基于騎行褲運動功能的男下肢皮膚形變

駱順華

(山東工藝美術(shù)學(xué)院 服裝學(xué)院，山東 濟南 250300)

基于騎行褲運動功能的男下肢皮膚形變

駱順華

(山東工藝美術(shù)學(xué)院 服裝學(xué)院，山東 濟南 250300)

皮膚形變是緊身騎行褲結(jié)構(gòu)及松量的決定因素之一。為研究騎行過程中男下肢皮膚形變變化，利用優(yōu)化的凝膠拓印及圖形像素技術(shù)獲取皮膚形變。分析10名男性騎行愛好者下肢8個部位及4個區(qū)域橫向、縱向網(wǎng)格的皮膚形變定性與定量變化，發(fā)現(xiàn)腹股溝、膝蓋與膝窩的皮膚形變波動較大，腹部、大腿內(nèi)側(cè)與大腿后中皮膚形變波動小，且膝蓋皮膚整體拉伸而膝窩皮膚整體收縮。皮膚形變變化規(guī)律為騎行褲分割線設(shè)計及下肢各部位松量確定提供科學(xué)依據(jù)，以此優(yōu)化騎行褲運動功能性。

男下肢；皮膚形變；凝膠拓?。贿\動功能；騎行褲

服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計是由人體靜態(tài)體型和動態(tài)變化共同決定的，運動中體表皮膚形變對緊身服裝結(jié)構(gòu)及松量的影響更顯著[1-2]。如果沒有準確獲取皮膚形變而按經(jīng)驗確定松量，會導(dǎo)致服裝穿著后人體各部位的壓力分布不合理，甚至?xí)璧K人體自由運動[3]，因此皮膚形變定量設(shè)計是設(shè)計緊身服裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。測量皮膚形變最早采用描線法[4]，但描線法僅獲取描線方向的形變量，不能獲取形變后的平面展開圖，而平面展開圖是緊身服裝分割設(shè)計的重要依據(jù)。石膏法[5-6]雖然可以獲取平面展開圖，但是該方法存在對人體束縛大、不適感強、操作困難、石膏干燥時間長使受試者難以承受等缺點，且涂抹石膏后所用的繃帶是硬物質(zhì)，能拓印的動作與部位受限制[7]。引入三維掃描技術(shù)后，學(xué)者發(fā)現(xiàn)雖然三維掃描采用非接觸測量，速度快，但是存在精度、掃描部位及動作等方面的局限[8-9]。因騎行過程中下肢動作幅度大而且襠部、膝窩部位難以掃描，以上方法都不適宜，因此，作者發(fā)明了一種基于凝膠拓印及圖形像素技術(shù)獲取皮膚形變的方法[10]，并采用此方法獲取騎行過程中男下肢皮膚形變。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)備

HAD-LI型馬丁測量儀，北京恒奧德儀器儀表有限公司制造；Tacx IRONMAN T2060型磁阻騎行臺，荷蘭TACX公司制造。

1.2 測試對象

為減少因個體體型差異大導(dǎo)致的實驗誤差，實驗挑選10名20～25歲男性為測試對象，身高在168～173 cm之間，身體質(zhì)量指數(shù)(Body Mass Index，BMI)平均為22.9，且每名測試對象體型符合BMI標準(18.5～24.0)的要求[11]。此外，確保測試對象對實驗用凝膠沒有過敏反應(yīng)。

1.3 實驗設(shè)計

因騎行運動為周期性圓周運動，把一個騎行周期均勻分為12個騎行動作，其中右踏板在最高點時為0°，12個騎行動作踏板位置分別為0°，30°，60°，…，330°。

1.3.1凝膠拓印網(wǎng)格 皮膚形變拓印過程如圖1所示。具體操作步驟如下：①將實驗場所溫度調(diào)整到舒適范圍內(nèi)，對下肢體毛進行刮凈處理，讓測試對象靜止站立并在其右下肢用水性油墨筆畫邊長為3.5 cm左右的方形網(wǎng)格(見圖1(a))，網(wǎng)格具體大小由腰圍決定，所有測試對象的橫向和縱向網(wǎng)格數(shù)一致，具體如圖2所示。為了避免畫網(wǎng)格的誤差，采用馬丁測量儀確定17條水平線，在每條水平線上確定平分網(wǎng)格寬度的點，且實驗畫線由同一實驗員完成；同時為檢驗數(shù)據(jù)是否有誤差，后期對10個測試對象各自對應(yīng)單元網(wǎng)格12個動作的皮膚形變量數(shù)據(jù)進行離散程度分析，發(fā)現(xiàn)樣本標準差很小，驗證了此方法的可靠性。②均勻涂抹潤膚油，以避免后期揭下凝膠時引起測試對象皮膚不適。標準站立姿勢下保持靜止不動，將凝膠均勻涂抹在下肢上(見圖1(b))。③待凝膠凝固后，輕輕將窄隱形膠帶交疊粘貼于凝膠上以防止凝膠變形(粘貼時不可以施加壓力)，并用水性油墨筆在膠帶上描畫一遍網(wǎng)格(見圖1(c))。④從側(cè)縫線上端開始剝離網(wǎng)格，沿著側(cè)縫線位置小心剪開，慢慢向兩邊剝離，直至完全拓印下來(見圖1(d))。用油墨筆重新描畫一遍網(wǎng)格，讓測試對象騎上自行車保持標準騎行姿勢，把右踏板固定在0°位置靜止不動，重復(fù)③與④拓印0°動作下的網(wǎng)格圖，然后對12個騎行姿勢依次拓印。

圖1 凝膠拓印網(wǎng)格過程Fig.1 Process of graph rubbing of skin deformation by gel

注：①為大腿根圍線(橫向);②為側(cè)縫線(縱向)。圖2 下肢網(wǎng)格分布Fig.2 Distribution of grids on lower limb

1.3.2基于圖形像素技術(shù)網(wǎng)格面積計算 拓印的網(wǎng)格圖按網(wǎng)格線剪開得到每個單元網(wǎng)格形狀，按順序依次把網(wǎng)格粘貼在白紙上，并采用同一掃描設(shè)備與同一分辨率掃描，保存為無損圖片掃描信息的標準圖像文件bmp格式，用Photoshop軟件圖形像素技術(shù)獲取網(wǎng)格像素及分辨率DPI(Dots Per Inch)，獲取圖形像素及分辨率方法[12]：①用Photoshop軟件打開要編輯的圖，用鋼筆工具把網(wǎng)格線跡描繪為封閉曲線；②放大圖片，對各錨點進行調(diào)整，使線條與網(wǎng)格線完全重合；③把路徑轉(zhuǎn)換成選區(qū)；④點擊“視圖”菜單中的“直方圖”，直方圖窗口顯示單元網(wǎng)格像素(見圖3(a))，分辨率在“圖像”菜單的“圖像大小”對話框中顯示(見圖3(b))。

計算靜止站立姿勢下、每種騎行分解動作姿勢下各網(wǎng)格面積與形變率，單元網(wǎng)格的面積與形變率取10個人的平均值。計算公式如下：

(1)

式中：Sij為靜止站立姿勢網(wǎng)格圖中第i行第j列網(wǎng)格的面積；Pij為靜止站立姿勢下第i行第j列網(wǎng)格的像素；i=1, 2, 3,…, 15, 16；j=1, 2, 3,…, 15, 16。

(2)

(3)

圖3 圖形像素技術(shù)計算皮膚形變Fig.3 Computing skin deformation in image pixels

2 結(jié)果與討論

為后續(xù)分析下肢各部位皮膚形變規(guī)律，將圖2中的網(wǎng)格圖平面展開，繪制出網(wǎng)格示意圖，具體如圖4所示。對圖4進行縱向和橫向編號，整個網(wǎng)格圖被側(cè)縫線與大腿根圍線分割成前上、后上、前下、后下4個區(qū)域，劃分為腹部、腹股溝、后上、大腿前中、大腿后中、大腿內(nèi)側(cè)、膝蓋、膝窩等8個部位。

圖4 網(wǎng)格平面示意Fig.4 Sketch of grids

2.1 8個部位皮膚形變定性分析

基于MATLAB軟件采用三次樣條插值函數(shù)的方法[13]，把12個動作的皮膚形變離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為0°～330°區(qū)間內(nèi)連續(xù)的皮膚形變變化，繪制出騎行時男下肢皮膚形變的動態(tài)變化規(guī)律，具體如圖5所示。

圖5 8個部位皮膚形變量變化Fig.5 Variation of skin deformation at eight parts of lower limb

由圖5可以看出，在騎行過程中，腹股溝、膝蓋與膝窩的皮膚形變曲線波動較大，腹部、大腿內(nèi)側(cè)與大腿后中皮膚形變波動較小，后上部與大腿前中皮膚形變變化極小。其中膝蓋的皮膚形變率先減小后增大，踏板在180°位置時最小，在0°時達到最大，形成對稱的變化規(guī)律；膝窩的皮膚形變變化趨勢與膝蓋剛好相反，形變率先增大后減小，當(dāng)踏板位置在180°時達到最大，在0°時最小，但在后半程先減小，后有變大趨勢，沒有形成類似膝蓋的對稱變化規(guī)律，原因可能是在提拉過程中，大腿后側(cè)肌肉發(fā)力使皮膚繃緊拉伸；腹股溝的變化呈較大波浪狀態(tài)，這與腹股溝部位的髖關(guān)節(jié)活動有關(guān)；腹部的皮膚形變波動變化，與腹部的呼吸有較大關(guān)系，因為腹部在騎行過程中姿勢變化微??；大腿內(nèi)側(cè)皮膚形變的波動幅度??；大腿后中在后半程波動比較大，因為后半程大腿股二頭肌在180°～330°位置為提拉的募集肌肉，可知該部位的皮膚形變與肌肉活動有較大關(guān)系；后上部位在騎行過程中由于臀部動作幅度很小，因此皮膚形變變化很??；大腿前中皮膚形變波動幅度極小，與大腿前中在騎行時的姿勢有較大關(guān)系，大腿前中皮膚在此過程中一直處于拉伸緊繃狀態(tài)。

2.2 4個區(qū)域橫縱向皮膚形變定量分析

2.2.1前上區(qū)域 前上區(qū)域網(wǎng)格皮膚形變情況如圖6所示。腹部縱列皮膚收縮形變率平均達到-29.2%，從側(cè)縫到前中線皮膚收縮率先增大再減小，此變化規(guī)律符合人體腹部外形特點，即腹部從側(cè)縫到前中的凸起程度逐漸增大再減小。腹股溝部位縱列網(wǎng)格皮膚形變率約為-12.7%，只有腹部的一半，靠近側(cè)縫的第8列縱向網(wǎng)格幾乎沒有變化，因測量誤差，第12列網(wǎng)格變化與相鄰的縱列網(wǎng)格形變率差值較大，該數(shù)據(jù)不采用。從橫行看腹部皮膚整體收縮形變，形變率平均達到-29.4%，收縮量逐漸增大，第3行在腹部正中位置(見圖2(a))收縮達到最大，而腹股溝部位橫行網(wǎng)格平均形變率為-13.6%，收縮率逐漸減少，其中第7行呈較小的拉伸狀態(tài)。綜合比較前上區(qū)域縱列與橫列皮膚形變率的變化趨勢，可以看出腹部比腹股溝收縮量大得多，且第7行整體形變變小，主要由于在縱向收縮較大情況下，橫向較長且有較大拉伸，彌補了皮膚縱向收縮量。

圖6 前上區(qū)域網(wǎng)格皮膚形變變化Fig.6 Variation of skin deformation of grids on anterior-superior of lower-limb in cycling

2.2.2后上區(qū)域 后上區(qū)網(wǎng)格皮膚形變?nèi)鐖D7所示。

圖7 后上區(qū)域網(wǎng)格皮膚形變變化Fig.7 Variation of skin deformation of grids on posterior-superior of lower limb in cycling

縱列網(wǎng)格皮膚呈拉伸狀態(tài)，平均形變率為25.6%，從后中至側(cè)縫皮膚拉伸量先增大后減小，第2，3列達到45%左右，這兩列在臀凸以及臀褶位置(見圖2(c))，相比于靜止站立狀態(tài)，在騎行姿勢時，臀凸曲率變化大且臀褶皮膚拉伸較大，因此皮膚形變大；第1列為靠近臀溝及骶骨處，此外曲率變化小且脂肪較少，因此形變量小。橫行網(wǎng)格形變率為26.8%，變化趨勢與縱列相反，橫行皮膚拉伸率先減小后增大，第7行位置為臀褶部位，皮皺多，皮膚擴張大，符合皮膚形變理論[14]。綜合分析后上區(qū)域縱列與橫行單元網(wǎng)格皮膚形變量，發(fā)現(xiàn)臀褶部位和臀凸部分皮膚擴張量達到45%以上，其他部分平均也達到20%左右。

2.2.3前下區(qū)域 前下區(qū)域皮膚形變因涉及面積較大，所以分前中和大腿內(nèi)側(cè)兩部分進行分析，前下區(qū)域網(wǎng)格皮膚形變變化如圖8所示。由圖8可以看出，前中部分3個縱列皮膚形變量基本一致，平均皮膚形變率為10.7%，且橫向第8～12行皮膚形變量與縱列形變量一致，平均形變率為10.7%。因此，前中橫向拉伸長度與縱向拉伸長度基本一致。膝蓋部位縱向各列之間變化很大，第8列皮膚呈收縮變化，而第9，10列則拉伸很大，膝蓋中心達到45%。因此，該部位縱向的結(jié)構(gòu)松量需考慮形變復(fù)雜的特點。膝蓋部位縱列形變變化大與縱向曲率變化有很大關(guān)系，因為在騎行過程中，膝關(guān)節(jié)大約在65°～145°之間發(fā)生較大角度變化，該角度變化正是膝蓋中心縱列曲率的變化范圍。膝蓋橫行皮膚形變變化呈對稱分布，膝蓋中心橫行形變大，兩邊小。橫行形變量變化幅度相比縱向小，且形變量值也相對較小，在20%～30%之間，這與橫向曲率變化較小有關(guān)。

圖8 前下區(qū)域網(wǎng)格皮膚形變變化Fig.8 Variation of skin deformation of grids on anterior-inferior of lower limb in cycling

前下區(qū)域大腿內(nèi)側(cè)部分的縱列網(wǎng)格從左至右逐漸增大，平均形變率為23.4%，橫行網(wǎng)格(除第8行)皮膚擴張變化趨勢也逐漸增大，第9～13行皮膚形變率在15%左右，表明橫向拉伸量較小，第14～16行處在膝蓋內(nèi)側(cè)靠近膝蓋中心部位，皮膚拉伸量急劇增大，達到50%以上，且第15,16行單元網(wǎng)格都在膝蓋中心附近位置，是膝蓋部位變形最大的地方。綜合對前下區(qū)域的分析，發(fā)現(xiàn)膝蓋中心周圍與大腿前中及大腿內(nèi)側(cè)皮膚形變率差別較大，因此需要將膝蓋與其他部位進行分割設(shè)計，以優(yōu)化騎行褲運動功能性。

2.2.4后下區(qū)域 后下區(qū)域網(wǎng)格皮膚形變變化如圖9所示。大腿后中縱列網(wǎng)格有大約10%的拉伸，皮膚拉伸量比較平均，大腿后中在下肢所有區(qū)域中皮膚拉伸量最?。幌ジC位置的縱列皮膚呈收縮形變，平均形變率為-35.1%，收縮量從上到下先增大后減小，在膝窩中心左右兩列達到最大。橫行網(wǎng)格皮膚形變率基本變化趨勢為逐漸減小，從皮膚拉伸向收縮趨勢變化，第8行靠近臀褶位置比大腿后其他橫行網(wǎng)格拉伸量大很多，達到37.7%；第10～12行的皮膚形變變化很小，對于高彈性面料而言幾乎可以忽略不計；第13～16行為膝窩位置，平均皮膚形變率為-28%，皮膚形變率變化趨勢是先增大后減小。與膝蓋部位皮膚形變變化類似，膝窩部位與大腿后其他部分也應(yīng)該考量分割的結(jié)構(gòu)設(shè)計。相比其他區(qū)域，大腿后中部位的皮膚形變率最小，膝窩形變率比前上部位小。

圖9 后下區(qū)域網(wǎng)格皮膚形變變化Fig.9 Variation of skin deformation of grids on posterior-inferior of lower limb in cycling

3 結(jié)語

由單元網(wǎng)格橫行與縱列的皮膚形變率分析可知，騎行過程中，腹部皮膚形變率平均達到-29%，腹股溝部位皮膚形變率為-13%左右；后上區(qū)縱向與橫向網(wǎng)格皮膚平均形變率為26%左右；大腿前中平均皮膚形變率為10.7%；膝蓋部位縱向各列之間變化較大，膝蓋中心形變率達到45%，該部位縱向的結(jié)構(gòu)松量需要考慮變化大的特點，膝蓋橫行皮膚形變率相對較小，在20%～30%之間；大腿內(nèi)側(cè)部分的縱列網(wǎng)格變化幅度較小，平均形變率為23.4%，橫行皮膚形變率在15%左右；大腿后中網(wǎng)格皮膚形變率約為10%，大腿后中在下肢所有區(qū)域中皮膚拉伸量最?。幌ジC部位縱列皮膚形變率為-35.1%，膝窩橫行平均皮膚形變率為-28%，形變率先增大后減小，在膝窩中心達到最大。從膝蓋與膝窩部位皮膚形變率變化規(guī)律可以得出，這兩個部位應(yīng)該考慮與其他部位的分割設(shè)計，因為膝關(guān)節(jié)是騎行運動發(fā)力關(guān)鍵部位，松量應(yīng)考慮盡量不限制下肢活動，保證其運動功能性。

各個部位的皮膚形變變化規(guī)律，對騎行褲的結(jié)構(gòu)設(shè)計有理論指導(dǎo)作用，定量分析結(jié)果可以為各結(jié)構(gòu)區(qū)域的面料選擇(或無縫針織的針法選擇)和松量確定提供設(shè)計依據(jù)，從而優(yōu)化騎行褲運動功能性。

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SkinDeformationofMaleLower-LimbBasedonMotionFunctionforCyclingShorts

LUO Shunhua

(Clothing College, Shandong University of Art and Design, Jinan 250300, China)

Skin deformation is one of the determinants of design compression clothing and easy allowance. To obtain the variation of skin deformation at male lower limb in cycling, optimized gel rubbing method and image pixel technology was invented. Qualitative and quantitative variation of horizontal and vertical grids of eight parts and four reigns of ten male cycling enthusiasts was analyzed. Skin deformation at groin, knee and popliteal space was large fluctuation, and slight fluctuation at abdomen, inner thigh and back of thigh. It was found that variation of skin deformation is strenched at knee and contractive at popliteal space. The law of variation of skin deformation at lower limb presents a scientific evidence for designing panel line of cycling shorts and determining easy allowance, and the results can optimize motion functionality of cycling shorts.

male lower-limb,skin deformation,gel rubbing,motion function,cycling shorts

2017-07-12；

2017-09-05。

山東工藝美術(shù)學(xué)院科技計劃項目(X17KY10)。

駱順華(1981—)，男，講師，博士。主要研究方向為功能性運動服裝。Email：lsh052002@163.com

TS 941.17

A

2096-1928(2017)05-0389-06

(責(zé)任編輯：沈天琦，邢寶妹)