動(dòng)態(tài)人體尺寸的測量方法

王永進(jìn)

(1.北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029;2.361°－北京服裝學(xué)院高性能運(yùn)動(dòng)服裝設(shè)計(jì)研發(fā)中心，北京 100029)

服裝在沒有使用彈性面料之前，要滿足人體運(yùn)動(dòng)中皮膚和肌肉的拉伸變化，就必須在人體靜態(tài)尺寸的基礎(chǔ)上增加必要的松量［1－2］，以避免阻礙人體動(dòng)作，影響運(yùn)動(dòng)自由度。目前的傳統(tǒng)服裝松量設(shè)計(jì)，由于缺乏專業(yè)設(shè)備和科學(xué)方法來指導(dǎo)與完成測量運(yùn)動(dòng)中各特定時(shí)間點(diǎn)的人體尺寸，并與靜態(tài)尺寸相比來獲得尺寸變化，最終確定松量，因此大都采用經(jīng)驗(yàn)方法來直接設(shè)計(jì)松量。盡管傳統(tǒng)的方法對于一般服裝設(shè)計(jì)也許合適，但是對于高性能服裝中的松量設(shè)計(jì)卻存在很大的問題，比如專業(yè)速度滑冰比賽服或者航天員服裝等，其某些特殊部位的松量設(shè)計(jì)非常嚴(yán)格，如果不準(zhǔn)確往往會(huì)對運(yùn)動(dòng)成績產(chǎn)生很大的影響，甚至影響到人身安全。正因如此，利用傳統(tǒng)的人體測量法獲得人體靜態(tài)尺寸，探索動(dòng)態(tài)人體測量方法并獲得運(yùn)動(dòng)中相應(yīng)人體各尺寸最大值，利用相互對比獲得最大變化值，最終完成準(zhǔn)確的松量設(shè)計(jì)，對于高性能服裝設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

目前，手工皮尺和三維掃描方法是最為常見的人體尺寸采集手段，這些方法通常是依據(jù)人體生理特征和相關(guān)尺寸定義，在人體表面先確定1個(gè)或多個(gè)標(biāo)識點(diǎn)，然后利用皮尺或者三維掃描儀，通過這些標(biāo)識點(diǎn)來獲得尺寸數(shù)據(jù)［3－5］。從這些傳統(tǒng)測量方法中可以看出，測量過程必須是靜止?fàn)顟B(tài)，只有在靜止?fàn)顟B(tài)下，標(biāo)識點(diǎn)才能穩(wěn)定，測量才能進(jìn)行。然而，當(dāng)被測量者處于跑步等運(yùn)動(dòng)時(shí)，皮膚表面不斷拉伸或收縮，定義在皮膚表面的標(biāo)識點(diǎn)就呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，對于測量人員將無法確定這些標(biāo)識點(diǎn)準(zhǔn)確位置，此時(shí)繼續(xù)使用傳統(tǒng)的手工皮尺或三維掃描方法就無法獲得準(zhǔn)確人體尺寸，因此，對于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人體尺寸采集，采用手工皮尺或三維掃描測量方法是不合適的。為了能夠準(zhǔn)確測量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人體尺寸，了解人體尺寸變化，設(shè)計(jì)合適的服裝松量，本文提出一種探索性的動(dòng)態(tài)人體尺寸測量方法。

1 動(dòng)態(tài)人體尺寸測量的方法

在動(dòng)態(tài)人體尺寸測量中，最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是如何在運(yùn)動(dòng)中確定尺寸定義相應(yīng)的標(biāo)識點(diǎn)，一旦標(biāo)識點(diǎn)確定后，空間坐標(biāo)位置也就能確定，進(jìn)而相應(yīng)尺寸可以通過合適計(jì)算方法，如貝塞爾曲線計(jì)算方法［6］等，來完成數(shù)值計(jì)算與尺寸確定。而解決動(dòng)態(tài)下體表標(biāo)識點(diǎn)的位置確定問題，就必須借助相應(yīng)設(shè)備來完成運(yùn)動(dòng)過程中的標(biāo)識點(diǎn)抓捕。目前，成熟的動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)技術(shù)將可以幫助實(shí)現(xiàn)標(biāo)識點(diǎn)的準(zhǔn)確抓捕，這就為探索性地建立動(dòng)態(tài)人體尺寸測量方法提供了研究基礎(chǔ)。

1.1 動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)

目前已經(jīng)研發(fā)了多種動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)，利用這些系統(tǒng)能準(zhǔn)確記錄動(dòng)態(tài)下人體運(yùn)動(dòng)過程和身體運(yùn)動(dòng)體征，并已廣泛應(yīng)用到人體康復(fù)以及動(dòng)畫設(shè)計(jì)等領(lǐng)域［7］，其基本功能原理是采用光學(xué)系統(tǒng)來捕獲精確的人體運(yùn)動(dòng)，即利用反光小球在人體指定部位進(jìn)行固定，然后利用其反光的特點(diǎn)，采用照相設(shè)備來抓捕人體運(yùn)動(dòng)中小球運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用設(shè)備自帶的軟件來定義各個(gè)點(diǎn)和計(jì)算其在特定時(shí)間點(diǎn)的位置以及某一時(shí)間段的軌跡變化，最終獲得每個(gè)點(diǎn)的變化特點(diǎn)和人體運(yùn)動(dòng)特征。動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)通常由硬件和軟件構(gòu)成。如圖1所示，硬件部分包括具有反光功能的小球、照相系統(tǒng)、控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［8］，其中將反光小球固定在體表作為標(biāo)識點(diǎn)，由于其具有反光功能，可以被照相系統(tǒng)抓捕;照相系統(tǒng)與控制器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)形成一個(gè)整體，來為標(biāo)識點(diǎn)抓捕以及后續(xù)定義、計(jì)算獲取數(shù)據(jù)等服務(wù)提供平臺。軟件部分通常除了常規(guī)運(yùn)行系統(tǒng)外，不同系統(tǒng)都開發(fā)安裝了功能相似的抓捕分析軟件，其功能主要包括:1)運(yùn)動(dòng)中標(biāo)識點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位置與軌跡抓捕;2)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn);3)人體特定結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特征創(chuàng)建與分析［9］。

圖1 動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)硬件組成Fig.1 Hardware system of Vicon body motion analysis system.(a)Marker;(b)Camera;(c)Controller;(d)Computer

1.2 動(dòng)態(tài)人體尺寸測量方法

在動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)中，一旦反光小球按照人體尺寸的定義來確定其固定位置，比如袖長尺寸由肩端點(diǎn)、肘關(guān)節(jié)凸點(diǎn)和腕關(guān)節(jié)凸點(diǎn)3個(gè)點(diǎn)連線長度確定，測量袖長所需要的反光小球就固定在相應(yīng)3個(gè)點(diǎn)上，同時(shí)利用照相設(shè)備本身具備的在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下抓捕各個(gè)反光點(diǎn)位置的功能，這就能夠?yàn)楹笃谟?jì)算獲得人體運(yùn)動(dòng)中的尺寸，如袖長等，提供了技術(shù)平臺，因此動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)具備了測量人體運(yùn)動(dòng)尺寸的技術(shù)條件與功能。

具體測量方法包括:1)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的人體尺寸測量定義，將具有反光功能的小球(通常直徑為0.8～1.2cm)固定在被測量者的體表指定位置作為標(biāo)識點(diǎn);2)測量前完成系統(tǒng)調(diào)校，主要完成被測量者位置、照相機(jī)位置以及驗(yàn)證 x，y和 z三維空間系統(tǒng)準(zhǔn)確度;3)被測量者完成設(shè)計(jì)動(dòng)作，利用系統(tǒng)的照相系統(tǒng)來開展反光標(biāo)識點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位置抓捕，并存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù);4)利用分析系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)提取;5)一旦規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)的標(biāo)識點(diǎn)空間位置數(shù)據(jù)被提取，通過貝塞爾曲線計(jì)算方法來計(jì)算不同尺寸數(shù)值;6)最終，獲取特定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)人體尺寸，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的變化特征被呈現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)人體尺寸測量方法的準(zhǔn)確度和實(shí)用性，開展4個(gè)不同實(shí)驗(yàn):1)運(yùn)用三維掃描方法對靜態(tài)下的人體尺寸進(jìn)行測量;2)利用動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)對靜態(tài)下的人體尺寸進(jìn)行測量;3)運(yùn)用手工皮尺方法對特定姿態(tài)下的人體尺寸進(jìn)行測量;4)利用動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)對跑步狀態(tài)下的人體尺寸進(jìn)行測量。

2.1 實(shí)驗(yàn)對象

為保證實(shí)驗(yàn)對象的相似性，10名來自北京服裝學(xué)院大學(xué)三年級男生被招募參與實(shí)驗(yàn)，其年齡在22～23歲之間，身高在170～175cm之間，BMI(人體質(zhì)量指數(shù))在21～23之間。實(shí)驗(yàn)前，整個(gè)實(shí)驗(yàn)方法、要求與目的將告知被測量者，并獲得其同意。

2.2 人體尺寸與標(biāo)識點(diǎn)定義

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑴y量25個(gè)人體尺寸，這些尺寸包括14個(gè)圍度尺寸、8個(gè)長度尺寸以及3個(gè)寬度尺寸。為了測量跑步狀態(tài)下的這25個(gè)尺寸，根據(jù)ISO 8559—1989《服裝結(jié)構(gòu)和人體測量》定義標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)每個(gè)尺寸相應(yīng)的生理標(biāo)識點(diǎn)，將74個(gè)直徑為0.8 cm同時(shí)具有反光功能的小球固定在這些生理標(biāo)識點(diǎn)，作為運(yùn)動(dòng)過程中的抓捕標(biāo)識點(diǎn)，具體參見圖2所示的人體皮膚表面的反光小球位置。

圖2 人體皮膚表面的反光小球位置Fig.2 Marker locations on body skin.(a)Front;(b)Side;(c)Back;(d)Leg

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

除了傳統(tǒng)手工皮尺用于不同姿態(tài)下的人體尺寸采集外，用三維掃描系統(tǒng)(TC2)采集人體靜態(tài)尺寸，在其他2個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)(VICON 8.0)和跑步機(jī)(Star-Trac)。

2.4 實(shí)驗(yàn)場地

所有實(shí)驗(yàn)均在室溫為24℃，相對濕度為65%，且風(fēng)速小于0.1 m/s實(shí)驗(yàn)室中完成，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前，要求被測量者在實(shí)驗(yàn)室坐姿休息10min，適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。然后，被測量者進(jìn)入三維掃描箱內(nèi)完成靜態(tài)人體尺寸采集;掃描結(jié)束后，利用皮尺方法完成指定10個(gè)姿態(tài)(包括:曲臂、彎腰、后仰、向上舉臂、水平抬臂、向前抬臂、向后抬臂、曲膝抬腿、前踢腿和后踢腿)下的同樣尺寸測量，這些特定姿態(tài)是構(gòu)成人體運(yùn)動(dòng)所必需的動(dòng)作［10］，具體特定姿態(tài)參見圖3。

在手工和三維掃描測量完成后，同一被測量者休息10min，然后將74個(gè)反光小球固定在指定生理點(diǎn)上，然后被測量者靜止站立在跑步機(jī)上。在調(diào)校完設(shè)備后，每間隔10s，抓捕靜止?fàn)顟B(tài)下的體表標(biāo)識點(diǎn)的位置。最后要求被測量者在跑步機(jī)上按照10km/h的速度進(jìn)行跑步，利用設(shè)備抓捕跑步后5 min內(nèi)，每間隔10s的標(biāo)識點(diǎn)位置，結(jié)果參見圖4。最后利用動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)提取數(shù)值，并利用貝塞爾曲線計(jì)算方法來計(jì)算每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)上的人體尺寸，最終獲得靜止和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的人體尺寸，并計(jì)算出跑步狀態(tài)下的各個(gè)尺寸的最大變化值。

圖3 不同的特定人體姿態(tài)Fig.3 Different special body postures.(a)Bending elbow;(b)Lifting arm upward;(c)Lifting arm horizontally;(d)Lifting arm forward;(e)Lifting arm backward;(f)Bending waist forward;(g)Bending waist backward;(h)Lifting leg and bending knee;(i)Lifting leg forward;(j)Lifting leg backward

圖4 動(dòng)態(tài)人體尺寸測量Fig.4 Body anthropometry in running state

2.6 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與動(dòng)態(tài)人體測量方法評價(jià)

在獲取相關(guān)人體尺寸及其變化數(shù)值的基礎(chǔ)上，通過對比檢驗(yàn)2種方法獲取的數(shù)據(jù)和變化值，可以驗(yàn)證三維掃描和人體動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)2種方法獲得靜態(tài)人體尺寸相互之間的差異性，以及手工皮尺方法和動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)獲得的動(dòng)(姿)態(tài)下人體尺寸變化的差異性，最終判斷動(dòng)態(tài)人體尺寸測量方法的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)人體尺寸

通過三維掃描以及人體抓捕2種方法，獲得所有被測量者的25個(gè)人體尺寸，其數(shù)據(jù)T檢驗(yàn)結(jié)果參見表1。從表中可以看出:S代表的是三維掃描方法獲得的人體尺寸，而B代表的是動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)方法獲得的相應(yīng)部位尺寸。2種方法獲的相同部位尺寸的變化值范圍在－0.11～－1.03cm之間，這意味著通過人體動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)方法獲得的人體尺寸比三維掃描方法獲得的數(shù)值要大。其中，臀圍差距最大(－1.03cm)，而立襠深的變化值最小(－0.11cm)。此外，2種方法獲得的人體尺寸數(shù)據(jù)其T檢驗(yàn)結(jié)果中的 p值均大于0.05，這就意味著三維掃描和人體動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)2種方法獲得的靜態(tài)人體尺寸，其相互之間的差異性不明顯，這表明利用動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)獲得的靜態(tài)人體尺寸盡管與三維掃描結(jié)果之間有差異，但是仍然是準(zhǔn)確而可信的，因此這種方法對于靜態(tài)人體尺寸采集具有一定實(shí)用性。

3.2 特定姿態(tài)和跑步狀態(tài)下人體尺寸變化

對于動(dòng)態(tài)人體測量以及服裝設(shè)計(jì)來講，了解動(dòng)態(tài)下的人體尺寸變化是最為重要的，它是服裝松量設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此，在本文研究中首先對采用手工皮尺方法測量到的特定姿態(tài)下人體尺寸，通過與三維掃描結(jié)果作對比，計(jì)算和分析其尺寸變化，參見表2中的M值;然后，對利用動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)測量到的特定時(shí)段動(dòng)態(tài)人體尺寸，通過與動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)測量的靜態(tài)人體尺寸對比，分析與了解人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的尺寸變化，參見表2中的B'值。根據(jù)獲取的變化值，T檢驗(yàn)方法繼續(xù)被用來檢驗(yàn)2種方法的差異性，其結(jié)果見表2。

從表2可以看出，2種方法對頸圍、腕圍和腳踝圍這3個(gè)尺寸的測量結(jié)果為0.00cm，表明這3個(gè)部位的尺寸在動(dòng)態(tài)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程中沒有變化。對于其他22個(gè)人體尺寸，9個(gè)人體尺寸的 p值都小于0.05，包括胸圍、腰圍、小腿圍、肩寬及前、后腰長等，這就意味著特定姿態(tài)下的這些部位尺寸變化，與動(dòng)態(tài)下的這些部位尺寸變化相比，有著明顯的不同。盡管不同，但從表中數(shù)值仍然可以看出相似變化特點(diǎn)，那就是動(dòng)態(tài)下的變化都小于特定姿態(tài)下的變化值，分析原因，通過對比人體跑步中的姿態(tài)以及特定姿態(tài)，可以看出，特定姿態(tài)下的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度往往都是人體運(yùn)動(dòng)最大角度，而在跑步中往往是達(dá)不到這種姿態(tài)的，因此，人體運(yùn)動(dòng)下的尺寸變化的確應(yīng)當(dāng)小于特定姿態(tài)下的變化。由此可以看出，人體運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)抓捕到的動(dòng)態(tài)人體尺寸及其變化值是符合運(yùn)動(dòng)下人體運(yùn)動(dòng)尺寸變化特點(diǎn)的，進(jìn)而說明該方法是適合運(yùn)用到動(dòng)態(tài)人體尺寸測量的。此外，余下的13個(gè)尺寸的p值都大于0.05，這說明在這13個(gè)部位中，盡管有些部位的對比值(M－B')為負(fù)值，但是二者之間差異性是不大的，這意味著2種方法獲得的人體尺寸變化值是相似的。根據(jù)這些分析結(jié)果，可以判斷這種基于動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)尺寸測量方法，對于人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的尺寸采集是有效而可信的。

表1 靜態(tài)人體尺寸的對比Tab.1 Comparison of measurement results in static state

表2 特定姿態(tài)和跑步狀態(tài)下的人體尺寸變化對比Tab.2 Comparison of body measurement variations in dynamic postures and running state

4 動(dòng)態(tài)人體測量方法的不足與改進(jìn)

基于動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)建立的動(dòng)態(tài)人體測量方法，有助于解決困擾動(dòng)態(tài)人體尺寸測量中一直存在的標(biāo)識點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中不穩(wěn)定和不確定的問題，可以充分利用系統(tǒng)的照相系統(tǒng)獲得靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下固定在各個(gè)人體尺寸構(gòu)成點(diǎn)上的反光點(diǎn)位置，最終計(jì)算獲得人體尺寸。通過與傳統(tǒng)的皮尺測量和三維掃描結(jié)果對比，獲得結(jié)果具有一定的相似性，因此該方法具備人體靜動(dòng)態(tài)測量的基本技術(shù)條件和能力，能幫助測量人員了解靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)中的人體尺寸與變化。但是，也要看到這種方法還存在一些不足，具體表現(xiàn)為:首先，目前測量時(shí)使用的球狀標(biāo)記物，其直徑仍然偏大，這勢必會(huì)造成獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受到影響;其次是測量時(shí)需要大量標(biāo)記點(diǎn)，計(jì)算并獲取人體尺寸需要時(shí)間比較長;還有就是測試需要相應(yīng)比較大的設(shè)備和場地，而且對測量人員的技術(shù)水平要求較高。但是，作為一種探索性方法，通過對這些環(huán)節(jié)的改進(jìn)，比如抓捕反光小球的直徑更小和系統(tǒng)更加集成化，動(dòng)態(tài)人體尺寸的采集方法必將最終成熟起來，并能很好地運(yùn)用到動(dòng)態(tài)人體測量中，同時(shí)這種方法也是對未來人體動(dòng)態(tài)測量技術(shù)與方法發(fā)展方向的指引。

5 結(jié)論

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果可以表明，基于動(dòng)態(tài)人體分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)人體測量方法對于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人體尺寸采集具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。盡管受到反光點(diǎn)大小等局限和影響，利用這種方法仍然可以測量人體運(yùn)動(dòng)過程中特定時(shí)間和特定姿態(tài)下的尺寸，并掌握其變化特征，進(jìn)而快速準(zhǔn)確地獲得人體尺寸最大變化值，設(shè)計(jì)服裝松量尺寸，完成特定部位的合體度設(shè)計(jì)，滿足服裝運(yùn)動(dòng)自由度并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能。此外，作為一種動(dòng)態(tài)人體測量方法的探索性研究，將對未來動(dòng)態(tài)人體測量方法設(shè)計(jì)與發(fā)展起著較好的指引作用。

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