基于速度滑冰上肢動(dòng)態(tài)皮膚形變的服裝結(jié)構(gòu)研究

吳 妍，胡紫婷，胡志遠(yuǎn)，郭萌萌，王清懿，母晴晴，劉 莉

(北京服裝學(xué)院 中國(guó)服飾科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100029)

皮膚作為人體第三運(yùn)動(dòng)特征，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的伸縮變化，這種變化可用于指導(dǎo)緊身服裝結(jié)構(gòu)和面料參數(shù)的設(shè)計(jì)[1]。高性能速度滑冰競(jìng)賽服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由人體靜止姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)共同決定[2-3]，在滑冰過(guò)程中，若競(jìng)賽服不能滿足合體性和功能性[4]，即由人體動(dòng)作牽引所帶動(dòng)的服裝造型的變化未能滿足體表皮膚的變化，會(huì)顯著影響到運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的發(fā)揮。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)皮膚形變規(guī)律進(jìn)行了研究，如傳統(tǒng)的石膏帶法[6]、體表描線法[7]、貼線法[8]、未拉伸線法、捺印法等手工測(cè)量方式。隨著3D技術(shù)的發(fā)展，利用三維掃描技術(shù)獲取形變規(guī)律的研究更加成熟[9]，即通過(guò)獲取人體靜態(tài)模型，借助三維軟件獲取人體測(cè)量數(shù)據(jù)，得到姿態(tài)變化前后的形變規(guī)律，與傳統(tǒng)方法相較更便捷且更準(zhǔn)確。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于動(dòng)態(tài)皮膚形變規(guī)律的研究多基于數(shù)個(gè)特定的姿態(tài)，沒(méi)有真正意義上對(duì)連續(xù)形變進(jìn)行分析，且較少關(guān)注于接縫線對(duì)高性能緊身裝備的影響。接縫不僅會(huì)使織物厚度疊加，還會(huì)引起織物拉伸性的降低，這會(huì)限制運(yùn)動(dòng)員的肢體活動(dòng)，從而影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

人體大臂內(nèi)側(cè)根部與肘關(guān)節(jié)都有許多褶皺，這些褶皺在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)因肌肉群的伸展與屈曲極易產(chǎn)生拉伸變形[11]，將形變規(guī)律應(yīng)用于紙樣設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地選低拉伸區(qū)域[12]作為接縫線位置[13-14]。為研究速滑運(yùn)動(dòng)員在滑冰過(guò)程中的動(dòng)態(tài)上肢形變特征，使用VIC-3D非接觸變形測(cè)量系統(tǒng)獲取模擬速滑擺臂動(dòng)作的上肢各部位主應(yīng)變數(shù)據(jù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：軟尺、直尺、量角器、眉筆、散斑點(diǎn)印章、人體彩繪顏料、毛巾、馬丁測(cè)量?jī)x、體重秤、水平儀、剪刀、標(biāo)記帶以及VIC-3D非接觸變形測(cè)量系統(tǒng)。

圖1所示為VIC-3D非接觸式三維變形測(cè)量系統(tǒng)[15]，其采用雙目高速攝像機(jī)采集物體表面各個(gè)時(shí)段的散斑圖像，通過(guò)追蹤物體表面隨機(jī)點(diǎn)的變形進(jìn)行匹配，計(jì)算點(diǎn)的三維坐標(biāo)并準(zhǔn)確直接得到物體表面應(yīng)變率。

圖1 VIC-3D非接觸式三維變形測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 VIC-3D non-contacting deformation measurement system

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以8名退役速度滑冰運(yùn)動(dòng)員作為研究對(duì)象，年齡在20～28歲、身高(180±5) cm、胸圍(98±4) cm、實(shí)驗(yàn)對(duì)象基本數(shù)據(jù)如表1所示。受試者被告知實(shí)驗(yàn)程序，同意參與，并簽署同意書(shū)。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象基本數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of subjects in this study

1.3 上肢動(dòng)作采集

速度滑冰運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)肢體呈現(xiàn)典型的周期性和對(duì)稱性特征：右腿蹬冰時(shí)，肩關(guān)節(jié)為軸向前擺臂，同時(shí)肘關(guān)節(jié)屈曲；右腿回復(fù)過(guò)程中，肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)手臂向后伸展過(guò)程中，肘關(guān)節(jié)也逐漸伸展?？紤]到實(shí)驗(yàn)條件，滑冰過(guò)程中的手臂動(dòng)作難以捕捉，故通過(guò)模擬軀干前傾一定角度，對(duì)上肢擺臂進(jìn)行拍攝，動(dòng)作采集如圖2所示。

圖2 動(dòng)作采集Fig.2 Test action.(a)Camera 1；(b)Camera 2；(c)Camera 3

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在溫度為(22±2.5) ℃，相對(duì)濕度為(50±2.5)%的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，拍攝人員2名，繪制人員2名，調(diào)整人員1名。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：①受試者在上身赤裸狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，休息30 min以適應(yīng)環(huán)境。②自然站立，均勻呼吸，使用唇線筆在受試者右臂完成計(jì)測(cè)點(diǎn)和計(jì)測(cè)線的繪制。③使用散斑點(diǎn)印章在右臂完成隨機(jī)散斑點(diǎn)的拓印，要求散斑點(diǎn)隨機(jī)分布、清晰且不易磨損。④使用量角器對(duì)受試者的擺臂角度進(jìn)行調(diào)整，以確保動(dòng)作的一致性。⑤對(duì)拍攝機(jī)位進(jìn)行調(diào)整，確保3臺(tái)設(shè)備能拍攝到足夠的共同區(qū)域，熟悉2次之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

綜上，針對(duì)老年2型糖尿病患者采用家庭同步健康教育，可有效改善其負(fù)性情緒，提高生活質(zhì)量，效果理想，故值得推廣。

1.5 計(jì)測(cè)線的標(biāo)識(shí)

為了明確上肢各區(qū)域的動(dòng)態(tài)拉伸規(guī)律，對(duì)人體進(jìn)行計(jì)測(cè)點(diǎn)和計(jì)測(cè)線的繪制，實(shí)驗(yàn)以人體右臂為觀測(cè)對(duì)象。上肢計(jì)測(cè)點(diǎn)、上肢基礎(chǔ)計(jì)測(cè)線如表2、3所示。

表2 上肢計(jì)測(cè)點(diǎn)Tab.1 Mark points on upper limbs

表3 上肢基礎(chǔ)計(jì)測(cè)線Tab.1 Described lines on upper limbs

依據(jù)計(jì)測(cè)點(diǎn)的位置繪制基礎(chǔ)計(jì)測(cè)線。橫向線段有10條：肩點(diǎn)與前后腋點(diǎn)連線的二等分線；前后腋點(diǎn)連線；前后腋點(diǎn)連線與肘圍線的1/4線；前后腋點(diǎn)連線與肘圍線的1/2線；前后腋點(diǎn)連線與肘圍線的3/4線；肘圍線；肘圍線與腕圍線的1/4線；肘圍線與腕圍線的1/2線；肘圍線與腕圍線的3/4線；腕圍線。縱向線段有6條：腋下縱線；后腋縱線；后腋縱線與肩長(zhǎng)縱線的1/2線；肩長(zhǎng)縱線；肩長(zhǎng)縱線與前腋縱線；前腋縱線。計(jì)測(cè)線標(biāo)識(shí)圖如圖3所示。

圖3 計(jì)測(cè)線標(biāo)識(shí)圖Fig.3 Described lines

1.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

使用VIC-3D配備處理軟件VIC-3D9對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取圖像進(jìn)行處理。

新建z3d文件，導(dǎo)入拍攝部位的所有幀數(shù)tif文件，如move1-sys1-0000_0、move1-sys1-0000_1為第1個(gè)動(dòng)作、第1個(gè)攝像機(jī)的雙目圖片；導(dǎo)入標(biāo)定文件，編輯菜單選中所測(cè)量區(qū)域，選取1～3個(gè)定位點(diǎn)，將每個(gè)定位點(diǎn)的圖像與初始0 000時(shí)刻的局部進(jìn)行匹配，調(diào)整視圖框的位置和形狀，直至綠色表示完成匹配。所有幀數(shù)完成匹配后，保證誤差值在0.1以下，計(jì)算勾選所有幀數(shù)，置信區(qū)域0.05，誤差0.1個(gè)像素格，選取主應(yīng)變，運(yùn)行得到結(jié)果。數(shù)據(jù)結(jié)果選擇面積提取，即可以直接輸出每幀的主應(yīng)變百分?jǐn)?shù)。數(shù)據(jù)處理如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理Fig.4 Data processing

1.7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

橫縱向網(wǎng)格將人體上肢分割為54塊單元，區(qū)域網(wǎng)格示意圖如圖5所示。用VIC-3D9軟件沿皮膚表面網(wǎng)格選取區(qū)域，生成區(qū)域每個(gè)時(shí)刻的主應(yīng)變值。每個(gè)時(shí)刻的形變率均是相較初始時(shí)刻而言的，初始時(shí)刻各處形變率為0。因拍攝角度限制，BA3-1、FA3-1、FA6-2、BA10-2、FA10-2區(qū)域數(shù)據(jù)缺失，不參與討論。

圖5 區(qū)域網(wǎng)格示意圖Fig.5 Sketch of grids

2 結(jié)果與分析

緊身速度滑冰競(jìng)賽服相較于其他緊身服裝，需要為穿著者提供更大的活動(dòng)自由度，因此接縫位置的設(shè)計(jì)涉及到2個(gè)方面，一方面是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各部分動(dòng)態(tài)皮膚形變率對(duì)面料拉伸率參數(shù)設(shè)計(jì)的參考，另一方面是分割線位置對(duì)三維紙樣設(shè)計(jì)的參考。對(duì)于8名受試者在模擬速滑擺臂動(dòng)作時(shí)的皮膚形變規(guī)律進(jìn)行分析，為面料分區(qū)以及結(jié)構(gòu)線的設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 區(qū)域最大形變率的描述統(tǒng)計(jì)

對(duì)8名受試者擺臂動(dòng)作中上肢最大形變率進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)，將各區(qū)域均值繪制色圖，0～10%為低拉伸區(qū)，10%～20%為較低拉伸區(qū)，20%～30%為較高拉伸區(qū)，30%～40%為高拉伸區(qū)，40%以上為極高拉伸區(qū)，上肢最大形變率色圖見(jiàn)圖6，由圖示出，顏色越深表示該區(qū)域拉伸越大，空白為歧義值剔除區(qū)域。

圖6 上肢最大形變率色圖Fig.6 Area mapping of maximum deformation

上肢極大形變存在于4個(gè)區(qū)域，后腋、三角肌后側(cè)、肘關(guān)節(jié)后凸側(cè)以及前臂橈骨莖突末端。其中前2處的最大拉伸均出現(xiàn)在肘關(guān)節(jié)屈曲擺臂向前動(dòng)作時(shí)，后2個(gè)區(qū)域最大拉伸出現(xiàn)在手臂向后伸展角度最大時(shí)。高拉伸區(qū)存在于極高拉伸區(qū)的周?chē)c肌肉形態(tài)和關(guān)節(jié)突出一致。在速滑擺臂動(dòng)作中，上肢最大形變率BA3-2高達(dá)51.92%，由后腋窩處的前擺臂拉伸引起；其次為三角肌后外側(cè)區(qū)域BA2-1，在三角肌前束收縮肩關(guān)節(jié)屈曲內(nèi)旋時(shí)拉伸至50.25%；手臂向后伸展時(shí)肱三頭肌幫助伸展，靠近尺骨肘端關(guān)節(jié)上方BA6-2區(qū)域拉伸也達(dá)到46.84%。腕關(guān)節(jié)處的拉伸基本都處于低拉伸區(qū)，BA4區(qū)域的拉伸較肩端三角肌覆蓋區(qū)明顯小，所以在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線時(shí)，應(yīng)特別注意為后腋處的高拉伸需求提供活動(dòng)量。

2.2 區(qū)域動(dòng)態(tài)形變率的聚類(lèi)分析

在整個(gè)上肢擺臂動(dòng)作過(guò)程中，獲取的連續(xù)動(dòng)態(tài)形變數(shù)據(jù)達(dá)上百幀，且人體上肢測(cè)量區(qū)域共49個(gè)，很難針對(duì)動(dòng)態(tài)形變進(jìn)行人工分類(lèi)分析，故采用SPSS軟件系統(tǒng)聚類(lèi)對(duì)上肢網(wǎng)格單元的動(dòng)態(tài)形變率進(jìn)行分類(lèi)。連續(xù)動(dòng)態(tài)的形變率分析選取13個(gè)時(shí)刻，t1為初始時(shí)刻，t7為擺臂向前時(shí)刻，t13為手臂向后伸展時(shí)刻，其余時(shí)刻為勻速擺臂中的均勻選取，動(dòng)態(tài)形變時(shí)刻選取如圖7所示。

圖7 動(dòng)態(tài)形變時(shí)刻選取Fig.7 Experimental actions scans

系統(tǒng)聚類(lèi)結(jié)果如圖8所示，圖8(a)示出聚合系數(shù)折線，k值從1～5畸變程度大，超過(guò)5時(shí)畸變程度顯著減小，故將分類(lèi)數(shù)定為5類(lèi)。圖8(b)示出沃德聯(lián)接譜系，第1類(lèi)包含15個(gè)網(wǎng)格面積，第2類(lèi)包含7個(gè)網(wǎng)格面積，第3類(lèi)包含19個(gè)網(wǎng)格面積，第4類(lèi)包含2個(gè)網(wǎng)格面積，第5類(lèi)包含5個(gè)網(wǎng)格面積。

圖8 聚類(lèi)分析Fig.8 Hierarchical clustering.(a)Coefficient of polymerization；(b)Dendrograms of ward′s method

依照聚類(lèi)結(jié)果和實(shí)際拉伸變化的大小繪制上肢動(dòng)態(tài)形變率色圖，如圖9所示。第3類(lèi)為低拉伸區(qū)，第1類(lèi)為較低拉伸區(qū)，第2類(lèi)為較高拉伸區(qū)，第5類(lèi)為高拉伸區(qū)，第4類(lèi)為極高拉伸區(qū)。動(dòng)態(tài)形變的聚類(lèi)結(jié)果與最大形變率的劃分結(jié)果基本一致。

圖9 上肢動(dòng)態(tài)形變率色圖Fig.9 Area mapping of skin variation

圖10 5類(lèi)動(dòng)態(tài)變化量Fig.10 Skin variation

極高拉伸區(qū)出現(xiàn)于后腋和三角肌的后側(cè)，即BA3-2和BA2-1處，高拉伸區(qū)出現(xiàn)于肘關(guān)節(jié)后凸側(cè)以及外側(cè)，即BA6-1、BA6-2、BA6-3、BA7-2以及FA6-1。前臂端，即BA8-1、BA8-2、BA8-3、BA9-1、BA9-2、BA9-3、BA10-1、BA10-3、FA8-1、FA8-2、FA8-3、FA9-1、FA9-3、FA10-1,3均基本處于低拉伸區(qū)，大臂內(nèi)側(cè)BA4-1、BA4-2、BA4-3拉伸較低，與后腋處差距明顯。

各分類(lèi)在連續(xù)動(dòng)態(tài)中的變化表現(xiàn)如圖10所示。第1類(lèi)以FA7-2為例，變化率隨時(shí)間增長(zhǎng)逐步增大，至手臂向后伸展時(shí)達(dá)到最大值；第2類(lèi)以FA2-1為例，變化率隨肩關(guān)節(jié)的向前向后擺動(dòng)而增大，即在t7時(shí)刻和t13時(shí)刻基本均能達(dá)到較高拉伸；第3類(lèi)以BA9-1為例，變化率隨時(shí)間增長(zhǎng)逐步增加，至手臂向后時(shí)達(dá)到最大值，相較于一類(lèi)變量而言，基本全程處于低拉伸區(qū)；第4類(lèi)以BA2-1為例，變化率隨手臂向前增大，t4至t9間一直處于高拉伸區(qū)，在t7時(shí)刻拉伸至最大值，而后隨手臂向后伸展下降；第5類(lèi)以BA6-2為例，變化率隨時(shí)刻逐步增加，在t13時(shí)刻手臂拉向后伸展時(shí)達(dá)到最大值，自t7時(shí)刻肘關(guān)節(jié)帶動(dòng)手臂向后伸展起，一直處于高拉伸區(qū)。

2.3 區(qū)域形變率的相關(guān)性分析

對(duì)區(qū)域連續(xù)形變量進(jìn)行相關(guān)性分析，得出各區(qū)域之間的相關(guān)性系數(shù)，依據(jù)結(jié)果繪制相關(guān)性熱圖如圖11所示，顏色越深相關(guān)性越顯著，上三角白色部分為顯著性大于0.5，不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖11 相關(guān)性熱圖Fig.11 Pearson correlation

所研究區(qū)域的變量之間均具有一定程度的線性相關(guān)性，且均呈正相關(guān)，多數(shù)變量間相關(guān)系數(shù)值大于0.8成強(qiáng)相關(guān)，前臂末端即A9、A10區(qū)域與其他上肢區(qū)域的相關(guān)性相對(duì)較弱，臂根前三角區(qū)與其他區(qū)域變化率均呈弱相關(guān)性。由之前的動(dòng)態(tài)形變分析可知，擺臂過(guò)程中，上肢極大形變率基本出現(xiàn)在屈肘擺臂至最前時(shí)和手臂伸展向最后時(shí)，結(jié)合相關(guān)性結(jié)果可知，臂根A1、A2、A3區(qū)域受肩關(guān)節(jié)活動(dòng)影響較大，尤其是在前擺過(guò)程中受到三角肌前部纖維的作用；上肢A4、A5、A6、A7、A8區(qū)域則主要受到肘關(guān)節(jié)的屈曲和伸展而變化拉伸。

2.4 上肢結(jié)構(gòu)線設(shè)計(jì)

依據(jù)以上分析結(jié)果對(duì)高性能速度滑冰競(jìng)賽服的上肢結(jié)構(gòu)線進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖12所示，格紋覆蓋區(qū)域?yàn)榈屠靺^(qū)和較低拉伸區(qū)，斜紋覆蓋區(qū)域?yàn)楦呃靺^(qū)，分割線設(shè)計(jì)的原則應(yīng)當(dāng)避開(kāi)圖示高拉伸區(qū)域。由于本文僅針對(duì)上肢形變規(guī)律展開(kāi)分析并給出結(jié)構(gòu)線設(shè)計(jì)建議，袖窿線位置僅作為上肢與軀干分割參考，袖縫線自前腋點(diǎn)起，穿過(guò)FA3-3、FA4-3、FA5-3、FA6-3區(qū)域，前臂部分并入腋下縱線至腕部。大臂內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)分割線經(jīng)過(guò)FA3-3、BA3-3、BA4-3，該區(qū)域需拼接高彈面料，為后腋的前擺臂提供活動(dòng)量。

圖12 結(jié)構(gòu)線設(shè)計(jì)Fig.12 Garment structure line design. (a)Divisional design ；(b)Structure line

3 結(jié) 論

通過(guò)光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)速滑運(yùn)動(dòng)員上肢動(dòng)態(tài)皮膚變化的特征進(jìn)行研究，通過(guò)描述性數(shù)理統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析以及相關(guān)性分析探究其動(dòng)態(tài)形變規(guī)律，針對(duì)速度滑冰競(jìng)賽服提出一種袖片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)最大形變率定量分析，得出以下結(jié)論：

①最大形變區(qū)域位于后腋下方、三角肌中束后側(cè)以及肘關(guān)節(jié)上端區(qū)域，接縫位置應(yīng)當(dāng)避開(kāi)這些區(qū)域。

②肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)對(duì)于前臂末端區(qū)域產(chǎn)生的拉伸極小。

③大臂內(nèi)側(cè)也基本處于低拉伸區(qū)，該區(qū)域的較小拉伸設(shè)計(jì)為插片能夠解決后腋的活動(dòng)需求。

④對(duì)于動(dòng)態(tài)形變率進(jìn)行聚類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)各部位產(chǎn)生最大形變的時(shí)刻，后腋點(diǎn)區(qū)域在肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋前擺時(shí)刻達(dá)到最大拉伸，除此之外的肩端其他區(qū)域在向前擺臂和向后伸展時(shí)均能達(dá)到最大形變，大臂與前臂的最大形變量出現(xiàn)在肩關(guān)節(jié)外旋伸展至最后時(shí)刻。除此之外，各部位的最大拉伸率也為松量設(shè)計(jì)以及面料選擇提供參考依據(jù)。