三維動態(tài)捕捉技術(shù)在評價不同面料運動褲服裝壓力的應(yīng)用研究

田友如

摘? 要：該研究的主要目的是初步嘗試?yán)萌S動態(tài)捕捉系統(tǒng)，模擬在下蹲過程中膝關(guān)節(jié)處所受到的最大服裝壓力值。選取1名健康跑步愛好者以及7條不同彈性的運動褲以及相對應(yīng)的拉力測試布料。采用英斯特朗拉力測試機來測量布料拉伸長度和拉伸力量之間的關(guān)系。采用Vicon動態(tài)捕捉系統(tǒng)采集下蹲過程中，貼于膝關(guān)節(jié)位置處的反光點在空間中的三維坐標(biāo)信息。通過有限元分析預(yù)測7條不同彈性的運動褲與膝關(guān)節(jié)之間的服裝壓力峰值。因此，利用該種方法可以有效地預(yù)測出特定部位的服裝壓力。

關(guān)鍵詞：三維動態(tài)捕捉系統(tǒng);服裝壓力;壓力分布;有限元分析

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

在評價服裝舒適性時，服裝壓力常被作為一個重要的指標(biāo)。服裝壓力受多種因素共同影響，包括人體因素、服裝因素和著裝時間的影響[1]。例如，當(dāng)人體進行關(guān)節(jié)活動度變化較大的屈伸運動時，使得局部體表的曲率增加，從而影響該部位的壓力狀態(tài)[2]，最終導(dǎo)致人體穿著舒適性下降[3]。此外，服裝材料本身有著不同的力學(xué)特性以及款式結(jié)構(gòu)。相同款式和結(jié)構(gòu)的服裝，當(dāng)材料的彈性模量和拉伸伸長率越小時，其彈性回復(fù)性能越好，服裝對身體產(chǎn)生的壓力就越小[4]。

根據(jù)先前的方法，服裝壓力的測試方法主要基于壓力測試系統(tǒng)[5]、壓力分布理論預(yù)測模型[6-7]和深度學(xué)習(xí)[8]等。雖然近年來柔性壓力傳感器得到了不斷發(fā)展，但是利用壓力測試系統(tǒng)進行測量仍舊會受到人體運動姿勢以及傳感器固定方法的影響，使得傳感器在測試過程中發(fā)生位移，從而影響測試的準(zhǔn)確性。利用壓力分布理論模型進行估算時，會涉及多方面的參數(shù)，包括面料的拉伸性能、服裝的伸長率、面料的縱橫比等[1]。此外，有些模型需要將人體視為剛體進行計算，而有些模型則是將人體視為彈性體[1]。最后，深度學(xué)習(xí)方法雖然可以通過人體某一關(guān)鍵部位的壓力信息，預(yù)測出其他關(guān)鍵部位的壓力信息，但是其仍會受到計算模型和學(xué)習(xí)樣本量的限制。因此服裝壓力預(yù)測的方法和穿著舒適性的研究，仍然值得進一步探討。

從理論上講，服裝壓力是服裝和人體共同作用的結(jié)果。因此，無法脫離人體運動特征討論服裝壓力，尤其是運動服裝。其舒適性可能會直接影響運動人群的運動表現(xiàn)和運動損傷的風(fēng)險。根據(jù)先前的研究，對人體特征、面料的彈性模量、拉伸性能進行有限元建模，最后計算出彈性運動背心對人體造成的壓力。此外，也有研究利用三維人體模型來計算不同部位的服裝壓力。但是，這些研究都忽視了人體運動是一個動態(tài)的過程。

三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)常被應(yīng)用在動畫和運動生物力學(xué)領(lǐng)域。該設(shè)備可以捕捉三維空間中反光小球的坐標(biāo)信息，并且其精度可達到0.01 mm。綜上所述，該研究的主要目的是初步嘗試?yán)萌S動態(tài)捕捉系統(tǒng)，模擬在下蹲過程中膝關(guān)節(jié)處所受到的最大服裝壓力值。從而為運動裝備的設(shè)計和改善提供科學(xué)的建議。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

該研究選取1名（身高：175 cm，體重：67 kg）體態(tài)勻稱有長期運動習(xí)慣的跑步愛好者試穿所有運動褲，并完成相應(yīng)的測試動作。此外，選取7種不同彈性布料制成的運動褲，其尺寸以受試者的實際測量數(shù)值為依據(jù)，所有運動褲采用統(tǒng)一版型，并由同一個人完成開版和針車制作。其分別為瘦身布運動褲、20S棉平紋運動褲、錦棉打雞布運動褲、50D滌綸平紋運動褲、滌氨健康布運動褲、75D緯捻四面彈運動褲、32S棉彈力斜紋運動褲。同時，對于所有選取的布料準(zhǔn)備符合拉力測試規(guī)格（25 cm×5 cm）的徑向和緯向的布條各3條，且保證裁剪出來的材料邊緣整齊，同時包含形同的絲線（如圖1所示）。上述所選彈性面料均為運動褲常用原料。

1.2 實驗儀器

1.2.1 拉力測試儀

美國英斯特朗拉力測試機被用來測量布料拉伸長度和拉伸力量之間的關(guān)系（如圖2所示）。測試標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)紡織品織物拉伸性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T3923.1—2013），采樣頻率設(shè)置為100 Hz。

1.2.2 三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)

英國Vicon公司生產(chǎn)的三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)用來采集下蹲過程中，貼于膝關(guān)節(jié)位置處的反光點在空間中的三維坐標(biāo)信息，采樣頻率為100 Hz。反光點（直徑為0.5 cm）成7×7的正方形矩陣，每個點之間的距離為1.5 cm。該反光點矩陣通過熱壓工藝轉(zhuǎn)引至運動褲右腿膝關(guān)節(jié)位置。根據(jù)受試者的實際情況，運動褲最上沿距離最上端反光點的位置為50 cm，運動褲最下沿距離最下端反光點的位置為59 cm （如圖3所示）。

1.3 測試方法和評價參數(shù)

1.3.1 拉力測試方法

拉力測試在恒溫恒濕（溫度：20 ℃，濕度：65%）的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中進行。所有測試由同一名實驗人員按照GB/T 3923.1—2013進行操作測試。每一布料經(jīng)緯向各采集3次有效數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)保存為Excel文件用以后續(xù)計算。

1.3.2 下蹲測試

受試者隨機穿著7條不同的運動褲，按照要求完成下蹲動作。要求受試者從直立位置開始直到下蹲至所能達到的最低位置并保持3 s時間，采集這一過程中反光點三維空間的位置變化。

1.3.3 評價參數(shù)

拉力測試機測得的數(shù)據(jù)，取拉伸長度為0 mm～80 mm所對應(yīng)的拉力。三維動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)取受試者下蹲值最低位置時，反光點的三維位置坐標(biāo)（如圖4所示）。利用犀牛軟件對數(shù)據(jù)進行有限元分析，計算出不同位置所產(chǎn)生的服裝壓力。事實上，主要是利用拉力數(shù)據(jù)和三維位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算實際情況下的經(jīng)向分力、緯向分力和合力。經(jīng)向分力公式為：經(jīng)向張力×曲面半徑。緯向分力公式為：緯向張力×曲面半徑。合力公式為。

2 結(jié)果和討論

表1和圖5說明了不同彈性面料運動褲峰值服裝壓力和峰值服裝壓力位置的分布情況。可以觀察到大部分材料的峰值服裝壓力出現(xiàn)在股骨內(nèi)上髁，其可能的原因是當(dāng)下蹲到最低位置時，股骨內(nèi)上髁處褲子最易發(fā)生褶皺，從而增加褲子的曲面半徑，使得該處所受的壓力呈最大值。此外，由于75D緯捻四面彈運動褲在下蹲到最低位置時，與身體完全貼合，因此在髕骨平面處曲面半徑最大，所以最大值出現(xiàn)在該處。

利用三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)能夠有效和快速的構(gòu)建出人體運動時，服裝在特定位置時發(fā)生的形變。先前依據(jù)三維人體模型的有限元法，主要是根據(jù)人體測量學(xué)的參數(shù)，通過計算機模擬預(yù)測彈性服裝和人體接觸時的壓力分布[7]。Li等人[7]在預(yù)測胸部服裝壓力時，使用了一種混合模型的新技術(shù)（將胸部視為彈性體、將軀干視為剛體），該方法雖然能夠有效預(yù)測人體胸部和內(nèi)衣之間的動態(tài)接觸壓力，但是這種方法顯然不適用于其他身體部位。事實上，當(dāng)人體運動時下肢關(guān)節(jié)的活動度遠大于胸部位置的活動情況。此外，也有研究證明了使用儀器測量和有限元預(yù)測分析得到的壓力分布數(shù)值的最大值之間的誤差為7%。同樣的有限元分析是基于三維人體模型，這種人體模型常將人體作為剛體來分析，因此會對最后預(yù)測的結(jié)果造成一定的誤差。相比之下，通過三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)，可以測得人體在運動時，特定身體部位對服裝造成的變化情況，通過計算可以直接得到材料的曲面半徑，根據(jù)測得的材料拉伸變化率和拉伸力之間的關(guān)系，通過有限元模型計算出不同位置的服裝壓力值。另一方面，也有學(xué)者通過假人模型和傳感器技術(shù)直接測量服裝壓力。其設(shè)計了一款內(nèi)層為剛體，表面微彈性體，并且在人體重要部位放置有8個壓力傳感器，同時可以在水平面方向上有5 cm的移動范圍。但是該假人模型仍存在不足，其不能完成一系列連續(xù)的人體動作，且只能在固定平面內(nèi)做微小的運動。

該研究的主要局限性是利用三維動態(tài)捕捉技術(shù)去采集反光點的三維空間坐標(biāo)時，受反光點的直徑和間隔的影響較大，并且只有在采集較大關(guān)節(jié)矢狀面上的運動時，才能較好地保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。由于深度學(xué)習(xí)理論的發(fā)展，其可以通過某一關(guān)鍵部位的壓力信息，預(yù)測出其他關(guān)鍵部位的壓力信息。因此，在未來的研究中，需要將三維動態(tài)捕捉技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，來幫助研究人員更好地預(yù)測服裝壓力。

3 結(jié)論

該文提出了一種探索性的方法來解決人體穿著運動裝備進行特定運動時，身體某一部位的服裝壓力信息。在該文的實驗中，利用拉力傳感器直接測得布料拉伸率和拉伸力之間的關(guān)系，同時利用三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)測得在下蹲時，膝關(guān)節(jié)運動褲的形變情況，從而獲得運動褲表面的曲率半徑。利用此種方法可以輕易地計算出特定部位的服裝壓力。其可以通過科學(xué)的數(shù)據(jù)判斷運動裝備的舒適性并且可以為運動裝備設(shè)計師提出相關(guān)的建議，用來改進設(shè)計中存在的不合理的結(jié)構(gòu)。

參考文獻

[1]劉宇，王永榮，羅勝利，等.服裝壓力分布測試和理論預(yù)測模型的研究進展[J].針織工業(yè)，2019（2）：56-60.

[2]時玲玲，李津.針織無縫緊身彈力中褲壓力舒適性的測試與評價[J].針織工業(yè)，2008（11）：43-45.

[3]李當(dāng)岐.服裝學(xué)概論[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]米世超.氨綸針織面料壓力舒適性及女褲尺寸的研究[D].上海：東華大學(xué)，2013.

[5]孟振華，李津.一種新型服裝壓力測試方法的研究[J].山東紡織科技，2006（5）：42-45.

[6]Hui C L，Ng S F.Model to Predict Interfacial Pressures in Multilayer Elastic Fabric Tubes[J].Textile Research Journal， 2001，71（8）：683-687.

[7]Li Y，Zhang X，Yeung K W.A 3D Biomechanical Model for Numerical Simulation of Dynamic Mechanical Interactions of Bra and Breast during Wear[J].Seni Gakkaishi，2003，59（1）：12-21.

[8]郝礦榮，韓韜，丁永生，等.基于深度LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人體服裝壓力信息預(yù)測[J].東華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2018（5）：755-761.