駱順華，張 健

(1.山東工藝美術(shù)學(xué)院 服裝學(xué)院，山東 濟(jì)南 250300;2.東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)學(xué)院，上海 200051;3.上海硅步科學(xué)儀器有限公司，上海 201101)

高彈性緊身運(yùn)動功能性服裝結(jié)構(gòu)是由人體靜態(tài)形體和動態(tài)變化共同決定的，運(yùn)動中體表皮膚變化對運(yùn)動服裝松量設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)影響最顯著［1－2］。國內(nèi)對于人體骨骼肌活動、皮膚形變與服裝運(yùn)動功能性之間關(guān)系的研究起步較晚，已有騎行運(yùn)動骨骼肌的研究僅關(guān)注于騎行運(yùn)動訓(xùn)練中如何科學(xué)地保護(hù)人體免受傷害，高彈性緊身騎行服裝結(jié)構(gòu)功能方面的研究尚未考慮下肢骨骼肌的作用。針對目前市場上的騎行服結(jié)構(gòu)分割差異大且隨意等問題，擬以騎行動作下女性下肢仿真建模為基礎(chǔ)，探究騎行運(yùn)動下大腿部骨骼肌活動與皮膚形變規(guī)律，為后續(xù)騎行褲設(shè)計(jì)與改良提供科學(xué)的可參考理論依據(jù)。

騎行運(yùn)動中主要是下肢活動量大，因此騎行運(yùn)動皮膚形變的研究重點(diǎn)放在大腿部。計(jì)算騎行周期動作每一幀的皮膚形變不太現(xiàn)實(shí)也沒必要，在了解騎行周期動作運(yùn)動規(guī)律基礎(chǔ)上，只需合理選擇騎行周期動作中影響皮膚形變的關(guān)鍵幀。而大腿部位的皮膚形變與骨骼肌活動關(guān)系密切，大腿部的肌肉與骨骼活動無法通過肉眼直接觀察，因此需要通過人體建模仿真系統(tǒng)來解決這一問題，這也是選擇關(guān)鍵幀的依據(jù)所在。

皮膚形變測量方法多樣，常用方法有體表描線法［1］、網(wǎng)格法、石膏法等，且已有皮膚形變研究多為日常動作，張華玲等［3］的連體褲設(shè)計(jì)采用體表描線法計(jì)算日?；緞幼髌つw形變;周捷等［4］通過做網(wǎng)格線計(jì)算女性上體日常動作下的皮膚形變，為文胸設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ);王紅歌等［5］研究彈性女褲動態(tài)松量時(shí)采用特征線法分析了女性下肢日常動作下的皮膚形變;郅曉磊［6］分別采用石膏法、圓點(diǎn)按印法和特征線法對男子下肢動態(tài)皮膚變化從橫、縱、斜3個(gè)方向做了詳細(xì)討論。由于動態(tài)皮膚測量的繁瑣和工作量問題，體表描線和網(wǎng)格線法只能測量橫縱方向上的伸長率，不能對皮膚形變面積變化做出進(jìn)一步研究以及不能獲取形變后的平面展開圖，而高性能運(yùn)動服裝在松量設(shè)計(jì)上要求較為準(zhǔn)確把握每個(gè)部位的皮膚面積變化。石膏法雖然可測量皮膚面積形變及獲取平面展開圖，但該方法存在對人體束縛大、不適感強(qiáng)、操作困難、石膏干燥時(shí)間長讓受試者難以承受的缺點(diǎn)，且涂抹石膏后的繃帶是硬物質(zhì)，所能拓印的動作與部位受人體活動限制。針對功能性運(yùn)動服裝的動態(tài)皮膚形變研究較少，僅高雪梅［7］對瑜伽動作的下肢皮膚形變提出討論;Seo［8］、王燕珍等［9］采用三維人體掃描測量儀分析人體皮膚形變。三維掃描測量儀雖然測量快，不需要與人直接接觸，但人體有些部位不能被掃描到，準(zhǔn)確性低，計(jì)算復(fù)雜，適應(yīng)性較差?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種凝膠網(wǎng)格拓印新方法，獲取了騎行動作下的人體皮膚形變。

1 騎行動作建模仿真

人體運(yùn)動仿真是利用計(jì)算機(jī)模擬自然真實(shí)人體運(yùn)動過程，首先建立人體計(jì)算機(jī)模型，通過在給定約束條件下仿真計(jì)算虛擬人自然真實(shí)的物理運(yùn)動過程，并在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中以三維圖形方式逼真呈現(xiàn)該運(yùn)動過程［10］。騎行動作實(shí)驗(yàn)采用人體建模仿真系統(tǒng)仿真模型中女性下肢骨骼肌的活動情況以及骨骼肌的力學(xué)特征。

1.1 騎行仿真實(shí)驗(yàn)方案

為分析騎行運(yùn)動中人體腿部骨骼肌活動，實(shí)驗(yàn)采用仿真軟件中標(biāo)準(zhǔn)人體骨骼肌模型，通過調(diào)整人體模型函數(shù)與實(shí)驗(yàn)對象取得一致性，依據(jù)人體特征數(shù)據(jù)(如身高、體重、上肢長度、下肢長度)修改參數(shù)，骨骼肌物理特征、脊柱彎曲角度等體幾何參數(shù)，建立與動作捕捉實(shí)驗(yàn)對象相符的骨骼肌模型，并導(dǎo)入系統(tǒng)已建好的自行車模型，經(jīng)過人體模型的軀干固定在鞍座上、連接腳與踏板、設(shè)定腳踝角度、固定膝關(guān)節(jié)橫向位置、設(shè)定自行車模型騎行轉(zhuǎn)速、阻力以及驅(qū)動踏板等步驟實(shí)現(xiàn)2個(gè)模型合體的騎行動作仿真。

建立人體騎行動作模型后，驅(qū)動該模型需要將動作捕捉得到的運(yùn)動學(xué)C3D(儲存捕捉三維動作的一種文件格式)文件導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，驅(qū)動之前需要將文件中36個(gè)標(biāo)識點(diǎn)與人體模型骨骼上的特征點(diǎn)對應(yīng)，然后得到人體騎行運(yùn)動下肢仿真圖、肌肉激活程度、關(guān)節(jié)力矩、肌肉力與肌肉拉伸等生物力學(xué)數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

人體騎行運(yùn)動仿真得到1個(gè)運(yùn)動周期(0.75 s)腿部肌肉(股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股中肌、股二頭肌和半腱肌)激活程度曲線圖，結(jié)果如圖1所示。

圖1 騎行運(yùn)動中腿部肌肉激活情況曲線圖Fig.1 Graph of thigh muscle activation during cycling

觀察肌肉激活程度曲線圖以及肌肉位置，將肌肉分為2類肌肉群:前肌肉群和后肌肉群。前肌肉群包括股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌和股中肌，因?yàn)檫@4塊肌肉的變化趨勢基本一致。后肌肉群包括股二頭肌和半鍵肌，這2塊肌肉激活程度變化曲線也基本相同。

分別從總、前、后3個(gè)角度對肌肉群的平均激活程度進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得到肌肉激活程度的最大值和最小值及其所在的關(guān)鍵幀時(shí)刻位置。依據(jù)上述肌肉群激活程度臨界值所對應(yīng)的騎行動作幀與騎行仿真模擬周期中人體骨骼關(guān)節(jié)的活動范圍，篩選5個(gè)關(guān)鍵幀進(jìn)行腿部皮膚形變實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。分別為:膝蓋部位角度最小/總肌群激活最小0.70 s(動作1)，后肌群激活最小/騎行最大做功開始0.11 s(動作2)，總肌群和前肌群激活程度最大0.20 s(動作3)，膝蓋部位角度最大0.34 s(動作4)，后肌群激活程度最大0.53 s(動作5)。

圖2 騎行運(yùn)動中關(guān)鍵幀F(xiàn)ig.2 Key frames during cycling.(a)Frame of 0.70 s;(b)Frame of 0.11 s;(c)Frame of 0.20 s;(d)Frame of 0.34 s;(e)Frame of 0.53 s

2 大腿部皮膚形變實(shí)驗(yàn)

凝膠網(wǎng)格拓印直接準(zhǔn)確獲取人體任何動作的皮膚形變圖，并基于圖形像素技術(shù)快速算出皮膚形變面積與形變率，凝膠對人體無束縛減少了因束縛壓迫導(dǎo)致的皮膚變形誤差，不適感低，而且操作程序簡單、快捷及準(zhǔn)確，提高了工作效率。綜合考慮皮膚形變測量的準(zhǔn)確性、可操作性與計(jì)算的簡便性，擬采用凝膠網(wǎng)格拓印的方法來獲取騎行動作關(guān)鍵幀的皮膚形變，并采用圖形像素計(jì)算面積分析皮膚形變量。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)對5個(gè)關(guān)鍵幀的大腿部皮膚形變拓印，計(jì)算出騎行運(yùn)動過程中大腿部表面各區(qū)域的形變規(guī)律。實(shí)驗(yàn)以大轉(zhuǎn)子處水平線與大腿的夾角α和髕骨為圓心點(diǎn)的大腿與小腿夾角β來確定皮膚形變動作姿勢，腿部關(guān)節(jié)夾角如圖3所示。因?yàn)樵隍T行過程中，大轉(zhuǎn)子和髕骨關(guān)節(jié)是下肢骨骼活動的軸心，這2個(gè)角度可確保實(shí)驗(yàn)過程中模擬動作與實(shí)際動作的一致性。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)工具

軟尺、直尺、量角器、水性油墨筆、毛巾、鉛垂線、凝膠、剪刀、窄透明膠帶等。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)對象

挑選5名22～25歲，身高在165～168 cm，BMI(body mass index，體質(zhì)指數(shù))為20～25 kg/m2;的女性專業(yè)騎行運(yùn)動愛好者，作為實(shí)驗(yàn)對象。

圖3 腿部關(guān)節(jié)夾角Fig.3 Angles of leg joints

2.1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)步驟如下:1)室內(nèi)環(huán)境調(diào)整到人體舒適范圍內(nèi)，受試者穿著修改結(jié)構(gòu)后的內(nèi)衣在室內(nèi)休息5 min以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境;2)受試者靜態(tài)站立，在其大腿部(縱向從腰圍線到膝蓋上方3 cm位置，橫向以前后中心線為基準(zhǔn))用眉筆畫3 cm×3 cm左右的網(wǎng)格，網(wǎng)格分布如圖4所示;3)將凝膠從腰部開始均勻涂抹在大腿部位，用吹風(fēng)機(jī)加速凝固速度，待凝膠物質(zhì)凝固成型后，再用窄的透明膠帶粘貼一層，防止凝膠變形，先從側(cè)縫線和下檔線位置剪開并從大腿上剝離，再從臀部和會陰點(diǎn)下方的橫向網(wǎng)格線水平剪開，然后分前上、前下、后上、后下4片樣本;4)按照選取的動作以及控制該動作的夾角α、β來固定騎行時(shí)的姿勢，實(shí)驗(yàn)對象固定該姿勢，重復(fù)上述拓樣過程;5)將拓印得到的膜樣本小心剝離下來，用剪刀按網(wǎng)格線剪開并按照圖4進(jìn)行編號，按編號的位置及順序依次貼放在白紙上，并將白紙上的方格圖掃描、保存圖片;6)掃描的圖片保存格式為bmp(無損位圖格式)格式，用Photoshop獲取單元網(wǎng)格像素?cái)?shù)及分辨率后計(jì)算網(wǎng)格面積。

圖4 大腿部網(wǎng)格分布示意圖Fig.4 Diagram of grid distribution on thigh

2.2 下肢皮膚形變分析

通過對實(shí)驗(yàn)得到的5個(gè)實(shí)驗(yàn)對象掃描網(wǎng)格圖片進(jìn)行像素計(jì)算并與靜立時(shí)網(wǎng)格面積進(jìn)行比較，得到5個(gè)實(shí)驗(yàn)對象、5個(gè)動作下單元網(wǎng)格的皮膚變形率，計(jì)算公式為

式中:Ri為單元格皮膚變形率，%;Si為5個(gè)騎行動作關(guān)鍵幀的單元網(wǎng)格面積，cm2;S0為靜態(tài)站立下單元網(wǎng)格面積，cm2。

將缺失和有顯著差異性的數(shù)據(jù)剔除。5個(gè)動作下大腿部皮膚單元網(wǎng)格的平均形變率曲線圖如圖5所示。

圖5 大腿部皮膚形變率曲線圖Fig.5 Graph of skin deformation rate on thigh

由圖5可發(fā)現(xiàn):5個(gè)關(guān)鍵幀動作大腿各部位的皮膚形變趨勢基本一致(因繪圖軟件問題，圖中圓圈是缺失數(shù)據(jù)位置，實(shí)際沒有線)，說明騎行周期運(yùn)動過程中，總體上每個(gè)區(qū)域各動作之間皮膚形變相比變化較小;無論什么動作下 C1～C8、D1～D8、E1～E8、F1～F8、G1～G8、H1～H8與 C12～C14區(qū)域的皮膚總體呈拉伸狀態(tài)，根據(jù)圖4顯示這部分區(qū)域?qū)儆谌梭w臀部，臀部在騎行動作下始終處于拉伸狀態(tài)，而且曲線圖顯示臀部的拉伸變化與騎行動作姿勢相關(guān)性很大;動作2和動作3的夾角β不同、α相同，曲線形狀重合度較高，說明β角度的變化對2種動作的皮膚形變沒有太大的影響;動作3和動作5的夾角β相同、α不同，但曲線形態(tài)相對來說有較大差異，尤其是臀部和腹部的皮膚形變率差異較大，體現(xiàn)夾角α對腿部皮膚形變影響較大;5個(gè)動作下的臀部C7～C8與D7～D8區(qū)域在騎行過程中拉伸量最大，分別為58.01%、45.36%，這塊區(qū)域位于人體站立時(shí)的臀褶區(qū)域，而騎行姿勢是人體整體向前彎曲近似成C字形，因此測量結(jié)果驗(yàn)證與姿勢是一致的;從 K3～K4、L4～L6、M5～M6到 N6～N7區(qū)域這一靠近腹股溝區(qū)域在騎行運(yùn)動中皮膚收縮逐漸增大，最大收縮率達(dá)到－50%，其變化率隨動作不同差異較大，其中動作1與動作4最為明顯;大腿前部與大腿后部的皮膚在騎行過程中既有拉伸又有收縮，大腿后側(cè)皮膚形變率比前部要大1倍左右，從橫檔至髕骨，皮膚形變從拉伸量最大到收縮量最大，同樣大腿后部變化比前部變化大，并且靠近髕骨位置的皮膚拉伸較大，主要因?yàn)橄ドw彎曲導(dǎo)致髕骨周圍皮膚拉伸。

3 結(jié)論

通過分析各網(wǎng)格區(qū)域皮膚面積變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域皮膚拉伸形變差異較大，因此后續(xù)騎行褲功能性研究中關(guān)注大腿皮膚形變因素是非常必要的。女性下肢皮膚形變規(guī)律如下:臀部區(qū)域的皮膚整體是拉伸變形，臀褶區(qū)域拉伸率最大達(dá)到58%;夾角α的變化對皮膚形變的影響較大，相反夾角β變化對皮膚形變的影響較小;靠近腹股溝并與腹股溝方向一致的斜向區(qū)域皮膚收縮逐漸增大，收縮率達(dá)到50%左右;大腿前部皮膚形變比大腿后部皮膚形變量小。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對人體騎行運(yùn)動進(jìn)行仿真模擬獲取了骨骼肌的活動規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)騎行過程中皮膚形變的5個(gè)關(guān)鍵位置，大大簡化了皮膚形變實(shí)驗(yàn)，而皮膚形變率采用圖形像素的計(jì)算方法同樣加快了數(shù)據(jù)的處理速度和準(zhǔn)確性，凝膠拓印法獲取皮膚形變的可操作性比石膏法強(qiáng)，且與描線法、網(wǎng)格法相比誤差小，前面2種方法也無法獲取皮膚面積的變化。

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