運(yùn)動捕捉技術(shù)在運(yùn)動服裝研發(fā)中的應(yīng)用

邢夢迪，劉 莉

(北京服裝學(xué)院，北京 100029)

運(yùn)動捕捉技術(shù)在運(yùn)動服裝研發(fā)中的應(yīng)用

邢夢迪，劉 莉

(北京服裝學(xué)院，北京 100029)

運(yùn)動捕捉技術(shù)是記錄物體在三維空間中的運(yùn)動軌跡并獲取其運(yùn)動參數(shù)的一種方法。在運(yùn)動服裝的研發(fā)中，運(yùn)動捕捉技術(shù)具有對動作束縛小、采樣速率高等優(yōu)點(diǎn)。文章主要從運(yùn)動評估和產(chǎn)品設(shè)計兩個方面探討了其在運(yùn)動服裝研發(fā)中的應(yīng)用，認(rèn)為運(yùn)動捕捉技術(shù)是研發(fā)功能性服裝的一種有效手段，尤其對研究動態(tài)人體尺寸和服裝尺寸有重要意義。

運(yùn)動捕捉技術(shù)；運(yùn)動服裝設(shè)計；動態(tài)人體尺寸

由于運(yùn)動過程的復(fù)雜性，有效且簡潔地捕捉人體運(yùn)動過程比較困難，因此之前對運(yùn)動服裝的研究大多是靜態(tài)研究，而運(yùn)動捕捉技術(shù)能夠跟蹤、記錄物體的運(yùn)動過程，結(jié)合生物力學(xué)則能揭示運(yùn)動狀態(tài)對人體各部位產(chǎn)生的影響，目前對運(yùn)動服裝的動態(tài)研究很好地解決了運(yùn)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(yùn)動需求[1]。

1 運(yùn)動捕捉技術(shù)概述

運(yùn)動捕捉技術(shù)最初是由心理學(xué)家Johansson在實(shí)驗(yàn)中提出，后經(jīng)過學(xué)者的不斷完善，運(yùn)動捕捉技術(shù)取得較快發(fā)展，并在運(yùn)動評估、產(chǎn)品設(shè)計等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。

1.1 運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的組成

運(yùn)動捕捉主要是對物體在三維空間中的運(yùn)動進(jìn)行記錄，通過獲取其速度、位置等參數(shù)的信息，進(jìn)而對運(yùn)動軌跡進(jìn)行模擬。典型的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)一般由傳感器、信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備等四個部分組成[3-4]，如圖1所示。

1.2 運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的分類

運(yùn)動捕捉系統(tǒng)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(yùn)動捕捉和細(xì)節(jié)運(yùn)動捕捉；從實(shí)時性劃分，可分為實(shí)時捕捉和非實(shí)時捕捉；從技術(shù)原理劃分，可分為機(jī)械式運(yùn)動捕捉、聲學(xué)式運(yùn)動捕捉、電磁式運(yùn)動捕捉、光學(xué)式運(yùn)動捕捉[5]，詳見表1。

由于運(yùn)動過程的復(fù)雜性，研發(fā)運(yùn)動服裝就要求捕捉系統(tǒng)能夠使設(shè)備對運(yùn)動的束縛最小化并適用于多數(shù)運(yùn)動(跑步、網(wǎng)球等)，因此光學(xué)式運(yùn)動捕捉系統(tǒng)憑借其優(yōu)勢在此方面應(yīng)用廣泛。

圖1 運(yùn)動捕捉系統(tǒng)工作原理

運(yùn)動捕捉技術(shù)系統(tǒng)組成優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)機(jī)械式關(guān)節(jié)、剛性連桿、角度傳感器(安裝在各個關(guān)節(jié)處)。對環(huán)境限制較小；捕捉精度較高；數(shù)據(jù)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(fā)射源、接收傳感器、數(shù)據(jù)處理單元。技術(shù)成熟，成本低廉；可實(shí)時捕捉。對高速運(yùn)動不太適用；不能對多個對象進(jìn)行捕捉；對環(huán)境要求嚴(yán)格，不能存在強(qiáng)磁場和金屬物質(zhì)。聲學(xué)式超聲波產(chǎn)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?shù)母蓴_因素多。光學(xué)式標(biāo)記點(diǎn)、攝像機(jī)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。對動作束縛小；采樣速率較高。系統(tǒng)整體造價高昂；對環(huán)境要求較高；后期處理成本大。

2 運(yùn)動捕捉技術(shù)在運(yùn)動評估中的應(yīng)用

由于運(yùn)動捕捉技術(shù)可以捕捉運(yùn)動員的動作并對其進(jìn)行量化分析，進(jìn)而幫助運(yùn)動員進(jìn)行訓(xùn)練，因而其在體育運(yùn)動中的應(yīng)用較為廣泛[6]，主要從皮膚、肌肉、骨骼3個方面對捕捉的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在人體運(yùn)動過程中，皮膚具有很強(qiáng)的跟隨性，其伸縮性與其在運(yùn)動時產(chǎn)生的滑移可使皮膚更好地參與人體的運(yùn)動[7]。張?jiān)芠8]、嚴(yán)雅潔[9]對進(jìn)行高爾夫運(yùn)動的人體進(jìn)行捕捉，得到運(yùn)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(jié)構(gòu)線設(shè)計等的影響。

骨骼肌的伸縮有效地控制著身體各部位的運(yùn)動[10]。肖強(qiáng)懋[11]通過捕捉系統(tǒng)對高爾夫球手原動肌群的肌肉力量與全揮桿線速度進(jìn)行了相關(guān)性分析。實(shí)驗(yàn)表明，隨著技術(shù)水平的提高，原動肌群肌肉力量呈現(xiàn)逐步增強(qiáng)的趨勢，發(fā)現(xiàn)了肌肉力量對運(yùn)動員成績的重要影響，為增加肌肉力量的緊身服設(shè)計提供了重要指導(dǎo)。

在人體運(yùn)動系統(tǒng)中，骨骼起著運(yùn)動杠桿的作用。蘇云[12]、李淑媛[13]運(yùn)用運(yùn)動捕捉系統(tǒng)對不同水平的高爾夫運(yùn)動員全揮桿動作進(jìn)行對比，得到了運(yùn)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(shù)，有助于設(shè)計出符合人體工學(xué)的高爾夫運(yùn)動服。

3 運(yùn)動捕捉技術(shù)在運(yùn)動服裝設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀

人體在不同姿態(tài)時某一部位的變化對服裝制作是非常重要的，根據(jù)這些變化量，可以得到該部位的舒適量并將其應(yīng)用到服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

各種動態(tài)動作下人體體表皮膚形變是服裝松量與結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，對功能性運(yùn)動服裝的研發(fā)更為重要。羅蘭等[14]利用運(yùn)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(jìn)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(jìn)行騎行褲分割線設(shè)計時需參考的腿部皮膚形變規(guī)律。嚴(yán)雅潔[9]在對進(jìn)行高爾夫球運(yùn)動的人體捕捉后，根據(jù)運(yùn)動員的皮膚拉伸規(guī)律為高爾夫球服的設(shè)計提供了意見，比如應(yīng)適當(dāng)縮短肩線，左右兩側(cè)可進(jìn)行不對稱設(shè)計，服裝分割線設(shè)計則可參考高爾夫揮桿姿態(tài)時皮膚伸縮變化，背部不應(yīng)采用肩育克設(shè)計等。

肌肉活動是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下的一種復(fù)雜運(yùn)動，肌肉收縮時會使血流受阻，使肌肉乳酸積累，導(dǎo)致運(yùn)動單位傳導(dǎo)速度降低，有研究表明緊身壓力服可以提高運(yùn)動員的競技水平并幫助運(yùn)動員增加力量、加速血液循環(huán)并緩解疲勞[15-16]。因此，洛順華等[17-18]對人體騎行動作進(jìn)行捕捉實(shí)驗(yàn)以獲取人體在騎行運(yùn)動中下肢骨骼肌的運(yùn)動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行骨骼肌仿真，并結(jié)合測量點(diǎn)的壓力變化分析得到騎行過程中下肢動態(tài)壓力變化規(guī)律。數(shù)據(jù)分析表明，測量點(diǎn)動態(tài)壓力隨樣褲松量遞減而線性增加，研究結(jié)果為研究騎行褲不同部位的松量設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，以改善騎行褲舒適性與運(yùn)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(yùn)動時的人體各部位進(jìn)行捕捉，根據(jù)人體5大區(qū)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(jìn)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(dāng)前的運(yùn)動研究中，運(yùn)動不當(dāng)或運(yùn)動量過大等帶來的運(yùn)動損傷已經(jīng)不容忽視，因此對運(yùn)動防護(hù)產(chǎn)品的開發(fā)很有必要。為了緩解長跑過程中的肌肉疲勞并保護(hù)膝關(guān)節(jié)，研究者設(shè)計了長、短兩款功能褲，通過束帶和魔術(shù)貼的結(jié)合以及可調(diào)節(jié)性綁帶的應(yīng)用，不僅提高了功能褲的使用靈活性又增強(qiáng)了其保護(hù)作用，并且可將實(shí)驗(yàn)得到的防護(hù)參數(shù)用于防護(hù)褲的面料選擇，并結(jié)合面料的彈性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)而優(yōu)化防護(hù)褲[21-22]。

4 結(jié)語

本文主要從運(yùn)動捕捉技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計方面入手，描述了運(yùn)動姿態(tài)和服裝之間的聯(lián)系。服裝設(shè)計應(yīng)從生物力學(xué)和運(yùn)動力學(xué)的原理出發(fā)，對捕捉到的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行模擬，從而構(gòu)建一套從動態(tài)測量到運(yùn)動產(chǎn)品開發(fā)的新思路，并針對特定的運(yùn)動研發(fā)設(shè)計功能性服裝。隨著運(yùn)動捕捉技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)動捕捉技術(shù)與高性能運(yùn)動裝的結(jié)合會更加緊密。

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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