3D人体扫描完整手册

2020年 9月 8日
概要 

从定制义肢到完美合身的服装、3D打印小雕像到逼真的人物形象,3D人体扫描仪已成为探究人体奥秘的重要工具。通过本文,我们将介绍不同类型的人体3D扫描仪、人体捕获的主要难点、以及它们在医疗、体育、服饰、娱乐行业的应用。

类型
手持式、固定式
应用场景
医疗、体育健身、时尚、VR、电子游戏、电影、3D雕像
价格区间
$500 – $40000

介绍

3D扫描科技的出现为很多行业带来了新的可能。3D人体扫描仪目前成为医疗、健身、服装、3D人像打印、娱乐等领域越来越受欢迎的一类扫描仪。

这类扫描仪专门用于快速准确的人体三维捕获和体形、比例、尺寸的数据捕获,比传统手动方式更快更轻松。3D人体扫描技术最早出现在1980年代,以满足服装业日益增长的成衣制作需求。如今,这些技术被广泛应用于体育、医疗等领域,能快速准确地采集人体变化的定性与定量信息。

下面我们一起来了解下不同3D人体扫描仪的工作原理,并详细介绍它们胜任的各项任务。

3D人体扫描仪工作原理

3D人体扫描仪,顾名思义,就是数字捕获整个人体或手臂、腿部、耳部、头部等人体部位的扫描仪,通过拍摄几千张人体快照,将它们缝合成点云,来构建3D模型。

全身扫描仪,也称为3D扫描亭或扫描镜,可以从头到脚捕获人体,而手持式3D扫描仪既可以捕获全身,也能捕获独立部位。除了捕获人体的硬件外,还有3D处理软件,用来分析原始数据,提取测量细节。

3D人体扫描仪基于结构光科技、激光线型三角测距、摄影测量等技术研发。此外,也有移动应用,可以通过智能手机摄像头、计算机成像技术、机器学习算法,并根据人们的相片来制作逼真的3D形象。

了解这些后,我们可以把现有的3D人体扫描仪分为三大类:

A

3D扫描亭和家用人体扫描仪

B

手持式3D人体扫描仪

C

移动人体扫描应用

A. 3D扫描亭与家用人体扫描仪

3D人体扫描亭是静止的小屋或小亭子,通常在内部周围装有扫描仪、传感器或数码单反摄像头(或三者全装),确保全角度捕获人体。一位或多位模特站在亭子中央,保持一个姿势,同时扫描人员在后台进行各项准备并运行系统。

扫描亭示例

根据亭内安装的软硬件,整个过程可能只要几秒钟,方便扫描对象保持同一姿势不移动、不眨眼。亭内扫描的成品就是一个全彩3D模型,可用3D打印店的砂岩等材料进行打印。

3D人体捕获系统的例子还包括3D扫描镜、3D试衣间、家用扫描工具箱。这类设备往往采用了多项3D成像技术;这些技术被集成于镜面或支架上,可围绕站在平台上(也可能是一台秤)的人体旋转,有些设备设计了旋转平台,让人体360度旋转,同时一台静止的扫描仪进行人体3D快照。

这类扫描仪的成品不仅是人体模型(往往不带肌理),而是这台3D扫描仪所提取的一系列3D测量数据和参数。通常,这类系统被用于体育和健身领域,来记录健身、饮食课期间的体形变化,也用于服装品牌捕获人体尺寸,来定制个性化贴身服饰。

B. 手持式3D人体扫描仪

这类人体3D扫描仪已经面市很久了,和用于捕获全身的3D扫描亭不同,这些扫描仪可用于单独人体部位或四肢的精致捕获。这类设备更灵活,便携性更高,能手持设备围绕扫描对象进行扫描。最终效果也比扫描亭的更准确。

诊所专家使用手持式扫描仪扫描年轻患者的耳部。(来源:https://www.artec3d.com/cases/prosthetic-3d-printed-ear-implants

扫描完成后,彩色或不带肌理的成品3D模型通常会被导出至专业3D软件,进行进一步加工,例如,定制义肢、矫形、珠宝或眼镜等个性化饰品。

C.移动人体扫描应用

这类应用利用智能手机摄像头、最新融入智能手机及平板的3D传感器、AI算法,基于几张照片获得人体测量数据。这类应用的目标客户通常是无法获得高端人体扫描仪的终端用户,为他们提供监测体形的关键指标,或优化网购体验,为自己选择最合适的服装。

3D人体扫描仪的应用

3D人体扫描仪可用于一系列应用场景,从制作3D打印雕像到收集人体数据,为医药、营养学、时尚等领域的技术发展带来了新机遇。下面,我们来了解几个最热门的应用及相关行业。

3D打印雕塑和3D自拍 

3D扫描仪在生活中的一类应用就是制作用于3D打印的人体模型。现在,人们已经不需要去当地的照相馆或自动照相亭来照全家福了。不过,我们可以在世界各地的购物中心的3D扫描亭为自己或家人制作3D雕塑,也可以去一家专业的3D扫描/打印机构,进行3D扫描。

一名男子与狗的3D雕塑

3D雕塑、3D人像或3D自拍,是为生活片段留念的全新方式。为自己制作3D扫描又快又方便,就像用智能手机拍照一般,过几天,就能收到3D雕塑,可放在桌上,也能当礼物寄给亲朋好友。最美妙的应用案例恐怕就是荷兰Bellyprint公司了,她们借助Artec Eva,为孕晚期孕妇制作人体扫描和3D雕塑。

健身

在健身俱乐部、健身房、运动员、私教和客户群体中,另一项日益受欢迎的应用场景就是体形变化的追踪,来实现健身或饮食目标,例如增肌减脂。

使用人体扫描仪完成运动员扫描。(来源:https://www.artec3d.com/cases/vorteq-fastest-cycling-skinsuits

这类3D扫描仪不仅可以完成人体3D捕获,还能分析捕获数据,提取包括腰围、臀围、体形、姿势、体重等数值信息。此外,它们还能提供一段时期内身体变化的互动报告,让用户直观地追踪自己健身计划的效果。

这类设备通常不捕获人体的色彩和肌理,基本只关注一段时间内的体形和变化。

时尚

服装行业早在3D扫描仪出现前就开始进行形体测量了。直到20世纪早期,服装基本都是根据客户自己的身材由专业裁缝定制的。到了战争时期,出现了统一的成衣尺码系统,如今依然广泛使用。尽管这使服装行业取得了巨大进步,但无论是当时还是现在,都不够理想。人们体形身材各异,标准尺码不可能适合每个人。虽然我们的衣柜还是以大众消费为主,但3D人体捕获技术正在悄然改变这一趋势。

虚拟试衣

服装品牌开始利用3D扫描仪来为客户提供定制服务,他们不希望采用传统耗时的手动测量方法。现在已经不流行裁缝拿着卷尺围着客户转圈了,只要几秒钟就能捕获精准数值,用于制作贴身服饰。

部分品牌还在商店试衣间安装了3D扫描仪,让顾客快速试衣,尝试不同颜色,搭配不同饰品——这一切都不需要离开试衣间,也不需要穿脱衣服即可实现。其他品牌也在网店内提供虚拟试衣间,协助顾客挑选最合身的服装,不用离开家门就能试衣。顾客还能上传自己的3D形象和要试穿的衣服,看是否合身。

在全球,一些国家正在利用3D扫描技术进行全国范围内的人体测量调查,收集3D人体扫描数据来改善尺码体系。有些品牌已经开始这么做了。

医疗

医疗是3D人体扫描仪大显身手的又一大领域,提升了尺码、外形、姿势、皮肤表面的准确测量和视觉化效果。医务工作者和专业裁缝一样,曾经通过手动方式测量尺寸和外形,评估健康状况,提供相应治疗。

3D扫描患者身体

p>得益于3D人体扫描科技的出现,医生和临床医师现在可以短短数秒就完成人体几百个数值的自动测量。随后,利用这些数据(独立或结合X光、MRI、超声或CT扫描等偏介入型方式获得的数据)用于以下途径:

  • 为个人定制合身的义肢或矫形器械
  • 评估皮肤状况,包括皱纹、色素沉淀、黑素瘤等,发现早期肿瘤、肺功能问题和烧伤治疗
  • 监测分析孕妇体型大小、形体变化和身体反应,规划特殊治疗方案(如肥胖、激素)、饮食方案和运动计划
  • 计算药物、放疗、化疗计量
  • 模拟并视觉呈现整形手术效果等。

娱乐(游戏、电影、特效)

3D扫描仪捕获的逼真全身模型也广泛应用于诸多现代电子游戏、动作片、VR和AR应用中。影视工作室一直采用3D人体扫描仪来捕获演员身体,制作所谓的“数字替身”,用于视觉特效和3D动画中。电游开发者也会出于同样的原因,扫描著名演员,这样无需从头设计,就能利用演员扫描形象设计新的人物。

为电影《终结者:创世纪》扫描施瓦辛格。(来源:Legacy Effects)

一些电游开发者甚至更进一步,允许玩家用自拍创建个性化3D形象参与游戏,不再使用预制形象。许多VR和AR应用场景中,也允许用户上传个性化3D形象,可用于视频会议或游戏中。

扫描难点

无论您是否打算创办3D雕塑打印公司,还是为医院、矫形诊所、服装店、健身房、影视或游戏工作室采购3D扫描仪,这里有些扫描难点,需在扫描人体时注意:

1.    使用手持式3D扫描仪时脸部和人体的移动

如前文所说,使用手持式扫描仪进行人体捕获可能要比3D扫描亭耗时。所以,在你围绕扫描对象走动时,他们可能稍不注意就会移动或眨眼。为避免这一问题,可事先安排好站立位置。人体扫描可能要4-5分钟(若刚开始接触3D人体扫描或许需要更久),所以要确保模特选择舒适又稳定的姿势,尽量保持不动。如果某些情况下,无法再次扫描,Artec Studio等软件解决方案能让您轻松修复人体移动产生的瑕疵。

同样重要的一点是,扫描仪性能要够好,能快速完成任务。Artec手持式扫描仪捕获范围广,配合高帧率FPS,能比小范围、低速度设备更快完成人体扫描。

另一个难点是人脸扫描时的眨眼、打哈欠、表情变化。因此,对于我们自己的3D扫描仪Eva或Leo,我们建议先扫描脸部,然后往下扫描其他部位,或者也可以单独捕获头部和身体。脸部扫描很快,通常只要5-7秒——刚好够一个人撑住不眨眼。另一条避免眨眼的小贴士就是请扫描对象选择前方一点(略高于视平线,避免直视闪光灯),扫描脸部时看向这点。

如果扫描对象和你一样高,或略高于你,那还有个好方法就是分开扫描脸部与头部。这种情况下,很难捕获头部,所以最好请模特坐下。

使用Artec Eva扫描第44任总统奥巴马,制作首座3D总统像。

尽管很难杜绝移动和眨眼动作,但使用专业手持式3D解决方案Artec Eva或Artec Leo仍然可以大幅缩短扫描时间,因为它们可以快速捕获整个人体。

2.    扫描如手指、耳部、腋窝、头发等细小、高难度人体部位

对大多数3D扫描仪和人体扫描设备而言,另一个常见难点就在于细小且难以触及的高难度人体部位,包括手指、腋窝、腿部、头发和耳朵。以下是Artec在使用3D设备完成了几千次人体扫描后总结出的技巧:

手部扫描

我们知道,如果你没有和尚和瑜伽老师的耐心,要让双手固定在一处几分钟都不动,很难。所以,为避免任何移动,我们建议让扫描对象把双手紧贴或靠近身体摆放。例如,他们可以把手放在腰部,或者交叉双臂放在胸前。如需捕获手指和手部细节,我们建议先扫描这个部位,然后再扫描其他部位,确保获得最佳效果。有些情况下,需要扫描对象保持T或A的姿势,方便获取上身测量值,或将3D模型用于动画。

如果手臂放在臀部,请注意多花些时间扫描手肘内侧和腋窝。对Eva或Leo等Artec扫描仪而言,我们建议把设备放在前后很近的距离,尽可能多捕获一些数据。前期扫描不完整可能导致最后肌理颜色深,效果差。

腿部扫描

腿部通常很容易扫描,因为不太会动,但还是有些注意事项。确保扫描对象站在带肌理的地板上,比如彩色垫子或地毯,协助追踪。保证两条腿都在扫描仪视角内,增加可视面积。

足球运动员正接受腿部彩色3D扫描。(来源:: https://www.artec3d.com/cases/fc-bayern-munich-defender-david-alaba-3d-scanned-trophy)

为使扫描流畅,我们建议每次移动扫描位置时,都将设备对准带肌理的地板或扫描对象的脚。

另外,不要忘记扫描每条腿的内侧。方便起见,可以让扫描对象在扫描开始前,将一只脚稍往前放。这样做,就能尽量避免两腿之间的区域混在一起,这也是人体扫描中的另一个常见问题。

头发扫描

对人体扫描仪而言,头发也是个难度不小的“表面”,因为发丝纤细,还可能凌乱或不均匀。

直发往往比较容易操作,使用Artec 3D扫描仪的话可以不做准备工作,直接扫描。相反,卷发或厚重的头发,多层次或爆炸式发型很难扫描,需要先做些处理。

扫描头发时,有些简单的规则需牢记。在Artec,我们建议扫描前把头发梳平。这样扫描仪图案就能更准确地投射到扫描物体表面,带来更好的效果。如果发型的形状实在很难扫描,也可以梳平一些,或者沾湿头发。

无论发色深浅,Artec扫描仪都能出色捕获。为保证追踪稳定,我们建议捕获时,始终保持肩膀位于扫描仪视角内。

扫描长发前,最好可以将头发放到后背相对集中的位置,避免发型过于凌乱。部分发型可能无论从哪个角度都很难扫描。这种情况下,我们建议您扫描时间拉长,让设备捕获足够多的必要表面,这些表面可用来重塑发型。

捕获复杂发型时,我们还建议提高扫描仪敏感度,更轻松地识别、采集毛发表面。得益于Artec Studio 12起新增的“Smart Sensitivity”(智能敏感度)功能,头发的捕获变得更简单了。

3.    扫描如发饰、珠宝、眼镜、皮革制品等反光、黑色或透明表面

对几乎所有扫描仪而言,透明、反光或黑色表面都是众所周知最难扫描的对象。反光表面会反射扫描仪的图案,而黑色表面因其吸收扫描仪光线而导致扫描难度增大,设备无法分辨物体的图案。同样道理,因为扫描仪光线直接穿透物体,没有可以反射的基础,所以透明物体也很难扫描。但是,这对Artec扫描仪来说无所畏惧,因为比起其他人体扫描仪,它们更擅长捕获这类表面。

但是,为确保效果均匀稳定,我们不建议扫描期间出现任何半透明、黑色、或亮面材料,比如皮革、皮草或亮片、以及眼镜或珠宝类物体(也可扫描前取下)。如不能取下,可在亮面上使用消光喷雾或滑石粉。使用Artec扫描仪时,您还可以激活Artec Studio软件中的扫描设置,配合一些扫描技巧(如扫描角度低于90度),可协助您捕获这些高难度表面。

如果您用Artec Eva扫描,在扫描结束后,我们建议您让扫描对象继续保持几秒钟的姿势不动,检查是否存在孔洞或缺失表面。如果存在大面积缺失,最好立刻补扫,不要等之后再让扫描对象恢复前面的扫描姿势——肯定无法一模一样,最终只会导致处理时间很长。如果使用Artec Leo扫描,这些都不需要了,只要您扫描过程中实时查看触摸屏上的数据即可。

有关人体扫描的更多信息,请点此查看我们的视频教程

最佳Artec 3D人体扫描仪

如需扫描人体并用于3D打印、人体信息提取、视觉特效,Artec 3D有几款3D扫描仪和扫描系统可供选择:

Eva

Artec Eva是一款手持式结构光3D扫描仪,已在各类物体的扫描项目中证明了自己,包括中型工业品、家具、雕像和古迹、人体以及人体部位。得益于其扫描性能和安全的结构光科技,Eva可以像捕获独立人体部位一样捕获全身,准确率、分辨率高

使用Artec Eva扫描人体

设备应用范围广,包括定制矫形器械义肢轮椅坐垫整形手术、3D打印人像等。Eva可用于人体全彩扫描和打印,还曾用于制作首个奥巴马3D总统像。

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Eva Lite

Eva Lite是轻便版Eva;这款扫描仪拥有相同的准确度规格,但扫描时不采集肌理数据。因此捕获的数据量明显更少,耗电量低,可配合使用更实惠的电脑。所以,对于医疗、体育、健身等无需肌理的应用场景而言,它成为了一款完美的高性价比人体扫描解决方案。

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Leo

Artec Leo是Artec 3D家族系列产品中首款全便携手持式3D扫描仪,搭载机载处理功能。它被打造成一款强大的多功能解决方案,既能捕获大面积,也能搞定小细节,适合一系列物体的扫描,包括小型机械部件、人体、交通工具、甚至整个犯罪现场。

Artec Leo

和其他手持式扫描仪不同,Leo搭载触摸屏、内置电池、强大的处理器和机载Wi-Fi。这些功能使3D人体扫描如同用智能手机拍视频一样便捷轻松,且不易出错。您可以在屏幕上预览扫描效果,查看哪些部位需要采集,或者是否需要调整与扫描对象的距离。一切尽在掌握,操作员无需连接电脑来预览,因此整个扫描过程将更快更舒适。

Leo曾为著名多人在线军事FPS游戏制作超写实高清3D模型、为自行车手定制完美贴身的流线型骑行服、定制义肢等。

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Shapify Booth

如果您需要每天扫描500多人进行科研或其他大规模项目,不妨了解一下Shapify Booth。

Shapify Booth

什么是Shapify Booth?这是一款自动3D全身扫描亭,搭载四个广角、高分辨率3D扫描仪、照明系统、自动处理软件。扫描仪安装在墙面两侧,能围绕站在亭子中央的一位或多位模特旋转一周,从各角度捕获。整个扫描耗时约12秒,5分钟后即可预览(如有人眨眼或移动,则需重新扫描),随后发送至云端进行最终处理,大约需要10-15分钟。最后即可获得全彩实体模型,可3D打印,采集人体测量值,也可上传至3D软件进行建模或修改。

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这就是人体扫描完整手册!

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