運動捕捉技術在運動服裝研發中的應用

邢夢迪，劉 莉

(北京服裝學院，北京 100029)

運動捕捉技術在運動服裝研發中的應用

邢夢迪，劉 莉

(北京服裝學院，北京 100029)

運動捕捉技術是記錄物體在三維空間中的運動軌跡并獲取其運動參數的一種方法。在運動服裝的研發中，運動捕捉技術具有對動作束縛小、采樣速率高等優點。文章主要從運動評估和產品設計兩個方面探討了其在運動服裝研發中的應用，認為運動捕捉技術是研發功能性服裝的一種有效手段，尤其對研究動態人體尺寸和服裝尺寸有重要意義。

運動捕捉技術；運動服裝設計；動態人體尺寸

由于運動過程的復雜性，有效且簡潔地捕捉人體運動過程比較困難，因此之前對運動服裝的研究大多是靜態研究，而運動捕捉技術能夠跟蹤、記錄物體的運動過程，結合生物力學則能揭示運動狀態對人體各部位產生的影響，目前對運動服裝的動態研究很好地解決了運動過程中服裝對人體的束縛問題，使其能夠更好地滿足人體的運動需求[1]。

1 運動捕捉技術概述

運動捕捉技術最初是由心理學家Johansson在實驗中提出，后經過學者的不斷完善，運動捕捉技術取得較快發展，并在運動評估、產品設計等方面得到廣泛應用[2]。

1.1 運動捕捉系統的組成

運動捕捉主要是對物體在三維空間中的運動進行記錄，通過獲取其速度、位置等參數的信息，進而對運動軌跡進行模擬。典型的運動捕捉系統一般由傳感器、信號捕捉設備、數據傳輸設備、數據處理設備等四個部分組成[3-4]，如圖1所示。

1.2 運動捕捉系統的分類

運動捕捉系統的分類方式主要有以下幾種：從捕捉部位劃分，可分為全身運動捕捉和細節運動捕捉；從實時性劃分，可分為實時捕捉和非實時捕捉；從技術原理劃分，可分為機械式運動捕捉、聲學式運動捕捉、電磁式運動捕捉、光學式運動捕捉[5]，詳見表1。

由于運動過程的復雜性，研發運動服裝就要求捕捉系統能夠使設備對運動的束縛最小化并適用于多數運動(跑步、網球等)，因此光學式運動捕捉系統憑借其優勢在此方面應用廣泛。

圖1 運動捕捉系統工作原理

運動捕捉技術系統組成優點缺點機械式關節、剛性連桿、角度傳感器(安裝在各個關節處)。對環境限制較小；捕捉精度較高；數據處理量較小；可同時捕捉多個對象。對動作限制較大，使用不便。電磁式電磁發射源、接收傳感器、數據處理單元。技術成熟，成本低廉；可實時捕捉。對高速運動不太適用；不能對多個對象進行捕捉；對環境要求嚴格，不能存在強磁場和金屬物質。聲學式超聲波產生器、接收器、處理單元。穿透性很好，能解決人體的遮擋問題；價格低廉。捕捉有較大延遲性；精度不高；聲波傳輸的干擾因素多。光學式標記點、攝像機、數據處理設備。對動作束縛小；采樣速率較高。系統整體造價高昂；對環境要求較高；后期處理成本大。

2 運動捕捉技術在運動評估中的應用

由于運動捕捉技術可以捕捉運動員的動作并對其進行量化分析，進而幫助運動員進行訓練，因而其在體育運動中的應用較為廣泛[6]，主要從皮膚、肌肉、骨骼3個方面對捕捉的數據進行分析。

在人體運動過程中，皮膚具有很強的跟隨性，其伸縮性與其在運動時產生的滑移可使皮膚更好地參與人體的運動[7]。張云[8]、嚴雅潔[9]對進行高爾夫運動的人體進行捕捉，得到運動員肩部、手臂、腋下、背部等部位皮膚的伸縮趨勢，有助于了解皮膚伸縮對服裝松量、結構線設計等的影響。

骨骼肌的伸縮有效地控制著身體各部位的運動[10]。肖強懋[11]通過捕捉系統對高爾夫球手原動肌群的肌肉力量與全揮桿線速度進行了相關性分析。實驗表明，隨著技術水平的提高，原動肌群肌肉力量呈現逐步增強的趨勢，發現了肌肉力量對運動員成績的重要影響，為增加肌肉力量的緊身服設計提供了重要指導。

在人體運動系統中，骨骼起著運動杠桿的作用。蘇云[12]、李淑媛[13]運用運動捕捉系統對不同水平的高爾夫運動員全揮桿動作進行對比，得到了運動員在全揮桿過程中各部位(膝角、軀干角、肘角等)的角度參數，有助于設計出符合人體工學的高爾夫運動服。

3 運動捕捉技術在運動服裝設計中的應用現狀

人體在不同姿態時某一部位的變化對服裝制作是非常重要的，根據這些變化量，可以得到該部位的舒適量并將其應用到服裝結構設計中。

各種動態動作下人體體表皮膚形變是服裝松量與結構設計的理論基礎，對功能性運動服裝的研發更為重要。羅蘭等[14]利用運動捕捉和皮膚拓樣的方式對人體騎行動作的腿部皮膚形變進行研究，得到腿部各部位的皮膚拉伸形變趨勢，基于此得出在進行騎行褲分割線設計時需參考的腿部皮膚形變規律。嚴雅潔[9]在對進行高爾夫球運動的人體捕捉后，根據運動員的皮膚拉伸規律為高爾夫球服的設計提供了意見，比如應適當縮短肩線，左右兩側可進行不對稱設計，服裝分割線設計則可參考高爾夫揮桿姿態時皮膚伸縮變化，背部不應采用肩育克設計等。

肌肉活動是在中樞神經系統控制下的一種復雜運動，肌肉收縮時會使血流受阻，使肌肉乳酸積累，導致運動單位傳導速度降低，有研究表明緊身壓力服可以提高運動員的競技水平并幫助運動員增加力量、加速血液循環并緩解疲勞[15-16]。因此，洛順華等[17-18]對人體騎行動作進行捕捉實驗以獲取人體在騎行運動中下肢骨骼肌的運動規律，在此基礎上進行骨骼肌仿真，并結合測量點的壓力變化分析得到騎行過程中下肢動態壓力變化規律。數據分析表明，測量點動態壓力隨樣褲松量遞減而線性增加，研究結果為研究騎行褲不同部位的松量設計提供理論基礎，以改善騎行褲舒適性與運動性能。

服裝作為人體的第二皮膚，其舒適性很大程度會影響人們的生理和心理感受[19]。汪世奎等[20]對高爾夫運動時的人體各部位進行捕捉，根據人體5大區域的熱濕舒適性分布和所選的8種面料的熱濕傳遞性能，通過配比拼接的方式對夏季高爾夫服裝的熱濕舒適性進行研究。此研究為夏季高爾夫服裝材料的選用提供了參考，有助于制作更符合熱濕舒適性的服裝。

在當前的運動研究中，運動不當或運動量過大等帶來的運動損傷已經不容忽視，因此對運動防護產品的開發很有必要。為了緩解長跑過程中的肌肉疲勞并保護膝關節，研究者設計了長、短兩款功能褲，通過束帶和魔術貼的結合以及可調節性綁帶的應用，不僅提高了功能褲的使用靈活性又增強了其保護作用，并且可將實驗得到的防護參數用于防護褲的面料選擇，并結合面料的彈性進行結構設計進而優化防護褲[21-22]。

4 結語

本文主要從運動捕捉技術和產品設計方面入手，描述了運動姿態和服裝之間的聯系。服裝設計應從生物力學和運動力學的原理出發，對捕捉到的運動參數進行模擬，從而構建一套從動態測量到運動產品開發的新思路，并針對特定的運動研發設計功能性服裝。隨著運動捕捉技術的不斷發展，運動捕捉技術與高性能運動裝的結合會更加緊密。

[1] 吳旭波.基于生物力學的防護性網球運動服裝的研究[D].上海：上海工程技術大學，2014.

[2] 向澤銳，支錦亦，徐伯初，等.運動捕捉技術及其應用研究綜述[J].計算機應用研究，2013，30(8)：2241—2245.

[3] 李明宇，趙亮，姜軍.動作捕捉技術應用研究調查報告[J].科技信息，2011，(36)：471.

[4] 馮利正，陳健.運動捕捉技術在體育運動中的應用[J].杭州師范學院學報(醫學版)，2005，(5)：24—27.

[5] 付全，趙慧勤，吳壯志.運動捕捉技術在體育運動仿真中的應用[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2013，29(5)：81—84.

[6] 張天良，王曉華.運動捕捉技術在體育運動中的應用[J].電子測試，2015，(24)：103—104.

[7] 張文斌，方方．服裝人體工效學[M]．上海：東華大學出版社，2013.

[8] 張云.基于人體工效學的高爾夫服裝熱濕舒適性研究[D].上海：上海工程技術大學，2011.

[9] 嚴雅潔.高爾夫全揮桿動作人體軀干皮膚形變研究[D].北京：北京服裝學院，2015.

[10] 三吉滿智子．服裝造型學(理論篇)[M]．北京：中國紡織出版社，2008.

[11] 肖強懋.高爾夫球手1號木桿頭線速與其核心區原動肌群力量的相關性研究[D].杭州：杭州師范大學，2015.

[12] 蘇云.優秀與普通高爾夫者全揮桿動作的對比研究[D].杭州：杭州師范大學，2015.

[13] 李淑媛.高爾夫球手全揮桿技術特征及其相關身體素質特征的研究[D].北京：北京體育大學，2012.

[14] 羅蘭，王建萍.基于人體動作捕捉的騎行運動腿部皮膚形變研究[J].浙江紡織服裝職業技術學院學報，2014，13(4)：39—43.

[15] 楊素云.羽毛球運動三維人體運動分析及其應用研究[D].上海：東華大學，2016.

[16] 任雙佳.競技運動服功能性研究進展[J].浙江紡織服裝職業技術學院學報，2012，11(2)：9—13.

[17] 駱順華，張健.基于騎行動作骨骼肌仿真的女性下肢皮膚形變表征[J].紡織學報，2015，36(12)：120—124.

[18] 駱順華，王建萍，史慧，等.騎行動作下肢動態壓力變化研究[J].絲綢，2016，53(7)：38—42.

[19] 張渭源．服裝舒適性與功能(第2版)[M]．北京：中國紡織出版社，2011.

[20] 汪世奎，謝紅，胡冰，等.基于人體工效學的高爾夫服熱濕舒適性研究[J].上海紡織科技，2014，42(11)：11—14.

[21] 汪世奎.基于生物力學的跑步防護運動褲的研究[D].上海：上海工程技術大學，2015.

[22] 趙西西.馬拉松跑步狀態下肢骨骼肌肉系統的防護研究與產品開發[D].上海：上海工程技術大學，2016.

The Application of Motion Capture Technology in Developing Sportswear

XingMengdi,LiuLi

(Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029, China)

Motion capture technology is a method to record trajectory of object in three-dimensional space and obtain the motion parameters. It has advantages of little restraint on action and high sampling rate in developing sportswear. This paper mainly discussed its applications in developing sportswear from the aspects of motion evaluation and sportswear design. It pointed out that motion capture technology is an effective mean to develop functional clothing, especially in the study of dynamic body dimension and clothing size.

motion capture technology; design of sportswear; dynamic body dimension

2017-06-29

邢夢迪(1991—)，女，河南漯河人，碩士研究生。

TS941.2

A

1009-3028(2017)04-0025-04