三维模拟人形数码艺术设计与人体数据采集

摘　要　三维人体造型艺术产品是结合人体生理学特征，通过数字化手段设计的模拟人形艺术产品，是现代艺术设计手段与人体生理学完美结合的产物。而精确地、数字化人类活体表面和内部结构特征，则是三维人体造型艺术产品能否真实反应人类自然美的关键。本文仅就电子计算机断层摄影（Computed Tomography，CT）采集人类活体特征数据，用于三维人体造型艺术产品设计的可行性、优点和应用情况做一叙述。

关键词　数码艺术设计　三维人体造型　人体数据采集

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A

数码艺术设计是现代艺术品最常用的艺术设计手段，是指利用数字化形式、以计算机设计为主的艺术设计，①②③已广泛用于广告设计、电子游戏、动漫制作以及影视特效等产品设计中，可以平面也可以是立体的二维、三维的数字化作品，可以是静止的也可以是动画的艺术产品。而三维人体造型艺术产品是结合人体生理学特征，通过数字化手段设计的模拟人形艺术产品，包括模拟人形玩偶、仿真机器人设计等等，是现代艺术设计手段与人体生理学完美结合的产物。因此，人体造型艺术设计产品不仅要具有艺术美学特征，还要考虑人们对于真实人体的视觉审美效果，也就是要能够真实地反映人体平面和三维的特征，既要有艺术设计上的夸张表现，又要充分尊重人类自然审美观，保证模拟人形产品的“仿真性”。这就要求艺术家在利用数字化设计人体艺术品之前，充分了解人体平面与三维数据特征，才能做到产品的“逼真性”，在这方面人体解剖学无疑可以为人体造型艺术提供基本的人体特征数字，在三维人体造型艺术产品设计过程中做出了巨大贡献。然而，由于人体解剖学数据主要来源不是人类活体生理特征数据，当艺术发展到一定高度时，其对人体艺术设计的发展和充分展现人类自然生活状态下的模拟人产品设计反而带来了阻碍。而且随着更多的展现现代人体艺术产品的涌现，更需要有效采集大量的充分的人活体数据特征，以适应高度艺术化的、模拟真实人类产品设计的需求。艺术设计工作者为了有效采集人类活体的平面与三维特征数据，开始应用现代的录影、摄像等手段进行人活体数据采集，在一定程度能够满足人们在动漫及电子游戏等产品的个体化三维艺术设计需要。然而，普通的录影、摄像设备等无法在活体状态下去精确地、大量地数字化人体表面，尤其是内部结构特征。而整体的、精确的、数字化人类活体表面和内部结构特征，则是三维人体造型艺术产品能否真实反映人类自然美的关键。

1 数码艺术与人体特征数据采集

人体数字化三维造型艺术设计的发展通常认为起源于上世纪60年代，作为现代艺术设计的代表性人物乔治·开普斯和罗伯特·劳申伯等开始尝试数码艺术设计，数码艺术设计随着现代计算机技术的发展，逐渐形成独立的“数码艺术设计”学专业。数码艺术设计的特点是既要包含艺术的美学效应，又要表现出通常绘画艺术难以表达的美学效应，因此数码艺术产品往往具有华丽的必须形式、充满想象和奇幻的空间立体效应，带给人一种视觉上的刺激和精神上的强烈震撼。数码艺术设计已经在现代电子游戏、动漫制作、影视特效以及广告产品设计中广泛使用，数码艺术设计不仅是平面设计，也包含立体设计，如现代3D动漫大量借用了计算机设计手段。

艺术设计永远离不开社会和科技，数码艺术设计也是随着现代社会及科技发展而诞生的，借助于计算机数字化革命的到来形成的独特的艺术设计形式。因此，数码艺术设计与以往的艺术设计不同，其主体不仅仅是人类，在人的能动思维下，还必须借助计算机设计软件，进行一个人机联动的全新的艺术创作形式。因此，数码艺术设计实际上就是一个现代科技的多学科交叉的产物。③同以往的艺术设计主要要求设计者具备艺术创作能力和艺术鉴赏能力不同，数码艺术设计还要求设计者要了解计算机数字化处理原理，掌握计算机软件应用和超强的空间艺术想象能力，才能够将数字化设计真正地与艺术美学结合，创作出具有艺术震撼效果的数码艺术设计产品。但同时，所有的艺术设计产品，如传统的绘画艺术、雕塑艺术、摄影艺术产品等等，都必须表现出艺术特质和灵魂，因此，数码艺术产品也不能丢弃传统艺术的表现形式和美学特性，也必须遵循大众的艺术审美观，尤其在人体数字三维造型艺术设计方面，更要尊重人类自身的审美观和人类性别的差异特征。而要保证人体数字三维造型艺术设计的真实感，就必须有来自人类活体的特征数据作为数码艺术设计基础。

在早期人体艺术设计中，为了获得有关人体表面和立体的特征性数据，艺术家开始从事人体生理解剖学研究，通过测量死者的人体数据，而将医学与艺术结合。在这方面达·芬奇和维萨利无疑做出了巨大贡献，达·芬奇曾详细绘制了人体解剖学图谱，并采用数学方法计算人体解剖学获得的人体特征数据，丰富了和完善人体艺用解剖学。④因此，在艺术设计的早期，设计者采用的人体各种数据，不论是人体表面还是内部的结构数据，主要来源于人体解剖学。然而，人体解剖学数据对于艺术设计而言，存在一个致命的缺陷，就是这些人体数据主要采自人类死亡后的人体特征数据，由于人体死亡后的脂肪溶解、肌肉萎缩以及脱水等等因素的影响，尸体缺乏人类活体的美感，而且与人活体数据存在一定差距。随着现代科技进展，人们为了弥补来自解剖学数据的不足，开始尝试使用现代电子影像设备，如摄像机等采集人类活体数据。这些数据可以很好地复制出模特者的表面特征，但这些数据也存在一定的缺点，那就是这些数据仅来自个别的“模特”，虽可以代表一个个体的特征，却不能反映人类男性或女性活体特征的普遍性。

2 电子计算机断层摄影采集人类活体数据

在20世纪末，伴随计算机科学的发展，现代医学检测技术也获得突破性进展，其中最具代表性的成果就是现代可视医学的发展，尤其是影像医学的飞速发展，使得人们可以直接观察人活体表面的、活体内部结构以及人体深层次结构变化。作为现代可视医学的代表，电子计算机断层摄影（Computed Tomography，CT）是现代最重大成果之一，CT是利用计算机数据处理功能与医学X线扫描相结合形成的现代数字化可视医学检测技术，1969年由Hounsfield设计成功，1979年因此获得诺贝尔医学生理学奖。CT的发展先后经历了平面CT以及三位立体CT的发展过程，现代立体CT（多层螺旋）已经广泛应用与医学人体结构观测中。⑤⑥CT的基本原理是利用X线具有穿透人体软组织能力，既可以观察人体表面结构，也可以观察人体内部组织结构，同时利用计算机技术可以快速、大样本采集和处理数据能力，再将采集的人体数据进行数字化处理，通过精确的数据反映活体人体特征。⑦⑧⑨CT在医学诊断方面已经广泛普及，然而，使用CT采集人类活体平面及三维数据，应用于现代人体数字三维造型艺术设计还是新的尝试。⑩

利用CT采集人体特征数据的优点是，不仅可以测量人体的表面，采集人体平面数据，也可以通过多层螺旋CT观测机体结构获得三维立体数据，通过计算机处理数据还可以大样本采集数据，快速、自动化处理数据，更具有科学性，能真实反映人体特征数据。利用三维重建技术还能准确获得人体立体的特征数据，而且可以精确测量至0.01mm，并能够在人活体状态下观察人体内部结构特征。作为艺术设计工作者，不仅需要平面观察和设计，更要采用立体的方式进行艺术设计，尤其是设计模拟人形产品时。现代影像医学CT为我们提供了一份不可多得的人体可视性医学与艺术观察相结合的工具，作为可视性医学技术的代表——CT不仅能定量的、平面的观察和采集人体数据，而且可以多角度、全方位、立体地观察人体和采集数据，其精确的数据采集及三维重建技术优势为艺术研究开辟了新的手段。因此，艺术不仅可与医学解剖学完美地结合，艺术同样也可以与现代医学技术相结合，利用现代医学技术作为基础创作出更为完美的模拟人类艺术作品。

3 CT采集人体数据的应用

模拟人形产品设计首先要保证“模拟”更具有“真实感”，也就是不仅仅神似，还要形似，才会给观赏者带来“模拟”的“真实感”。豘为了评价CT在人体数据采集中的优点和科学性，研究曾选择了40例健康自愿者进行人活体数据CT测量，然后利用CT计算机处理系统对采集的人体数据进行分析，再利用人体比例计算公式，对人体特征性数据进行计算，分析了男女性别在形体方面的差异。豙数据采集基本情况如下，选取40例健康志愿者，其中男、女各20例，年龄从18岁到40岁，全部志愿者的年龄平均为24.3岁。选取的20例男性健康志愿者身高平均为1735.50mm，身高范围在1700mm至1760mm；选取的20例女性健康志愿者身高平均1628.00mm，身高范围在1600mm至1660mm。数据采集以骨骼特征明显的部位为基点，如手足、臂长及头部等，研究结果发现20例女性健康志愿者头高与身高比为15%，头高平均为243.7590mm；20例男性健康志愿者头高与身高比为13.2%，头高平均为228.8075mm，20例女性志愿者头高/身高比值与20例男性志愿者比较有1.8个百分点的不同。20例女性志愿者大腿长度/身高比值与20例男性志愿者比较也有高达1.6个百分点的差异，如男性平均大腿长度占身高26.6%，女性平均大腿长度占身高25%。男性与女性头高/身高比的不同，以及男性与女性腿长/身高比例的不同，可能是男女体格特征差异的重要表现。这种骨骼特征的明显差异，更科学地阐述了男女性别差异造成的人体特征差异，也为人体艺术设计男、女模拟人形产品形态差异提供了重要的科学依据。因此，利用CT采集人活体数据，不仅可以大样本采集，而且更精确、更科学。

人体造型艺术设计已广泛应用于动漫、电子游戏及影视中，为了增加视觉欣赏效果，现代人体造型艺术更多地使用了三维人物造型设计形式。三维人物造型艺术设计需根据应用的目的进行相应的艺术设计，如影视作品中的三维成像人物设计，通常要根据影视作品的内容需要，首先要进行美术创作（绘画等），然后才利用计算机进行人物造型设计。随着现在立体电影的大范围普及，为了使影片能够真实地反映目标人物，影视制作已经开始规范和要求在人物设计方面，需要对造型进行写实化、再结合艺术设计进行人物作品创作。因此，现代影视作品展示给人们的是具有真实感和震撼视觉的艺术写实效果，其中代表性作品有《贝奥武夫》。此影片在之中方面，可谓已经可以做到以假乱真的完美视觉效果，角色已经让人无法分辨是动漫作品还是真人演出，这就是现代计算机技术与艺术医学相结合的代表性作品。而且现代影像医学CT在精确测量以及多方位观察人体方面更具有得天独厚的优势，如果能够把CT采集的大量人活体数据应用于模拟人形产品设计中，必将带来更为真实的视觉效果。

注释

①　黄鸣奋.数码艺术50 年:理念、技术与创新文艺理论研究,2004(6):80-86.

②　王燕.绘画艺术的延伸与发展:数码艺术.内蒙古师范大学学报(哲学社会科学版),2008(6):38-39.

③　孟显波.绘画艺术的延伸与发展——数码艺术[J].美术大观,2006(10):59.

④　张宝才.人体艺术解剖学[M].辽宁美术出版社,1998.

⑤　Chen DM, et al. Application of spiral CT with multi-functional reconstruction in the evaluation of complex bone and joint trauma[J]. J Practical Medical Imaging,2007.8(2):89.

⑥　Liu J, Qiu DW. Research on three-dimensional reconstruction of CT images and its application in the diagnosis of lumbar spondylosis[J]. China Medical Herald,2010.7(3):93.

⑦　张绍祥等.第3例中国数字化可视人体数据集报告[J].第三军医大学学报,2003.25(15):1332.

⑧　Qi J, Zhang X. Preprocessing of 3D body data before statistic analysis[J]. J Textile Res, 2006.27(1):42.

⑨　Tian QG, et al. Measurement of human figure size based on laser 3D scanning[J].Optics Precision Engineering,2007.15(1):84.

⑩豙柳博洋,潘秀云,陈明欣,傅黎明.利用电子计算机断层摄影采集健康成年人体平面与三维数据的初步尝试.科教导刊,2011(4):254-256.

豘　柳博洋.对人性化的产品设计几点思考.华章(美术版),2009(7):107-109.