楊鈺蝶，鄭晶晶,2，李承璋

(1.浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310018；3.杭州市消防救援支隊錢塘新區(qū)大隊，浙江 杭州 310018)

滅火防護服作為消防員的最后一道防線，需具備良好的阻燃性、熱防護性、熱濕舒適性等，結(jié)合配套裝備的佩戴，需保證消防員的身體活動不受阻礙，救援工作不受干擾。為此，各國學(xué)者不斷從面料升級、結(jié)構(gòu)改進、細(xì)節(jié)優(yōu)化等方面促進滅火防護服的改進升級。

隨著科技的發(fā)展，服裝三維技術(shù)在滅火防護服設(shè)計和評價中的應(yīng)用呈現(xiàn)新興趨勢，逐步實現(xiàn)從二維平面到三維立體轉(zhuǎn)換。服裝三維技術(shù)主要包括三維人體掃描、三維動作捕捉、三維虛擬仿真等。文章介紹了服裝三維技術(shù)在滅火防護服的設(shè)計與評價中的應(yīng)用，以期拓寬滅火防護服的設(shè)計思路，增加評價防護服性能的途徑，提高消防員穿著舒適性。

1 三維人體掃描技術(shù)

1.1 三維人體掃描技術(shù)概述

三維人體掃描技術(shù)是近年來被廣泛應(yīng)用在服裝領(lǐng)域的三維技術(shù)之一，其能夠快速、高效地提供人體的精確數(shù)據(jù)，因而逐步取代了傳統(tǒng)手工測量的地位。該技術(shù)實現(xiàn)了人體數(shù)據(jù)測量由二維平面走向三維立體，通過多臺三維掃描器，結(jié)合光照射系統(tǒng)的聯(lián)動控制，對人體進行全方位的掃描拍攝并捕獲體表外形，而后通過計算機系統(tǒng)提取掃描結(jié)果，可實現(xiàn)人體點云數(shù)據(jù)的精確輸出[1]?，F(xiàn)代三維人體掃描技術(shù)主要有3種方法：激光掃描法、紅外線測量法、白光相位測量法，其中激光掃描法與白光相位測量法發(fā)展較為成熟，且實用性較高[2]。

三維人體掃描能夠反映出人體與服裝的關(guān)系，在防護服領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，但該技術(shù)也存在一定缺陷，比如被光源遮蔽的部分或與光源平行的表面數(shù)據(jù)易丟失。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，便攜式高分辨率的掃描儀能夠掃描這些無法準(zhǔn)確捕獲和測量的區(qū)域，提高了三維人體測量的準(zhǔn)確性。三維人體掃描技術(shù)為消防員人體數(shù)據(jù)測量、滅火防護服熱防護性研究、服裝合體性分析提供了技術(shù)與設(shè)備支持。

1.2 三維人體掃描技術(shù)的應(yīng)用

1.2.1 消防員人體數(shù)據(jù)

人體數(shù)據(jù)測量是生產(chǎn)滅火防護服的重要基礎(chǔ)，確保其在消防員身上發(fā)揮出最佳的安全性與舒適性。應(yīng)用三維人體掃描技術(shù)，研究人員能夠在數(shù)十秒內(nèi)得到精準(zhǔn)反映人體特征的幾百個數(shù)據(jù)。三維人體測量處理流程見圖1，分為5個階段：準(zhǔn)備、掃描、特征提取、模型擬合、數(shù)據(jù)提取，其中第2、5階段是強制性的，而第1、3、4階段是可以選擇的[3]。

已有多位學(xué)者將三維人體掃描技術(shù)應(yīng)用在消防員的人體數(shù)據(jù)獲取上，通過人體數(shù)據(jù)分析對比男女體型，以便進行防護服的個性化優(yōu)化設(shè)計。如Park等[4]使用[TC]2三維掃描儀測試了消防員在3種下裝穿著下的數(shù)據(jù)，在400 多個測量點中，選定8 個下半身標(biāo)志作為分析對象導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并在男性和女性消防員之間進行比較。McQuerry[5]也通過三維人體掃描技術(shù)證實了身體測量中的性別差異。

圖1 三維人體測量處理流程Fig.1 3D body measurement processing flow

1.2.2 滅火防護服熱防護性

在火場環(huán)境中，熱量通過服裝和衣下空氣層傳遞到人體皮膚，因此有必要對滅火防護服的衣下空氣層進行研究，并與熱防護性建立聯(lián)系。Kim等[6]和Lee等[7]應(yīng)用三維掃描技術(shù)將衣下空氣層與預(yù)測燒傷關(guān)聯(lián)起來，以期提高滅火防護服的熱防護性。Song[8]測量不同尺寸防護服下的空氣層，發(fā)現(xiàn)防護服在高溫中暴露導(dǎo)致的收縮會使其熱防護性明顯降低。

三維人體掃描因準(zhǔn)確性、可重復(fù)性被視為測量衣下空氣層的最佳手段，但該方法目前大多用于測量人體穿著單層服裝時的衣下空氣層厚度。對于包括外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層的多層滅火防護服，衣下空氣層位于各層之間以及最內(nèi)層與人體體表之間[9]，需要更深入地探究其中的作用機制。

McQuerry等[10]將多層滅火防護服中的外層、防水層、隔熱層進行單獨或復(fù)合測試。由各層服裝體積或表面積減去裸體的體積或表面積，可以計算出該服裝與人體表面空氣層的體積和表面積。根據(jù)下式計算平均空氣層厚度：

式中：Agap是衣下空氣層的平均厚度，mm；Vairgap是服裝的體積減去裸體的體積，cm3，SAnude是人體模型的表面積，cm2。

衣下空氣層測定實驗通常在假人身上進行，國內(nèi)外學(xué)者借助圖形處理軟件使得結(jié)果更加客觀、可視、科學(xué)。如Mah等[11]使用三維人體掃描儀測量女性人體模型，通過Bersoft圖像處理軟件在人體截面自動生成以截面中心點為圓心的360°量角器，量化了滅火防護服衣下空氣層大小和分布。王云儀等[12]運用逆向工程軟件Geomagic Qualify比較三維掃描得到的裸體和著裝假人之間的差值，獲得假人不同部位衣下空氣層的厚度。

1.2.3 滅火防護服合體性

Ashdown等[13]首次將三維掃描技術(shù)用于服裝合體性的分析，使用三維掃描儀分別掃描受試者穿著合體內(nèi)衣和最合身尺寸的樣褲，由經(jīng)驗豐富的專家通過查看每個受試者的掃描圖像對樣褲的合體性進行打分。穿著個體體型、防護服號型和款式均會對滅火防護服的合體性造成影響。SON等[14]研究了連體款滅火防護服的合體性，通過三維掃描實驗發(fā)現(xiàn)隨著防護服號型的增大，后背和后腰部位的空隙明顯增大，但肩部、胸部、手臂等與防護服貼合的部位空隙變化不明顯。

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，一些處理軟件的應(yīng)用使服裝合體性的細(xì)微差異更加直觀和可量化。Izabela等[15]對穿著3種不同消防服套裝和對照組(僅穿內(nèi)衣、穿著普通T恤與短褲)時的消防員進行全身三維掃描(見圖2)，將結(jié)果導(dǎo)入到MeshLab_64 bit ver. 1.3.4 BETA中進一步處理。該軟件用于分析選定位置(如肩部、臀部和膝蓋)的橫截面，并能將多種著裝下選定位置的橫截面重疊比對。

圖2 5種穿著下的三維人體掃描圖像Fig.2 3D body scan images in five types of clothing

2 三維動作捕捉技術(shù)

2.1 三維動作捕捉技術(shù)概述

三維動作捕捉技術(shù)是一種可以準(zhǔn)確測量、記錄并處理物體運動軌跡數(shù)據(jù)的技術(shù)，設(shè)備系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理3部分組成[16]。

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分為光學(xué)動作捕捉儀和基于慣性傳感技術(shù)的動作捕捉儀[17]，二者原理(見圖3)不同。使用光學(xué)動作捕捉儀時，需要將具有反光功能的標(biāo)記點固定在身體各個定位點處，通過圍繞在人體周圍的攝像機對標(biāo)記點的運動進行記錄；使用基于慣性傳感技術(shù)的動作捕捉儀時，則只需要在定位點放置位置跟蹤傳感器，傳感器主要由三維磁力儀、三維線性加速計、三維速率陀螺儀3部分組成?；趹T性傳感技術(shù)的動作捕捉儀不使用光學(xué)反饋，因此服裝覆蓋傳感器也可以測量人體的運動，然而它對周圍環(huán)境的電磁場很敏感，并且在靠近強電磁場或金屬物體的空間中，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會降低[18]。

圖3 三維動作捕捉儀的原理圖Fig.3 Schematic diagram of two 3D motion capture devices

2.2 三維動作捕捉技術(shù)的應(yīng)用

作為在高溫環(huán)境下的特種防護服，消防員滅火防護服需具備良好的工效性，保證不對消防員作業(yè)造成阻礙。一項日本消防服的調(diào)查研究顯示[19]，消防員對滅火防護服及裝備的工效性表現(xiàn)出較高的需求。早期研究人員僅能依靠消防員的主觀感受評價滅火防護服的工效性，三維技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用使得滅火防護服工效性在客觀上得以量化，且其基于工效性的改進提高了消防員的作業(yè)效率。

關(guān)節(jié)活動范圍(ROM)定義為關(guān)節(jié)活動時所通過的運動弧或角度，是評價服裝工效性的重要指標(biāo)。三維動作捕捉技術(shù)結(jié)合生物力學(xué)分析軟件Visual 3D生成人體模型，導(dǎo)出需要的關(guān)節(jié)活動角度，關(guān)節(jié)活動角度最大值與最小值之差得到關(guān)節(jié)活動范圍，該方法能夠獲得滅火防護服結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)的改變給人體活動帶來的細(xì)微差異，并在滅火防護服的袖部設(shè)計上得到實踐[20]。

Son[21]關(guān)注到了貼身穿著的消防內(nèi)衣對消防員活動性的影響。受試者穿著不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的消防內(nèi)衣并穿戴全套消防裝備，所有的反光標(biāo)記點貼在滅火防護服上，使用光學(xué)動作捕捉儀測試5個動作下的肩、髖關(guān)節(jié)活動。而另一種無需依賴光線條件的位置跟蹤傳感器可穿戴于被測服裝內(nèi)層，減小服裝厚度與位移對測試結(jié)果的影響?；趹T性傳感技術(shù)的動作捕捉儀被用于研究消防員防護服和裝備對上半身[22]與下半身[23]活動的影響。

在現(xiàn)實救火場景中，消防員除穿著滅火防護服外，還必須穿戴消防頭盔、消防腰帶、消防手套、消防靴、空氣呼吸器(SCBA)等防護裝備，這些服裝與裝備共同作用于人體，產(chǎn)生一定影響。Park等[24]在這方面的研究較為深入且全面，其運用三維動作捕捉儀測量了佩戴SCBA后人體下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面和水平面的ROM變化，之后又研究了消防靴和SCBA尺寸對消防員活動性的影響。王詩潭等[25]同樣選擇使用三維動作捕捉儀測試SCBA不同肩帶長度下受試者跑步過程中骨盆和臀關(guān)節(jié)的活動角度，為中等身高消防員的SCBA肩帶長度設(shè)置提出建議。

研究報告顯示：肌肉骨骼損傷是美國消防員最常見的職業(yè)傷害，占全部受傷情況的一半以上，比燒傷、熱應(yīng)激和毒氣吸入更加嚴(yán)重[26]。Wang等[27]的調(diào)查結(jié)果同樣支持這一結(jié)論，肌肉骨骼損傷在中國和美國消防員群體中都很常見，且受傷部位與人體活動受限部位相一致。因此，通過三維動作捕捉儀測試消防員的關(guān)節(jié)活動情況，可以在一定程度上預(yù)測由個人防護裝備引起的消防員肌肉骨骼損傷。三維動作捕捉技術(shù)將滅火防護服的工效性評價提升到更科學(xué)、更人性的分析高度，從減少職業(yè)傷害的人本理念出發(fā)，為滅火防護服及裝備的設(shè)計提供更科學(xué)、合理的建議。

3 三維虛擬仿真技術(shù)

3.1 三維虛擬仿真技術(shù)概述

服裝三維虛擬仿真技術(shù)基于三維人體測量數(shù)據(jù)，結(jié)合人體體型、臉型、發(fā)型等個性化特征，構(gòu)建虛擬人體模型，實現(xiàn)設(shè)計者和穿著者協(xié)同設(shè)計，其意義不僅在于設(shè)計層面，更在于無需真人和實物即可從客觀上對服裝進行性能評價。在面料、結(jié)構(gòu)較為簡單的服裝上，已經(jīng)實現(xiàn)了三維虛擬下的壓力舒適性測試，如普通褲裝[28]、針織騎行服[29]、女性跑步針織上衣[30]。

三維虛擬仿真的優(yōu)點是無需制作樣衣就能直接在用戶端生成虛擬服裝，配合虛擬場景展示人體穿著的真實效果，有效縮短防護服的設(shè)計周期，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[31]。但目前三維虛擬仿真技術(shù)尚處于發(fā)展階段，具有一定局限性，無法完全實現(xiàn)所有類型服裝的虛擬仿真。

3.2 三維虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

在防護服的設(shè)計上，一直以來保持著傳統(tǒng)設(shè)計模式，即二維平面設(shè)計，三維虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用并不多見。金世婧等[32]介紹了一種適用于防護服結(jié)構(gòu)設(shè)計的CLO聯(lián)動技術(shù)，這項技術(shù)以Clostandalone軟件的虛擬仿真設(shè)計功能及動態(tài)展示技術(shù)與Maya、3dsMax、UGNX等軟件的綜合運用技術(shù)組成。

對防護服和裝備進行三維虛擬仿真設(shè)計，首先需要根據(jù)人體體型數(shù)據(jù)創(chuàng)建虛擬模特，再在軟件界面上安排平面版片，建立縫紉關(guān)系后制作立體服裝，調(diào)整面料參數(shù)，渲染細(xì)節(jié)，最后將在3dsMax或Maya等建模軟件中完成的配套裝備模型導(dǎo)入到場景中，獲得完整的虛擬模特穿著效果(見圖4)。CLO聯(lián)動技術(shù)中的壓力測試模塊可以獲得防護服在虛擬人體上的壓力分布情況，從而得到靜態(tài)和動態(tài)舒適性[32]。由于技術(shù)發(fā)展的限制，且滅火防護服材料復(fù)雜，難以完全虛擬仿真，目前未見有滅火防護裝備的三維虛擬設(shè)計與評價。

圖4 防護服三維虛擬仿真步驟Fig.4 Three-dimensional virtual simulation steps of protective clothing

4 服裝三維技術(shù)的發(fā)展趨勢

三維人體掃描、三維動作捕捉、三維虛擬仿真并不是3項孤立發(fā)展的技術(shù)，它們的應(yīng)用與拓展彼此依賴、相輔相成。3項服裝三維技術(shù)的常見分類、優(yōu)劣特點及應(yīng)用設(shè)備和軟件信息總結(jié)見表1。未來，滅火防護服的研究將與服裝三維技術(shù)息息相關(guān)，在人體測量、開發(fā)設(shè)計、評價預(yù)測等方面緊密結(jié)合。

表1 服裝三維技術(shù)Tab.1 Garment 3D Technology

4.1 消防員體型測量系統(tǒng)化

服裝號型系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是服裝合體性、舒適性的前提。職業(yè)消防員與一般人群體型存在一定差異，Hsiao等[33]收集美國不同地區(qū)男性和女性消防員的人體測量數(shù)據(jù)，通過測量和數(shù)據(jù)比對得到：男性消防員比美國一般男性重9.8 kg，女性消防員比美國一般女性高2.9 cm。為了制定個人防護服的尺寸參考，Robert等[34]應(yīng)用三維人體掃描測量了2 281 名印度男性的身體數(shù)據(jù)。防護服上裝和下裝分別以胸圍和臀圍為主要度量單位，設(shè)計了3 種服裝尺寸(即小型、中型和大型)，尺寸范圍間隔分別為4和6 cm。為了最大限度地覆蓋群體，小尺寸進一步分為XXS、XS、S，大尺寸進一步分為L、XL、XXL和XXXL。這些研究中獲得的數(shù)據(jù)為其對應(yīng)地區(qū)個體防護裝備的設(shè)計提供了有效、可用的人體數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)。

滅火防護服作為消防人員的特定職業(yè)防護服裝，應(yīng)聚焦消防作業(yè)人員體型數(shù)據(jù)，建立消防員體型數(shù)據(jù)庫，發(fā)展形成一套專門的號型系統(tǒng)。而目前，我國滅火防護服的尺寸設(shè)定參照一般服裝號型，沒有形成特定的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。消防員體型數(shù)據(jù)庫將作為三維虛擬人體建立的基礎(chǔ)，各地區(qū)也有必要根據(jù)當(dāng)?shù)伢w型特點為消防員開發(fā)一套特定的號型系統(tǒng)。

4.2 服裝發(fā)展性別差異化

女性消防員是不容忽視的一個群體，且女性消防員比例在不斷擴大，但是目前滅火防護服的設(shè)計主要迎合了男性的體型特征，女性消防員因穿著不合適的防護服而面臨更大傷亡風(fēng)險。

Mcquerry[5]通過三維人體掃描，從圖像上反饋了男女體型差異：男性的軀干呈方形，而女性的身體呈三角形，腰部較窄，臀部較寬。Park等[4]在研究中確定了女性消防員在穿著消防褲時引起不適的特定區(qū)域，表示與男性消防員相比，女性消防員穿著消防褲時的不合身性和不適感程度更高。針對男女體型差異，賴丹丹[35]根據(jù)女性體型特點對滅火防護服的款式進行改良，對肩部、胸部、袖長、袖窿、衣長、襠部等位置的不合體性做出調(diào)整，并對改良后的作業(yè)適應(yīng)性評價。

這些研究成果使消防從業(yè)人員和科研人員重視男女消防員體型差異，以制定并完善女性消防員的尺碼系統(tǒng)，為女性消防員滅火防護服的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4.3 服裝設(shè)計三維數(shù)字化

三維虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于服裝領(lǐng)域，它讓服裝設(shè)計實現(xiàn)了二維紙樣和三維模型的實時轉(zhuǎn)換，為產(chǎn)品設(shè)計帶來了極大的便利。這項技術(shù)目前存在一定局限性，在滅火防護服設(shè)計上的應(yīng)用較少，且防護服面料層數(shù)多而復(fù)雜，真實模擬難度大，給技術(shù)平臺和操作人員帶來了考驗。

三維虛擬仿真的前提是建立逼近真實的虛擬人體模型，這就對三維人體掃描技術(shù)提出了更高的要求。如果無法采集到準(zhǔn)確的人體數(shù)據(jù)，就難以建立與設(shè)計對象完全吻合的虛擬人體模型，也無法達到展示真實穿著樣貌的目的。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、制造技術(shù)的不斷發(fā)展，三維虛擬仿真技術(shù)也將被推上新的高地，逐步實現(xiàn)滅火防護服設(shè)計的三維數(shù)字化及產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用，為個性化設(shè)計創(chuàng)造有利條件。

4.4 服裝性能評價多元化

服裝三維技術(shù)的興起實現(xiàn)了從早期的主觀評價和簡單的客觀評價到如今的可視化、數(shù)字化評價的飛躍。滅火防護服的評價內(nèi)容、評價方法、評價指標(biāo)越來越多元化。

在實物層面，運用三維人體掃描技術(shù)測得的衣下空氣層來評估防護服熱防護性，測得的防護服與人體橫截面空隙來評價合體性；運用三維動作捕捉技術(shù)測試消防員真人穿著滅火防護服下的活動性能，用以評估防護服的工效性。在虛擬層面，運用三維虛擬仿真技術(shù)模擬真實穿戴場景，并使虛擬人體模型做出相應(yīng)動作，如救火中常見的走、跑、蹲、舉等，結(jié)合各技術(shù)模塊的運行，即可預(yù)測真人穿著時的多項性能。

5 結(jié)束語

本文總結(jié)了三維人體掃描、三維動作捕捉、三維虛擬仿真技術(shù)在滅火防護服研究中的應(yīng)用，未來消防員人體測量將更加系統(tǒng)化并區(qū)別男女的體型差異，防護服的設(shè)計將突破二維平面轉(zhuǎn)為全要素、全角度的三維數(shù)字化模式。同時，服裝三維技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也使滅火防護服的性能評價更加科學(xué)、合理，拓寬了結(jié)構(gòu)研究和效果驗證的新思路。

總體來說，服裝三維技術(shù)現(xiàn)在仍處于發(fā)展階段，尤其是針對滅火防護服這類功能性服裝，還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要得到進一步的研究與討論。提高數(shù)據(jù)精確度、運行速度、自動化程度等都將成為技術(shù)發(fā)展的重點。未來，三維技術(shù)更將為滅火防護服的設(shè)計開發(fā)和評價性能注入了科學(xué)、精確、省時省事的技術(shù)動力，擁有廣闊的應(yīng)用前景。