田苗,　李俊*,3

(1.東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051)

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三維動作捕捉儀在服裝工效學(xué)評價中的應(yīng)用

田苗1,2,李俊*1,2,3

(1.東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051)

摘 要：從發(fā)展過程、應(yīng)用領(lǐng)域和不同產(chǎn)品優(yōu)缺點的角度出發(fā)，對三維動作捕捉儀進行回顧和分析。結(jié)合目前服裝工效學(xué)評價的一般方法，剖析了現(xiàn)有方法存在的問題及使用三維動作捕捉儀的優(yōu)勢;通過對現(xiàn)有研究的回顧，預(yù)測了三維動作捕捉儀在服裝工效學(xué)評價領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。結(jié)合步態(tài)分析和行走模式等生物力學(xué)和運動學(xué)理論，可以從提高穿著者作業(yè)效率、減少職業(yè)傷害等角度，為服裝及裝備的設(shè)計提供更為科學(xué)合理的意見和建議;將三維動作捕捉儀與可穿戴設(shè)備理念相結(jié)合，可以促進服裝在健康監(jiān)控及職業(yè)防護等方向的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：動作捕捉；工效學(xué)評價；服裝；肢體活動范圍

三維動作捕捉儀作為動畫、游戲及電影輔助產(chǎn)品的用途廣為人知[1-2]，而其開發(fā)的最初目的是分析臨床病人的肢體動作和步態(tài)，從而完善治療方案[3]。目前，其應(yīng)用范圍不斷擴展為與人體運動健康，醫(yī)療復(fù)健，甚至海軍設(shè)備水下測試[4]相關(guān)的各個領(lǐng)域。服裝作為人體與環(huán)境之間的主要介質(zhì)，是影響人體運動舒適性的主要原因。對于需要穿著特種服裝執(zhí)行任務(wù)的人群(如消防員或軍人)，服裝對人體動作的限制會直接影響其作業(yè)效率，導(dǎo)致肌肉疲勞，甚至危及其生命安全[5]。近年來，一些國外學(xué)者將三維動作捕捉儀應(yīng)用到服裝及特種服裝裝備的工效學(xué)評價中，通過科學(xué)和全面的分析，促進服裝及裝備的設(shè)計與改良[6]。

文中從發(fā)展歷程，主要應(yīng)用領(lǐng)域及不同原理的優(yōu)缺點分析出發(fā)，回顧并總結(jié)了三維動作捕捉儀的現(xiàn)狀。通過對服裝工效學(xué)一般研究方法的梳理，剖析目前方法存在的問題，及三維動作捕捉儀應(yīng)對這些問題的優(yōu)勢。

1三維動作捕捉儀

1.1發(fā)展過程及現(xiàn)狀

1.1.1三維動作捕捉儀的開發(fā)早期進行動作捕捉相關(guān)研究的學(xué)者主要來自于醫(yī)院及人體運動科學(xué)領(lǐng)域，研究的主要目的是評估人體的運動能力，從而判斷手術(shù)、假肢等治療方案的有效性[7]。三維動作捕捉系統(tǒng)常與測力平臺(Force platform)及EMG (Electromyography)遙測系統(tǒng)相結(jié)合，作為臨床步態(tài)分析的主要手段[8]。在三維動作捕捉儀(3D motion capture)之前，具有相似功能的儀器一般被稱為三維分析 (3D analysis)或動作分析(Motion analysis)系統(tǒng)[4]。利用該系統(tǒng)，可以進行人體關(guān)節(jié)運動學(xué)，肌肉骨骼功能及步態(tài)分析等方面的研究。

動作分析系統(tǒng)早期主要應(yīng)用于下肢的動作跟蹤[9]，隨著定位點捕捉技術(shù)的發(fā)展，上肢及頭部等其他人體部位也逐漸被作為研究對象。除了捕捉范圍的擴大，三維動作捕捉儀的開發(fā)也更加追求精確性和時效性。

1.1.2三維動作捕捉儀的構(gòu)成根據(jù)動作跟蹤原理，目前用于人體動作分析的三維動作捕捉儀主要可分為光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)[10]和基于慣性傳感技術(shù)的運動捕捉系統(tǒng)[11]?；诠鈱W(xué)的動作捕捉系統(tǒng)主要由人體標記點，用于捕捉標記點信息的攝像機以及進行數(shù)據(jù)記錄和處理的計算機系統(tǒng)組成?；趹T性傳感技術(shù)的捕捉系統(tǒng)則主要由位置跟蹤傳感器和計算機系統(tǒng)組成。

在進行動作捕捉之前，首先需要對人體的不同區(qū)段進行定位。以下肢為例，定位點主要在盆骨、大腿、小腿及腳部[12]。為了精確捕捉下肢各區(qū)段的動作，光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)需要將紅外發(fā)光二極管或具有反光功能的標記點固定在下肢各個定位點處，然后通過圍繞在人體周圍的攝像機對標記點的運動進行記錄。隨著技術(shù)的發(fā)展以及測量精度的提高，攝像機的數(shù)量逐漸從5個[3]發(fā)展到6個[13]、9個[14]等?；趹T性傳感技術(shù)的動作捕捉系統(tǒng)，則需要在定位點放置位置跟蹤傳感器。該傳感器主要由3部分組成：用于測量地磁場的三維磁力儀，用于測量包括重力加速度在內(nèi)加速度的三維線性加速計，以及用于測量角速度的三維速率陀螺儀[15]。

標記點或位置傳感器對于各個點的記錄是分離的，為更好地再現(xiàn)肢體動作及獲得某區(qū)段或關(guān)節(jié)的活動角度或運動速度，需建立人體力學(xué)模型對測量的標記點進行整合，即人體動作的三維重建和動態(tài)模型的獲得[7]。在目前的商業(yè)軟件中，已經(jīng)可以實現(xiàn)測量和人體力學(xué)模型運動的實時觀察。另外，除了三維肢體活動角度之外，軟件通過設(shè)計人體力學(xué)模型內(nèi)部算法，還可以計算出各個傳感器的速度，加速度及人體質(zhì)心的位移等。因此，不僅可以對捕捉到的動作信息進行回放和分析，并且可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在Microsoft Excel,3ds Max，MATLAB等軟件中進行后期處理[15]。

1.2應(yīng)用領(lǐng)域

三維動作捕捉儀的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括生物力學(xué)、運動學(xué)、工效學(xué)等研究領(lǐng)域，以及虛擬現(xiàn)實、電影制作等應(yīng)用領(lǐng)域。

在生物力學(xué)和運動學(xué)領(lǐng)域，三維動作捕捉儀主要用于不同負重或身體狀態(tài)下的行走模式，動作分析及身體平衡的判定，及不同身體截面方向特定關(guān)節(jié)(如腳踝、膝蓋等)的運動學(xué)特征分析[16-18]。在三維動作分析中，一般將人體分為3個截面，分別為冠狀面(Frontal plane)，矢狀面(Sagittal plane)和水平面(Transverse plane)[19]。通過測量隨時間變化的各個截面方向的肢體活動，可以計算出臀部、膝蓋、腳踝等處在3個方向的肢體活動范圍(Range of Motion，ROM)，以及角速度的變化等指標，其中矢狀面的運動學(xué)參數(shù)對于步態(tài)的分析具有更為重要的作用[20]。

生物力學(xué)和運動學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究結(jié)合關(guān)節(jié)處的力矩等特征，對可能造成的肌肉或骨骼傷害作出預(yù)測。LaFiandra等[9]利用動作捕捉儀獲得了在不同負重條件下盆骨及胸部在水平面上的角加速度，結(jié)合所獲得的力矩參數(shù)，提出降低潛在風(fēng)險的策略。另外，LaFiandra等[21]還對關(guān)節(jié)處角度的變化和步態(tài)參數(shù)的關(guān)系進行了分析。如非負重狀態(tài)下，盆骨的旋轉(zhuǎn)角度較大，因此可以產(chǎn)生較大的步幅；反之在負重狀態(tài)下，盆骨的旋轉(zhuǎn)角度較小，因此產(chǎn)生的步幅較小。Smith等[16]對大學(xué)女生采用不同背包方式狀態(tài)下盆骨的傾斜和旋轉(zhuǎn)進行研究，并發(fā)現(xiàn)當背包時，盆骨的傾斜和旋轉(zhuǎn)的角度范圍都有所減小。另外，對于不同的行走狀態(tài)，Protopapadaki等[18]利用三維動作捕捉儀研究了上下樓梯時臀部、膝蓋和腳踝處的運動學(xué)參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)與下樓梯相比，上樓梯對于人體生物力學(xué)的要求更高。

三維動作捕捉儀還大量用于負重對軍人下肢活動性影響的研究[13]。其中Birrell等[22]發(fā)現(xiàn)負重32 kg時，人體的膝部在矢狀面的ROM及盆骨旋轉(zhuǎn)ROM都有顯著下降。Park等[23]結(jié)合不同負重條件(0.06，9，18和27 kg)進行防彈背心相關(guān)研究，結(jié)果表明隨著負重質(zhì)量的增加，盆骨旋轉(zhuǎn)會顯著減小，從而限制下肢對前行運動的控制。而由于負重所導(dǎo)致的身體前傾以及盆骨前傾則會增加背部骨骼肌肉受傷的風(fēng)險。研究發(fā)現(xiàn)不同的負重分布(如左右平衡，或單側(cè)負重)同樣會影響下肢的ROM，且相對平衡的負重方式可以減少慢性腰痛等疾病的發(fā)生。此類研究有助于進行軍人負重系統(tǒng)設(shè)計，從而減少對軍人行動的限制及產(chǎn)生骨骼肌肉傷害的風(fēng)險[13]。

另外，三維動作捕捉儀還廣泛應(yīng)用于流水線工人的動作分析，運動員的動作分析和傷害預(yù)測以及通過監(jiān)測微小動作進行測謊等方面[24]。

1.3不同動作捕捉儀的優(yōu)缺點分析

基于不同原理的動作捕捉儀具有不同的特性，但都主要依靠位于人體表面不同區(qū)段的標記點或位置傳感器記錄位置的變化。然而，動作捕捉的根本目的是獲取骨骼或關(guān)節(jié)處的角度或位置隨時間的變化情況。因此，在人體活動時，附著于人體表面的標記點與骨骼之間相對位置的偏移決定了標記點移動軌跡重建的不確定性，即動作捕捉的誤差[12]。Cappozzo[7]對測試方法中使用儀器導(dǎo)致的誤差進行分析，并認為在測量時應(yīng)考慮其對精確度的影響。

目前，市場上大部分動作捕捉儀為光學(xué)捕捉系統(tǒng)?？蒲腥藛T對該系統(tǒng)的研究起步較早，技術(shù)相對成熟。但在測試時，需要使用紅外發(fā)光二極管或有反光效果的標記點，并將其固定在皮膚或服裝表面。在受試者活動時，標記點存在脫落的可能性，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失[14,25]。另外，當受試者需要穿著厚重服裝時，標記點是否可以保持與骨骼點相對應(yīng)的位置也是值得考慮的問題。

對于基于慣性傳感技術(shù)的動作捕捉系統(tǒng)，位置信息通過無線信號進行收集，并且可以通過計算機實時觀測到虛擬人體的運動狀態(tài)，無需任何附加設(shè)備(如攝像機)。因此，具有更好的靈活性，不存在避免標記點被遮擋或脫落的問題。但該系統(tǒng)易受外界磁場干擾，在磁場較強的環(huán)境難以進行傳感器的校正[15]。因此，基于慣性傳感技術(shù)的動作捕捉系統(tǒng)對操作環(huán)境要求較高。

2服裝工效學(xué)的一般研究方法

2.1主要測試指標-ROM

服裝工效學(xué)研究的主要目的是對著裝后人體的活動靈活性進行評價，評價指標一般為靜態(tài)動作時肩部、腋下、襠部、腰部等部位的ROM[26]。通過比較著裝前后的ROM，對服裝的活動靈活性進行判斷。在目前服裝工效學(xué)評價中，ROM一般不會細分為3個截面方向的變化，而是選取認為穿著服裝可能會顯著影響的部位，如肩部在冠狀面和矢狀面的ROM，臀部在冠狀面的ROM等，因此對于不同服裝，或不同批次實驗所選擇的測試動作并不完全一致。

2.2ROM的來源及測試方法

ROM早期用于臨床測量，主要目的是研究各個關(guān)節(jié)(尤其是下肢臀部、膝部關(guān)節(jié)等)的ROM與年齡的相關(guān)性等，因為ROM是判斷肢體靈活度的重要標準[27-28]。大量調(diào)查表明，隨著年齡的增加，關(guān)節(jié)的靈活性會逐漸降低。如老年人活動時臀部和膝部的平均ROM比年輕人低20%[29]。另外，ROM也是評價肌肉拉伸等治療手段對病人肢體或關(guān)節(jié)活動性改善的重要指標，因此，在臨床醫(yī)學(xué)中被廣泛應(yīng)用[30]。

角度計是測量ROM的主要技術(shù)手段，測量時需要兩位受過訓(xùn)練的測量者配合操作，其中一位操作角度計，另外一位進行數(shù)據(jù)記錄。雖然角度計是測量ROM的常用手段，但其準確度和可靠性存在一些爭議。Gajdosik等[27]針對其可靠性進行了研究并認為使用角度計存在一定局限性，臨床醫(yī)生應(yīng)該采用更加標準化的方法進行測試，而測量工具不應(yīng)該成為影響ROM的因素。

2.3ROM在服裝工效學(xué)中的應(yīng)用

在評價防護服裝系統(tǒng)對人體動作限制時，Huck[26]借鑒了人體運動學(xué)和臨床領(lǐng)域所采用的人體坐標系統(tǒng)，選取肩部屈曲/伸展(矢狀面)，肩部內(nèi)收/外展(冠狀面)，肘部屈曲/伸展(矢狀面)，臀部屈曲/伸展(矢狀面)等9組動作，分別測量人體著裝時所能達到的最大角度，并分別計算ROM。在測量肢體角度時，一般采用角度計，即通過肢體方向與鉛垂方向的角度差確定肢體角度，及一組肢體活動的ROM。在評價穿著高溫防護服[31]、油罐清潔服[32]等防護服裝對肢體活動靈活度的影響時，測量ROM的方法被廣泛使用。

這種測試方法簡單易行，但同時存在測量準確性的問題。另外，肢體最大角度的測量只能針對特定動作，一方面某些極限動作在實際作業(yè)情況下并不會發(fā)生，另一方面這種測試方法不能實時監(jiān)測多部位的角度變化。因此，對于服裝工效學(xué)的評價需要更加全面和專業(yè)的方法和工具。三維動作捕捉儀不但可以測量任何狀態(tài)下肢體在3個維度的活動角度，而且能以一定的時間間隔進行連續(xù)測量，準確便捷，故可成為替代角度計的測量手段。

3動作捕捉儀與服裝工效學(xué)的結(jié)合

3.1研究現(xiàn)狀

三維動作捕捉儀在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用報道較少。在國外學(xué)者進行的相關(guān)研究中，三維動作捕捉儀多用于厚重的防護性服裝裝備或軍隊裝備中[13,22]。在測試時，盡可能模擬服裝裝備所使用的實際情況，如正常行走，跨越障礙物、躲避障礙物和快速折返跑等[33]。在完成這些任務(wù)的同時進行動作捕捉，然后對所獲得的數(shù)據(jù)進行處理。Park等[6]利用三維動作捕捉儀研究了消防員在穿著消防服、消防靴，并佩戴自給式呼吸器(Self-Contained Breathing Apparatus，SCBA)時下肢的肢體活動范圍。研究發(fā)現(xiàn)佩戴SCBA時會顯著影響下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面及水平面的ROM；另外，穿著不同材料的消防靴也會對腳踝和跖骨球的ROM產(chǎn)生顯著影響。針對軍人穿著戰(zhàn)術(shù)背心的相關(guān)研究表明，著戰(zhàn)術(shù)背心會顯著增大膝蓋屈曲和盆骨前傾，增加能量消耗并導(dǎo)致肌肉的快速疲勞，從而影響軍人的戰(zhàn)斗力并增加受傷的風(fēng)險[34]。另外，在利用三維動作捕捉儀進行肢體活動范圍測量時，國外學(xué)者還會結(jié)合EMG或腳底壓力測試系統(tǒng)，對肌肉功能和行走模式進行分析，從而比較不同裝備的影響。

3.2發(fā)展趨勢

雖然三維動作捕捉儀在服裝工效學(xué)中的應(yīng)用仍有一些限制，如，在比較兩種或多種較為寬松服裝服的肢體活動范圍時，效果并不明顯。但該問題在使用角度計時同樣存在。三維動作捕捉儀的應(yīng)用可以覆蓋角度計的所有功能，并且在精確度、全面性等方面具有不可替代的作用。結(jié)合步態(tài)分析和行走模式等生物力學(xué)和運動學(xué)理論，可以將服裝的工效學(xué)評價提升到更為科學(xué)的分析高度，從提高穿著者作業(yè)效率、減少職業(yè)傷害等以人為本的理念出發(fā)，為服裝及裝備的設(shè)計提供更為科學(xué)合理的意見和建議。

隨著國民對身體健康重視程度的提升，運動健身逐漸成為大家關(guān)注的熱點，各種具有監(jiān)測心率、計步、記錄能量消耗等健康監(jiān)測功能的設(shè)備熱銷。作為可以監(jiān)測肢體活動的三維動作捕捉儀，可與運動服裝相結(jié)合，一方面通過工效學(xué)評價，不斷改善功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計；另一方面可以開發(fā)具有動作監(jiān)測功能的智能服裝[35]，指導(dǎo)健康的運動方式，減少運動傷害。

對于防護服裝或職業(yè)工裝，在利用三維動作捕捉儀對其進行工效學(xué)評價，指導(dǎo)服裝的設(shè)計和改良的同時，也可以將其與服裝相結(jié)合，監(jiān)測作業(yè)人員在執(zhí)行任務(wù)時的肢體動作，通過動作分析，更好地進行服裝的功能性設(shè)計，科學(xué)指導(dǎo)作業(yè)方法，減少職業(yè)傷害。

4結(jié)語

無論是在科學(xué)研究領(lǐng)域，還是市場應(yīng)用方面，三維動作捕捉儀都發(fā)揮著積極的作用。文中從發(fā)展過程，應(yīng)用領(lǐng)域以及不同產(chǎn)品優(yōu)缺點出發(fā)，對三維動作捕捉儀進行了回顧和分析。結(jié)合服裝領(lǐng)域進行工效學(xué)評價的一般方法，發(fā)現(xiàn)其與動作捕捉儀應(yīng)用領(lǐng)域所存在的交叉點。三維動作捕捉儀在服裝工效學(xué)方向應(yīng)用的現(xiàn)有研究表明，與原有的角度計相比，三維動作捕捉儀具有測量效率高，測量范圍廣且精確便捷的優(yōu)勢。結(jié)合步態(tài)分析和行走模式等生物力學(xué)和運動學(xué)等理論，可以將服裝的工效學(xué)評價提升到更為科學(xué)的分析層次，從提高穿著者作業(yè)效率，減少職業(yè)傷害等角度，為服裝及裝備的設(shè)計提供更為科學(xué)合理的意見和建議。另外，將三維動作捕捉儀與可穿戴設(shè)備的理念相結(jié)合，從大眾應(yīng)用方面，可以擴大健康監(jiān)控的范圍。從職業(yè)工作方面，可以科學(xué)的指導(dǎo)作業(yè)任務(wù)，充分發(fā)揮三維動作捕捉儀的應(yīng)用價值。

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(責(zé)任編輯：邢寶妹)

Application of 3D Motion Capture on Ergonomic Evaluation of the Clothing

TIAN Miao1,2,LI Jun*1,2,3

(1.College of Fashion and Design,Donghua University,Shanghai 200051,China; 2.Protective Clothing Research Center,Donghua University,Shanghai 200051,China; 3.Key Laboratory of Clothing Design and Technology,Donghua University,Shanghai 200051,China)

Abstract：The status of 3D motion capture was reviewed and analyzed from the aspects of development process,application fields and the merit and demerit of the products.As for the general method of ergonomic evaluation of clothing,the problems of currently existing methods were concluded and the advantages of the 3D motion capture were proposed.According to the literature review,the application of 3D motion capture on ergonomic assessment of the clothing was predicted.Considering the theories of gait analysis and walking pattern from biomechanics and sports science,more scientific and reasonable recommendations could be presented for the design of clothing and related equipment,from the aspects of improving work efficiency and decreasing occupational injuries.Besides,the combination of the 3D motion capture and the concept of wearable technology might contribute to the development of the health monitor and occupational protection.

Key words:motion capture,ergonomic evaluation,clothing,ROM

中圖分類號：TS 941.73

文獻標志碼：A

文章編號：2096-1928(2016)01-0030-05

作者簡介：田苗(1989—)，女，博士研究生。*通信作者：李俊(1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為功能防護服裝。Email:lijun@dhu.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51576038)；人因工程國家重點實驗室開放課題項目(SYFD150051812K)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金項目(15D110735/36)。

收稿日期：2015-08-20；

修訂日期：2015-10-26。