基于運動捕捉的騎行運動中人體皮膚形變分析

程寧波， 吳志明， 徐存東

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

專業騎行服不僅有助于提高運動員成績，而且對人體有較好的防護作用。騎行服是高彈性的貼體服裝，需要將人體動、靜態以及皮膚形變相結合進行騎行服結構設計。人體的動作基本上是由關節運動產生的，同時也產生了人體形態的變化,人體運動時會牽引皮膚的伸長、滑移[1]。隨著科技的進步，人體測量方法也在不斷的改進，目前較先進的三維掃描系統都是基于人體靜態的測量[2]。人體的動態測量方面，王永進[3]、王建萍等[4-5]通過實驗驗證了動態人體分析系統對人體跑步動態尺寸測量的有效性和可靠性，其中動態人體分析系統采用了光學原理對人體運動的精確捕捉。李秀青等[6]等采用體表畫線法對騎行運動中男子下肢體表所畫線段長度進行了記錄并分析了下肢的尺寸變化規律。

研究人體動態尺寸和皮膚形變方法多樣，常用方法有體表畫線法、網格法和體膜法[6-7]。隨著科技的發展，目前已經研發出多種動態人體分析系統，利用這些系統能夠準確記錄動態下人體的運動過程，同時這些系統在影視動畫、機器人、生物力學和體育訓練等領域的研究中也發揮了極其重要的作用[8-9]。本文用OptiTrack運動捕捉系統記錄受試者騎行動態的運動過程及其運動特征，同時采集人體標記點的運動軌跡，該方法便于更精確地對騎行動態和人體運動變化特征進行分析。在運動捕捉實驗基礎上，針對性地采用體表畫線法分析腿部的皮膚變化，研究騎行運動中下人體橫、縱向的尺寸變化和皮膚形變。

1 實驗部分

1.1 實驗對象

實驗選取10位男性騎行愛好者，身體健康并具有一定的騎行運動經驗，實驗對象基本數據見表1。

表1 實驗對象的基本信息Tab.1 Basic information of subjects′ body

1.2 實驗設備與工具

實驗主要設備為OptiTrack運動捕捉系統，是一種典型的光學式運動捕捉系統，系統組成如圖1所示。此外還有醫用膠帶、鉛垂線、卷尺、可擦畫筆、衛生紙、動感單車等。

圖1 OptiTrack運動捕捉系統圖Fig.1 Basic composition of the OptiTrack system

1.3 騎行動作分析

由于在整個騎行運動中上車、站姿、上坡、下坡并不是長時間的騎行動作，故可將騎行看作是個周期運動,上身向前傾，整個重心靠前，減少阻力，手臂彎曲,向前支撐在龍頭，臀部坐在坐墊上，腿部彎曲蹬車。在騎行運動中，踏蹬是騎行的動力因素，踏蹬時下肢是連動骨杠桿的復合運動，運動中主要涉及髖、膝、踝關節，大腿繞髖關節做周期運動,小腿繞膝關節運動[10]。在周期運動中，上身動作基本保持不變，腿部動作分別取0°、90°、180°、270°位置，分別記為動作1、動作2、動作3、動作4，如圖2所示。

圖2 騎行周期運動Fig.2 Cycle movement of riding.

1.4 實驗過程

整個實驗過程要求被測試者光腳，不戴任何配飾，僅穿貼身的內褲。實驗分為運動捕捉和腿部體表畫線實驗，運動捕捉實驗記錄騎行運動的整個動態過程、采集人體標記點的運動軌跡，通過對騎行動作下人體動態特征的定性分析，為體表畫線實驗奠定基礎和提供依據，使得體表畫線實驗更具有針對性和有效性，而體表畫線實驗是對腿部變化規律進一步的定量分析。

1.4.1運動捕捉實驗

1.4.1.1實驗環境 實驗的OptiTrack 攝像機采用主動照明工作方式，系統工作環境中應該避免近紅外 850 nm 譜段光線干擾，正常室內照明光不會影響系統運行。

1.4.1.2運動捕捉系統標定 確定攝像機在空間中的相對位置關系，建立起標記點跟蹤的區域模型，使攝像機能夠拍攝到人體活動范圍；對攝像機進行參數設置，使得標定的精度和質量都達標；確定攝像機系統相對于水平面的相對位置關系。

1.4.1.3數據采集 按照實驗需求，在Markerset系統中選擇相應人體模型，即選擇所需要的標記點個數，如圖3所示。再根據模型上的標記點位置在模特身上相應位置用醫用膠帶貼上標記點(即直徑為14 mm且具有反光功能的小球)，作為騎行過程中的抓捕標識點；貼完標記點后，讓受試者站在攝像機的最佳捕獲區域，做T-pose，建立模型；受試者開始勻速騎行，運動捕捉系統開始采集并記錄標記點的運動軌跡和數據；測試3次，減少誤差。

圖3 人體模型的標記點Fig.3 Human body model′s markers.

1.4.1.4人體尺寸與標記點定義 根據ISO 8559—1989《服裝結構和人體測量》，系統模型標記點與人體生理標識點對應，從局部與整體的關系來看，可通過標記點的位置變化來反應尺寸的變化。由于系統人體模型標記點較多，故本文根據實驗需要選取部分標記點并編號，抓捕標記點位置不同方向的波動反應尺寸的變化趨勢，以及人體各部位的變化幅度。表2示出標記點設定的方法及目的。

表2 標記點設定Tab.2 Markers setting

1.4.2腿部體表畫線實驗

1.4.2.1體表畫線 依據人體特征在腿部體表畫縱橫投影線，以腰圍和臀圍線為基準，6條橫線依次為大腿根圍n1、大腿中部n2、膝圍n3、膝圍和小腿最小圍之間三等分線n4、n5、小腿最小圍n6；4條縱線依次為內側縫線m1、腿部前中線m2、外側縫線m3、腿部后中線m4；組成6條橫線和4條縱線的腿部畫線方案，如圖4所示。

1.4.2.2騎行要求 在同一實驗室，受試者以相同速度開始勻速的周期運動，實驗提取某一個周期的運動，分解為4個動作(見圖2)。

圖4 體表畫線實驗Fig.4 Experiment of lineation-on-body method.

1.4.2.3數據測量 為了減少誤差，測量時軟尺貼于體表，不可緊壓皮膚，松度保持一致，且讀取數據時視線垂直刻度線。測量體表所畫線線段長度并記錄數據(線段記號：如圍度A1B1表示大腿圍處水平位置的內側縫線到腿部前中線的長度，縱向C1C2表示腿部前中線位置處的大腿圍到大腿中部的長度，n1至n3的縱向表示大腿圍水平位置到膝圍的長度變化)。先測量靜態站立時的各標記線長度，再依次測量各騎行動態的線段長度。

1.5 動靜態尺寸變化率的計算

動靜態尺寸變化率為

(1)

式中：α>0表示拉伸，α<0零表示收縮；L1表示動態下線段長度，cm；L2表示靜態線段長度，cm。

2 實驗數據處理與分析

2.1 運動捕捉中標記點的運動軌跡分析

由于運動捕捉實驗中，受試者騎行時腿部對標記點的遮擋，導致數據段的不完整，因此需要通過系統編輯窗口對數據段進行自動修復。

由于測量點較多，在騎行運動中人體的測量點基本上保持對稱，故選取了具有代表性的部分點來進行分析，其中各標記點代表的意義見表2。為保證結果的可靠信，隨機選取1個實驗對象，按照圖5所示坐標系來進行運動軌跡的分析。

圖5 坐標系Fig.5 Coordinate system

不同部位標記點的運動軌跡如圖6所示。從圖中可看出，在騎行過程中，腿部點的運動軌跡在Y軸上的波動較大，X軸稍小，Z軸波動次之，而肩部、手臂、背部、腰部以及臀部偏上處整個的波動都比較平穩，在騎行服設計中在褲子的面料彈性應大于上衣的彈性。此外，從圖6(d)～(f)還可初步看出膝蓋部位及膝部周圍的縱向波動大于橫向的波動，且運動軌跡的走向基本是一致的，也可看出6號點橫向波動的幅度小于8和11號點。說明了在1個周期運動中，腿部的運動軌跡的波動較大，故對于褲腿的部分，尤其膝部的磨損就自然較大，在騎行褲設計時應選擇具有良好的耐磨性、彈性和回復性的面料，同時可通過結構線來設置適當的松量，或是對騎行褲進行面料分區設計，使其滿足舒適性的同時提高美觀性。

圖6 不同部位標記點的運動軌跡Fig.6 Movement track of different markers.(a) Point 2; (b) Point 19; (c) Point 21; (d) Point 6; (e) Point 11; (f) Point 8

2.2 腿部的數據分析

2.2.1圍度方向的數據分析

0°、90°、180°和270°不同動作時圍度的變化率如表3所示，不同部位的圍度變化如圖7所示。腿部圍度的變化率如圖8所示。

表3 不同動作下肢橫向線段的變化率Tab.3 Change rate of lower extremities of horizontal lines in different positions %

圖7 圍度變化Fig.7 Girth change of different parts of leg

由表3可知在騎行周期運動中體表皮膚伸縮變化會隨腳踏板位置的變化而有所不同，就整體而言，皮膚的拉伸比收縮要多些。橫向n3處的變化率比較顯著，高達15%左右，而橫向n6處的變化率較小。

圖8 腿部區段的圍度變化Fig.8 Changes in girth of leg section.(a) Lateral change between m1 and m2; (b) Lateral change between m2 and m3; (c) Lateral change between m3 and m4;(d) Lateral change between m4 and m1

采用分段式分析局部的尺寸變化規律，由圖7可見，m1至m2的橫向變化率較大，m3至m4的橫向的變化率較小，m4至m1和m2至m3的橫向變化相差不大， 可分析出左腿內側的變化要比外側變化顯著。由圖7、8可知，整個圍度的變化比局部線段的變化要小一些，在圍度n3的變化率最大，圍度n4、n5、n6在整個周期中的變化比較平穩,圍度n1在前半個周期變化率大于零，后半個周期小于零。

由上可知，騎行運動中膝圍、大腿圍的變化幅度較大，膝圍以下尺寸變化幅度較小，膝蓋前面呈拉伸狀態，后面收縮，在結構設計中，可在膝蓋部位進行收省或是設置分割線來調節松量。

2.2.2長度方向的數據分析

表4示出不同動作下肢縱向線段的變化量。圖9示出下肢縱向線段的變化率。由表4可知，縱向線段的變化量大體上呈現負值，n2至n3和n3至n4的整體縱向變化量明顯大于其他縱向線段的變化，變化量最大達到4.8 cm左右，n5至n6的縱向變化最小，n4至n5和n1至n2的縱向變化量比較接近。縱向m2的變化量整體值小于其他3條線的變化量。

表4 不同動作下肢縱向線段的變化率Tab.4 Change rate of lower extremities of vertical lines in different positions %

由圖9可見,縱向m2和m4的變化率比m1和m3的變化率大些，動作2對縱向造成的變化率最大，最大變化率的絕對值達到60%左右。此外也可以發現縱向的變化幅度較大。

圖9 腿部區段的長度變化Fig.9 Changes in length of leg sections. (a) Vertical m1; (b) Vertical m2; (c) Vertical m3; (d) Vertical m4

圖10 縱向尺寸變化Fig.10 Length change of different parts. (a) Length change between n1 and n3, n3 and n6; (b) Vertical change

圖10示出不部位的縱向變化。圖10(a)中為膝圍線以上和膝圍線以下的長度變化，在動作3前縱向線段的變化幅度比較大，動作4引起的變化率差異不顯著，動作2造成的變化率比較大。圖10(b)中腿部前中、后中、外側和內側線整體長度在一個周期里，整體變化率為負。

由以上數據分析可知，騎行過程中腿部縱向皮膚形變大于橫向皮膚形變，腿部前中線的變化較明顯，因此在騎行褲設計中，結構上應設置一定的松量，或是面料具有高彈性。因此在騎行褲的設計中可參考尺寸的變化采用分割線或面料分區設計來適當設置松量，使滿足運動舒適性的同時增加騎行褲的美觀性。

3 結 論

騎行動態對人體各個部位的尺寸變化和皮膚形變有很大的影響。與人體靜態相比，騎行動作會引起肩寬、胸圍、腰圍、臀圍和背長等尺寸發生變化，但腰部及以上尺寸在騎行周期運動中的變化幅度卻是非常小的，而人體腿部的變化是顯著的，尤其是膝部的變化最為明顯，就整體而言，腿部的長度變化幅度大于圍度上的變化幅度，局部變化率絕對值高達60%左右；長度方向整體呈收縮狀態，圍度上腿部的正面變化大于背面的變化，長度上則相反。

騎行運動中腿部各區域的皮膚形變是不同的，分析不同區域的皮膚變化量可應用于騎行褲設計中，如結構上可采用分割線來處理松量，面料上可進行不同面料的分區設計以滿足運動的舒適性，提高騎行褲的舒適性、功能性和美觀性。