Introduction to 3D Anthropometry as a research area in ergonomics and engineering design domain

1. 연구 분야 소개
3D Anthropometry
이원섭 교수
한동대학교 ICT창업학부

2. Body Size & Product Design

3. Body Size & Product Design

4. Anthropometry | 인체측정학

5. 3D Scan Tech & 3D Anthropometry

6. 인체 측정 자료의 활용
1st
5th
95th
99th
1 head height 334 238.7 9.6 212.5 263.0 214.7 223.3 255.0 258.8
2 head breadth 335 160.9 6.4 123.5 180.5 146.4 151.4 171.2 175.3
3 head length 335 187.0 6.9 162.0 204.0 168.2 177.0 198.5 202.0
4 head circumference 335 564.5 13.5 516.5 604.5 533.4 543.2 587.2 596.2
5 face length 336 123.4 6.1 106.7 140.4 108.0 113.1 133.2 136.6
6 lower face length 336 69.1 4.5 57.5 83.6 58.6 61.8 76.3 79.4
7 sellion-bottom lip length 336 97.1 5.2 80.7 114.1 85.3 88.3 104.7 109.4
8 bottom lip-menton length 336 26.4 3.0 18.6 36.2 19.7 21.4 31.0 34.6
9 nasal bridge-menton length 336 109.1 5.5 93.2 124.3 95.8 99.8 117.7 120.8
10 nasal bridge-chin length 336 95.8 5.6 78.2 108.9 83.7 86.7 104.9 108.1
11 chin-menton length 336 13.3 2.5 4.9 20.6 7.9 9.5 17.6 19.1
12 nose length 336 54.3 3.4 43.2 62.2 46.6 48.6 60.3 61.9
13 nose protrusion 336 18.4 1.9 12.9 23.9 14.2 15.3 21.6 23.0
14 face width 336 154.8 6.4 132.4 171.5 138.6 144.0 164.2 168.2
15 chin width 336 130.3 8.6 105.4 156.7 112.5 116.5 144.6 150.8
16 minimum nasal bridge breadth 336 20.0 2.8 12.3 27.7 14.0 15.2 24.6 26.8
17 maximum nasal bridge breadth 336 30.5 2.8 22.3 37.7 24.2 25.6 35.3 36.7
18 nose width 336 37.6 2.7 30.3 45.8 31.8 33.4 42.4 43.8
19 lip width 336 49.1 3.8 38.5 58.2 40.7 42.6 55.5 57.4
20 bitragion-menton arc 336 313.7 16.2 269.0 361.1 273.5 284.1 339.1 347.3
21 bitragion-subnasale arc 336 283.0 12.9 234.9 319.6 252.1 263.1 304.5 312.1
22 bizygomatic-menton arc 336 304.8 14.5 261.3 339.6 267.0 277.8 327.6 336.2
No. Anthropometric dimension
Percentile
Max
Min
SD
Mean
n

7. 인체 측정 자료의 활용

8. 인체 측정 자료의 활용

9. 인체 측정 자료의 활용

10. Size Korea | 한국인 인체치수조사
• 1979 ~ 2020 총 8회
• 누적 10만 명 이상 측정
• 1만 명 이상 3D 인체 스캔 데이터
• 200개 이상 측정 항목

11. Anthropometry Study – Big Picture
Direct Measurement
DATA COLLECTION
3D Measurement Shape Feature
Extraction
SIZE
ANALYSIS
Descriptive
Statistics
Sizing System
Analysis
Repreresentative
Size Analysis
3D Body Scanning
Landmarking
Editing / Post-Processing
Shape Variation
Analysis
Representative
Shape Models
SHAPE
ANALYSIS
Virtual Fit
Analysis
Design
Customization/
Optimization
DESIGN
Product Design
Guideline/Strategy

12. Anthropometry Big Data
13
치수 데이터 형상 데이터
활용도 • 치수 특성 분석
• 집단별 치수 비교
• 치수체계 개발
• 대표 크기 분석 등
• 형상 다양성 분석
• 대표 형상 분석
• 가상 착의 분석
• 맞춤형 설계 등
Format • Table 양식으로 정리 (예: Excel) • PLY, OBJ, STL 등 다양
• 별도 landmark, texture 파일 필요
용량 • 작음 (Excel 문서)
• Excel 크기: 200개 항목 ✕ 100,000명
• 3D data 원본: ~ 100 MB/person
요구
역량
• 통계 분석 역량 • 3D data 처리/분석을 위한
programming 역량
• Advanced data analytics
(Machine Learning, Deep Learning,
Virtual Fitting, FEA, …)
• Computer vision/graphics

13. 3D Database
14
• [Face] Korean Air Force pilots (n = 336)
• [Head] Koreans (n = 8,500)
• [Head] North Americans & Europeans (n = 4,500)
• [Full body] Koreans (n = 13,500)
• [Full body] North Americans & Europeans (n = 4,500)
• [Ear] Koreans and Caucasians (n = 326 + ɑ)
• [Hand & Foot] Korean (n = 10,000)

14. 3D Scan Data 예시: Ears
Outside Inside Merged

15. Post-Processing | 데이터 처리/가공
16
CAESAR heads (N = 2,299)
for head product designs
(total processing time: 260h)
(ref: CGAL example)

16. 인체측정 절차
Where to measure?
17

17. Dimensions | 측정항목
• General body dimensions: 132 (US Army database)
• Detailed head dimensions: 122 (Lee et al. 2015)
• Detailed hand dimensions: 169 (Lee et al. 2013)
18

18. Landmarking | 측정 기준점 표시
19
CAESAR
Head
Ear

19. 데이터 정렬
• 일관된 치수 및 형상 분석을 위해 특정 기준으로 데이터 정리 필요
20
All 3D scans are misaligned All aligned in one coordination

20. Template Model Registration | 템플릿 정합
21
registration
Template Model
…
Template-registered model의 특징
• 용량 최소화(350명 얼굴: 1.3GB  14MB, 1% 수준)
• 데이터처리/분석 속도 향상
• 형상 data 간에 parameterize됨  특정 부위 분석, 부위간 형상 차이 통계 분석
37,918 vertex 47,831 vertex
810 vertex
810 vertex

21. 치수 분석
22
1st
5th
95th
99th
1 head height 334 238.7 9.6 212.5 263.0 214.7 223.3 255.0 258.8
2 head breadth 335 160.9 6.4 123.5 180.5 146.4 151.4 171.2 175.3
3 head length 335 187.0 6.9 162.0 204.0 168.2 177.0 198.5 202.0
4 head circumference 335 564.5 13.5 516.5 604.5 533.4 543.2 587.2 596.2
5 face length 336 123.4 6.1 106.7 140.4 108.0 113.1 133.2 136.6
6 lower face length 336 69.1 4.5 57.5 83.6 58.6 61.8 76.3 79.4
7 sellion-bottom lip length 336 97.1 5.2 80.7 114.1 85.3 88.3 104.7 109.4
8 bottom lip-menton length 336 26.4 3.0 18.6 36.2 19.7 21.4 31.0 34.6
9 nasal bridge-menton length 336 109.1 5.5 93.2 124.3 95.8 99.8 117.7 120.8
10 nasal bridge-chin length 336 95.8 5.6 78.2 108.9 83.7 86.7 104.9 108.1
11 chin-menton length 336 13.3 2.5 4.9 20.6 7.9 9.5 17.6 19.1
12 nose length 336 54.3 3.4 43.2 62.2 46.6 48.6 60.3 61.9
13 nose protrusion 336 18.4 1.9 12.9 23.9 14.2 15.3 21.6 23.0
14 face width 336 154.8 6.4 132.4 171.5 138.6 144.0 164.2 168.2
15 chin width 336 130.3 8.6 105.4 156.7 112.5 116.5 144.6 150.8
16 minimum nasal bridge breadth 336 20.0 2.8 12.3 27.7 14.0 15.2 24.6 26.8
17 maximum nasal bridge breadth 336 30.5 2.8 22.3 37.7 24.2 25.6 35.3 36.7
18 nose width 336 37.6 2.7 30.3 45.8 31.8 33.4 42.4 43.8
19 lip width 336 49.1 3.8 38.5 58.2 40.7 42.6 55.5 57.4
20 bitragion-menton arc 336 313.7 16.2 269.0 361.1 273.5 284.1 339.1 347.3
21 bitragion-subnasale arc 336 283.0 12.9 234.9 319.6 252.1 263.1 304.5 312.1
22 bizygomatic-menton arc 336 304.8 14.5 261.3 339.6 267.0 277.8 327.6 336.2
No. Anthropometric dimension
Percentile
Max
Min
SD
Mean
n

22. Representative Models | 대표 크기 및 대표 형상
23
Medium
(50%ile)
Smallest
(2.5%ile)
Largest
(97.5%ile)
Small
(25%ile)
Large
(75%ile)

23. 치수 분석 시스템
24
Rep. models
sizing system
Accommodation
Target population
Key dimensions

24. 대표 모델을 이용한 제품 설계
Digital rep. models 3D-printed rep. models
고관절 보호구
25
Size Korea
elderly woman
(n = 270)

25. 대표 모델의 활용
26
(1) 원본 머리에
템플릿 모델 정합 적용
(2) Mesh의 품질을
향상시키고 귀와 목을 배치
(3) 가공 완료 (4) Mesh 모델을
NURBS 모델로 변환

26. 다양성/변동성 분석
for designing one of critical part
in medical oxygen mask
Shapes of
nasal root part
Variation of nasal root
variation
27

27. 제품 형상 및 조작범위 설계
28
Filtering
• 형상 설계
• 조작범위 설계
<video clip>

28. Virtual Fitting | 가상 착의성 분석
29

29. Virtual Fitting | 가상 착의성 분석
30

30. Virtual Fitting | 가상 착의성 분석
31

31. Virtual Fitting | 가상 착의성 분석
• 유한요소분석(finite element analysis) 기반 인체 및 제품의 물성치 고려한
압박도 분석
32

32. 연구 분야 요약: Programmatic Data Handling
• 데이터 처리 및 가공에 가장 많은 노력 소요
• 수 백, 수 천 명 데이터의 효율적 처리(editing, landmarking, alignment 등)
• 연구 분야
 Template registration 기술을 활용한 이미지 자동 에디팅 및 generic DB 구축
 Deep learning 기술을 이용한 자동 landmarking, 치수/형상 자동 분석
 Virtual fit 기술을 이용한 맞춤형 설계 및 최적 설계
33

33. 연구 분야 요약: System Dev
• 데이터 분석을 위해서는 고차원적 분석 기술 적용이 필요
• 산업체에서 3차원 인체 치수 데이터를 용이하게 이용하기 위해서는 손쉽게
사용할 수 있는 시스템 필요
• 연구 분야
 치수 및 치수체계 분석 시스템 (Web)
 3차원 인체 형상 분석 시스템 (Web)
 Virtual fit 및 제품 최적 설계 시스템 (Web)
34

34. Thank You
이원섭 교수
W.Lee@Handong.edu
한동대학교 ICT창업학부