羅蘭 王建萍

基于人體動(dòng)作捕捉的騎行運(yùn)動(dòng)腿部皮膚形變研究

羅蘭 王建萍

各種動(dòng)態(tài)動(dòng)作下人體體表皮膚形變是服裝松量與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，對(duì)于功能性運(yùn)動(dòng)服裝的開(kāi)發(fā)尤其重要。本文通過(guò)對(duì)人體騎行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作捕捉，挑選出5個(gè)具有代表性的騎行動(dòng)作，并對(duì)其進(jìn)行腿部皮膚拓樣。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腿部各部位的皮膚拉伸形變復(fù)雜且差異較大（-50%～58%）其中腰圍線(xiàn)和橫襠線(xiàn)位置附近的皮膚形變最為顯著；人體后側(cè)皮膚從腰圍線(xiàn)到膝圍線(xiàn)總體呈拉伸減小收縮增大的趨勢(shì)，人體前側(cè)皮膚從側(cè)縫線(xiàn)到前中心線(xiàn)、從膝圍線(xiàn)到腹部總體呈斜向的拉伸減小收縮增大趨勢(shì)。

人體運(yùn)動(dòng)捕捉；皮膚形變測(cè)量；服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 前言

服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由人體靜態(tài)體型和動(dòng)態(tài)變化共同決定的。在各種人體物理性能中，運(yùn)動(dòng)中的體表皮膚變化對(duì)于服裝松量設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響是最顯著的[1-2]。人體動(dòng)作與身體運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出來(lái)的不同程度的骨骼、肌肉、皮膚變化都直接影響了服裝在人體上的附著形態(tài)，特別是皮膚作為第三運(yùn)動(dòng)特征會(huì)隨著人體各部位形變產(chǎn)生不均勻的伸縮并最終將這些形變傳遞到服裝上，因此測(cè)量計(jì)算人體各部位的變形方向和變形量，從而尋求適應(yīng)這種變化的服裝形態(tài)、結(jié)構(gòu)和面料是服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3]。

國(guó)內(nèi)的學(xué)者們對(duì)于皮膚拉伸和服裝結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的研究起步較晚，近幾年由于運(yùn)動(dòng)服裝的興起，人體動(dòng)態(tài)特征方面的研究越來(lái)越受到學(xué)者們的重視，但目前市場(chǎng)上的騎行服普遍存在款式單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分割線(xiàn)設(shè)置隨意、缺乏理論依據(jù)等問(wèn)題。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文以騎行運(yùn)動(dòng)人體仿真模擬為基礎(chǔ)，探究騎行運(yùn)動(dòng)中人體腿部肌肉活動(dòng)情況和相應(yīng)皮膚拉伸形變變化，從而為騎行服的設(shè)計(jì)和改良提供可作參考的科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

2 人體騎行運(yùn)動(dòng)動(dòng)作捕捉

人體動(dòng)作捕捉，即一個(gè)通過(guò)在時(shí)域上跟蹤一些關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)記錄生物運(yùn)動(dòng)，然后將其轉(zhuǎn)換成可用的數(shù)學(xué)表達(dá)式并合成一個(gè)單獨(dú)的3D運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)高頻攝像機(jī)對(duì)人體騎行動(dòng)作的捕捉，得到人體騎行動(dòng)作周期的影像數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵幀，并為騎行仿真模擬實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)資料。

2.1.1 試驗(yàn)工具

本試驗(yàn)采用的高頻光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)由12個(gè)130萬(wàn)象素Raptor-E數(shù)字捕捉鏡頭，Cortex3.0數(shù)據(jù)處理軟件組成，其他輔助設(shè)備有SonyPMW-EX1R攝像機(jī)、山地自行車(chē)、自制原地騎行用自行車(chē)后輪支架作為實(shí)驗(yàn)器材。

2.1.2 試驗(yàn)對(duì)象

挑選1名23歲，身高160cm，體重46kg，體態(tài)勻稱(chēng)、身體健康的非專(zhuān)業(yè)騎行運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

2.1.3 試驗(yàn)方法

具體試驗(yàn)方法如下：

實(shí)驗(yàn)之前按照騎行標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象身高以及腿長(zhǎng)，調(diào)節(jié)自行車(chē)鞍座高度、車(chē)把高度以及實(shí)驗(yàn)對(duì)象坐在鞍座上的位置，要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象背部保持自然向前傾斜55°左右。右邊腳踏在最低位置，右腳后跟踩住腳踏時(shí)要求右腿處于大約伸直狀態(tài)，膝蓋垂線(xiàn)未越過(guò)前輪，按照motion動(dòng)作捕捉系統(tǒng)要求在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上準(zhǔn)確粘貼36個(gè)標(biāo)記點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)對(duì)象雙手水平舉起靜止站立場(chǎng)地L字原點(diǎn)成T字形狀，實(shí)驗(yàn)操作人員進(jìn)行標(biāo)定，利用cortex3.0數(shù)據(jù)處理軟件中模板規(guī)定順序連接36點(diǎn)；讓實(shí)驗(yàn)對(duì)象隨意做各種動(dòng)作，預(yù)做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)對(duì)象先自行熱身試騎，穩(wěn)定后以騎行速度為30rmp/min勻速騎行，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和攝像機(jī)同步采集騎行動(dòng)作點(diǎn)云數(shù)據(jù)和視頻，采集穩(wěn)定騎行動(dòng)作10s左右。騎行動(dòng)作點(diǎn)云數(shù)據(jù)以C3D格式保存，視頻以MP4格式保存。

圖1 右足蹬踏1周軌跡圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將實(shí)驗(yàn)得到的視頻影像提取中間最穩(wěn)定一段周期，并分解成幀圖像，得到一個(gè)騎行周期的19張幀。由視頻及分解的圖像幀可知騎行運(yùn)動(dòng)是下肢做蹬踏前進(jìn)的周期運(yùn)動(dòng)，將蹬踏1周視為1個(gè)周期，按照右足在蹬踏軌跡圓周上由上死點(diǎn)（0°）開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，來(lái)描述一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，其位置描述如圖1。

周期踏蹬中，上下死點(diǎn)曲柄不受力，從力學(xué)角度對(duì)其進(jìn)行受力分析可知在上下死點(diǎn)時(shí)，下肢肌肉蹬踏產(chǎn)生的力的方向通過(guò)曲柄所在的縱向中軸線(xiàn)，與速度方向垂直成90°，力臂為零，故不做功。0°到90°是騎行效率上升階段，45°位置是最佳起步位置，在這一階段，蹬踏力方向與速度方向的夾角不斷減小，力臂增大，做功增大；當(dāng)轉(zhuǎn)到90°位置時(shí)，蹬踏力的方向與速度方向完全重合，此時(shí)力臂與力矩都最大，力的做功效率也最高，是騎行蹬踏的重要和主要階段；90°到180°是做功效率下降階段，與上升階段相反；在轉(zhuǎn)過(guò)180°的下死點(diǎn)之后，做功效率迅速減小，270°到上死點(diǎn)的1/4圈是整個(gè)騎行周期中做功效率最低、做功最困難的階段，此時(shí)基本是靠另一側(cè)的踏板下壓用力對(duì)其產(chǎn)生的反作用來(lái)維持其上升作用和騎行運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)的。結(jié)合分解圖像幀中得到的動(dòng)作幅度最大的騎行姿勢(shì)和力學(xué)分析中得到的騎行周期臨界點(diǎn)姿勢(shì)，挑選出以下5個(gè)進(jìn)行皮膚形變?cè)囼?yàn)的騎行動(dòng)作，如表1。

表1 騎行運(yùn)動(dòng)中特征動(dòng)作及動(dòng)作描述

3 騎行運(yùn)動(dòng)腿部皮膚形變?cè)囼?yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)通過(guò)對(duì)各騎行特征動(dòng)作下腿部皮膚的形變拓樣，計(jì)算出騎行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腿部表面各區(qū)域的形變情況。試驗(yàn)通過(guò)控制大轉(zhuǎn)子處水平線(xiàn)與大腿的夾角和膝蓋處大腿與小腿的夾角來(lái)保持動(dòng)作的準(zhǔn)確性（圖2）。

3.1.1 試驗(yàn)工具

本試驗(yàn)工具有：卷尺、直尺、量角器、水性油墨筆、熒光筆、溫水、毛巾、鉛垂線(xiàn)、面膜、剪刀、小刀等。

3.1.2 試驗(yàn)對(duì)象

本試驗(yàn)挑選5名20～25歲的女性非專(zhuān)業(yè)騎行運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者，正常體型，身高在160～165cm，BMI（Body Mass Index）指數(shù)在20～25kg/m2。

3.1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在東華大學(xué)第三教學(xué)樓1011辦公室，恒溫28℃±2℃、恒濕60%±2%的條件下進(jìn)行，并且保證前一天睡眠充足。具體試驗(yàn)步驟如下：

圖2 人體腿部重要關(guān)節(jié)夾角示意圖

1）將室內(nèi)溫度和濕度調(diào)整到要求范圍內(nèi)，受試者在室內(nèi)休息半小時(shí)以適應(yīng)試驗(yàn)條件并穿著試驗(yàn)專(zhuān)用的內(nèi)衣；

2）讓測(cè)試者靜態(tài)站立并在其腿部（縱向腰圍線(xiàn)到膝蓋上方3cm位置，橫向前后中心線(xiàn)為基準(zhǔn)）用水性油墨筆或眉筆畫(huà)3cm×3cm大小左右的網(wǎng)格，待其干后再用熒光筆重復(fù)網(wǎng)格線(xiàn)描畫(huà)一遍（網(wǎng)格分布如圖3）；

3）將凝膠物質(zhì)從腰部開(kāi)始盡量均勻地涂抹在人體待測(cè)部位，用吹風(fēng)機(jī)加速凝固速度，待凝膠物質(zhì)凝固成型后，先從側(cè)縫線(xiàn)和下檔線(xiàn)位置剪開(kāi)，再?gòu)耐尾亢蜁?huì)陰點(diǎn)下方的橫向網(wǎng)格線(xiàn)水平剪開(kāi)，然后分前上、前下、后上、后下4片樣本小心取下；

4）按照選取的動(dòng)作，受試者按角度擺相同的姿態(tài)，重復(fù)上述的拓樣過(guò)程；

5）將拓樣得到的膜樣本用剪刀按網(wǎng)格線(xiàn)剪開(kāi)得到每一個(gè)方格的形狀并將剪開(kāi)后得到的方格按順序按其形態(tài)依次貼放在白紙上，將白紙上的方格形狀掃描到電腦里；

6）在一張白紙上畫(huà)出5×5cm和3×3cm的小方格，然后用同樣的儀器和方法掃描到電腦里計(jì)算像素比。

圖3 人體腿部網(wǎng)格分布示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)得到的樣本方格進(jìn)行像素計(jì)算和面積轉(zhuǎn)化并與靜立時(shí)的方格面積進(jìn)行比較得到5個(gè)動(dòng)作下每個(gè)方格的伸長(zhǎng)率，將缺失和有顯著差異性的數(shù)據(jù)剔除得到5個(gè)動(dòng)作下腿部皮膚方格的平均伸長(zhǎng)率變化及伸長(zhǎng)率曲線(xiàn)圖（圖4）。

圖4 人體腿部皮膚形變率曲線(xiàn)圖

由圖中曲線(xiàn)得知，曲線(xiàn)形態(tài)變化較大，說(shuō)明在騎行運(yùn)動(dòng)中腿部及臀部各部位的皮膚形變變化顯著；5個(gè)動(dòng)作下腿部各部位的皮膚形變趨勢(shì)一致，臀部皮膚總體呈拉伸狀態(tài)，腹部皮膚總體呈收縮狀態(tài)，腿部皮膚的拉縮變化受動(dòng)作姿勢(shì)影響較大。

臀部皮膚在騎行過(guò)程中拉伸較大，尤其是腰圍線(xiàn)和橫襠線(xiàn)附近的部位，從腰圍線(xiàn)到橫襠線(xiàn)，臀部皮膚拉伸率呈先減小后增大的趨勢(shì)，其中橫襠線(xiàn)位置皮膚在整個(gè)腿部部位中拉伸最大，最大值高達(dá)58%；腹部皮膚在騎行運(yùn)動(dòng)中收縮較大，從側(cè)縫線(xiàn)到腹部中心收縮率呈增大趨勢(shì)，最大收縮率可達(dá)50%，其變化率隨動(dòng)作不同差異較大，主要受人體上半部姿勢(shì)和脊柱前傾彎曲角度影響；大腿部位的皮膚在騎行過(guò)程中既有拉伸又有收縮，大腿后側(cè)皮膚從橫襠線(xiàn)到膝圍線(xiàn)呈拉伸減小收縮增大的趨勢(shì)，大腿前側(cè)的皮膚從側(cè)縫線(xiàn)到前中心線(xiàn)呈收縮減小拉伸增大，并且靠近膝圍線(xiàn)位置的皮膚拉伸較大，主要受膝蓋彎曲的影響。由此可知，人體后側(cè)的皮膚變化主要是縱向拉伸的變化，而人體前側(cè)的皮膚變化主要是橫向拉伸的變化。

4 結(jié)論

本次研究通過(guò)對(duì)人體騎行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真模擬得到騎行周期中各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和動(dòng)作姿勢(shì)，從而提取5個(gè)特征動(dòng)作進(jìn)行腿部皮膚形變?cè)囼?yàn)，計(jì)算出腿部各部位的形變率，通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)各部位的皮膚拉伸形變復(fù)雜且差異較大，形變范圍在-50%～58%之間，其中腰圍線(xiàn)和橫襠線(xiàn)位置附近的皮膚形變最為顯著。人體后側(cè)皮膚從腰圍線(xiàn)到膝圍線(xiàn)總體呈拉伸減小收縮增大的趨勢(shì)，人體前側(cè)皮膚從側(cè)縫線(xiàn)到前中心線(xiàn)、從膝圍線(xiàn)到腹部總體呈斜向的拉伸減小收縮增大趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)騎行運(yùn)動(dòng)中腿部皮膚伸縮變化的研究，可以通過(guò)計(jì)算彈性面料的彈性回復(fù)率和最大彈力負(fù)荷等參數(shù)選擇最佳的騎行褲的面料，并根據(jù)腿部皮膚形變的伸縮規(guī)律對(duì)騎行褲分割線(xiàn)位置和形狀的設(shè)置提供參考依據(jù)，達(dá)到科學(xué)、合理、舒適且人性化的生產(chǎn)目的。

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Skin Deformation of Legs in Cycling Based on Human Motion Capture(HMC)

LUO LanWANG Jian-ping

The skin deformation in different motion types is the theoretical foundation of clothing ease and structuraldesign, especially for the development of functional tight-fitting apparels. By capturing the motions incycling, 5 characteristic motions are picked up and the skin example of the leg is obtained. The experimentshows that the skin deformation of the leg is complicated and varies considerably from -50% to 58%. The skindeformation near the waist line and the thigh line is the most distinct. The skin on the back of the thighs stretchesdecreasingly from the thigh line to the knee line. In contrast, as for the skin on the front thigh, the shrink decreasesfrom the side seam to the front center line.

human motion capture;skin deformation measure;clothing structural design

TS941.2

B

1674-2346(2014)04-0039-05

10.3969/j.issn.1674-2346.2014.04.009

(責(zé)任編輯：竺小恩)

2014－09－10

羅蘭，女，東華大學(xué)服裝學(xué)院，碩士研究生。研究方向：服裝數(shù)字化研究（上海 200051）

王建萍，女，東華大學(xué)服裝學(xué)院，教授（上海 200051）