研究与技术
丝绸JOURNAL OF SILK
扫描人体外包围计算与上衣原型应用分析
Scanning human body outer circumference calculation and upper prototype application analysis
夏㊀明a ,b ，张理想a ，许㊀霄a
(东华大学a.服装与艺术设计学院;b.东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海200051)
摘要：为了得到科学合理的女装紧身上衣的松量分布规律，文章以449名女性人体模型的体型数据为依据，提出一种基于三维人体模型提取并测量胸围上外包围的方法㊂以胸围上外包围曲线上各特征点为导向点，将提取的腰围凸包曲线和胸围凸包曲线划分为12段并计算各段围度差，得到各体型紧身原型围度松量分布规律，并通过回归分析得到胸围上外包围㊁原型胸围松量与胸围的回归关系㊂基于腰围松量分布规律定义了各腰省的省量计算方式，统计分析出紧身原型㊁不同衣身构成腰省省量分布及各省量与总腰围松量的回归关系㊂关键词：原型结构；三维扫描；胸围上外包围；体型分类；胸围松量；腰省量
中图分类号:TS 941.17㊀㊀㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀㊀㊀文章编号:10017003(2023)01007810引用页码:011110
DOI :10.3969/j.issn.1001-7003.2023.01.010
收稿日期:20220507；修回日期:20221202
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232020G-08)作者简介：夏明(1981)，男，副教授，博士，主要从事服装数字化技
术的研究㊂
㊀㊀服装松量是指服装与人体之间的空余量，是影响服装舒适度和合体性的重要因素㊂研究服装松量分布规律，是提高服装结构设计合理性和服装舒适性的重要途径，也是实现智能化制版的关键技术[1]㊂国内外不少学者对胸围松量和腰围松量进行了研究，袁卫娟[2]统计分析了人体前下胸围-前腰围㊁后胸围-后腰围两部分形成的腰省，得到腰省量分区分布规则及紧身原型腰省预测模型㊂Castro [3]研究胸围松量分布，指出前胸宽㊁袖笼宽和后背宽所占胸围松量比例分别为43%㊁14%㊁43%㊂王晓霞等[4]通过分析体表角度和省道角度的关系，得到各腰省量的线性回归方程㊂赵晓刚等[5]绘制原型在人台胸围㊁腰围处形成的切面弧线，通过计算差值和占比得到合体原型腰部省量的分配方法㊂XU 等[6]基于三维人体数据研究并量化了标准身材与特定款式的不同尺码服装之间的空间松量分布，为三维仿真提供评价指标㊂Liu 等[7]通过对服装胸围和腰围的静态松量分布的研究发现，胸围松量更多集中在人体左右区域，腰围松量更多集中在人体前后区域㊂Wang 等[8]用正弦函数和余弦函数拟合人体的特征断面曲线，得到胸围和腰
围松量分配模型㊂上述研究为服装松量研究提供了不同的思路和方法，但均未考虑体型对松量分布的影响㊂在上装结构中，腰部造型的合体程度影响着紧身上衣的合体性
与舒适性，且不同体型的腰腹部形态具有较大的差异，以体型为依据的省量的合理分配能够提高服装合体度㊂刘博飞[9]基于三维扫描女体的胸腰臀数据对东华原型进行拓展研究，得到东华原型Y ㊁A ㊁B 三种体型的合体原型；平良木啓子[10]通过分析女性上半身各断面曲线形态特征，计算出腰部前倾体㊁腰部后倾体和中间体三种体型的腰省分配率；邹奇芝等[11]构建了7种适体原型，以满足不同的女体形态㊂上述研究虽考虑体型对松量影响，但是以人体轮廓曲线长度或上半身最小外包围作为松量研究的依据，而人体体表的尺寸和手工测量尺寸存在差距，对于腰部前突的特体，采用上半身最小外包围可能造成胸围松量过大，因此基于人体轮廓曲线长度或上半身最小外包围的松量研究结果与实际测量误差较大㊂
人体特征提取和测量是研究松量分布的基础，其难点在于人体特征点的识别㊂目前常用的特征点识别主要有4种方法：模板法㊁函数法㊁几何形状分析法和手工标记法㊂模板法是指将预定义的人体模板映射到点云数据上提取特征点㊂Azouz 等[12]通过学习人体模板的地表特征和特征之间的空间关系，然后通过马尔可夫网络进行概率推理，从而确定目标人体的特征点位置㊂函数法是通过建立一个具体函数来识别特征点[13]㊂Dekker [14]采用人体体型特征判别函数，实现人体特征点的自动提取和三维人体尺寸的自动测量㊂Leong 等[15]用逻辑数学描述人体特征信息，基于图像处理技术和计算机几何技术从人体点云数据中提取特征点㊂几何形状法是通过人体特征部位的形状特征来识别的㊂葛宝臻等[16]在分析轮廓
线的几何特征时，通过近似区域搜索和精确点获取了
第60卷㊀第1期
扫描人体外包围计算与上衣原型应用分析
多个人体特征㊂模板法㊁函数法和几何形状法均属于自动提取特征点的方法，模板法精度高，但需要建立人体模板库，因此计算量大㊁成本高；函数法和几何形状法虽简单，但函数法费时且拟合数据不能很好地反映人体形状，几何形状法并不适用于特征部位的形状特征不明显的个体㊂而手工标记法是一种半自动的人体特征点提取算法，需要扫描前用标记物来标记特征点㊂美国军方的ANSUR 工程[17]采用的就是这种方法，该方法虽复杂，但成本低㊁精确度高，适用于所有个体㊂
服装原型包含了最基本的人体特征信息和服装款式信息，是服装结构设计研究的基础
[18]
㊂本文在已有的研究基础
上，以胸围上外包围为松量研究的依据，基于不同的体型分析其对应的紧身原型胸围松量与腰围松量的分布规律，从而得到紧身原型㊁不同衣身结构的腰省省量分配模型，为服装结构设计提供数据参考㊂
1㊀三维扫描人体特征信息提取和定义
1.1㊀数据获取和预处理
本文以华东地区年龄段为22~56岁的成年女性为研究
对象，使用[TC ]2三维扫描仪扫描获取了449名女性三维人体点云数据㊂为了减少误差，扫描前通过人工标记对图1所示的各测量特征点标记识别，扫描时采用标准站立姿势，身穿
紧身内衣[19]㊂并借助逆向工程软件Rapidform 2006对点云数据进行降噪㊁孔洞修补等处理得到光滑的人体网格模型㊂
图1㊀人工标记的测量特征点
Fig.1㊀Artificially marked measurement feature points
1.2㊀胸围上外包围的定义和计算
上半身外包围是用纸或面料垂直地面柱状包覆人体上半
身躯干部(腰围线以上，不包括头部和手臂)一周所需的最小围度[20]，如图2(a )所示㊂由于部分体型存在
腰部前突的情况，如图2(b )所示，这部分突出量在原型上反映为a 处省道量过小甚至为负，在原型应用时可以通过将胸省转移至腰部补足突出量，但若将这部分松量计入原型的胸围松量会造成胸部松量过大㊂因此，本文选取和计算的外包围是人体胸围线以上部分的外包围，即用纸或面料垂直地面柱状包覆人体胸围线以上部分(不包括头部㊁人体肩端点和手臂突出量)一周所需的最小围度[19]，如图2(c )所示㊂
图2㊀人体外包围
Fig.2㊀Body bounding circumference
㊀㊀胸围上外包围无法通过皮尺直接测量，而文献[20]中介绍的通过水平断面重合图提取外包围的方法和原型衣着装实验的方式都不适合大样本的快速测量㊂本文基于扫描人体的三维模型数据，提出一种能够快速准确计算胸围上外包围的方法，可以应用于3D 人体测量系统中，具体步骤如下:
1)截取过后颈椎点BNP 水平面以下至胸围水平面以上部分的人体躯干特征网格模型，如图3(a )所示㊂
2)将所截取的网格模型的顶点V ={Vi =(x i ,y i ,z i )ɪ
R 3|i =1,2, ,N }全部投影到胸围平面上，得到胸围上水平断面的平面投影点集S ={Si =(x i ,y i )ɪR 2|i =1,2, ,N }㊂
3)将四个腋点两两间连线并作与两前腋点(后腋点)所
在连线成135ʎ角的两条射线，如图3(b )所示㊂设BAP _L 和BAP _R 所在直线方程为A B x +B B y +C B =0,FAP _L 和BAP _L 所在直线方程为A L x +B L y +C L =0,FAP _L 和FAP _R 所在直线方程为A F x +B F y +C F =0,FAP _R 和BAP _R 所在直线方
程为A R x +B R y +C R =0㊂过BAP _L ㊁BAP _R ㊁FAP _L ㊁FAP _R
与两腋点连线呈135ʎ的射线方程分别为A 1x +B 1y +C 1=0㊁A 2x +B 2y +C 2=0㊁A 3x +B 3y +C 3=0㊁A 4x +B 4y +C 4=0，则:∀P (x ,y )ɪS ，将满足A B x +B B y +C B >0A 1x +B 1y +C 1>0A 2x +B 2y +C 2>0
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各点构成的点集定
Vol.60㊀No.1
Scanning human body outer circumference calculation and upper prototype application analysis
义为S B，满足A F x+B F y+C F<0
A3x+B3y+C3<0
A4x+B4y+C4<0
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各点构成的点集定义为S F,
满足A B x+B B y+C Bɤ0
A F x+
B F y+
C Fȡ0
A L x+
B L y+
C Lȡ0
A R x+
B R y+
C Rȡ0
ì
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í
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各点构成的点集定义为S BL㊂
4)将点集S F㊁S B㊁S BL的并集S A(S A=S FɣS BɣS BL)定义为构成胸围上外包围的点集，使用Graham扫描法[21]计算点集S A的凸包，其过程如下:
第一步，选取初始点S0㊂遍历点集S A中的所有点坐标，将y坐标最小的一点作为初始点㊂若存在多个y坐标最小的点则选取x和y同时最小的点作为初始点㊂
第二步，连接S0与S i，其中i=1,2,3, ,n，选取与水平方向夹角最小的线作为初始准线并排序㊂如图3(c)所示, S0S1与水平方向夹角最小，其次为S0S2㊁S0S1㊁S0S3㊁S0S4㊁S0S5㊁S0S6㊂
第三步，从初始准线开始，按照第二步中点的排序检查三点连线的方向为向左方向或向右方向㊂给定过S1(x1,y1)和S2(x2,y2)的直线L:(y-y2)(x-x2)-(y-y1)(x-x1)=0，若S3(x3,y3)与S1S2构成向左方向，即(y3-y2)(x3-x2)-(y3-y1)(x3-x1)<0，则检查S2S3S4，若S2S3S4构成向右方向，即(y4-y3)(x4-x3)-(y4-y2)(x4-x
2)>0，则删掉S3检查S2S4S5，以此类推得到凸包多边形S0S1S2S4S5S6，如图3 (c)所示㊂所求凸包多边形的周长即为胸围上外包围尺寸㊂
图3㊀胸围上外包围的计算
Fig.3㊀Calculation of the upper bust bounding circumference
㊀㊀胸围上外包围不包括人体肩端点和手臂部突出量，因此计算时需要去除这部分数据㊂取135ʎ角的射线是考虑到，若直接以前腋点(后腋点)间连线为分割线，对于部分前冲肩的体型，不能有效去除上臂部顶点数据，如图4(a)所示；若取与前腋点(后腋点)间连线成90ʎ的射线，对于胸部丰满的个体，垂线与胸部有重叠，如图4(b)所示㊂在计算外包围时，还需要将胸围断面曲线的点集数据包括在内，对于较肥胖的体型，在胸围侧面的位置会出现超出前后腋点连线的情况，如图4 (c)所示，因此将胸围断面多边形加入到点集中来进行外包围凸包的计算㊂
图4㊀点云数据分割时的不同情况
Fig.4㊀Different situations in point cloud data segmentation
1.3㊀特征曲线提取和划分
按照文献[19]的方法提取并测量胸围断面曲线和腰围断面曲线：首先，手工拾取三维人体网格模型扫描前标记的特征点，如前腰点FWP㊁胸高点BP；其次，将特征点所在水平面与三维网格模型求交，得到体表的水平断面轮廓曲线，该曲线的长度为人体体表的实际尺寸；然后，拟合各断面轮廓曲线的凸包曲线并离散为一组点集；最后，导出各个点的坐标并计算凸包曲线的周长㊂使用Rapidform2006API插件进行编程，实现对三维人体模型特征信息的批量处理㊂
为研究不同体型胸围松量和腰围松量分布规律，本文对提取的特征曲线进行细分㊂以胸围上外包围曲线上各特征点(前中心CF㊁胸高点BP㊁前腋点FAP㊁后腋点BAP㊁肩胛骨凸点SCP和后中心CB)和侧缝点SSP(前腋点FAP和后腋点BAP的中点)为导向点，获取导向点在腰围断面曲线和胸围断面曲线上的最近距离点，记为投影点㊂各投影点将胸围断面曲线和腰围断面曲线细分为12段，如图5所示㊂由于有些人体数据左右不对称，为减少获取的各曲线长度数据的误差，在特征曲线长度计算过程中取各断面曲线左右半身数据的均值㊂
第60卷㊀第1期扫描人体外包围计算与上衣原型应用分析
图5㊀腰围曲线分段示意
Fig.5㊀Schematic diagram of the waist curve segmentation 1.4㊀体型分类
根据国家号型标准用胸腰差将样本的体型分为Y㊁A㊁B㊁C四类，统计得到各体型及样本总体胸围㊁腰围㊁胸围上外包
围的均值与标准差，如表1所示㊂
表1㊀各体型断面尺寸
Tab.1㊀Cross-section dimension of each body type
A22590.507.2474.517.4198.406.92 B18690.517.8078.398.1598.666.98 C㊀1491.648.3483.518.27100.41㊀8.11总体44990.697.4776.338.0398.696.92㊀㊀计算各个体型扫描人体的胸围线㊁腰围线和胸围上外包围线上的点坐标均值，绘制出各体型平均的胸围曲线(BL)㊁
腰围曲线(WL)㊁胸围上外包围曲线(MGUL)，如图6所示㊂
图6㊀各体型特征断面的平均特征曲线重合
Fig.6㊀Average characteristic curve overlapping of sections of each body type ㊀㊀由表1和图6可知:
1)Y体型和C体型的胸围上外包围均值相当且偏大，说
明此类体型的人上半身围度偏大，体态丰满；而A体型和B
体型的胸围㊁胸围上外包围均值相当且偏小，说明此类体型的
人上半身围度偏小㊂
2)Y体型和A体型的腰围断面曲线被胸围断面曲线
包裹 起来，左右两侧间隙较大，说明此两类体型的人腰
部平坦且相对纤细；而B体型和C体型人的腰围断面曲
线比胸围断面曲线在人体前侧更为突出，且两断面曲线在人
体左右两侧间隙较小，说明该两类体型人腰部前突且相对圆润㊂
2㊀胸围松量分布
2.1㊀原型胸围松量分布
按照文献[20]中的定义将胸围上外包围曲线和胸围断面曲线长度数据的差值作为原型胸围松量㊂图7是449个人体样本胸围上外包围曲线和胸围断面曲线总体差值分布，均值是7.997cm，标准差为1.597cm，服从正态分布㊂表2是各体型前后片胸围松量取值㊂
图7㊀胸围上外包围与胸围的差值分布直方图Fig.7㊀Distribution diagram of the difference between the upper bust bounding circumference and the bust
表2㊀各体型原型胸围松量前后片分布
Tab.2㊀Distribution of the
front and back parts of the
bust ease of each body type
A7.901.2815.766.6284.24 B8.161.6419.286.5280.72 C8.771.8621.126.9278.88总体7.991.4217.116.5882.89
Vol.60㊀No.1
Scanning human body outer circumference calculation and upper prototype application analysis ㊀㊀由P组间<0.05和表2可知，不同体型的胸围总松量存在
显著性差异，且随着胸腰差减小，胸围总松量和前片胸围松量
呈增大趋势㊂为了探究不同体型的胸围松量差异是否显著,
本文分别对Y㊁A㊁B㊁C体型的胸围松量进行单因素方差分
析，结果如表3所示㊂由P Y-A<0.05㊁P Y-B<0.05㊁P Y-C<0.05㊁
P
A-C<0.05可知,Y体型的胸围总松量与A㊁B㊁C体型的胸围
总松量存在显著差异，且A体型和C体型也存在显著差异㊂
由P A-B>0.05㊁P B-C>0.05可知,B体型的胸围总松量与A体
型㊁C体型无显著差异㊂
表3㊀各体型原型胸围总松量差异显著性检验结果
Tab.3㊀Difference significance test results of the total bust ease
of various body type prototypes
组内
0.032∗
Y-B0.004∗
Y-C0.002∗
A-B0.103
A-C0.039∗
B-C0.147组间(Y㊁A㊁B㊁C)0.005∗
㊀㊀注:∗表示在0.05水平上显著㊂
2.2㊀原型胸围松量回归关系
以人体胸围为自变量㊁胸围上外包围为因变量，利用SPSS22.0数据统计软件对胸围与胸围上外包围进行线性回归分析，回归分析结果如表4所示㊂由回归式可知，胸围上外包围与人体胸围具有正相关性，即人体胸围越大，胸围上外包围越大㊂各体型胸围上外包围与胸围的回归式的调整后的R2介于0.932~0.971，说明胸围尺寸对于胸围上外包围尺寸有90%以上的解释能力，即该模型拟合较好㊂
表4㊀各体型胸围上外包围与胸围的相关性及回归式
Tab.4㊀Correlation and regression of the upper bust bounding
circumference and bust of various body types
0.000∗A0.977MGU=0.935B+13.8000.9550.9550.000∗B0.982MGU=0.878B+19.1730.9630.9630.000∗C0.987MGU=0.960B+12.4340.9740.9710.000∗总体0.978MGU=0.907B+16.4420.9570.9560.000∗㊀㊀注:MGU为胸围上外包围,cm;B为胸围,cm㊂
同理计算得到原型胸围松量与人体胸围的回归关系式，如表5所示㊂由各回归式可知，各体型的胸围松量与人体胸围均有负相关性，即胸围越大，胸围松量越小，但各体型的回归系数不同，其中Y体型和B体型胸围松量随胸围的变化更大,C体型胸围松量随胸围的变化最小㊂B体型的p值为0.399，说明B体型的原型胸围松量与胸围线性回归不显著，无统计学意义，因此采用胸围尺寸构建线性回归模型评估C 体型的胸围松量准确度不高;Y㊁A和B体型的p值均小于0.05，说明Y㊁A和B体型的线性回归高度显著；但Y㊁A和B 体型的调整后的R2值均小于0.5，说明个体之间胸围松量的差异不能完全被胸围尺寸所解释㊂
表5㊀各体型原型胸围松量与胸围回归式
Tab.5㊀Regression equation between the bust ease and the
函数prototypebust of various body types
Aα=-0.065B+13.8000.0940.0900.000∗Bα=-0.122B+19.1730.3360.3320.000∗Cα=-0.040B+12.4340.0600.0180.399㊀总体α=-0.093B+16.4420.1900.1880.000∗㊀㊀注:α为胸围松量,cm;B为胸围,cm㊂
3㊀腰围松量分布
3.1㊀紧身原型腰围松量分布
本文研究的紧身原型腰围不设置松量，同胸围松量一样，将胸围上外包围曲线与腰围断面曲线的长度差作为腰围总松量㊂图8是449个人体样本胸围上外包围曲线和腰围断面曲线总体差值分布，均值是22.362cm，标准差为3.108cm，服从正态分布㊂对Y㊁A㊁B㊁C体型的腰围松量单因素方差分析的结果如表6所示，各体型及样本总体前片与后片的腰围松量及其占比如表7所示㊂由表6和表7可知，不同体型的腰围松量有显著差异；前片腰围松量总体小于后片腰围松量；随胸腰差减小，前片松量的占比呈减小趋势，后片松量的占比呈增大趋势㊂
图8㊀胸围上外包围与腰围的差值分布直方图Fig.8㊀Distribution diagram of the difference between the upper
bust bounding circumference and the bust
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