動態(tài)人體尺寸的測量方法

王永進

(1.北京服裝學院 服裝藝術與工程學院，北京 100029;2.361°－北京服裝學院高性能運動服裝設計研發(fā)中心，北京 100029)

服裝在沒有使用彈性面料之前，要滿足人體運動中皮膚和肌肉的拉伸變化，就必須在人體靜態(tài)尺寸的基礎上增加必要的松量［1－2］，以避免阻礙人體動作，影響運動自由度。目前的傳統(tǒng)服裝松量設計，由于缺乏專業(yè)設備和科學方法來指導與完成測量運動中各特定時間點的人體尺寸，并與靜態(tài)尺寸相比來獲得尺寸變化，最終確定松量，因此大都采用經驗方法來直接設計松量。盡管傳統(tǒng)的方法對于一般服裝設計也許合適，但是對于高性能服裝中的松量設計卻存在很大的問題，比如專業(yè)速度滑冰比賽服或者航天員服裝等，其某些特殊部位的松量設計非常嚴格，如果不準確往往會對運動成績產生很大的影響，甚至影響到人身安全。正因如此，利用傳統(tǒng)的人體測量法獲得人體靜態(tài)尺寸，探索動態(tài)人體測量方法并獲得運動中相應人體各尺寸最大值，利用相互對比獲得最大變化值，最終完成準確的松量設計，對于高性能服裝設計非常關鍵。

目前，手工皮尺和三維掃描方法是最為常見的人體尺寸采集手段，這些方法通常是依據人體生理特征和相關尺寸定義，在人體表面先確定1個或多個標識點，然后利用皮尺或者三維掃描儀，通過這些標識點來獲得尺寸數據［3－5］。從這些傳統(tǒng)測量方法中可以看出，測量過程必須是靜止狀態(tài)，只有在靜止狀態(tài)下，標識點才能穩(wěn)定，測量才能進行。然而，當被測量者處于跑步等運動時，皮膚表面不斷拉伸或收縮，定義在皮膚表面的標識點就呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，對于測量人員將無法確定這些標識點準確位置，此時繼續(xù)使用傳統(tǒng)的手工皮尺或三維掃描方法就無法獲得準確人體尺寸，因此，對于運動狀態(tài)下的人體尺寸采集，采用手工皮尺或三維掃描測量方法是不合適的。為了能夠準確測量運動狀態(tài)下的人體尺寸，了解人體尺寸變化，設計合適的服裝松量，本文提出一種探索性的動態(tài)人體尺寸測量方法。

1 動態(tài)人體尺寸測量的方法

在動態(tài)人體尺寸測量中，最關鍵環(huán)節(jié)是如何在運動中確定尺寸定義相應的標識點，一旦標識點確定后，空間坐標位置也就能確定，進而相應尺寸可以通過合適計算方法，如貝塞爾曲線計算方法［6］等，來完成數值計算與尺寸確定。而解決動態(tài)下體表標識點的位置確定問題，就必須借助相應設備來完成運動過程中的標識點抓捕。目前，成熟的動態(tài)人體分析系統(tǒng)技術將可以幫助實現(xiàn)標識點的準確抓捕，這就為探索性地建立動態(tài)人體尺寸測量方法提供了研究基礎。

1.1 動態(tài)人體分析系統(tǒng)

目前已經研發(fā)了多種動態(tài)人體分析系統(tǒng)，利用這些系統(tǒng)能準確記錄動態(tài)下人體運動過程和身體運動體征，并已廣泛應用到人體康復以及動畫設計等領域［7］，其基本功能原理是采用光學系統(tǒng)來捕獲精確的人體運動，即利用反光小球在人體指定部位進行固定，然后利用其反光的特點，采用照相設備來抓捕人體運動中小球運動軌跡，并利用設備自帶的軟件來定義各個點和計算其在特定時間點的位置以及某一時間段的軌跡變化，最終獲得每個點的變化特點和人體運動特征。動態(tài)人體分析系統(tǒng)通常由硬件和軟件構成。如圖1所示，硬件部分包括具有反光功能的小球、照相系統(tǒng)、控制器和計算機系統(tǒng)［8］，其中將反光小球固定在體表作為標識點，由于其具有反光功能，可以被照相系統(tǒng)抓捕;照相系統(tǒng)與控制器、計算機系統(tǒng)形成一個整體，來為標識點抓捕以及后續(xù)定義、計算獲取數據等服務提供平臺。軟件部分通常除了常規(guī)運行系統(tǒng)外，不同系統(tǒng)都開發(fā)安裝了功能相似的抓捕分析軟件，其功能主要包括:1)運動中標識點運動位置與軌跡抓捕;2)數據處理和運動呈現(xiàn);3)人體特定結構與運動特征創(chuàng)建與分析［9］。

圖1 動態(tài)人體分析系統(tǒng)硬件組成Fig.1 Hardware system of Vicon body motion analysis system.(a)Marker;(b)Camera;(c)Controller;(d)Computer

1.2 動態(tài)人體尺寸測量方法

在動態(tài)人體分析系統(tǒng)中，一旦反光小球按照人體尺寸的定義來確定其固定位置，比如袖長尺寸由肩端點、肘關節(jié)凸點和腕關節(jié)凸點3個點連線長度確定，測量袖長所需要的反光小球就固定在相應3個點上，同時利用照相設備本身具備的在靜態(tài)和動態(tài)下抓捕各個反光點位置的功能，這就能夠為后期計算獲得人體運動中的尺寸，如袖長等，提供了技術平臺，因此動態(tài)人體分析系統(tǒng)具備了測量人體運動尺寸的技術條件與功能。

具體測量方法包括:1)按照相關標準中的人體尺寸測量定義，將具有反光功能的小球(通常直徑為0.8～1.2cm)固定在被測量者的體表指定位置作為標識點;2)測量前完成系統(tǒng)調校，主要完成被測量者位置、照相機位置以及驗證 x，y和 z三維空間系統(tǒng)準確度;3)被測量者完成設計動作，利用系統(tǒng)的照相系統(tǒng)來開展反光標識點的運動位置抓捕，并存儲相應數據;4)利用分析系統(tǒng)軟件完成數據提取;5)一旦規(guī)定時間間隔內的標識點空間位置數據被提取，通過貝塞爾曲線計算方法來計算不同尺寸數值;6)最終，獲取特定時間內的運動人體尺寸，其運動狀態(tài)下的變化特征被呈現(xiàn)。

2 實驗設計

為驗證動態(tài)人體尺寸測量方法的準確度和實用性，開展4個不同實驗:1)運用三維掃描方法對靜態(tài)下的人體尺寸進行測量;2)利用動態(tài)人體分析系統(tǒng)對靜態(tài)下的人體尺寸進行測量;3)運用手工皮尺方法對特定姿態(tài)下的人體尺寸進行測量;4)利用動態(tài)人體分析系統(tǒng)對跑步狀態(tài)下的人體尺寸進行測量。

2.1 實驗對象

為保證實驗對象的相似性，10名來自北京服裝學院大學三年級男生被招募參與實驗，其年齡在22～23歲之間，身高在170～175cm之間，BMI(人體質量指數)在21～23之間。實驗前，整個實驗方法、要求與目的將告知被測量者，并獲得其同意。

2.2 人體尺寸與標識點定義

根據實驗目的，測量25個人體尺寸，這些尺寸包括14個圍度尺寸、8個長度尺寸以及3個寬度尺寸。為了測量跑步狀態(tài)下的這25個尺寸，根據ISO 8559—1989《服裝結構和人體測量》定義標準，確認每個尺寸相應的生理標識點，將74個直徑為0.8 cm同時具有反光功能的小球固定在這些生理標識點，作為運動過程中的抓捕標識點，具體參見圖2所示的人體皮膚表面的反光小球位置。

圖2 人體皮膚表面的反光小球位置Fig.2 Marker locations on body skin.(a)Front;(b)Side;(c)Back;(d)Leg

2.3 實驗設備

除了傳統(tǒng)手工皮尺用于不同姿態(tài)下的人體尺寸采集外，用三維掃描系統(tǒng)(TC2)采集人體靜態(tài)尺寸，在其他2個實驗中使用動態(tài)人體分析系統(tǒng)(VICON 8.0)和跑步機(Star-Trac)。

2.4 實驗場地

所有實驗均在室溫為24℃，相對濕度為65%，且風速小于0.1 m/s實驗室中完成，保證了實驗結果的穩(wěn)定性。

2.5 實驗步驟

實驗前，要求被測量者在實驗室坐姿休息10min，適應實驗環(huán)境。然后，被測量者進入三維掃描箱內完成靜態(tài)人體尺寸采集;掃描結束后，利用皮尺方法完成指定10個姿態(tài)(包括:曲臂、彎腰、后仰、向上舉臂、水平抬臂、向前抬臂、向后抬臂、曲膝抬腿、前踢腿和后踢腿)下的同樣尺寸測量，這些特定姿態(tài)是構成人體運動所必需的動作［10］，具體特定姿態(tài)參見圖3。

在手工和三維掃描測量完成后，同一被測量者休息10min，然后將74個反光小球固定在指定生理點上，然后被測量者靜止站立在跑步機上。在調校完設備后，每間隔10s，抓捕靜止狀態(tài)下的體表標識點的位置。最后要求被測量者在跑步機上按照10km/h的速度進行跑步，利用設備抓捕跑步后5 min內，每間隔10s的標識點位置，結果參見圖4。最后利用動態(tài)分析系統(tǒng)提取數值，并利用貝塞爾曲線計算方法來計算每個時間間隔點上的人體尺寸，最終獲得靜止和動態(tài)狀態(tài)下的人體尺寸，并計算出跑步狀態(tài)下的各個尺寸的最大變化值。

圖3 不同的特定人體姿態(tài)Fig.3 Different special body postures.(a)Bending elbow;(b)Lifting arm upward;(c)Lifting arm horizontally;(d)Lifting arm forward;(e)Lifting arm backward;(f)Bending waist forward;(g)Bending waist backward;(h)Lifting leg and bending knee;(i)Lifting leg forward;(j)Lifting leg backward

圖4 動態(tài)人體尺寸測量Fig.4 Body anthropometry in running state

2.6 數據檢驗與動態(tài)人體測量方法評價

在獲取相關人體尺寸及其變化數值的基礎上，通過對比檢驗2種方法獲取的數據和變化值，可以驗證三維掃描和人體動態(tài)分析系統(tǒng)2種方法獲得靜態(tài)人體尺寸相互之間的差異性，以及手工皮尺方法和動態(tài)人體分析系統(tǒng)獲得的動(姿)態(tài)下人體尺寸變化的差異性，最終判斷動態(tài)人體尺寸測量方法的準確性。

3 實驗結果與分析

3.1 靜態(tài)人體尺寸

通過三維掃描以及人體抓捕2種方法，獲得所有被測量者的25個人體尺寸，其數據T檢驗結果參見表1。從表中可以看出:S代表的是三維掃描方法獲得的人體尺寸，而B代表的是動態(tài)人體分析系統(tǒng)方法獲得的相應部位尺寸。2種方法獲的相同部位尺寸的變化值范圍在－0.11～－1.03cm之間，這意味著通過人體動態(tài)分析系統(tǒng)方法獲得的人體尺寸比三維掃描方法獲得的數值要大。其中，臀圍差距最大(－1.03cm)，而立襠深的變化值最小(－0.11cm)。此外，2種方法獲得的人體尺寸數據其T檢驗結果中的 p值均大于0.05，這就意味著三維掃描和人體動態(tài)分析系統(tǒng)2種方法獲得的靜態(tài)人體尺寸，其相互之間的差異性不明顯，這表明利用動態(tài)人體分析系統(tǒng)獲得的靜態(tài)人體尺寸盡管與三維掃描結果之間有差異，但是仍然是準確而可信的，因此這種方法對于靜態(tài)人體尺寸采集具有一定實用性。

3.2 特定姿態(tài)和跑步狀態(tài)下人體尺寸變化

對于動態(tài)人體測量以及服裝設計來講，了解動態(tài)下的人體尺寸變化是最為重要的，它是服裝松量設計的基礎，因此，在本文研究中首先對采用手工皮尺方法測量到的特定姿態(tài)下人體尺寸，通過與三維掃描結果作對比，計算和分析其尺寸變化，參見表2中的M值;然后，對利用動態(tài)人體分析系統(tǒng)測量到的特定時段動態(tài)人體尺寸，通過與動態(tài)人體分析系統(tǒng)測量的靜態(tài)人體尺寸對比，分析與了解人體運動狀態(tài)下的尺寸變化，參見表2中的B'值。根據獲取的變化值，T檢驗方法繼續(xù)被用來檢驗2種方法的差異性，其結果見表2。

從表2可以看出，2種方法對頸圍、腕圍和腳踝圍這3個尺寸的測量結果為0.00cm，表明這3個部位的尺寸在動態(tài)姿態(tài)和運動過程中沒有變化。對于其他22個人體尺寸，9個人體尺寸的 p值都小于0.05，包括胸圍、腰圍、小腿圍、肩寬及前、后腰長等，這就意味著特定姿態(tài)下的這些部位尺寸變化，與動態(tài)下的這些部位尺寸變化相比，有著明顯的不同。盡管不同，但從表中數值仍然可以看出相似變化特點，那就是動態(tài)下的變化都小于特定姿態(tài)下的變化值，分析原因，通過對比人體跑步中的姿態(tài)以及特定姿態(tài)，可以看出，特定姿態(tài)下的各個關節(jié)運動角度往往都是人體運動最大角度，而在跑步中往往是達不到這種姿態(tài)的，因此，人體運動下的尺寸變化的確應當小于特定姿態(tài)下的變化。由此可以看出，人體運動分析系統(tǒng)抓捕到的動態(tài)人體尺寸及其變化值是符合運動下人體運動尺寸變化特點的，進而說明該方法是適合運用到動態(tài)人體尺寸測量的。此外，余下的13個尺寸的p值都大于0.05，這說明在這13個部位中，盡管有些部位的對比值(M－B')為負值，但是二者之間差異性是不大的，這意味著2種方法獲得的人體尺寸變化值是相似的。根據這些分析結果，可以判斷這種基于動態(tài)人體分析系統(tǒng)的動態(tài)尺寸測量方法，對于人體運動狀態(tài)下的尺寸采集是有效而可信的。

表1 靜態(tài)人體尺寸的對比Tab.1 Comparison of measurement results in static state

表2 特定姿態(tài)和跑步狀態(tài)下的人體尺寸變化對比Tab.2 Comparison of body measurement variations in dynamic postures and running state

4 動態(tài)人體測量方法的不足與改進

基于動態(tài)人體分析系統(tǒng)建立的動態(tài)人體測量方法，有助于解決困擾動態(tài)人體尺寸測量中一直存在的標識點在運動中不穩(wěn)定和不確定的問題，可以充分利用系統(tǒng)的照相系統(tǒng)獲得靜態(tài)和動態(tài)下固定在各個人體尺寸構成點上的反光點位置，最終計算獲得人體尺寸。通過與傳統(tǒng)的皮尺測量和三維掃描結果對比，獲得結果具有一定的相似性，因此該方法具備人體靜動態(tài)測量的基本技術條件和能力，能幫助測量人員了解靜態(tài)和運動中的人體尺寸與變化。但是，也要看到這種方法還存在一些不足，具體表現(xiàn)為:首先，目前測量時使用的球狀標記物，其直徑仍然偏大，這勢必會造成獲得數據的準確性受到影響;其次是測量時需要大量標記點，計算并獲取人體尺寸需要時間比較長;還有就是測試需要相應比較大的設備和場地，而且對測量人員的技術水平要求較高。但是，作為一種探索性方法，通過對這些環(huán)節(jié)的改進，比如抓捕反光小球的直徑更小和系統(tǒng)更加集成化，動態(tài)人體尺寸的采集方法必將最終成熟起來，并能很好地運用到動態(tài)人體測量中，同時這種方法也是對未來人體動態(tài)測量技術與方法發(fā)展方向的指引。

5 結論

以上實驗數據與分析結果可以表明，基于動態(tài)人體分析系統(tǒng)的動態(tài)人體測量方法對于運動狀態(tài)下的人體尺寸采集具有較好的準確性和實用性。盡管受到反光點大小等局限和影響，利用這種方法仍然可以測量人體運動過程中特定時間和特定姿態(tài)下的尺寸，并掌握其變化特征，進而快速準確地獲得人體尺寸最大變化值，設計服裝松量尺寸，完成特定部位的合體度設計，滿足服裝運動自由度并實現(xiàn)運動功能。此外，作為一種動態(tài)人體測量方法的探索性研究，將對未來動態(tài)人體測量方法設計與發(fā)展起著較好的指引作用。

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