龐程方, 任杰文, 倪世明, 夏 馨

(浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院, 杭州 310018)

基于二維測(cè)量下的下肢圍度擬合研究

龐程方, 任杰文, 倪世明, 夏 馨

(浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院, 杭州 310018)

采用非接觸式人體測(cè)量和手工測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方法來獲得人體下肢數(shù)據(jù),通過與手工測(cè)量方法的比較,發(fā)現(xiàn)儀器在圍度方向的測(cè)量精度受到圍度擬合精度的較大影響。因此,本研究通過對(duì)下肢的各部位進(jìn)行分類,并逐類建立回歸方程的方法來提高圍度的擬合精度,進(jìn)而提高儀器測(cè)量精度。

下肢; 二維測(cè)量; 非接觸式人體測(cè)量; 人體參數(shù)

0 引 言

非接觸式人體測(cè)量是人體測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì),非接觸式測(cè)量方法有快速、準(zhǔn)確、全面獲取人體數(shù)據(jù)信息等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于人體測(cè)量與數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目中[1-2]。其中,在二維非接觸人體測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)過程中,如何通過人體的寬度、厚度和高度等已知信息,準(zhǔn)確地推算出人體的三圍尺寸是二維非接觸人體測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵[3]。

中國在二維非接觸測(cè)量方面的研究起步較晚,但一些科研院校等團(tuán)隊(duì)在這方面已獲得了一些成果。浙江理工大學(xué)在這方面進(jìn)行了嘗試,自主研發(fā)了人體下肢二維測(cè)量?jī)x并獲得了相關(guān)專利,它的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易行、速度較快。但儀器在數(shù)據(jù)與手工測(cè)定數(shù)據(jù)的吻合性、圍度指標(biāo)的獲取等問題需要做進(jìn)一步的研究[4]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀 器

人體下肢二維測(cè)量?jī)x(紹興振徳醫(yī)用輔料有限公司)是自動(dòng)測(cè)量?jī)x,能夠自動(dòng)測(cè)量人體下肢數(shù)據(jù),方便快速地測(cè)量出下肢相關(guān)參數(shù)。該儀器能快速地測(cè)量得到:大腿根下5 cm處高度、圍度,腓骨點(diǎn)高、小腿肚圍及其對(duì)應(yīng)的圍度高和小腿最細(xì)處圍度,并能對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)、顯示等處理。儀器使用CCD攝像機(jī)(佳能)拍攝人體正、側(cè)面投影的數(shù)字圖像,從中直接獲取人體高、寬、厚等二維尺寸。而圍度尺寸則不能直接獲取,必須通過人體的寬度、厚度尺寸及相關(guān)指標(biāo)的信息,間接計(jì)算出圍度尺寸[3]。儀器的測(cè)量系統(tǒng)的如圖1。

圖1 二維腿部測(cè)量系統(tǒng)

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

隨機(jī)選取140名身高145～175 cm、體量40～70 kg、年齡18～25歲的青年女性作為被測(cè)對(duì)象。以人體下肢二維測(cè)量?jī)x、皮尺、馬丁測(cè)量?jī)x等工具對(duì)下肢進(jìn)行測(cè)量。

通過儀器測(cè)量獲得大腿根下5 cm高、腓骨點(diǎn)高、大腿根下5 cm圍度、小腿肚圍和小腿最細(xì)處圍度5個(gè)項(xiàng)目。

運(yùn)用手工測(cè)量方法進(jìn)行三次測(cè)量,取平均值,得到大腿根下5 cm高和圍度、大腿根下5 cm寬度和厚度、腓骨點(diǎn)高、小腿肚圍度、小腿肚寬度和厚度、小腿最細(xì)處圍度、小腿最細(xì)處寬度和厚度11個(gè)項(xiàng)目。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用SPSS軟件對(duì)錄入數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值、異常個(gè)案預(yù)處理,刪除異常和重復(fù)個(gè)案數(shù)據(jù),作出各部位尺寸的莖葉圖和箱型圖,找出含有奇異值的樣本,并進(jìn)一步剔除這些樣本的數(shù)據(jù)。根據(jù)檢驗(yàn),剔除了14個(gè)樣本,余下126個(gè)樣本進(jìn)行后續(xù)處理,通過正態(tài)性檢驗(yàn),剩下的126個(gè)樣本測(cè)量數(shù)據(jù)符合正態(tài)性分布,能夠進(jìn)行接下去的儀器測(cè)量數(shù)據(jù)與手工測(cè)量數(shù)據(jù)差異性分析、各變量之間的相關(guān)分析和回歸分析。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 儀器的精度檢驗(yàn)與誤差分析

將儀器測(cè)量值與手工測(cè)量值進(jìn)行比較,分析二維腿部測(cè)量系統(tǒng)的精確性,如表1。

表1 儀器測(cè)量數(shù)據(jù)與手工測(cè)量數(shù)據(jù)的最大差值、差值范圍

由表1可以看出,儀器在高度方向的測(cè)量值與手工測(cè)量值的偏差值在-1.43～0.17 cm與-1.53～0.40 cm之間,基本滿足GB/T 1335.2—2008《國家服裝號(hào)型》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的成年人體尺寸誤差在-1.5～1.5 cm的要求[3,5],而儀器在圍度方向上的測(cè)量值與手工測(cè)量值的偏差值超出了服裝業(yè)生產(chǎn)中的要求。

2.1.1 差異性檢驗(yàn)

將儀器測(cè)量數(shù)據(jù)與手工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行均值差異性比較,從而驗(yàn)證儀器測(cè)量獲取數(shù)據(jù)的可靠性[6]。本文選定大腿根下5 cm處高度和圍度、腓骨點(diǎn)高、小腿肚圍和小腿最細(xì)處圍度5個(gè)指標(biāo),均值比較結(jié)果見表2。

表2 腿部特征部位尺寸配對(duì)樣本t檢驗(yàn)

分析表2可知,大腿根下5 cm高、腓骨點(diǎn)高的P(雙側(cè))都大于0.05,說明測(cè)量值與實(shí)際值均值之間有無顯著差異;而大腿根下5 cm處圍度、小腿最細(xì)處圍度、小腿肚圍的測(cè)量值均值與實(shí)際值均值之間存在顯著差異。儀器測(cè)量在高度方向的尺寸是采用直接對(duì)圖片像素進(jìn)行換算得來,相對(duì)圍度方向的尺寸來說精確度較高;圍度方向尺寸是通過對(duì)圖片像素?fù)Q算后再間接擬合得到,測(cè)得的尺寸與手工尺寸有顯著差異,因而需要對(duì)圍度上的擬合精度進(jìn)行改進(jìn)。

2.1.2 誤差產(chǎn)生原因分析

通過與手工測(cè)量數(shù)值的比較可以發(fā)現(xiàn),儀器測(cè)得的尺寸在高度方向上存在的誤差主要由儀器本身存在的系統(tǒng)誤差所產(chǎn)生,其誤差范圍在服裝生產(chǎn)可接受范圍內(nèi);而在圍度方向上的誤差主要由于間接擬合計(jì)算所造成的,其誤差范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出服裝生產(chǎn)的要求,因此需要對(duì)圍度的擬合模型進(jìn)行改進(jìn),從而提高圍度方向的測(cè)量精度。

手工測(cè)量數(shù)據(jù)與儀器測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差產(chǎn)生原因主要是儀器圍度擬合誤差,擬合誤差是指曲線擬合時(shí)產(chǎn)生的誤差,擬合效果好壞直接影響結(jié)果精確度。由于儀器測(cè)量系統(tǒng)中的圍度進(jìn)行擬合時(shí),將整個(gè)樣本庫作為一類進(jìn)行擬合,并未考慮人體腿部形態(tài)多樣,從而造成個(gè)別樣本在測(cè)試時(shí)出現(xiàn)較大的尺寸偏差。因此,為增強(qiáng)圍度尺寸預(yù)測(cè)的精確度,減少模型內(nèi)部不確定因素,可將人體腿部形態(tài)進(jìn)行分類,分別建立預(yù)測(cè)模型[7]。

2.2 儀器擬合精度的改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)最終得到有效樣本126個(gè),隨機(jī)抽取120個(gè)樣本進(jìn)行分類和模型建立,剩余6個(gè)作為驗(yàn)證樣本。

2.2.1 相關(guān)性分析

分別將三個(gè)圍度與對(duì)應(yīng)的寬度和厚度進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),結(jié)果見表3。

表3 各個(gè)圍度與相應(yīng)變量之間的相關(guān)分析

通過表3可知,下肢各個(gè)圍度與其對(duì)應(yīng)的寬度和厚度有高度相關(guān)性,因此本文通過寬度和厚度擬合出下肢各部位的圍度。

2.2.2 下肢分類

為提高系統(tǒng)測(cè)量精度,引入橫徑矢比(橫徑矢比指的是寬厚之比,用橫徑矢比來表示大腿根部、小腿肚和小腿最細(xì)處橫截面的扁平程度)將下肢進(jìn)行分類,分別建立預(yù)測(cè)模型。考慮到選取的分類間隔過大時(shí),易造成分類類別的樣本數(shù)過于集中某一區(qū)間;而分類間隔過小時(shí),將導(dǎo)致各類別的樣本數(shù)量過于分散,不利于建立回歸方程。因此,將特征部位橫截面橫徑矢比以0.05為間隔分成四檔。在這里,引入身體風(fēng)格的特征系數(shù)概念,它表示寬度和厚度值比[8],用符號(hào)“D、X、H”分別代表大腿根下5 cm處、小腿肚圍、小腿最細(xì)處橫徑矢比。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排列,然后以0.05為間隔進(jìn)行分類，結(jié)果如下表4。

表4 根據(jù)橫徑矢比對(duì)圍度分檔

由表4可以看出，D1、D4、X1三類中樣本數(shù)較少,滿足不了圍度擬合的樣本要求,據(jù)相鄰原則予以合并,將D1類并入D2類,D4類并入D3類,將X1類并入X2類。則大腿根下5 cm圍分為D2、D3兩類;小腿肚圍分為X2、X3、X4三類;小腿最細(xì)圍分為:H1、H2、H3、H4四類。

2.2.3 擬合方程的建立

通過相關(guān)性分析得出下肢圍度和寬、厚之間都是線性相關(guān),相關(guān)關(guān)系顯著。因此,運(yùn)用逐步回歸分析對(duì)每一類建立擬合效果最好的回歸方程為:

D2:大腿根下5 cm處圍度=3.761+2.786×大腿根下5 cm厚+0.121×大腿根下5 cm寬;

D3:大腿根下5 cm處圍度=7.873+2.694×大腿根下5 cm寬;

X2:小腿肚圍=9.356+2.312×小腿肚寬;

X3:小腿肚圍=5.356+2.239×小腿肚寬+0.290×小腿肚厚;

X4:小腿肚圍=-2.650+3.500×小腿肚寬;

H1:小腿最細(xì)處圍度=4.384+3.318×小腿最細(xì)處寬;

H2:小腿最細(xì)處圍度=1.349+2.740×小腿最細(xì)處厚;

H3:小腿最細(xì)處圍度=-11.363+4.051×小腿最細(xì)處厚+0.071×體重小腿最細(xì)處厚;

H4:小腿最細(xì)處圍度=3.112+3.190×小腿最細(xì)處寬。

2.2.4 回歸模型驗(yàn)證

如表5所示,各類圍度在擬合時(shí)的相關(guān)系數(shù),判定系數(shù),調(diào)整的判定系數(shù)較大,而回歸估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)誤差較小,這說明樣本的回歸效果較好。

表5 各類別圍度的擬合模型概況

將隨機(jī)抽取出的6個(gè)樣本按照各尺寸部位的類別代入相應(yīng)的回歸方程計(jì)算結(jié)果,與手工測(cè)量值進(jìn)行比較,分析計(jì)算值與手工值之間的差異是否顯著。驗(yàn)證結(jié)果如表6所示:

表6 驗(yàn)證樣本的腿型分類及回歸方程預(yù)測(cè)結(jié)果分析

由上表可以看出,回歸方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值之間的絕對(duì)差異較小,兩者差值范圍在-1.37～1.47 cm,滿足服裝尺寸誤差在-1.5～1.5 cm的要求。與改進(jìn)前相比,大腿根下5 cm的圍度誤差范圍由-5.20～4.30 cm變?yōu)?0.41～0.93 cm,誤差范圍縮小8.16 cm,測(cè)量精確度提高85.89%(誤差范圍縮小值/原先誤差范圍值);小腿肚圍的誤差范圍縮小1.98 cm,測(cè)量精確度提高48.29%;小腿最細(xì)處圍度誤差范圍縮小0.45 cm,測(cè)量精確度提高13.68%。

3 結(jié) 論

通過對(duì)人體下肢二維測(cè)量?jī)x器的精確度進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)二維測(cè)量?jī)x在高度方向上的測(cè)量精確的較高,而圍度受到間接計(jì)算的影響,通過擬合得到的尺寸偏離服裝生產(chǎn)的基本要求。通過對(duì)反映下肢截面形態(tài)扁平程度的橫徑矢比進(jìn)行分類,將腿部圍度上的形態(tài)進(jìn)行區(qū)分,將大腿根下5 cm處的腿部形態(tài)分為D2、D3;將小腿肚圍處的腿部形態(tài)分為X2、X3、X4;小腿最細(xì)處的腿部形態(tài)分為H1、H2、H3、H4四類。

根據(jù)各部位所類別,逐類建立相應(yīng)的回歸方程來計(jì)算圍度尺寸。通過驗(yàn)證,改進(jìn)后得到的下肢圍度計(jì)算值與手工測(cè)量值的偏差范圍在-1.32～1.47 cm之間,大腿根下5 cm的圍度測(cè)量精確度提高85.89%;小腿肚圍的測(cè)量精確度提高48.29%;小腿最細(xì)處圍度的測(cè)量精確度提高13.68%,測(cè)量得到的各個(gè)尺寸數(shù)據(jù)滿足服裝生產(chǎn)的要求。

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(責(zé)任編輯： 楊一舟)

Study on Circumference Fitting of Lower Limbs Based on Two-Dimensional Anthropometry

PANGCheng-fang,RENJie-wen,NIShi-ming,XIAXin

(School of Fashion Design and Engineering, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper adopts the non-contact anthropometry and manual measurement to obtain the data of lower limbs. Compared with the manual measurement method, it is found that the measurement accuracy of the instrument is greatly influenced by circumference fitting accuracy at circumference direction. This study improves circumference fitting precision and then boots instrument measurement accuracy through classifying each part of lower limbs and establishing regression equations according to the classification.

lower limbs; two-dimensional anthropometry; non-contact anthropoment; human parameters

1673- 3851 (2015) 01- 0051- 04

2014-03-12

浙江理工大學(xué)研究生創(chuàng)新研究項(xiàng)目(YCX13016)

龐程方(1989-),男,浙江臺(tái)州人,碩士研究生,主要從事人體工程與數(shù)字服裝方面的研究。

夏 馨,E-mail:29810868@qq.com

TS195.644

A