基于運(yùn)動(dòng)捕捉的騎行運(yùn)動(dòng)中人體皮膚形變分析

程寧波， 吳志明， 徐存東

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

專業(yè)騎行服不僅有助于提高運(yùn)動(dòng)員成績，而且對人體有較好的防護(hù)作用。騎行服是高彈性的貼體服裝，需要將人體動(dòng)、靜態(tài)以及皮膚形變相結(jié)合進(jìn)行騎行服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。人體的動(dòng)作基本上是由關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，同時(shí)也產(chǎn)生了人體形態(tài)的變化,人體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)牽引皮膚的伸長、滑移[1]。隨著科技的進(jìn)步，人體測量方法也在不斷的改進(jìn)，目前較先進(jìn)的三維掃描系統(tǒng)都是基于人體靜態(tài)的測量[2]。人體的動(dòng)態(tài)測量方面，王永進(jìn)[3]、王建萍等[4-5]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)對人體跑步動(dòng)態(tài)尺寸測量的有效性和可靠性，其中動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)采用了光學(xué)原理對人體運(yùn)動(dòng)的精確捕捉。李秀青等[6]等采用體表畫線法對騎行運(yùn)動(dòng)中男子下肢體表所畫線段長度進(jìn)行了記錄并分析了下肢的尺寸變化規(guī)律。

研究人體動(dòng)態(tài)尺寸和皮膚形變方法多樣，常用方法有體表畫線法、網(wǎng)格法和體膜法[6-7]。隨著科技的發(fā)展，目前已經(jīng)研發(fā)出多種動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)，利用這些系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄動(dòng)態(tài)下人體的運(yùn)動(dòng)過程，同時(shí)這些系統(tǒng)在影視動(dòng)畫、機(jī)器人、生物力學(xué)和體育訓(xùn)練等領(lǐng)域的研究中也發(fā)揮了極其重要的作用[8-9]。本文用OptiTrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)記錄受試者騎行動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)過程及其運(yùn)動(dòng)特征，同時(shí)采集人體標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，該方法便于更精確地對騎行動(dòng)態(tài)和人體運(yùn)動(dòng)變化特征進(jìn)行分析。在運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對性地采用體表畫線法分析腿部的皮膚變化，研究騎行運(yùn)動(dòng)中下人體橫、縱向的尺寸變化和皮膚形變。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)選取10位男性騎行愛好者，身體健康并具有一定的騎行運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對象基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對象的基本信息Tab.1 Basic information of subjects′ body

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與工具

實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備為OptiTrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，是一種典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。此外還有醫(yī)用膠帶、鉛垂線、卷尺、可擦畫筆、衛(wèi)生紙、動(dòng)感單車等。

圖1 OptiTrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)圖Fig.1 Basic composition of the OptiTrack system

1.3 騎行動(dòng)作分析

由于在整個(gè)騎行運(yùn)動(dòng)中上車、站姿、上坡、下坡并不是長時(shí)間的騎行動(dòng)作，故可將騎行看作是個(gè)周期運(yùn)動(dòng),上身向前傾，整個(gè)重心靠前，減少阻力，手臂彎曲,向前支撐在龍頭，臀部坐在坐墊上，腿部彎曲蹬車。在騎行運(yùn)動(dòng)中，踏蹬是騎行的動(dòng)力因素，踏蹬時(shí)下肢是連動(dòng)骨杠桿的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中主要涉及髖、膝、踝關(guān)節(jié)，大腿繞髖關(guān)節(jié)做周期運(yùn)動(dòng),小腿繞膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[10]。在周期運(yùn)動(dòng)中，上身動(dòng)作基本保持不變，腿部動(dòng)作分別取0°、90°、180°、270°位置，分別記為動(dòng)作1、動(dòng)作2、動(dòng)作3、動(dòng)作4，如圖2所示。

圖2 騎行周期運(yùn)動(dòng)Fig.2 Cycle movement of riding.

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程要求被測試者光腳，不戴任何配飾，僅穿貼身的內(nèi)褲。實(shí)驗(yàn)分為運(yùn)動(dòng)捕捉和腿部體表畫線實(shí)驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)記錄騎行運(yùn)動(dòng)的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程、采集人體標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過對騎行動(dòng)作下人體動(dòng)態(tài)特征的定性分析，為體表畫線實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)和提供依據(jù)，使得體表畫線實(shí)驗(yàn)更具有針對性和有效性，而體表畫線實(shí)驗(yàn)是對腿部變化規(guī)律進(jìn)一步的定量分析。

1.4.1運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)

1.4.1.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境 實(shí)驗(yàn)的OptiTrack 攝像機(jī)采用主動(dòng)照明工作方式，系統(tǒng)工作環(huán)境中應(yīng)該避免近紅外 850 nm 譜段光線干擾，正常室內(nèi)照明光不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行。

1.4.1.2運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)標(biāo)定 確定攝像機(jī)在空間中的相對位置關(guān)系，建立起標(biāo)記點(diǎn)跟蹤的區(qū)域模型，使攝像機(jī)能夠拍攝到人體活動(dòng)范圍；對攝像機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，使得標(biāo)定的精度和質(zhì)量都達(dá)標(biāo)；確定攝像機(jī)系統(tǒng)相對于水平面的相對位置關(guān)系。

1.4.1.3數(shù)據(jù)采集 按照實(shí)驗(yàn)需求，在Markerset系統(tǒng)中選擇相應(yīng)人體模型，即選擇所需要的標(biāo)記點(diǎn)個(gè)數(shù)，如圖3所示。再根據(jù)模型上的標(biāo)記點(diǎn)位置在模特身上相應(yīng)位置用醫(yī)用膠帶貼上標(biāo)記點(diǎn)(即直徑為14 mm且具有反光功能的小球)，作為騎行過程中的抓捕標(biāo)識(shí)點(diǎn)；貼完標(biāo)記點(diǎn)后，讓受試者站在攝像機(jī)的最佳捕獲區(qū)域，做T-pose，建立模型；受試者開始勻速騎行，運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)開始采集并記錄標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和數(shù)據(jù)；測試3次，減少誤差。

圖3 人體模型的標(biāo)記點(diǎn)Fig.3 Human body model′s markers.

1.4.1.4人體尺寸與標(biāo)記點(diǎn)定義 根據(jù)ISO 8559—1989《服裝結(jié)構(gòu)和人體測量》，系統(tǒng)模型標(biāo)記點(diǎn)與人體生理標(biāo)識(shí)點(diǎn)對應(yīng)，從局部與整體的關(guān)系來看，可通過標(biāo)記點(diǎn)的位置變化來反應(yīng)尺寸的變化。由于系統(tǒng)人體模型標(biāo)記點(diǎn)較多，故本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選取部分標(biāo)記點(diǎn)并編號(hào)，抓捕標(biāo)記點(diǎn)位置不同方向的波動(dòng)反應(yīng)尺寸的變化趨勢，以及人體各部位的變化幅度。表2示出標(biāo)記點(diǎn)設(shè)定的方法及目的。

表2 標(biāo)記點(diǎn)設(shè)定Tab.2 Markers setting

1.4.2腿部體表畫線實(shí)驗(yàn)

1.4.2.1體表畫線 依據(jù)人體特征在腿部體表畫縱橫投影線，以腰圍和臀圍線為基準(zhǔn)，6條橫線依次為大腿根圍n1、大腿中部n2、膝圍n3、膝圍和小腿最小圍之間三等分線n4、n5、小腿最小圍n6；4條縱線依次為內(nèi)側(cè)縫線m1、腿部前中線m2、外側(cè)縫線m3、腿部后中線m4；組成6條橫線和4條縱線的腿部畫線方案，如圖4所示。

1.4.2.2騎行要求 在同一實(shí)驗(yàn)室，受試者以相同速度開始勻速的周期運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)提取某一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)，分解為4個(gè)動(dòng)作(見圖2)。

圖4 體表畫線實(shí)驗(yàn)Fig.4 Experiment of lineation-on-body method.

1.4.2.3數(shù)據(jù)測量 為了減少誤差，測量時(shí)軟尺貼于體表，不可緊壓皮膚，松度保持一致，且讀取數(shù)據(jù)時(shí)視線垂直刻度線。測量體表所畫線線段長度并記錄數(shù)據(jù)(線段記號(hào)：如圍度A1B1表示大腿圍處水平位置的內(nèi)側(cè)縫線到腿部前中線的長度，縱向C1C2表示腿部前中線位置處的大腿圍到大腿中部的長度，n1至n3的縱向表示大腿圍水平位置到膝圍的長度變化)。先測量靜態(tài)站立時(shí)的各標(biāo)記線長度，再依次測量各騎行動(dòng)態(tài)的線段長度。

1.5 動(dòng)靜態(tài)尺寸變化率的計(jì)算

動(dòng)靜態(tài)尺寸變化率為

(1)

式中：α>0表示拉伸，α<0零表示收縮；L1表示動(dòng)態(tài)下線段長度，cm；L2表示靜態(tài)線段長度，cm。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 運(yùn)動(dòng)捕捉中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡分析

由于運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)中，受試者騎行時(shí)腿部對標(biāo)記點(diǎn)的遮擋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)段的不完整，因此需要通過系統(tǒng)編輯窗口對數(shù)據(jù)段進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)。

由于測量點(diǎn)較多，在騎行運(yùn)動(dòng)中人體的測量點(diǎn)基本上保持對稱，故選取了具有代表性的部分點(diǎn)來進(jìn)行分析，其中各標(biāo)記點(diǎn)代表的意義見表2。為保證結(jié)果的可靠信，隨機(jī)選取1個(gè)實(shí)驗(yàn)對象，按照圖5所示坐標(biāo)系來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的分析。

圖5 坐標(biāo)系Fig.5 Coordinate system

不同部位標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。從圖中可看出，在騎行過程中，腿部點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在Y軸上的波動(dòng)較大，X軸稍小，Z軸波動(dòng)次之，而肩部、手臂、背部、腰部以及臀部偏上處整個(gè)的波動(dòng)都比較平穩(wěn)，在騎行服設(shè)計(jì)中在褲子的面料彈性應(yīng)大于上衣的彈性。此外，從圖6(d)～(f)還可初步看出膝蓋部位及膝部周圍的縱向波動(dòng)大于橫向的波動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡的走向基本是一致的，也可看出6號(hào)點(diǎn)橫向波動(dòng)的幅度小于8和11號(hào)點(diǎn)。說明了在1個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中，腿部的運(yùn)動(dòng)軌跡的波動(dòng)較大，故對于褲腿的部分，尤其膝部的磨損就自然較大，在騎行褲設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇具有良好的耐磨性、彈性和回復(fù)性的面料，同時(shí)可通過結(jié)構(gòu)線來設(shè)置適當(dāng)?shù)乃闪?，或是對騎行褲進(jìn)行面料分區(qū)設(shè)計(jì)，使其滿足舒適性的同時(shí)提高美觀性。

圖6 不同部位標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Movement track of different markers.(a) Point 2; (b) Point 19; (c) Point 21; (d) Point 6; (e) Point 11; (f) Point 8

2.2 腿部的數(shù)據(jù)分析

2.2.1圍度方向的數(shù)據(jù)分析

0°、90°、180°和270°不同動(dòng)作時(shí)圍度的變化率如表3所示，不同部位的圍度變化如圖7所示。腿部圍度的變化率如圖8所示。

表3 不同動(dòng)作下肢橫向線段的變化率Tab.3 Change rate of lower extremities of horizontal lines in different positions %

圖7 圍度變化Fig.7 Girth change of different parts of leg

由表3可知在騎行周期運(yùn)動(dòng)中體表皮膚伸縮變化會(huì)隨腳踏板位置的變化而有所不同，就整體而言，皮膚的拉伸比收縮要多些。橫向n3處的變化率比較顯著，高達(dá)15%左右，而橫向n6處的變化率較小。

圖8 腿部區(qū)段的圍度變化Fig.8 Changes in girth of leg section.(a) Lateral change between m1 and m2; (b) Lateral change between m2 and m3; (c) Lateral change between m3 and m4;(d) Lateral change between m4 and m1

采用分段式分析局部的尺寸變化規(guī)律，由圖7可見，m1至m2的橫向變化率較大，m3至m4的橫向的變化率較小，m4至m1和m2至m3的橫向變化相差不大， 可分析出左腿內(nèi)側(cè)的變化要比外側(cè)變化顯著。由圖7、8可知，整個(gè)圍度的變化比局部線段的變化要小一些，在圍度n3的變化率最大，圍度n4、n5、n6在整個(gè)周期中的變化比較平穩(wěn),圍度n1在前半個(gè)周期變化率大于零，后半個(gè)周期小于零。

由上可知，騎行運(yùn)動(dòng)中膝圍、大腿圍的變化幅度較大，膝圍以下尺寸變化幅度較小，膝蓋前面呈拉伸狀態(tài)，后面收縮，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可在膝蓋部位進(jìn)行收省或是設(shè)置分割線來調(diào)節(jié)松量。

2.2.2長度方向的數(shù)據(jù)分析

表4示出不同動(dòng)作下肢縱向線段的變化量。圖9示出下肢縱向線段的變化率。由表4可知，縱向線段的變化量大體上呈現(xiàn)負(fù)值，n2至n3和n3至n4的整體縱向變化量明顯大于其他縱向線段的變化，變化量最大達(dá)到4.8 cm左右，n5至n6的縱向變化最小，n4至n5和n1至n2的縱向變化量比較接近?？v向m2的變化量整體值小于其他3條線的變化量。

表4 不同動(dòng)作下肢縱向線段的變化率Tab.4 Change rate of lower extremities of vertical lines in different positions %

由圖9可見,縱向m2和m4的變化率比m1和m3的變化率大些，動(dòng)作2對縱向造成的變化率最大，最大變化率的絕對值達(dá)到60%左右。此外也可以發(fā)現(xiàn)縱向的變化幅度較大。

圖9 腿部區(qū)段的長度變化Fig.9 Changes in length of leg sections. (a) Vertical m1; (b) Vertical m2; (c) Vertical m3; (d) Vertical m4

圖10 縱向尺寸變化Fig.10 Length change of different parts. (a) Length change between n1 and n3, n3 and n6; (b) Vertical change

圖10示出不部位的縱向變化。圖10(a)中為膝圍線以上和膝圍線以下的長度變化，在動(dòng)作3前縱向線段的變化幅度比較大，動(dòng)作4引起的變化率差異不顯著，動(dòng)作2造成的變化率比較大。圖10(b)中腿部前中、后中、外側(cè)和內(nèi)側(cè)線整體長度在一個(gè)周期里，整體變化率為負(fù)。

由以上數(shù)據(jù)分析可知，騎行過程中腿部縱向皮膚形變大于橫向皮膚形變，腿部前中線的變化較明顯，因此在騎行褲設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)上應(yīng)設(shè)置一定的松量，或是面料具有高彈性。因此在騎行褲的設(shè)計(jì)中可參考尺寸的變化采用分割線或面料分區(qū)設(shè)計(jì)來適當(dāng)設(shè)置松量，使?jié)M足運(yùn)動(dòng)舒適性的同時(shí)增加騎行褲的美觀性。

3 結(jié) 論

騎行動(dòng)態(tài)對人體各個(gè)部位的尺寸變化和皮膚形變有很大的影響。與人體靜態(tài)相比，騎行動(dòng)作會(huì)引起肩寬、胸圍、腰圍、臀圍和背長等尺寸發(fā)生變化，但腰部及以上尺寸在騎行周期運(yùn)動(dòng)中的變化幅度卻是非常小的，而人體腿部的變化是顯著的，尤其是膝部的變化最為明顯，就整體而言，腿部的長度變化幅度大于圍度上的變化幅度，局部變化率絕對值高達(dá)60%左右；長度方向整體呈收縮狀態(tài)，圍度上腿部的正面變化大于背面的變化，長度上則相反。

騎行運(yùn)動(dòng)中腿部各區(qū)域的皮膚形變是不同的，分析不同區(qū)域的皮膚變化量可應(yīng)用于騎行褲設(shè)計(jì)中，如結(jié)構(gòu)上可采用分割線來處理松量，面料上可進(jìn)行不同面料的分區(qū)設(shè)計(jì)以滿足運(yùn)動(dòng)的舒適性，提高騎行褲的舒適性、功能性和美觀性。