圖形圖象處理技術在人體參數測量中的應用
一、前言
在航空、航天、航海、體育等領域人體參數的準確確定，有著十分重要的意義。人體參數一般分為形態參數（人體及各部位的幾何尺寸）和力學參數（人體及各體段的體積、質量、質心和慣性矩）兩種類犁。在這兩種類型的人體參數測量中，形態參數的測量還比較方便，但力學參數的測量就顯得十分困難和複雜，一直是人們關注的難點和重點。
人體力學參數測量已有300多年的曆史。早在1679年就有類似工作的記錄，人們采用平衡的方法來測量人體的質心位置。現在，300多年已經過去，精確地測量人體的力學參數仍然是一個十分棘手的問題。
1836年，取4打對人體的質心位置進行了測量。他讓一個人平躺在一個平台上，平台放在刀口上。不斷調整人的位置直到平台平衡為止。再讓這個人翻身重複一次。兩次平衡點位置的平均值作為人體的質心位置。這種方法相對來說是較為精確的。
25年後，即1860年，繼續了雙吐打的實驗。他研究了沿人體實體各個體段長軸方向的質心位置。他把兩具屍體切成18個部分，並假定身體的密度為1.066，從每個部分的質量可以計算出相應的體積。後來他對此結果又做了進一步的確認，其方法是先在空氣中稱出一個體段的質量，再在水中稱出它的質量，從而求出其體積和密度。他發現，性別和年齡對入體的密度影響很大。
1957年，根據各種屍體的數據得到了一係列由全身體重預測各體段質量的方程。盡管其局限性是明顯的，但這些方程仍然被廣大的設計者和工程師引用。1969年根據13具屍體確定了人體14個體段的質量、體積和質心位置。他們得到了一係列的多元回歸方程，以便根據人體的幾何尺寸來計算體段參數。例如，軀幹的質量可以根據體重、軀幹長度和胸圍來預測。
如果說靜態質量參數測量是一個很棘手的問題，那麼動態特性參數的測量就更加困難。早在1892年不僅研究了人體的體積、質量和質心，而且還研究了人體的慣性矩，他們用兩個成年男性的屍體測量了相對於長軸的慣性矩，同時還測量了與長軸垂直的一個方向的慣性矩。
1975年，打等人用6具男性屍體測量了人體整體和各個體段的慣性矩。他們把測量結果與早期對活人的測量結果作了比較，發現兩淩的結果非常接近。但他也指出，對人體慣性矩的研究還遠遠不夠，還需要大量的實驗。
經過數十年的嚐試與修改，數學模型的方法能夠比較有效地模擬人體。但它的局限性也是很明顯的，因為數學模型的建立必須以屍體的測量結果為依據，但是用屍體進行測量不但費用高昂，而且難度很大。實驗證明，死後屍體會逐漸脫水而導致重量減輕。即使用向屍體內注射液體的方法來抵消這種影響，也無法獲得理想的效果，因為這時身體的外形已發生了較大的變化。
70年代以來，一種新的人體測量技術開始出現，這種技術能精確地測出活著的人體和各個體段的質量分布特性，這種技術就是立體攝影技術，它利用一組固定位置的攝像機來拍攝的人體的三維圖象。人體上一係列點的坐標作為計算機的輸入，整個人體用一係列的三維空間點來描述。與數學模型方法相比，這種方法可以測量各體段的實際形狀，從而得到比較精確的測量數據。1974年，隻00博士在得克薩斯理工學院第一次使用了這種技術。他先利用物理方法測量了三個物體的慣性矩，然後用立體攝影方法對這三個物體進行測量，並用測量結果計算出慣性矩，測量結果與物理方法的測量結果非常相似。證明了這種方法的可行性之後，ISO11861-進一步檢驗了這種方法的正確性。他把幾具屍體用物理方法測出人體的質量分布特性，又用立體攝象的方法進行了測量，兩種方法的測量結果非常相近。
我們采用了一種更加簡便的人體參數測量方法，利用最先進的圖形圖象處理技術，將二維的人體平麵圖象重構三維的人體立體圖象，從而實現對人體形態參數和力學參數的測量。本文將對圖形圖象處理係統的建立、人體參數測量方法和測量結果進行闡述。