基于瑜伽運動狀態下的人體下肢皮膚形變分析

王偉榮 叢洪蓮 董智佳

摘要： 為揭示在瑜伽運動中人體下肢皮膚形變規律，針對瑜伽動作特點，選取4個瑜伽動作進行測試與分析，利用VITUS Smart三維人體掃描系統，得到練習瑜伽動作時下肢不同部位皮膚形變數據。結果表明：在瑜伽運動中，腰圍和膝上圍之間圍度尺寸呈增大趨勢，拉伸變化率在6%以內，臀圍圍度變化較明顯。在縱向長度方面，腿部各部位皮膚形變差異性大，變化率在（-66.37%，56.90%）區間，大腿后側拉伸變化最為明顯，腹部則多呈收縮狀態。當膝蓋進行彎曲動作時，腿部皮膚尺寸變化較為明顯，正面產生大幅度的縱向拉伸，反面產生收縮變化，長度變化率在（-24.91%，26.15%）區間。

關鍵詞： 瑜伽運動;三維人體掃描;人體;皮膚形變;瑜伽服

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2020）10005405

引用頁碼： 101110

DOI： 10.3969/j.issn.1001?7003.2020.10.010（篇序）

Analysis of human skin deformation based on yoga motion state

WANG Weirong， CONG Honglian， DONG Zhijia

（Engineering Research Center of Knitting Technology， Minister of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：

In order to reveal the skin deformation law of human lower limbs in yoga exercise， four yoga motions were selected for testing and analysis for yoga motion characteristics. The VITUS Smart 3D scanning system was used to obtain skin deformation data of different parts of lower limbs during yoga motion. The results showed that in the yoga exercise， the circumference dimension between the waist circumference and the knee circumference increased， and the tensile change rate was within 6%. The hip circumference change was more obvious. In terms of longitudinal length， skin deformation varies greatly in various parts of the leg， and the rate of change was in the range of（-66.37%， 56.90%）. The stretching changes on the back of the thigh are most obvious， while the abdomen was mostly contracted. When the knee was bent， the skin size of the leg changed more obviously， and the front side produced large longitudinal stretching， and the reverse side produced a contraction change. The length change rate was in the range of（-24.91%， 26.15%）.

Key words：

yoga exercise; 3D body scanning; human body; skin deformation; yoga clothes

收稿日期： 20191223;

修回日期： 20200916

基金項目： 國家自然科學基金項目（61602212）;國家科學基金項目（61902150）;無錫市針織科技服務平臺項目（WX03?07D0304?021700?06）

作者簡介： 王偉榮（1995），男，碩士研究生，研究方向為針織產品的創新設計與性能研究。通信作者：叢洪蓮，教授，cong?wkrc@163.com。

近年來，瑜伽運動快速興起使得瑜伽服行業也隨之發展起來。雖然瑜伽服品牌種類繁多，但現有瑜伽服在面料結構等方面與普通運動服沒有明顯的差異，不能滿足消費者的需求[1?2]。分析運動姿勢，研究各種姿勢下人體各部位的變形，在人體皮膚形變的基礎上，設計具有良好適體性功能的服裝，能夠很大程度地提高服裝的運動功能[3?4]。測試人體皮膚形變有兩種主要的方法，分別是接觸式測量和非接觸式測量，如接觸式的體表劃線法、網格法和石膏法[5?6]，應用較廣泛的非接觸式三維人體掃描方法[7]。在人體運動皮膚形變測量方

面，程寧波等[8]采用運動捕捉系統和體表劃線法分析了騎行運動下人體腿部的皮膚形變，分析皮膚變化量應用于騎行褲設計，提高騎行褲的舒適性和功能性。王燕珍等[9]通過實驗得到跑步運動狀態下下肢不同部位皮膚變化的規律，其中測量方法采用三維掃描系統。在瑜伽運動中，人體各部位的圍度和縱向尺寸變化明顯，對服裝性能要求較高。目前，市場上的瑜伽服結構簡單，分割線設置等缺乏理論依據。因此，探討瑜伽運動時人體皮膚變形，而且采用非接觸式測量方法，減小誤差，將瑜伽姿態下皮膚變形考慮到服裝設計中。

本文對瑜伽動作特點進行分析，選取4個瑜伽動作，分別為戰士彎腰式、戰士身印式、腿側舉式和三角式，利用VITUS Smart XXL三維人體掃描系統獲取不同瑜伽動作下人體下肢的皮膚變化，研究瑜伽運動中人體下肢皮膚縱橫向的皮膚形變規律。根據瑜伽姿態下人體下肢皮膚變化率，可以對褲裝原型進行分區設計，使服裝具有良好的彈性和回復性，滿足瑜

伽運動時人體的舒展，提高服裝穿著的舒適性，為瑜伽褲裝的開發提供依據與指導。

1?實?驗

1.1?對?象

選取5名女大學生為實驗測試對象，身體健康并具有一定的瑜伽運動經驗，測試對象基本數據見表1。

1.2?設備與工具

實驗采用設備為VITUS Smart XXL三維掃描系統（德國Human solutions公司），該掃描系統原理是基于激光光學三角測量的原理，測量設備由4根激光柱組成，每根激光柱由2個照相機和1個激光頭組成測量感應系統，保證了無接觸測量人體的最高精度。該設備通過對前左、前右、后左和后右四個方向同時掃描，獲取360°三維人體數據并通過ScanWorX軟件測量標記點之間的距離。此外還有卷尺、標記點、量角器。

1.3?測試者標記點

人體體表尺寸的獲取采用三維人體掃描法。根據人體特征進行體表分區，將標記點粘貼在相應部位的皮膚上，并進行靜態和動態的測量。靜、動態測量是指測試者自然站立和進行瑜伽運動時，測量人體各標記點之間的長度。利用對照性原則，將被測者瑜伽運動狀態下的數據與靜止站立時的數據進行對比分析，研究瑜伽運動狀態下皮膚的伸展和收縮變化[10]。

為了在VITUS Smart XXL三維掃描系統中獲取皮膚形變數據，需要確定體表標記點的位置，如圖1所示。橫向基準線為腰圍線1、臀圍線2、大腿圍線3、膝圍上線4、膝圍線5和膝圍下線6，縱向基準線為內側縫（H、I）、外側縫（D、M）、前中線（B、O）、后中線（F、K），以及內外側縫線與前后中線之間等分線（A、C、E、G、J、L、N、P）。

1.4?瑜伽動作

在瑜伽基本體式中，下肢運動時股關節和膝關節作為運動支點，具有不同的運動特點。其中，股關節是多軸性關節，以股骨頭為運動中心，腿部可以做前后、左右和上下軸向運動，膝關節為單軸向關節，只能做前后方向的軸向運動[3]。為避免測量中數據缺失較多，選擇站立瑜伽體式，對瑜伽基本體式進行分類選擇，經過實驗和排除，最終選定4個瑜伽體式（圖2）進行測量。其中，戰士身印式和戰士彎腰式代表股關節左右軸向運動的瑜伽體式，且戰士彎腰式中膝關節有較大幅度的軸向運動，腿側舉式和三角式代表股關節做前后軸向運動的瑜伽體式，這4個動作關節運動幅度較大，對腿部拉扯感較強。

1.5?方?案

實驗在江南大學三維人體掃描實驗室進行。實驗對象下肢穿著緊身短褲后休息15 min，然后靜態站立，按照基準線劃分在相應位置體表粘貼標記點。三維掃描系統對靜止時人體進行掃描，獲取靜止時人體標記點縱橫向數據。實驗對象在瑜伽墊上進行瑜伽動作的練習，熟悉動作，然后進入掃描區域進行瑜伽運動，并通過量角尺調整人體姿勢，保持瑜伽姿勢不變，三維掃描系統進行掃描獲取圖像。實驗對象依次進行瑜伽動作的練習，每個動作測試3次，減少誤差。最后利用ScanWorX軟件對掃描數據進行測量記錄。

1.6?各部位尺寸變化率的計算

人體動靜態皮膚尺寸變化率計算方法如下：

K/%=L1-L2L2×100（1）

式中：K>0表示拉伸，K<0表示收縮，L1為瑜伽動作下標記點之間的長度，L2為靜態站立狀態下標記點之間的長度。

2?結果與分析

2.1?橫向皮膚變化率分析

圖3為下肢整體圍度變化折線圖，橫坐標為下肢部位，縱坐標為皮膚伸縮變化率。其中橫坐標數值與部位對應關系為：1腰圍、2臀圍、3?1左大腿圍、3?2右大腿圍、4?1左膝上圍、4?2右膝上圍、5?1左膝圍、5?2右膝圍、6?1左膝下圍、6?2右膝下圍。

由圖3可知，在瑜伽運動中，由于腿部的軸向運動造成雙腿之間位移增大，腰圍、臀圍和大腿圍的橫向拉伸變化率都呈增大趨勢，拉伸變化率在6%以內。其中臀圍變化率最明顯，在練習動作3腿部向外側運動時，變化率達到5.52%。大腿圍的長度變化率在1.72%～4.91%，由于右腿的軸向運動幅度比左腿大，右大腿圍的拉伸變化率稍大于左大腿圍。右膝上圍在動作2時皮膚拉伸變化率最大，為3.16%;在動作4時皮膚拉伸變化率最小，為1.79%。左膝上圍、膝圍和膝下圍的橫向變化率都在±2%以內，圍度變化不是很明顯。

采用分段式的手法對橫向變化率較大的圍度進行分析。由圖3可知，臀圍、右大腿圍和右膝上圍的橫向變化率較大，本文對這3個圍度的橫向變化率進行分段分析。

由圖4可知，臀圍不同部位總體呈拉伸狀態，臀圍線B2C2、G2J2和M2N2的拉伸變化率比較大，其中G2J2為左右臀部中間位置，腿部的運動帶動臀部的運動，使得皮膚拉伸變化率達到最大，最大值為19%。

由圖5可知，大腿圍局部長度變化總體為正值。在練習動作1時，I3J3、N3O3和O3P3的皮膚拉伸變化率較大，依次為11.19%、14.33%和17.57%。在J3K3皮膚長度會有收縮變化，但不是很明顯，收縮變化率最大值為6.63%。大腿存在肌肉群，在自然舒張狀態和緊繃狀態下，不同部位皮膚變化率受到肌肉狀態的影響，橫向圍度會有比較大的差別。

圖6為右膝上圍的橫向長度變化，反面內側部位收縮變化較大，反面外側及腿部正面處于拉伸狀態，最大值為1918%。

由圖6可知，在瑜伽運動中，腿部之間的相對運動使臀圍、大腿圍和膝上圍呈拉伸變化趨勢，膝上圍以下尺寸變化幅度較小。腿部的相對運動幅度越大，尺寸變化越明顯。在局部部位中，臀部、大腿和膝上圍正面在練習瑜伽時常處于拉伸狀態，局部變化最大值為19.18%。膝上圍反面會有比較大的收縮幅度。膝圍和膝下圍在圍度方面沒有明顯的尺寸變化。

2.2?縱向皮膚變化率分析

圖7為腰圍到膝下圍長度變化折線圖。從圖7可看出，在進行瑜伽運動時，尺寸變化趨勢趨于一致。腿部進行軸向運動時，下肢正面皮膚縱向基本處于收縮狀態，前中線處收縮幅度較大，如縱向N1N6在動作2時尺寸變化率最大，最大變化率的絕對值達到17.51%;反面則相反，皮膚縱向基本處于拉伸狀態，縱向J1J6在動作3時皮膚拉伸變化率最大，為1819%。

對不同部位的縱向長度變化進行分析。將下肢分為3部分，分別為腰圍到大腿圍、大腿圍到膝上圍和膝上圍到膝下圍。

由圖8可知，當以股骨頭為運動中心，腿部做向前，左右及上下的軸向運動時，大腿根部區域皮膚堆積，造成正面部位皮膚長度變化率基本處于負值，反面處于拉伸狀態。當腿部做向后的軸向運動時，臀部受到擠壓，皮膚收縮，正面則會有拉伸變化。比如練習動作2時，右腿做向前的運動，左腿則產生相對的向后運動，正面左側產生小幅度的拉伸，右側呈收縮狀態;反之，左側皮膚受到收縮，右側處于拉伸狀態。

由圖9可知，由于右腿的動作幅度較大，尺寸變化比較明顯。腿部反面皮膚長度變化率較大，且基本處于拉伸狀態，在練習動作1時，腿部前邁及膝蓋的彎曲使得反面皮膚產生大幅度的拉伸，最大值為56.90%，正面會有較小幅度的收縮。

由圖10可知，膝蓋附近皮膚長度變化范圍較大，在區間（-24.91%，26.15%）波動。練習動作1時，膝蓋的彎曲運動造成腿部正面皮膚拉伸，縱線N和縱線O拉伸幅度最大，最大值達到26.15%;反面皮膚收縮，縱線J和縱線K皮膚最大收縮率達到-24.91%。

由以上數據分析可知，在瑜伽運動中，下身縱向皮膚形變大于橫向皮膚形變。腿部做上下左右及向前的軸向運動時，造成腰圍線和大腿圍線之間正面皮膚堆積，皮膚產生收縮，反面皮膚則產生拉伸。當腿部做向后的軸向運動時，臀部跟大腿之間會形成擠壓，該處皮膚呈收縮狀態，正面則相反，會有小幅度的拉伸。腰圍線以下和大腿圍線以上部位正面皮膚收縮幅度較大，局部收縮最大值為66.37%。臀部和大腿反面部位則是拉伸幅度較大。當膝蓋進行彎曲運動時，膝圍附近區域正面皮膚受到大幅度拉伸，反面則會有收縮變化，長度變化率在（-24.91%，26.15%）區間。

2.3?下肢皮膚形變網格圖

在以上4個瑜伽動作中，對不同部位的皮膚變化率進行極值的篩選。通過比較在4個瑜伽姿態下皮膚伸縮變化數值的大小，選取最大值為該部位的皮膚伸縮變化量，由于左腿和右腿標記點呈對稱關系，如橫線A1B1和P1O1，豎線A1A2和P1P2，在兩個對稱部位的皮膚變化率之間選取最大值為該部位的皮膚變化率，由此可以得到下肢在瑜伽姿態下的各個部位的皮膚變化率。以無縫針織褲裝版型為網格原型，將以上數據變化轉化為較為直觀的皮膚形變網格圖，如圖11所示。其中，縱橫線與體表標記點劃分基準線相同，每一種顏色代表一個變化區間，這樣可以明顯地看到在瑜伽運動中人體下肢皮膚伸縮變化情況。

由圖11可知，在進行瑜伽練習時，橫向線段多呈綠色和黃色，只有膝部與大腿處小部分區域有紅色和橙色出現，說明橫向圍度的變化率小。縱向線段則變化率較大，其中腹部存在收縮，大腿反面、膝蓋正面和臀部則拉伸變化較大，其他部位形變較緩和。因此，基于不同部位在運動中會產生不同大小的皮膚變化率，在瑜伽褲的設計中應采用分區設計，不同部位編織不同的組織，確保每個部位在運動時有足夠的自由度。

3?結?論

瑜伽運動對人體各個部位的皮膚形變有很大的影響。通過對瑜伽體式動作特點進行分析，選取瑜伽動作后進行下身皮膚形變的實驗可得，與人體靜態相比，瑜伽動作會引起腰圍、臀圍和腿部各個區域的皮膚尺寸發生變化。在大腿圍線以上和腰圍線以下區域，腿部的軸向運動會使腹部皮膚產生大幅度的縱向收縮，局部變化率絕對值高達65%左右，臀部區域則有較大的拉伸變化，且該部位的圍度都呈增大趨勢，拉伸變化率在6%以內。大腿肌肉處于繃緊狀態時，在圍度方面，腿部正面常處于拉伸狀態，反面呈收縮狀態，長度上則相反。當膝蓋進行彎曲動作時，人體腿部的變化是比較顯著的，在長度方面，正面產生大幅度的拉伸，反面產生收縮變化，長度變化率在（-24.91%，26.15%）區間，圍度則沒有顯著差異。因此，將下肢各部位的皮膚尺寸拉伸數據應用于瑜伽褲結構設計，如臀部、大腿反面和膝蓋正面皮膚拉伸較大的區域采用彈性大的面料，使瑜伽服裝更加符合運動特性。

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