点之间构成的几何尺寸）的重复性也需进行评估，因为相对距离直接决定了最终输出的人体尺寸参数的可重复性。标准还引入了标志点间距离变异的分析方法，以评价整体测量协议的稳定性。3.3测试条件与数据处理要求为保证测试结果的科学性和可比性，ISO20685-2:2023对测试环境和数据处理提出了明确要求。在测试环境方面，标准要求扫描应在稳定的环境条件下进行，避免环境光干扰、温度漂移和振动对扫描结果的影响。扫描设备应按照制造商的规范完成预热和校准工作，且在校准有效期内进行测试。在数据处理方面，标准要求扫描获得的点云数据应经过滤波去噪处理以去除离群点和噪声点，但对于配准、平滑和网格重建等后处理步骤，应使用统一的算法参数设置，以免因数据处理方式的不同导致结果差异。数据配准应优先采用基于迭代最近点（ICP）等标准算法的自动配准方法，确保多次扫描数据之间处于统一的坐标系中。3.4结果报告要求ISO20685-2:2023明确规定了测试报告应包含的内容和信息。报告至少应涵盖：被测扫描系统的基本信息（制造商、型号、软件版本等）、测试环境的描述（温度、湿度、光照条件等）、参考体或被测对象的描述、扫描参数的设置、数据预处理方法、误差分析结果（包括均方根误差、标准差、最大偏差等关键指标的数值）、以及评估结论和建议。报告的编写应确保数据的可追溯性，使第三方能够理解测试过程并在相同条件下复现测试。4标准的应用价值与意义4.1对设备制造商和检测机构的技术价值ISO20685-2:2023为三维扫描设备制造商提供了一套统一的性能测试标准。制造商可依据标准中的测试协议对其产品进行出厂检验和型式试验，以验证产品在不同表面形态下的测量精度和重复性能否满足标准要求。在市场竞争中，符合ISO20685-2:2023标准的产品可以获得更高的市场认可度和用户信任度。对于第三方检测机构和标准化实验室而言，该标准提供了明确的测试流程和量化评价指标，使检测工作更加规范化和可操作化，能够为设备选购方提供公正、客观的性能评价依据。4.2对人体测量数据库建设的支撑作用国际兼容的人体测量数据库建设依赖于不同国家、不同机构、不同时期采集数据的可比性和一致性。ISO20685-2:2023通过统一三维扫描系统的性能评估方法，有效降低了因设备差异导致的数据偏差风险，为数据库建设中多源数据的融合和比较分析提供了技术保障。该标准与ISO20685-1、ISO7250系列及ISO15535等标准共同构成了一套完整的人体测量数据采集与管理的标准体系。4.3对应用行业和终端用户的指导意义在服装定制领域，三维扫描技术的精度直接决定了服装版型的合体度；在人体工程产品设计领域，表面形状数据的准确性影响座椅、头盔、呼吸面罩等产品的人机适配性；在医疗康复领域，三维扫描数据的可靠性关系到矫形器、义肢等个性化医疗辅具的适配质量。ISO20685-2:2023的应用可以帮助上述领域的终端用户科学地评估和选择扫描设备，正确理解和使用扫描数据，从而提高产品的设计质量和使用舒适度。5主要参与制定单位介绍ISO20685-2:2023由ISO/TC159/SC3技术委员会组织制定。在标准的制定过程中，多个国家的标准化机构和研究机构深度参与，其中日本产业技术综合研究所作为该标准制定的重要推动力量和技术贡献方，发挥了关键作用。日本产业技术综合研究所是日本最大的国立研究机构之一，在测量科学、人类工效学和标准化研究领域有着深厚积淀。该研究所的人类工效学研究团队长期从事三维人体扫描技术的应用研究和标准制定工作，承担了多项与人体测量数据库建设和三维扫描精度评价相关的研究课题。在三维人体扫描系统性能评价方面积累了丰富的实验数据和测试经验，为ISO20685-2标准中测试方法和评价指标体系的建立提供了重要的实验支持和理论依据。此外，来自德国、美国、英国、法国、韩国、中国等国家的标准化专家也积极参与了该标准的讨论和起草工作。中国标准化研究院作为中国人类工效学标准化技术委员会（SAC/TC7）的秘书处单位，在标准制定过程中积极贡献了中国在三维人体测量领域的研究经验和应用实践，推动了标准中关于测试条件和数据处理方法的优化完善。6结论与展望ISO20685-2:2023作为国际标准化组织发布的三维人体扫描系统性能评估标准，填补了国际人类工效学标准体系中关于三维扫描设备表面形状精度和标志点重复性系统评估的空白。该标准的发布和实施，为三维扫描设备制造商、检测机构、研究单位和人体测量数据库建设机构提供了统一的技术依据，有力地促进了三维人体测量技术在全球范围内的规范化应用。展望未来，随着三维扫描技术向更高精度、更快速度和更大适用性方向发展，ISO20685系列标准还将面临持续修订和完善的需求。人工智能和深度学习技术在点云处理和特征识别领域的应用，有望进一步提升标志点自动定位的精度和效率，相关的标准化需求也将逐步显现。此外，动态三维扫描技术（如四维扫描）的发展也将对标准化工作提出新的课题。建议国内相关标准化技术机构密切关注ISO20685-2:2023的实施情况和国际标准化动态，适时推进该标准的等同采用或修改采用工作，将国际先进的三维扫描系统性能评估方法引入国内标准体系，为我国人体测量数据库建设、人体工效学产品设计及相关产业的提质升级提供标准支撑。同时，鼓励国内设备制造商和检测机构依据该标准开展设备性能验证工作，持续提升国产三维扫描设备的技术水平和国际竞争力。参考文献[1]ISO20685-1:2015,Ergonomics—3-Dscanningmethodologiesforinternationallycompatibleanthropometricdatabases—Part1:Evaluationprotocolofsurfaceshapeandrepeatabilityofrelativelandmarkpositions[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2015.[2]ISO20685-2:2023,Ergonomics—3-Dscanningmethodologiesforinternationallycompatibleanthropometricdatabases—Part2:Evaluationprotocolofsurfaceshapeandrepeatabilityofrelativelandmarkpositions[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardizat