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《人体工程学与人为因素中的 3D 数字设计》是一部聚焦 3D 软件对人体工程学领域实践影响的权威指南，系统阐释了 3D 数字设计在多场景下的成功应用逻辑与实操方法。全书横跨人体工程学、3D 数字设计、开源软件驱动的可持续人体解剖设计及先进设计技术等多个交叉学科，无论读者具备何种 2D 与 3D 设计基础，都能通过本书提升在这一快速发展领域的专业能力。
本书采用通俗易懂、无专业术语壁垒的表述方式，首先明确了 3D 数字设计在人体工程学与人为因素研究中的核心价值，详细解析了 3D 多边形网格建模与计算机辅助设计（CAD）为核心的 3D 实体建模的结构特征。在开源软件（OSS）应用板块，深入探讨了人体解剖数字建模、人工智能工具集成，以及动作捕捉（MoCap）、生物工程在普惠医疗中的技术进展，重点推介了一批技术成熟的开源工具，这些工具为实现精准人体解剖建模、人体工程学与动作捕捉技术研发、普惠医疗导向的生物工程创新提供了可能。书中还提供了丰富的 2D 与 3D 开源软件及功能扩展插件的实用链接，并对各类文件格式及其扩展名进行了详细说明。
作为一部兼具时效性与实用性的著作，其读者群体广泛覆盖 3D 数字设计、人体工程学与人为因素、数字人体建模、生物工程、医疗健康、信息技术、工作场所安全、教育等领域的学生、学者、科研人员与专业从业者，同时也面向 2D 与 3D 设计开源软件的支持者。通过大量真实成功的实践案例，本书为读者提供了满足各类工作需求的必备数字工具。
（一）核心学科基础
人体工程学，又称人为因素与人体工程学（HFE），是一门研究人与系统其他要素间相互作用的科学学科。它运用相关理论、原理、数据与方法，优化人类福祉与系统整体性能。国际人体工程学协会（IEA）将其定义为 “工作的科学”，该术语源自希腊语 “ergon”（工作）与 “nomos”（法则）。
人体工程学主要涵盖三个核心领域：物理人体工程学，聚焦人体解剖学、人体测量学、生理学与生物力学特征；认知人体工程学，研究感知、记忆、推理、运动反应等心理过程；组织人体工程学，致力于优化社会技术系统，包括组织结构、政策与流程。这一学科具有多学科融合特性，采用整体化、以用户为中心的方法，整合多领域知识解决系统性问题，需综合考量物理、认知、社会技术、组织与环境等多方面因素及其相互作用。其核心原则植根于社会技术价值观，强调人是核心资产、技术是辅助工具、提升生活质量、尊重个体差异，并对所有利益相关者负责。有效的人体工程学实践需要从业者具备广泛的跨领域知识，并采用参与式方法，广泛咨询各领域专家。该学科既关注微观层面（流程、场景与工具设计），也涵盖宏观层面（工作组织、技术应用、沟通机制与反馈系统），通过系统化、迭代式、设计驱动的流程，助力构建安全可持续的系统，优化性能与福祉。
在工业 4.0 向工业 5.0 转型的背景下，3D 数字设计与人体工程学的融合日益深化。工业 4.0 阶段，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）系统得到广泛应用，促进了设计与工程团队的协作，优化了设计流程与产品质量。而进入工业 5.0 时代，人为因素与人工智能（AI）成为核心要素，二者如同硬币的两面：人为因素确保技术契合人类需求、偏好与能力，人工智能则提升决策效率、实现任务自动化、增强人类能力。二者形成的 “混合智能交互（HII）” 框架，强调人与智能系统的协作互动，构建互补共生的关系，在工业 5.0 与社会 5.0 中发挥关键作用。
（二）3D 数字设计的应用场景
1. 教育领域
3D 数字设计通过提供沉浸式、交互式工具，革新了人体工程学教育体验。学生借助模拟操作与实践应用，深度参与复杂人体工程学原理的学习，通过动手实践提升知识留存率与理解深度。
欧洲 “人工智能时代的生活（HEDY）” 项目是该领域的典型代表。该项目提供免费开放的大规模在线课程（MOOC），聚焦人工智能时代的生活主题。作为第四次工业革命的核心，人工智能正深度融入日常生活，HEDY 项目致力于成为这一数字技术的免费普及平台。项目提供七种语言的多类宝贵资源，包括界定项目立场、梳理人工智能特征、影响与风险的研究手册，展示人工智能应对全球社会挑战及风险规避路径的视听工具集，设有互动论坛的免费在线课程，以及涵盖核心概念术语表、课程使用指南的简明准则。
2. 医疗健康领域
3D 数字设计为医疗健康领域带来变革性影响，推动定制化医疗解决方案的发展，将患者舒适度、安全性与治疗效果置于首位。从个性化假肢到人体工程学医疗设备，数字设计技术使医疗从业者能够根据个体需求定制治疗方案，显著提升医疗质量与患者预后。
“人体工程学设计（ErgoDesign）” 项目是该领域的标杆性国际 initiative，其全称是 “提升数字技能，推动人体工程学与生物工程创新，助力普惠医疗”。该项目开发了综合性、多学科的在线课程，培养高等教育学生成为医疗植入物设计与制造领域的专业人才，尤其关注特殊需求群体的需求。项目核心目标是通过新数字应用与专业培训，将人体工程学与生物工程创新融入植入物与假肢领域，具体包括提升学生在相关领域的知识储备与数字技能、深化特殊需求群体医疗植入物定制设计的理解、拓展教育者软件工具应用能力、构建人体工程学与生物工程实践社区等。项目产出包括医疗领域专用软件工具包、课程体系与设计原则、协作交流平台、培训材料及可复用的在线课程与手册，形成了可持续的影响力扩散机制。
3. 工作场所安全领域
“数字时代通过应用人体工程学强化工作场所安全（SAFE-D）” 项目是一项为期两年的 ERASMUS+ 计划，旨在结合现代数字工作场所背景，融入人体工程学原理提升工作场所安全。该项目由多方机构合作开展，面向企业群体，致力于通过满足工作场所安全的特定需求，改善员工健康状况、提升工作效率与满意度。项目核心任务包括开展需求评估以定制人体工程学课程、提供实践导向的工作坊与导师指导项目、有效管理与传播项目成果以扩大安全工作环境的覆盖范围，体现了跨国界合作推动工作场所安全的共同愿景。
（三）关键技术与工具
1. 物理与数字空间的关联技术
先进设计技术，尤其是 3D 扫描、摄影测量、3D 打印与计算机数控（CNC）加工等增材制造技术，构建了物理空间与数字空间的紧密关联。3D 扫描与摄影测量技术能够精准捕捉物理环境与物体的尺寸特征，生成数字孪生模型，为后续分析与修改提供基础。设计人员可在虚拟空间中识别人体工程学问题、模拟人类交互行为、测试设计方案，再通过 3D 打印与 CNC 加工快速制作物理原型。这种从数字到物理的无缝转换，支持设计人员快速迭代优化设计概念，确保最终产品符合人体工程学标准与用户需求，同时为用户测试与反馈提供了便利，进一步完善设计流程。
在人体工程学与人为因素研究中，这些先进技术具有显著优势。它们支持根据个体用户需求定制解决方案，提升舒适度、安全性与性能。例如，3D 扫描可捕捉人体独特轮廓，助力设计个性化人体工程学工具或工作空间；摄影测量技术能构建复杂环境的精准模型，优化工作流程设计。随着人工智能与数字创新的普及，这些技术在连接物理与数字世界中的作用将愈发重要，不仅助力深入理解人类与系统环境的交互关系，还能支持开发更具响应性与适应性的设计解决方案。
2. 3D 数字设计核心方法
3D 数字设计采用精密的三维数字建模与模拟工具，创建物理物体与空间的高精度详细表征。这种现代方法突破了传统设计依赖通用尺寸的局限，能够根据特定用户群体的人体测量数据，定制契合个体需求的产品与环境。例如，办公家具可针对不同体型人群精准设计，降低肌肉骨骼疾病风险，提升工作效率。
3D 数字设计主要包括 3D 多边形网格建模与 3D 实体建模（CAD）两种核心方法。前者通过顶点、边、面（通常为三角形或四边形）构建网格结构，擅长呈现复杂有机形态与精细表面纹理，适用于动画、视觉效果、3D 打印等领域；后者通过数学函数定义物体的体积与质量，具备密度、重心等物理属性，支持精确的圆角创建与布尔运算，广泛应用于工程设计、制造等对精度与物理属性要求严格的场景。
3. 开源软件（OSS）
开源软件以其成本效益与可访问性，在人体工程学 3D 数字设计领域具有显著优势。相较于昂贵的专有软件，开源工具降低了教育机构、小型企业与科研人员的准入门槛，推动精密 3D 建模与模拟技术在人体工程学评估与设计中的广泛应用。同时，开源软件的透明性与可重复性，提升了人体工程学研究的可靠性与可信度，尤其在医疗设备设计、工作场所人体工程学等关键领域。从伦理角度，开源软件契合开放获取与公平知识共享的原则，支持人体工程学与人为因素领域的技术创新在不同文化与地区的均衡传播。
书中重点推介了多款主流开源软件，包括 3D 建模领域的 Blender（多边形网格建模）、FreeCAD（实体建模）、MakeHuman（人体参数化设计），以及 2D 设计领域的 LibreCAD（技术绘图）、Inkscape（矢量图形）、GIMP 与 Krita（光栅图形与数字绘画）。这些软件通过灵活的许可协议，保障用户的使用、修改与分发自由，形成了协作创新的社区生态。
4. 文件格式
文件格式（扩展名）是 3D 数字设计的基础要素，为复杂 3D 模型在各类平台与软件间的存储、交换与协作提供了标准化支撑。常用格式中，STL（标准镶嵌语言）与 OBJ（Wavefront OBJ）以其简洁性与广泛兼容性，在 3D 建模与打印领域应用广泛，其中 STL 在增材制造中尤为关键；STEP（产品数据交换标准）与 IGES（初始图形交换规范）擅长支持参数化建模与几何数据交换，保障不同 CAD 系统间的设计完整性；DXF（绘图交换格式）与 DWG（AutoCAD 绘图数据库）则在人体工程学环境、家具布局、用户界面的 2D 与 3D 表征中发挥重要作用，确保设计符合人体工程学标准与以用户为中心的设计原则。
新兴的 glTF（GL 传输格式）与 FBX（Filmbox）格式，能够存储包含动画与实时渲染数据在内的丰富视觉与交互内容，在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及人体工程学交互模拟中具有独特优势，可提升用户参与度，为设计评估与可用性测试提供沉浸式体验。
5. 人体 3D 数字设计工具
人体 3D 数字设计领域拥有丰富的免费开放资源。开放解剖学项目提供免费交互式数字解剖图谱，支持医疗与常规设计应用中的精准人体结构