基于SolidWorks的在職男性頸部三維模型

王珊珊，王 蕾，朱 博，王鴻博

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇無錫 214122)

領(lǐng)口的松緊對(duì)人體穿著的舒適感覺有著重要的影響，領(lǐng)口太松易影響領(lǐng)型外觀或?qū)е卤Ｅ阅茏儾睿I(lǐng)口太緊使穿著舒適性變差。近年來，由于手機(jī)與平板電腦等電子產(chǎn)品的發(fā)展，人們的生活方式發(fā)生了變化，越來越多的人在工作中需要伏案面對(duì)電腦或者低頭看手機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間的座位作業(yè)使頸椎正常的生理曲度變直，頸部形態(tài)發(fā)生變化。根據(jù)這一普遍狀況，服裝的領(lǐng)口設(shè)計(jì)也應(yīng)該產(chǎn)生變化，本文在對(duì)25～30歲之間的在職男性進(jìn)行測(cè)量所得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立頸部立體模型，為研究頸部壓力舒適性打下基礎(chǔ)。

目前關(guān)于頸部的壓力研究相對(duì)較少，在頸部壓力的相關(guān)文獻(xiàn)中多數(shù)是二維模型的分析，研究者選取頸中截面或頸根截面對(duì)頸部一圈的力學(xué)變化進(jìn)行分析［1］，事實(shí)上，皮膚壓力是呈面狀分布的，對(duì)單一截面的分析明顯不能全面分析頸部的受力狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外的三維立體模型研究［2－4］多運(yùn)用在人體軀干、四肢等部位?，F(xiàn)階段，關(guān)于頸部的三維立體模型還沒有系統(tǒng)地建立，而針對(duì)特定人群的頸部研究更顯不足［5－7］，因此，本文從人體工程學(xué)的角度出發(fā)，通過對(duì)特定人群的頸型分析，利用分析結(jié)果建立三維模型，可為領(lǐng)口的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 人體數(shù)據(jù)采集

通常人體頸部著裝處為頸中至頸根之間的5～6 cm處，模型建立在此范圍可視為有效，又考慮其他功能型服裝的用途，本文研究所建立的人體頸部模型為自枕骨下沿開始至頸根處結(jié)束之間的12 cm的范圍(見圖1)。

圖1 頸部立體模型建立區(qū)間Fig.1 Range of neck three-dimensional model

由于每個(gè)人的頸部構(gòu)造都有不同特點(diǎn)，本文研究選擇200名年齡在25～30歲之間的江浙在職男性，通過三維人體測(cè)量，直接提取頸中圍、頸根圍等12項(xiàng)數(shù)據(jù)再加上由此衍生的頸根橫矢比、側(cè)頸長(zhǎng)頸根圍比等6項(xiàng)數(shù)據(jù)，共18項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分提取，根據(jù)方差貢獻(xiàn)率選取前傾角、后傾角、前頸長(zhǎng)、頸根寬、頸中圍、頸根圍6個(gè)特征值，并把特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行Q型聚類分析，分析結(jié)果可將男性頸部形態(tài)分為4類。其中一類，占總?cè)藬?shù)比例31.5%，比例最高，可認(rèn)為此類特征值具有一定的代表性(特征值終止聚類中心參見表1)。故把此分類的特征值終止聚類中心作為挑選依據(jù)，在所測(cè)人群中挑選20名頸型相近的被試者，進(jìn)行二次數(shù)據(jù)提?。?］。

表1 特征值終止聚類中心Tab.1 Characteristic value final cluster centers

此種方法取得的人體數(shù)據(jù)保證了研究定位的準(zhǔn)確性。采用德國(guó)Human Solution公司的Vitus Smart非接觸式激光三維人體掃描儀，獲得20位被選受試者的全身三維點(diǎn)云造型，再通過三維人體掃描系統(tǒng)自帶軟件Scan worX找出人體頸部位置，自枕骨下沿處每隔0.3 cm取環(huán)繞頸部一周的截面閉合曲線，至頸根處結(jié)束，由于被試頸部形態(tài)相似，故每個(gè)頸部可取約40個(gè)橫向截面。每個(gè)截面的圓心均為Scan worX系統(tǒng)自定義，并由系統(tǒng)提供頸部截面的直角坐標(biāo)軸。

2 頸部截面坐標(biāo)的獲取

圖2示出從20名被試者頸圍截面中隨機(jī)挑選的頸中截面皮膚層點(diǎn)云圖。雖然被試者的頸部形態(tài)相似，但是不能達(dá)到完全的吻合，因此，需要將所得的圖形進(jìn)行平均化處理，可得到在職男性頸部皮膚層截面形態(tài)。

圖2 頸中皮膚層截面點(diǎn)云圖Fig.2 Skin layer cross-section point cloud images of neck

運(yùn)用Corel DRAW 12軟件，提取圖2所示的頸部皮膚層截面圖形，并進(jìn)行填色處理，即可得到如圖3所示的由黑色像素點(diǎn)與白色像素點(diǎn)構(gòu)成的灰度圖像。另外用一個(gè)黑色像素點(diǎn)來確定系統(tǒng)給出的圓心位置。再用MatLab 2012軟件進(jìn)行讀像素點(diǎn)處理，即從中心黑色的一像素點(diǎn)到邊緣黑色像素點(diǎn)的白色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，經(jīng)過多次預(yù)實(shí)驗(yàn)并參考文獻(xiàn)［5］記錄，讀點(diǎn)從截面0°處開始每隔5°讀取1點(diǎn)，如圖4所示。讀取結(jié)果由Excel軟件導(dǎo)出，即可得到頸部皮膚層截面上間隔為5°的72個(gè)黑色像素點(diǎn)到圓心的白色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)(數(shù)據(jù)未一一列出)。

圖3 頸中皮膚層截面灰度圖像Fig.3 Sectional grayscale image of neck skin layers

圖4 MatLab讀點(diǎn)圖Fig.4 Chart of reading points by MatLab

由上述方法得到的40個(gè)頸部截面皮膚層像素點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理。設(shè)D為每個(gè)皮膚層截面中心點(diǎn)到邊緣點(diǎn)的距離矩陣，i為頸部皮膚層截面層數(shù)，j為每個(gè)皮膚層截面上讀點(diǎn)個(gè)數(shù)，n為實(shí)驗(yàn)人數(shù)，Z為中心點(diǎn)到皮膚層邊緣點(diǎn)的距離，x為實(shí)驗(yàn)者編號(hào)。均值化過程如式(1)所示。

并測(cè)量得出每個(gè)像素點(diǎn)和厘米之間的比例關(guān)系，即51.26像素為1 cm。運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行比例處理，即可得到從圓心到皮膚層邊緣的距離。28個(gè)皮膚層截面的圓心到邊緣的距離數(shù)據(jù)通過Solid Works 2010軟件拼合成三維人體頸部模型。其中，每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)為

式中:y為皮膚層截面中心點(diǎn)到邊緣點(diǎn)的距離(y=Z/51.16);θ為每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度為矢狀軸取值，即每個(gè)截面距零點(diǎn)的豎直距離。

3 模型建立

3.1 皮膚模型建立

確定了頸部皮膚層截面的坐標(biāo)輸入SolidWorks 2010軟件曲線建立工具，建立通過XYZ點(diǎn)的曲線。曲線疊加之后建立邊界即可得到閉合的頸部皮膚層立體模型，如圖5所示。利用同樣的方法添加頸部骨骼層和軟組織層。

圖5 在職男性頸部皮膚層截面拼合圖Fig.5 Skin layer sectional split diagram of men neck

3.2 骨骼模型建立

采用1∶1的解剖用男性標(biāo)準(zhǔn)骨骼模型經(jīng)過非接觸式三維測(cè)量?jī)x掃描，即可獲得醫(yī)用解剖頸椎的點(diǎn)云圖來建立骨骼模型。醫(yī)用頸椎模型嚴(yán)密地符合真人男性頸椎的構(gòu)造，截取頸椎外層截面，進(jìn)行疊加并獲取頸椎三維模型。參考文獻(xiàn)［9］，確定頸椎截面在頸部皮膚截面的位置，即可建立包含表皮層與骨骼層的三維立體模型。

3.3 軟組織模型建立

軟組織模型即頸部皮膚層去除皮膚厚度的軟組織層。參考文獻(xiàn)［10］得知，男性頸部皮膚層厚度為(1.82±0.29)mm，在本模型的建立中，把男性頸部皮膚層設(shè)為厚度相同的層狀面環(huán)繞頸部1周，厚度為1.8 mm。根據(jù)式(2)中在職男性皮膚層坐標(biāo)可計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)男性頸部軟組織層所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo):

式中:x0為在職男性頸部皮膚層任意截面上的任意點(diǎn)Q的x坐標(biāo)，即式(2)中的為在職男性頸部皮膚層任意截面上的任意點(diǎn)Q的y坐標(biāo)，即式(2)中的為在職男性頸部軟組織層任意截面上的任意點(diǎn)Q的x坐標(biāo);B為在職男性頸部軟組織層任意截面上的任意點(diǎn)的y坐標(biāo);C為在職男性頸部軟組織層任意截面上的任意點(diǎn)Q的z坐標(biāo)，即矢狀軸取值，可理解為每個(gè)截面距零點(diǎn)的豎直距離，與式(2)中的取值相同;d為男性頸部皮膚層厚度，d=1.8;θ為每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度，θ是5°的倍數(shù)。

坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取完畢即可利用SolidWorks軟件建立包含表皮層，軟組織層與骨骼層的25～30歲在職男性頸部三維立體模型。

3.4 頸部模型曲率

曲線的曲率表示曲線偏離直線的程度。曲率越大，曲線的彎曲度越大。SolidWorks軟件中的曲率工具可直接顯示模型的曲率，并以不同的顏色顯示，結(jié)果如圖6所示。

圖6 男性頸部模型曲率圖Fig.6 Curvature diagram of neck three-dimensional model

4 模型驗(yàn)證

模型建立后，通過人體頸部著裝壓力與人體頸部曲率的關(guān)系來反映模型的準(zhǔn)確度。據(jù)研究，人體表面的曲率對(duì)著裝產(chǎn)生的壓力有極大的影響，即在服裝面料拉伸、壓縮、剪切和彎曲等應(yīng)力相同的情況下，體表曲率越大，服裝包覆人體時(shí)所產(chǎn)生的拉伸率就越大，使服裝著裝包覆壓增大［5］，所以，通過人體著裝實(shí)驗(yàn)測(cè)量頸部不同部位所產(chǎn)生的服裝壓力與所建立的模型表面曲率對(duì)比，可反映模型的準(zhǔn)確度，進(jìn)行模型驗(yàn)證。

4.1 實(shí)驗(yàn)用樣衣

實(shí)驗(yàn)用樣衣根據(jù)被試者的體型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)制作，表2示出20名被試者的基本體型數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)差。測(cè)試服裝款式如圖7所示，為基本合體高領(lǐng)款。

表2 測(cè)試者基本體型數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.2 Basic body data and standard deviation of testers

圖7 測(cè)試用服裝款式圖Fig.7 Test clothing styles

由于僅對(duì)頸部壓力進(jìn)行研究，測(cè)試所選用的樣衣僅領(lǐng)口寬度分檔差，其他部分的尺寸都為定量。參考上領(lǐng)口寬度與頭圍的關(guān)系為

式中:lH為頭圍;lN為頸中圍;L為成品上領(lǐng)口寬度;E為面料的斷裂伸長(zhǎng)率。根據(jù)織物彈性回復(fù)率和人體穿著預(yù)實(shí)驗(yàn)，成品領(lǐng)上口寬度各檔差按照不同拉伸率分別設(shè)計(jì)為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%7個(gè)檔，依次標(biāo)記為S1到S7，最終確定測(cè)試服裝規(guī)格如表3所示。

Tab.3 實(shí)驗(yàn)用樣衣領(lǐng)部規(guī)格表Tab.3 Collar specifications of test clothing

根據(jù)市場(chǎng)上針織高領(lǐng)衫面料的使用情況以及工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)服裝采用常規(guī)面料制作，成分為棉/氨(95/5)。織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

表4 織物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Tab.4 Fabric structure data

4.2 壓力測(cè)量

壓力測(cè)量采用日本AMI公司研發(fā)的AMI3037-5氣囊式接觸壓測(cè)定儀，儀器應(yīng)用氣壓式服裝壓力測(cè)試原理，使服裝穿著過程中對(duì)氣囊擠壓產(chǎn)生的力并顯示壓力數(shù)值信號(hào)來記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)選取頸部的9個(gè)肌肉點(diǎn)，如圖8所示，依次標(biāo)記為1到9。測(cè)量實(shí)驗(yàn)在安靜的室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)量環(huán)境溫度為(27±3)℃，相對(duì)濕度為(60±10)%，無風(fēng)。被試者進(jìn)入室內(nèi)先休息10 min，并用軟尺對(duì)被試的頸部進(jìn)行測(cè)量，用記號(hào)筆標(biāo)定測(cè)試點(diǎn)的位置，然后穿著測(cè)試用針織衫，服裝穿著順序和測(cè)試順序都是隨機(jī)的，以免測(cè)試順序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。測(cè)試者穿著針織衫站立10 min后開始測(cè)試服裝壓力值。測(cè)量時(shí)，壓力傳感器放置于皮膚表面與服裝面料之間，當(dāng)壓力值穩(wěn)定時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次，計(jì)算平均值。頸部壓力的分布如表5所示。9個(gè)肌肉點(diǎn)的曲率值如表6所示。

圖8 頸部壓力測(cè)量位置Fig.8 Neck pressure measurement position

表5 頸部著裝壓力分布Tab.5 Pressure distribution of neck kPa

表6 頸部模型曲率分布Tab.6 Curvature distribution of neck modelm－1

4.3 客觀頸部壓力與模型曲率的關(guān)系

利用SPSS軟件獲取正態(tài)分布直方圖進(jìn)行變量正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果顯示模型曲率數(shù)據(jù)和7件樣衣穿著后產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，模型曲率數(shù)據(jù)和7件樣衣穿著后產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為:0.463、0.034、0.039、0.045、0.036、0.029、0.026、0.044。實(shí)驗(yàn)采用相關(guān)性分析方法進(jìn)行說明。

相關(guān)性分析是指對(duì)2個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量進(jìn)行分析，衡量變量因素的相關(guān)密切程度。本文引用Pearson相關(guān)系數(shù)表征曲率和著裝壓力的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)越接近于1或－1，相關(guān)性越強(qiáng)。相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)度越弱。一般來說通過以下取值范圍判斷變量的相關(guān)強(qiáng)度［11］:0.8～1.0為極強(qiáng)相關(guān);0.6～0.8為強(qiáng)相關(guān);0.4～0.6為中等程度相關(guān);0.2～0.4為弱相關(guān);0.0～0.2為極弱相關(guān)或無相關(guān)。分析結(jié)果如表7所示。

表7 Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.7 Pearson correlation coefficient

從表中可看出，除S7外，其他6組數(shù)據(jù)均與模型曲率呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)的關(guān)系?？紤]服裝制作和測(cè)量過程有產(chǎn)生誤差的可能，認(rèn)為模型曲率與服裝穿著壓力有一定的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)均為正數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合體表曲率與服裝壓力呈現(xiàn)正相關(guān)的性質(zhì)。

5 結(jié)論

本文研究對(duì)25～30歲的在職青年男性頸部測(cè)量分析結(jié)果進(jìn)行建模研究，為頸部服裝壓力與男性領(lǐng)口的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，具有一定的理論意義。

1)三維人體模型造型過程中，截面的坐標(biāo)間隔適宜取5度一點(diǎn)，截面距離適宜為0.3 cm，選取此范圍可較為準(zhǔn)確地描述人體造型。

2)模型驗(yàn)證采用人體穿著實(shí)驗(yàn)獲取的壓力數(shù)據(jù)與三維模型曲率進(jìn)行相關(guān)性分析。分析結(jié)果符合體表曲率與服裝壓力正相關(guān)的性質(zhì)，曲率數(shù)據(jù)與壓力數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性，模型可視為有效。

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