基于騎行動作骨骼肌仿真的女性下肢皮膚形變表征

駱順華，張 健

(1.山東工藝美術學院 服裝學院，山東 濟南 250300;2.東華大學 服裝·藝術學院，上海 200051;3.上海硅步科學儀器有限公司，上海 201101)

高彈性緊身運動功能性服裝結構是由人體靜態形體和動態變化共同決定的，運動中體表皮膚變化對運動服裝松量設計和功能設計影響最顯著［1－2］。國內對于人體骨骼肌活動、皮膚形變與服裝運動功能性之間關系的研究起步較晚，已有騎行運動骨骼肌的研究僅關注于騎行運動訓練中如何科學地保護人體免受傷害，高彈性緊身騎行服裝結構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構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，探究騎行運動下大腿部骨骼肌活動與皮膚形變規律，為后續騎行褲設計與改良提供科學的可參考理論依據。

騎行運動中主要是下肢活動量大，因此騎行運動皮膚形變的研究重點放在大腿部。計算騎行周期動作每一幀的皮膚形變不太現實也沒必要，在了解騎行周期動作運動規律基礎上，只需合理選擇騎行周期動作中影響皮膚形變的關鍵幀。而大腿部位的皮膚形變與骨骼肌活動關系密切，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來解決這一問題，這也是選擇關鍵幀的依據所在。

皮膚形變測量方法多樣，常用方法有體表描線法［1］、網格法、石膏法等，且已有皮膚形變研究多為日常動作，張華玲等［3］的連體褲設計采用體表描線法計算日常基本動作皮膚形變;周捷等［4］通過做網格線計算女性上體日常動作下的皮膚形變，為文胸設計提供理論基礎;王紅歌等［5］研究彈性女褲動態松量時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、圓點按印法和特征線法對男子下肢動態皮膚變化從橫、縱、斜3個方向做了詳細討論。由于動態皮膚測量的繁瑣和工作量問題，體表描線和網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一步研究以及不能獲取形變后的平面展開圖，而高性能運動服裝在松量設計上要求較為準確把握每個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、操作困難、石膏干燥時間長讓受試者難以承受的缺點，且涂抹石膏后的繃帶是硬物質，所能拓印的動作與部位受人體活動限制。針對功能性運動服裝的動態皮膚形變研究較少，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，準確性低，計算復雜，適應性較差。基于此，本文設計了一種凝膠網格拓印新方法，獲取了騎行動作下的人體皮膚形變。

1 騎行動作建模仿真

人體運動仿真是利用計算機模擬自然真實人體運動過程，首先建立人體計算機模型，通過在給定約束條件下仿真計算虛擬人自然真實的物理運動過程，并在計算機生成的虛擬環境中以三維圖形方式逼真呈現該運動過程［10］。騎行動作實驗采用人體建模仿真系統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特征。

1.1 騎行仿真實驗方案

為分析騎行運動中人體腿部骨骼肌活動，實驗采用仿真軟件中標準人體骨骼肌模型，通過調整人體模型函數與實驗對象取得一致性，依據人體特征數據(如身高、體重、上肢長度、下肢長度)修改參數，骨骼肌物理特征、脊柱彎曲角度等體幾何參數，建立與動作捕捉實驗對象相符的骨骼肌模型，并導入系統已建好的自行車模型，經過人體模型的軀干固定在鞍座上、連接腳與踏板、設定腳踝角度、固定膝關節橫向位置、設定自行車模型騎行轉速、阻力以及驅動踏板等步驟實現2個模型合體的騎行動作仿真。

建立人體騎行動作模型后，驅動該模型需要將動作捕捉得到的運動學C3D(儲存捕捉三維動作的一種文件格式)文件導入仿真系統，驅動之前需要將文件中36個標識點與人體模型骨骼上的特征點對應，然后得到人體騎行運動下肢仿真圖、肌肉激活程度、關節力矩、肌肉力與肌肉拉伸等生物力學數據。

1.2 實驗結果及分析

人體騎行運動仿真得到1個運動周期(0.75 s)腿部肌肉(股外側肌、股直肌、股內側肌、股中肌、股二頭肌和半腱肌)激活程度曲線圖，結果如圖1所示。

圖1 騎行運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肌、股直肌、股內側肌和股中肌，因為這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個角度對肌肉群的平均激活程度進行計算，統計得到肌肉激活程度的最大值和最小值及其所在的關鍵幀時刻位置。依據上述肌肉群激活程度臨界值所對應的騎行動作幀與騎行仿真模擬周期中人體骨骼關節的活動范圍，篩選5個關鍵幀進行腿部皮膚形變實驗，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 騎行運動中關鍵幀Fig.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 大腿部皮膚形變實驗

凝膠網格拓印直接準確獲取人體任何動作的皮膚形變圖，并基于圖形像素技術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致的皮膚變形誤差，不適感低，而且操作程序簡單、快捷及準確，提高了工作效率。綜合考慮皮膚形變測量的準確性、可操作性與計算的簡便性，擬采用凝膠網格拓印的方法來獲取騎行動作關鍵幀的皮膚形變，并采用圖形像素計算面積分析皮膚形變量。

2.1 實驗方案

實驗對5個關鍵幀的大腿部皮膚形變拓印，計算出騎行運動過程中大腿部表面各區域的形變規律。實驗以大轉子處水平線與大腿的夾角α和髕骨為圓心點的大腿與小腿夾角β來確定皮膚形變動作姿勢，腿部關節夾角如圖3所示。因為在騎行過程中，大轉子和髕骨關節是下肢骨骼活動的軸心，這2個角度可確保實驗過程中模擬動作與實際動作的一致性。

2.1.1 實驗工具

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 實驗對象

挑選5名22～25歲，身高在165～168 cm，BMI(body mass index，體質指數)為20～25 kg/m2;的女性專業騎行運動愛好者，作為實驗對象。

圖3 腿部關節夾角Fig.3 Angles of leg joints

2.1.3 實驗過程

實驗步驟如下:1)室內環境調整到人體舒適范圍內，受試者穿著修改結構后的內衣在室內休息5 min以適應實驗環境;2)受試者靜態站立，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)用眉筆畫3 cm×3 cm左右的網格，網格分布如圖4所示;3)將凝膠從腰部開始均勻涂抹在大腿部位，用吹風機加速凝固速度，待凝膠物質凝固成型后，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，再從臀部和會陰點下方的橫向網格線水平剪開，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來固定騎行時的姿勢，實驗對象固定該姿勢，重復上述拓樣過程;5)將拓印得到的膜樣本小心剝離下來，用剪刀按網格線剪開并按照圖4進行編號，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獲取單元網格像素數及分辨率后計算網格面積。

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

2.2 下肢皮膚形變分析

通過對實驗得到的5個實驗對象掃描網格圖片進行像素計算并與靜立時網格面積進行比較，得到5個實驗對象、5個動作下單元網格的皮膚變形率，計算公式為

式中:Ri為單元格皮膚變形率，%;Si為5個騎行動作關鍵幀的單元網格面積，cm2;S0為靜態站立下單元網格面積，cm2。

將缺失和有顯著差異性的數據剔除。5個動作下大腿部皮膚單元網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可發現:5個關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，圖中圓圈是缺失數據位置，實際沒有線)，說明騎行周期運動過程中，總體上每個區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區域的皮膚總體呈拉伸狀態，根據圖4顯示這部分區域屬于人體臀部，臀部在騎行動作下始終處于拉伸狀態，而且曲線圖顯示臀部的拉伸變化與騎行動作姿勢相關性很大;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，體現夾角α對腿部皮膚形變影響較大;5個動作下的臀部C7～C8與D7～D8區域在騎行過程中拉伸量最大，分別為58.01%、45.36%，這塊區域位于人體站立時的臀褶區域，而騎行姿勢是人體整體向前彎曲近似成C字形，因此測量結果驗證與姿勢是一致的;從 K3～K4、L4～L6、M5～M6到 N6～N7區域這一靠近腹股溝區域在騎行運動中皮膚收縮逐漸增大，最大收縮率達到－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，主要因為膝蓋彎曲導致髕骨周圍皮膚拉伸。

3 結論

通過分析各網格區域皮膚面積變化數據發現，不同區域皮膚拉伸形變差異較大，因此后續騎行褲功能性研究中關注大腿皮膚形變因素是非常必要的。女性下肢皮膚形變規律如下:臀部區域的皮膚整體是拉伸變形，臀褶區域拉伸率最大達到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域皮膚收縮逐漸增大，收縮率達到50%左右;大腿前部皮膚形變比大腿后部皮膚形變量小。經實驗驗證，對人體騎行運動進行仿真模擬獲取了骨骼肌的活動規律，從而發現騎行過程中皮膚形變的5個關鍵位置，大大簡化了皮膚形變實驗，而皮膚形變率采用圖形像素的計算方法同樣加快了數據的處理速度和準確性，凝膠拓印法獲取皮膚形變的可操作性比石膏法強，且與描線法、網格法相比誤差小，前面2種方法也無法獲取皮膚面積的變化。

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