This may be the author’s version of a work that was submitted/accepted for publication in the following source: Paul, Gunther & Wischniewski, Sascha (2012) Standardisation of digital human models. Ergonomics, 55(9), pp. 1115-1118. This file was downloaded from: https://eprints.qut.edu.au/50094/ c© Copyright 2012 Taylor & Francis This is a preprint of an article submitted for consideration in the [Ergonomics] c© VOL 55 IS 9 DOI: 10.1080/00140139.2012.690454 [copyright Taylor & Francis]; [Ergonomics] is available online at: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00140139.2012.690454 Notice: Please note that this document may not be the Version of Record (i.e. published version) of the work. Author manuscript versions (as Sub- mitted for peer review or as Accepted for publication after peer review) can be identified by an absence of publisher branding and/or typeset appear- ance. If there is any doubt, please refer to the published source. https://doi.org/10.1080/00140139.2012.690454 https://eprints.qut.edu.au/view/person/Paul,_Gunther.html https://eprints.qut.edu.au/50094/ https://doi.org/10.1080/00140139.2012.690454 SHORT COMMUNICATION  Standardization of Digital Human Models  Gunther Paula,* and Sascha Wischniewskib aSchool of Public Health and Social Work, Queensland University of Technology, Victoria Park Road, Kelvin Grove QLD 4059, Australia. Tel: +61 7 313 85795, Fax: +61 7 313 83369, email: gunther.paul@qut.edu.au bFederal Institute for Occupational Safety and Health (BAuA), Friedrich-Henkel-Weg 1-25, 44149 Dortmund, Germany. Tel: +49 231 9071 2249, Fax: +49 231 9071 2294, email: wischniewski.sascha@baua.bund.de                                                                  * Corresponding author.   Standardization of Digital Human Models  Abstract. Digital human models (DHM) have evolved as useful tools for ergonomic workplace design and product development, and found in various industries and educa- tion. DHM systems which dominate the market were developed for specific purposes and differ significantly, which is not only reflected in non-compatible results of DHM simulations, but also provoking misunderstanding of how DHM simulations relate to real world problems. While DHM developers are restricted by uncertainty about the user need and lack of model data related standards, users are confined to one specific product and cannot exchange results, or upgrade to another DHM system, as their pre- vious results would be rendered worthless. Furthermore, origin and validity of anthro- pometric and biomechanical data is not transparent to the user. The lack of standardiza- tion in DHM systems has become a major roadblock in further system development, af- fecting all stakeholders in the DHM industry. Evidently a framework for standardizing digital human models is necessary to overcome current obstructions. Keywords: Digital Human Model, standardization, computer manikin, body template, virtual human Practitioner Summary. This short communication addresses a standardization issue for digital human models, which has been addressed at the International Ergonomics Association Technical Committee for Human Simulation and Virtual Environments. It is the outcome of a workshop at the DHM 2011 symposium in Lyon, which concluded steps towards DHM standardization that need to be taken. 1.  Introduction  Digital human models are of great importance in research and industry: They enable scientists  to carry out computer‐aided studies on human postures and motions with the option to easily  vary anthropometric as well as biomechanical parameters of virtual surrogates (Chaffin 2005).  While multi‐body, biomechanical (e.g. Christensen et al. 2003), finite element (FEM) (e.g.  Siefert et al. 2008), and human segmental models (e.g. Zhuang et al. 2010) are considered  DHM in this framework, psychophysical or cognitive models (Bellet et al. 2011), lumped‐ parameter and  biodynamic models (Griffin 2001) will be considered out of scope.  The simulation approach increases the amount of possible analyses, while at the same time  decreasing effort, time and cost due to omission of physical experiments with real subjects. In  practice digital human models help to improve design and usability of products and work sys‐ tems in early stages of product and process design. Again, effort, time and cost are optimized  due to the more efficient organization of iterative product and production process design  phases.  It is for this reason that a number of different, commercially available models with  heterogeneous properties, capabilities, underlying algorithms, anthropometric and biome‐ chanical data sets and even more scientific models for varying purposes have been developed  in the past. A review of 63 posters and full papers presented at the First International Sympo‐ sium on Digital Human Modeling of the International Ergonomics Association, held in Lyon July  2011, reveals more than 30 different full or partial models of the human body (e. g. hand‐arm  system, foot‐leg system).  The large variability of existing digital human models, affecting for example naming of  segments or joints, definition of global and local coordinate systems and degrees of freedom  (DOF) of joint and segment motion as well as the embeded anthropometric and biomechnical  data, makes it difficult to disseminate and compare results or exchange research ideas. Such  may be due to the implementation of different algorithms, body and kinematic models, an‐ thropometric assumptions or location of reference points. Furthermore, this makes it difficult  to transfer validated research concepts into commercially distributed DHM software systems,  which would broaden their basis for different usage.  This lack of standardization in DHM systems has become a major roadblock in further  system development, equally affecting all stakeholders in the DHM industry. It is evident that a  framework for standardizing digital human models is necessary to overcome current obstruc‐ tions. Therefore the IEA Technical Committee on Human Simulation and Virtual Environments  has formed a sub‐committee for DHM standardization (WG S) in July 2011.  This paper summarizes the outcome of the first meeting of the WG S, including previ‐ ous work, existing standards and guidelines, further requirements towards DHM standardiza‐ tion which were identified and the structure of required future activities.  2.  Previous work  The sub‐committee refers to previous, unpublished work done under the Society of Automo‐ tive Engineers (SAE) G‐13 committee (Human Modeling and Technology). The SAE G‐13 com‐ mittee defined human modeling technology purpose as to improve design quality in relation to  Human Factors, support definition of design requirements, demonstrate physical interaction  between human and system, and identify risks and cost associated with man‐in‐the‐loop (SAE  International 2012). Although it was recommended to expand on this work, the SAE G‐13  committee had difficulty defining standards for digital human models, as they concluded that  doing so would impact a supplier’s proprietary approach to building a manikin. Hence the G‐13  workgroup went no further than a project comparing the anthropometric accuracy of various  man models.   However, there is an apparent broad need in the wider digital human modeling com‐ munity to better understand the model assumptions of specific DHM manikins, exchange or  transfer information between DHM systems or DHM users, interpret DHM study results, justify  DHM system selection or investment and support DHM development.  3. Standards and guidelines  The International Organization for Standardization (ISO) provides a basic standard for com‐ puter manikins including joint degrees of freedom in ISO 15536, as well as the detailed stan‐ dards ISO 7250, ISO 15535 and ISO 20685 relating to human body measurements and their  storage in databases. ISO/IEC 19774 "specifies a systematic method for representing human‐ oids in a network‐enabled 3D graphics and multimedia environment". Besides, ISO  TC108/SC4/WG14 (posture related to whole‐body vibration) is drafting standard ISO TR 10687  on “Mechanical vibration – Description and determination of seated postures with reference  to whole‐body vibration” in the related domain of biodynamic modelling, with reference to  coherent measurement and modelling.     Apart from international standards, the International Society of Biomechanics devel‐ oped standards for the human body coordinate system (Wu and Cavanagh 1995) as well as for  joint coordinate systems (Wu et al. 2002, Wu et al. 2005).   Furthermore, file formats are important for the exchange of data. Different quasi  standards exist like for instance ASF/AMC (Acclaim 1994), BVH (Meredith and Maddock 2001),  GMS (Luciani et al. 2006), C3D (Motion Lab Systems 2008), COLLADA (Collada Working Group  2006) or X3D (ISO 19775, ISO 19776, ISO 19777), which are in parts driven by the gaming and  movie industry in conjunction with motion capturing.   Currently the German Engineering Association (VDI) is working on a comprehensive standard  on human representation in the digital factory to provide an overview on current DHM practi‐ cal and theoretical issues to be published as part 4 of the VDI Guideline 4499 (Zuelch 2012).  4.  DHM standard considerations  From the above presented review of existing standards and guidelines, it becomes obvious  that many approaches already exist to build upon for a DHM standard. Despite this advantage,  proper integration of those existing standards and guidelines into a new DHM standard re‐ quires thorough consideration. The WG S raised additional questions, which were transferred  into the following course of action:  4.1. Review of past and current efforts  Before starting a new DHM standardization process, it is important to evaluate past as well as  current efforts. Looking at past initiatives and their results builds the basis and enables a les‐ sons learnt process.   Considering current efforts helps to avoid duplication of work. Examples for past and  current efforts collected and structured so far, are briefly summarized in section 2 and 3.  4.2. Establish current needs of users and vendors  Once the review has been completed, current needs of users as well as software vendors have  to be analyzed and established. In view of associated developmental work and future imple‐ mentation of the standard, a categorization into fundamental, important and useful issues  should be pursued.  User needs should be divided into academic and practical needs. Scientists may re‐ quire different standardization features than product and process engineers when using DHM  systems.  Identifying software vendor needs is another challenging task, since the question may  arise if standardization supports a software vendor’s business model.  4.3. Scope of standardization  The most critical question to answer remains the standardization targets. Fundamentally im‐ portant is a standard human anatomic structure, with defined global and local coordinate sys‐ tems, consistent naming and numbering of limb segments or joints, with their corresponding  uniform degrees of freedom.   Further on, consideration is required for a DHM standard procedure and parametric  model of linking anthropometric databases (ISO 15535) to a defined DHM human structure, in  order to create proportions representative for a selected population. Moreover, it has to be  assured that available anthropometric data (ISO 7250) can be used to calibrate the digital hu‐ man model to be used as either an individual or boundary manikin.   Additionally, a standard data format would significantly facilitate the exchange of re‐ search results. A DHM standard data model should encompass an input section, containing  information of model structure description, parameterization of the structure components  (e. g. limb size, range of motion), anthropometric assumptions, hard points and kinematic  drivers; as well as an output section, documenting the nature and results of simulations per‐ formed by a DHM.  Beyond these intrinsic parameters of a DHM standard, further extrinsic parameters  encompassing all interaction between the user and one or several DHM have to be considered.   Thus a DHM standard should present an exemplary procedure on how to integrate the  virtual ergonomic process into today’s product and production design processes, in order to  assure ergonomically valid results. A future standard has to define classes of accuracy for digi‐ tal human models: How closely does a manikin need to match the human to produce adequate  analysis for the application pursued? Finally, a standard test/ protocol should be worked out to  allow comparisons between DHM performance and their compliance with the standard.  Out of scope for the working group but crucial to the success of DHM systems in terms  of validity are the collection, processing and accurate usage of anthropometric, physiologic  and biomechanical data (Van Sint Jan 20005). Current DHM systems contain different data sets  and algorithms which are of limited transparency to the user. ISO standards (7250, 15535,  20685) and their further enhancements target to ensure consistent data collection in terms of  methodology, sample size as well as data management and analysis. Their consideration needs  to be mandatory for a DHM standard.  5. Future work  The presented aspects have been clustered and assigned to small working groups, which will  develop drafts to be discussed at the regular plenary meetings. WG S plenary meetings are  held in conjunction with TC HS & VE annual meetings.   The WG S is structured as a self‐organized network within the TC HS & VE. The TC uses  a LinkedIn social network platform as the main communication channel for exchanging ideas.  WG S working sites have been established under the Standards Australia hub and an informa‐ tion share system managed by the German Federal Institute for Occupational Safety and  Health (BAuA) provided by the German Federal Office of Administration. The IEA TC HS & VE  and its WG S sub‐committee are open for new members to join and invite participation beyond  IEA membership.  6. References  Acclaim Advanced Technologies Group, 1994. Internal Technical Memo #39 [online]. Avail‐ able from  http://www.darwin3d.com/gamedev/acclaim.zip [Accessed 21 Mar 2012].  Bellet, T., et al., 2011. A computational model for car drivers Situation Awareness simula‐ tion: COSMODRIVE. In: Proceedings of the First International Symposium on Digital Human  Modeling, 14.06.‐16.06.2011, Lyon, France.  Collada Working Group, 2006. Collada  TM  Digital Asset and FX Exchange Schema [online].  Available from: https://collada.org/mediawiki/index.php/COLLADA [Accessed 21 Mar  2012].  Chaffin, D.B., 2005. Improving digital human modelling for proactive ergonomics in design.  Ergonomics, 48 (5), 478‐491.  Griffin, M.J., 2001. The validation of biodynamic models. Clin Biomech, 16 (Suppl 1), 81‐92.  International Organization for Standardization, ISO 7250: Basic human body measurements  for technological design.  International Organization for Standardization, ISO TR 10687: Mechanical vibration – De‐ scription and determination of seated postures with reference to whole‐body vibration.  Under development.  International Organization for Standardization, ISO 15535: General requirements for estab‐ lishing anthropometric databases.  International Organization for Standardization, ISO 15536: Ergonomics – Computer mani‐ kins and body templates.  International Organization for Standardization, ISO/IEC 19775 – Information technology ‐  Computer graphics and image processing – Extensible 3D (X3D).  International Organization for Standardization, ISO/IEC 19776 – Information technology –  Computer graphics, image processing and environmental data representation – Extensible  3D (X3D) encodings.  International Organization for Standardization, ISO/IEC 19777 ‐ Information technology –  Computer graphics and image processing – Extensible 3D (X3D) language bindings.  International Organization for Standardization, ISO 20685: 3‐D scanning methodologies for  internationally compatible anthropometric databases.  International Organization for Standardization, ISO/IEC 19774: Humanoid Animation (H‐ Anim).  Luciani, A., et al., 2006. A Basic Gesture and Motion Format for Virtual Reality Multisensory  Applications. In Proceedings of the 1st International Conference on Computer Graphics  Theory and Applications, Setubal (Portugal), March 2006.    Meredith, M. and Maddock, S., 2001. Motion Capture File Formats Explained, Department  of Computer Science Technical Report CS‐01‐11 [online]. Available from:  http://www.dcs.shef.ac.uk/intranet/research/resmes/CS0111.pdf [Accessed 21 Mar 2012].  Motion Lab Systems, 2008. The C3D File Format User Guide [online]. Available from:  http://www.c3d.org/pdf/c3dformat_ug.pdf [Accessed 21 Mar 2012].   SAE International, 2012. G‐13 Human Modeling Technology [online]. Available from:  http://www.sae.org/standardsdev/aerospace/g13.htm    [Accessed 21 Mar 2012].  Siefert, A., et al., 2008. Virtual optimisation of car passenger seats: Simulation of static and  dynamic effects on driver’s seating comfort. Int J Ind Ergon, 38 (5/6), 410‐424.  Christensen, S.T., Siebertz, K., Damsgaard, M., de Zee, M., Rasmussen, J. and Paul, G., 2003.  Human seat modeling using inverse dynamic musculo‐skeletal models. Digital Human Mod‐ eling for Design and Engineering, Society of Automotive Engineers, Montreal, Canada, 16‐ 19 June, 2003.   Van Sint Jan, S., 2005. Introducing Anatomical and Physiological Accuracy in Computerized  Anthropometry for Increasing the Clinical Usefulness of Modeling Systems. Critical Reviews  in Physical and Rehabilitation Medicine, 17 (4), 249–274.   Wu, G. and Cavanagh, P.R., 1995. ISB recommendation for standardization in the reporting  of kinematic data. J. Biomech, 28 (10), 1257‐1261.  Wu, G., et al., 2002. Standardization Committee of the International Society of Biomechan‐ ics, ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the  reporting of human joint motion – part 1: ankle, hip, and spine. J. Biomech, 35 (4), 543‐548.  Wu, G., et al., 2005. International Society of Biomechanics, ISB recommendation on defini‐ tions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion –  part 2: shoulder, elbow, wrist and hand. J. Biomech, 38 (5), 981‐992.  Zhuang, Z., Benson, S. and Viscusi, D., 2010. Digital 3‐D headforms with facial features rep‐ resentative of the current US workforce. Ergonomics, 53(5), 661‐671.  Zuelch, G., 2012. Features and limitations of digital human models – a new German guide‐ line. Work: A Journal of Prevention, Assessment and Rehabilitation, 41 (Suppl 1), 2253‐ 2259.