ISO 20685-22023 人類工效學國際兼容人體測量數據庫的三維掃描方法第2部分表面形狀和相對標志位置可重復性的評估協議標準立項發展報告

人類工效學國際兼容人體測量數據庫的三維掃描方法第2部分：表面形狀和相對標志位置可重復性的評估協議標準立項發展報告StandardizationDevelopmentReport:Ergonomics—3-DScanningMethodologiesforInternationallyCompatibleAnthropometricDatabases—Part2:EvaluationProtocolofSurfaceShapeandRepeatabilityofRelativeLandmarkPositions摘要隨著三維人體掃描技術在人類工效學、產品設計、服裝工程、醫療健康及人機交互等領域的廣泛應用，不同掃描設備和測量方法所產生的人體測量數據的一致性與可重復性問題日益凸顯。為解決這一問題，國際標準化組織（ISO）于2023年9月14日正式發布了ISO20685-2:2023《人類工效學國際兼容人體測量數據庫的三維掃描方法第2部分：表面形狀和相對標志位置可重復性的評估協議》。該標準為三維人體掃描系統中表面形狀的準確性和相對標志位置的可重復性評估提供了統一的測試協議與評價指標體系，是ISO20685系列標準的重要組成部分。本報告對該標準的立項背景、技術內容、關鍵條款、應用價值及未來發展趨勢進行了系統闡述，旨在為標準使用者提供全面的技術指引和參考依據。關鍵詞：人類工效學；三維掃描；人體測量數據庫；表面形狀；標志點；可重復性；評估協議Keywords:Ergonomics;3-DScanning;AnthropometricDatabase;SurfaceShape;Landmark;Repeatability;EvaluationProtocol1引言1.1標準立項背景人體測量學（Anthropometry）是研究人體尺寸、形態和組成的科學，其數據廣泛應用于工業設計、服裝制造、人機工程評估、醫療康復及航空航天等領域。傳統的人體測量方法主要依賴手工接觸式測量工具，如卷尺、卡鉗等，雖然操作簡便，但測量效率低、數據一致性差，難以全面捕捉人體復雜的三維表面形態。近年來，三維激光掃描、結構光掃描、光柵投影及紅外深度傳感等非接觸式三維掃描技術的迅速發展，使得快速、高精度、全自動地獲取人體三維模型成為可能。三維掃描技術不僅能夠獲取傳統測量方法難以獲得的體表形態信息，還能通過后處理軟件自動提取數百項人體尺寸參數，極大提高了人體測量工作的效率和精度。然而，三維掃描技術的應用也帶來了一系列新的標準化挑戰。不同制造商、不同型號的掃描設備在測量原理、分辨率、掃描范圍及數據處理算法等方面存在顯著差異，導致同一被測對象在不同設備上獲得的測量結果可能存在偏差。此外，同一臺設備在不同操作條件、不同被測者姿態及不同掃描次數下獲得的結果也可能出現波動。這些差異直接影響人體測量數據的準確性、可比性和可重復性，進而制約了國際人體測量數據庫的共建共享。1.2國際標準化需求建立國際兼容的人體測量數據庫是多個國際組織和研究機構長期以來的共同目標。ISO7250系列標準（Basichumanbodymeasurementsfortechnologicaldesign）規定了基礎人體測量項目的定義和測量方法，而ISO15535標準（Generalrequirementsforestablishinganthropometricdatabases）則規定了人體測量數據庫建立的一般要求。但這些標準主要針對傳統接觸式測量方法制定，難以充分覆蓋三維掃描技術的特點和需求。在此背景下，ISO/TC159（人類工效學技術委員會）下設的SC3分委會（人體測量與生物力學）啟動了ISO20685系列標準的制定工作。2015年，ISO20685-1:2015《人類工效學國際兼容人體測量數據庫的三維掃描方法第1部分：協議要求》正式發布，該標準規定了使用三維掃描系統獲取人體測量數據時需要遵循的總體協議要求，包括被測者準備、掃描環境設置、設備校準及數據質量評估等內容。ISO20685-2:2023作為該系列的第2部分，重點關注三維掃描系統自身性能的評估與驗證，特別是表面形狀的測量精度和相對標志位置的可重復性，為第1部分中涉及的設備性能驗證要求提供了具體可操作的測試協議和量化評價指標。2標準概述2.1標準基本信息ISO20685-2:2023《人類工效學國際兼容人體測量數據庫的三維掃描方法第2部分：表面形狀和相對標志位置可重復性的評估協議》由國際標準化組織（ISO）于2023年9月14日正式發布。該標準歸屬于ISO/TC159/SC3技術委員會（人類工效學技術委員會人體測量與生物力學分技術委員會），分類號為人類工效學，標準語言為英語。該標準當前狀態為現行（Active），自發布之日起即成為國際通用的人體三維掃描系統性能評估的參考依據。2.2標準適用范圍該標準適用于以下范圍：-使用三維掃描系統獲取人體表面形狀數據的所有應用場景，包括但不限于人體工效學設計、服裝定制、人體工程評估、醫學整形及康復輔具設計等；-需要對三維掃描系統的表面形狀測量精度進行評估的實驗室、檢測機構及設備制造商；-需要驗證三維掃描系統在重復測量條件下相對標志位置（relativelandmarkpositions）一致性的用戶和應用場景；-建立或維護人體測量數據庫的機構和組織，用于評估不同時間點、不同設備采集數據的兼容性。值得注意的是，本標準的評估對象是三維掃描系統本身（包括硬件設備和配套軟件），而非特定被測者的人體尺寸參數。因此，該標準的使用者主要定位于設備制造商、第三方檢測機構、研究實驗室以及建立人體測量數據庫的機構。2.3標準結構ISO20685-2:2023在結構上遵循國際標準的通用格式，主要包含以下章節：-第1章：范圍（Scope）-第2章：規范性引用文件（Normativereferences）-第3章：術語和定義（Termsanddefinitions）-第4章：符號和縮略語（Symbolsandabbreviatedterms）-第5章：測試原理（Testprinciple）-第6章：測試裝置與儀器（Testapparatusandinstrumentation）-第7章：測試程序（Testprocedure）-第8章：數據處理與分析（Dataprocessingandanalysis）-第9章：結果報告（Reportingofresults）-附錄A至附錄D：規范性/資料性附錄3標準核心技術內容3.1表面形狀測量精度的評估方法表面形狀測量精度是評價三維掃描系統獲取人體表面幾何信息準確性的核心指標。ISO20685-2:2023規定了一套基于標準幾何參考體的系統評估方案。這一方案的核心目標是提供一種與設備無關、可比性強的精度評價方法，用以衡量不同掃描系統在統一測試條件下對已知曲面形態的還原能力。標準中明確規定使用具有已知幾何參數的校準參考體作為測試對象，該參考體應包含多種幾何特征。具體而言，參考體的設計應涵蓋平面區域、曲率均勻的球面或圓柱面區域、曲率突變的棱線或過渡區域等，以便全面評估掃描系統在不同表面形態下的測量能力。參考體應經過高精度坐標測量機（CMM）等溯源性計量設備校準，其標稱幾何尺寸和表面公差應在標準中規定的容差范圍內。在測試過程中，被測三維掃描系統對參考體進行多次獨立掃描，將獲得的點云數據與參考體的標稱幾何模型進行配準和偏差計算，從而獲得系統的表面形狀測量誤差分布。該評估方法的關鍵在于偏差指標的量化。標準規定了若干核心評價參數，包括均方根誤差（RMSError）和平均絕對偏差等，用以綜合反映掃描數據與真實幾何之間的整體偏離程度。均方根誤差對較大偏差較為敏感，適用于嚴格衡量整體精度；而平均絕對偏差則提供了更為穩健的誤差水平估計。此外，標準還要求分析最大正向偏差和最大負向偏差，以識別掃描結果中可能存在的系統性局部變形。這些指標的計算過程和公差閾值均在標準文本中給予了明確規定，為不同測試機構之間結果的橫向比較提供了統一基準。3.2相對標志位置可重復性的評估方法人體表面標志點（如肩峰點、髂前上棘點、大轉子點等）在人體測量中具有重要的解剖學參考價值。在實際操作中，操作者往往需要在三維模型上手工標識或以物理標記物的方式確定這些標志點，其定位的準確性和一致性直接影響基于標志點提取的各項人體尺寸參數（如身高、臂長、肩寬等）的可靠性。ISO20685-2:2023詳細規定了相對標志位置重復性的測試協議。首先，測試需要在同一被測對象（可采用人體模特或真人受試者，但應確保測試期間被測對象不發生形變和位移）上進行多次重復掃描，掃描次數一般不少于5次。可采用兩種方式確定標志點的位置：一是在掃描前于被測對象體表粘貼不透明標記球或標記貼片，利用三維模型上的高對比度特征進行定位；二是在掃描完成后由經驗豐富的操作人員直接在三維模型上按解剖學定義手工標記標志點位置。對于后一種方式，標志點的定位一致性還取決于操作人員的專業水平。評價標志點可重復性的核心指標是標準差和最大偏差。標準規定，多次掃描結果中各標志點坐標的三維位置偏差應通過統計方法計算其標準差（通常分別在X、Y、Z三個方向及三維合成方向上進行分析）。此外，標志點之間的相對距離（即標志點之間構成的幾何尺寸）的重復性也需進行評估，因為相對距離直接決定了最終輸出的人體尺寸參數的可重復性。標準還引入了標志點間距離變異的分析方法，以評價整體測量協議的穩定性。3.3測試條件與數據處理要求為保證測試結果的科學性和可比性，ISO20685-2:2023對測試環境和數據處理提出了明確要求。在測試環境方面，標準要求掃描應在穩定的環境條件下進行，避免環境光干擾、溫度漂移和振動對掃描結果的影響。掃描設備應按照制造商的規范完成預熱和校準工作，且在校準有效期內進行測試。在數據處理方面，標準要求掃描獲得的點云數據應經過濾波去噪處理以去除離群點和噪聲點，但對于配準、平滑和網格重建等后處理步驟，應使用統一的算法參數設置，以免因數據處理方式的不同導致結果差異。數據配準應優先采用基于迭代最近點（ICP）等標準算法的自動配準方法，確保多次掃描數據之間處于統一的坐標系中。3.4結果報告要求ISO20685-2:2023明確規定了測試報告應包含的內容和信息。報告至少應涵蓋：被測掃描系統的基本信息（制造商、型號、軟件版本等）、測試環境的描述（溫度、濕度、光照條件等）、參考體或被測對象的描述、掃描參數的設置、數據預處理方法、誤差分析結果（包括均方根誤差、標準差、最大偏差等關鍵指標的數值）、以及評估結論和建議。報告的編寫應確保數據的可追溯性，使第三方能夠理解測試過程并在相同條件下復現測試。4標準的應用價值與意義4.1對設備制造商和檢測機構的技術價值ISO20685-2:2023為三維掃描設備制造商提供了一套統一的性能測試標準。制造商可依據標準中的測試協議對其產品進行出廠檢驗和型式試驗，以驗證產品在不同表面形態下的測量精度和重復性能否滿足標準要求。在市場競爭中，符合ISO20685-2:2023標準的產品可以獲得更高的市場認可度和用戶信任度。對于第三方檢測機構和標準化實驗室而言，該標準提供了明確的測試流程和量化評價指標，使檢測工作更加規范化和可操作化，能夠為設備選購方提供公正、客觀的性能評價依據。4.2對人體測量數據庫建設的支撐作用國際兼容的人體測量數據庫建設依賴于不同國家、不同機構、不同時期采集數據的可比性和一致性。ISO20685-2:2023通過統一三維掃描系統的性能評估方法，有效降低了因設備差異導致的數據偏差風險，為數據庫建設中多源數據的融合和比較分析提供了技術保障。該標準與ISO20685-1、ISO7250系列及ISO15535等標準共同構成了一套完整的人體測量數據采集與管理的標準體系。4.3對應用行業和終端用戶的指導意義在服裝定制領域，三維掃描技術的精度直接決定了服裝版型的合體度；在人體工程產品設計領域，表面形狀數據的準確性影響座椅、頭盔、呼吸面罩等產品的人機適配性；在醫療康復領域，三維掃描數據的可靠性關系到矯形器、義肢等個性化醫療輔具的適配質量。ISO20685-2:2023的應用可以幫助上述領域的終端用戶科學地評估和選擇掃描設備，正確理解和使用掃描數據，從而提高產品的設計質量和使用舒適度。5主要參與制定單位介紹ISO20685-2:2023由ISO/TC159/SC3技術委員會組織制定。在標準的制定過程中，多個國家的標準化機構和研究機構深度參與，其中日本產業技術綜合研究所作為該標準制定的重要推動力量和技術貢獻方，發揮了關鍵作用。日本產業技術綜合研究所是日本最大的國立研究機構之一，在測量科學、人類工效學和標準化研究領域有著深厚積淀。該研究所的人類工效學研究團隊長期從事三維人體掃描技術的應用研究和標準制定工作，承擔了多項與人體測量數據庫建設和三維掃描精度評價相關的研究課題。在三維人體掃描系統性能評價方面積累了豐富的實驗數據和測試經驗，為ISO20685-2標準中測試方法和評價指標體系的建立提供了重要的實驗支持和理論依據。此外，來自德國、美國、英國、法國、韓國、中國等國家的標準化專家也積極參與了該標準的討論和起草工作。中國標準化研究院作為中國人類工效學標準化技術委員會（SAC/TC7）的秘書處單位，在標準制定過程中積極貢獻了中國在三維人體測量領域的研究經驗和應用實踐，推動了標準中關于測試條件和數據處理方法的優化完善。6結論與展望ISO20685-2:2023作為國際標準化組織發布的三維人體掃描系統性能評估標準，填補了國際人類工效學標準體系中關于三維掃描設備表面形狀精度和標志點重復性系統評估的空白。該標準的發布和實施，為三維掃描設備制造商、檢測機構、研究單位和人體測量數據庫建設機構提供了統一的技術依據，有力地促進了三維人體測量技術在全球范圍內的規范化應用。展望未來，隨著三維掃描技術向更高精度、更快速度和更大適用性方向發展，ISO20685系列標準還將面臨持續修訂和完善的需求。人工智能和深度學習技術在點云處理和特征識別領域的應用，有望進一步提升標志點自動定位的精度和效率，相關的標準化需求也將逐步顯現。此外，動態三維掃描技術（如四維掃描）的發展也將對標準化工作提出新的課題。建議國內相關標準化技術機構密切關注ISO20685-2:2023的實施情況和國際標準化動態，適時推進該標準的等同采用或修改采用工作，將國際先進的三維掃描系統性能評估方法引入國內標準體系，為我國人體測量數據庫建設、人體工效學產品設計及相關產業的提質升級提供標準支撐。同時，鼓勵國內設備制造商和檢測機構依據該標準開展設備性能驗證工作，持續提升國產三維掃描設備的技術水平和國際競爭力。參考文獻[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