基于三維人體測(cè)量的青年男性肩部形態(tài)分類

阮 婷， 袁惠芬*,2， 韋玉輝,2， 夏 威

(1.安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué) 紡織面料安徽省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；3.安徽紅愛實(shí)業(yè)股份有限公司，安徽 安慶 246500)

隨著生活水平的提高，服裝市場(chǎng)迫切需要建立準(zhǔn)確細(xì)致的樣板庫(kù)以滿足消費(fèi)者對(duì)服裝合體度和舒適度的要求。肩部作為西裝、襯衫等款式設(shè)計(jì)的重要部位，不僅影響著裝的舒適性，還影響領(lǐng)、袖等部位的合體度及造型。目前，對(duì)肩部的研究主要涉及肩部形態(tài)分類、肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因子、人體肩部結(jié)構(gòu)與衣身前后肩斜角的關(guān)系和肩部測(cè)量的影響因素等。張金花等[1]運(yùn)用SPSS分析，將肩寬和右肩斜度作為肩部的特征變量，并得出多數(shù)人特征變量的范圍。賀莉文[2]采用AGNES凝聚層次聚類方法將肩型按肩弓系數(shù)分為平直、標(biāo)準(zhǔn)和弓形3種。石玲[3]分析了肩寬、肩斜度和肩線對(duì)服裝肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。李小輝等[4]將身體質(zhì)量指數(shù)作為影響肩部厚度的參數(shù)，通過(guò)SPSS分析衣身肩斜角和人體肩部結(jié)構(gòu)主要影響因素之間的回歸關(guān)系。潘春宇等[5]引入非常用測(cè)量部位“肩腰斜線”，推演出女上體后肩斜度的反三角函數(shù)。洪正琳等[6]通過(guò)對(duì)左肩高、肩寬直等6個(gè)部位分析，發(fā)現(xiàn)肩斜度對(duì)肩點(diǎn)獲取影響不顯著，沖肩對(duì)肩點(diǎn)獲取影響顯著。

在前人研究的基礎(chǔ)上，文中選擇三維人體測(cè)量技術(shù)收集肩部數(shù)據(jù)，運(yùn)用變量聚類和特征指標(biāo)算法提取肩部典型指標(biāo)，結(jié)合K-means聚類和組合計(jì)算實(shí)現(xiàn)肩部形態(tài)的分類，統(tǒng)計(jì)不同肩部形態(tài)的人數(shù)，分析典型指標(biāo)對(duì)肩部形態(tài)的影響。研究結(jié)果為青年男性肩部形態(tài)的細(xì)分提供參考。

1 人體數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 測(cè)量?jī)x器及測(cè)量條件

測(cè)量?jī)x器：3D Camega非接觸三維人體掃描儀，北京博維恒信科技發(fā)展有限公司制造。

測(cè)量條件：參照GB/T 23698—2009[7]，實(shí)驗(yàn)環(huán)境符合裸體測(cè)量要求，溫度為(25±2)℃，相對(duì)濕度為(65±5)%。

1.2 測(cè)量要求

被測(cè)量者穿著實(shí)驗(yàn)室提供的專用人體測(cè)量服，頭戴白色泳帽，赤足；不得佩戴手表、眼鏡、戒指、耳釘?shù)蕊椘贰１粶y(cè)量者按要求站在指定位置，雙手握拳離大腿距離約5～8 cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，被測(cè)量者自然呼吸，目視前方，盡量保持平穩(wěn)。

1.3 肩部相關(guān)變量

肩部相關(guān)變量如表1所示。參考GB/T 16160—2017[8]，選定頸圍、總肩寬、前肩寬、袖窿深、前胸寬、后背寬、左肩斜度和右肩斜度8個(gè)肩部測(cè)量項(xiàng)目，結(jié)合胸背寬比和肩弓系數(shù)2個(gè)肩部派生項(xiàng)目，共計(jì)10個(gè)肩部相關(guān)變量。

表1 肩部相關(guān)變量

其中，胸背寬比用來(lái)評(píng)價(jià)肩部形態(tài)。胸背寬比越大，人體的后背寬與前胸寬的差值越大，肩胛骨較為突出，背部彎曲明顯，呈現(xiàn)出明顯的屈身體型；胸背寬比越小，人體的后背寬與前胸寬的差值越小，背部隆起較小，胸部前挺，呈現(xiàn)出明顯的反身體型[9]。肩弓系數(shù)用來(lái)衡量弓背體型的后凸或彎曲程度。肩弓系數(shù)越大，肩胛骨后凸或弓形程度越小，兩肩端點(diǎn)前凸程度越小。肩弓系數(shù)越小，肩部后凸或彎曲程度越大，肩端點(diǎn)前凸程度越大[10]。

1.4 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及樣本容量

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某大學(xué)的青年男性大學(xué)生和研究生，年齡為18～25歲，身高為160～190 cm，體重為45～98 kg。樣本容量N計(jì)算公式為

(1)

式中：CV為變異系數(shù)，CV=標(biāo)準(zhǔn)差/均值；A為相對(duì)誤差，A取3%。

肩部相關(guān)變量的基本統(tǒng)計(jì)量見表2。按變量中最大變異系數(shù)0.185，代入式(1)，得出樣本容量最少應(yīng)不低于147。考慮到實(shí)際測(cè)量存在異常值等情況，將樣本容量設(shè)為400。

表2中變異系數(shù)CV用來(lái)衡量樣本某變量的離散程度，CV值越大說(shuō)明變量的離散程度越大，數(shù)據(jù)差異越大，反之則越小[11]。由表2可知，該組青年男性肩部形態(tài)差異較大的前3個(gè)變量依次為左肩斜度、右肩斜度和胸背寬比，差異較小的前3個(gè)變量依次為總肩寬、前肩寬和肩弓系數(shù)。

表2 肩部相關(guān)變量的基本統(tǒng)計(jì)量

1.5 數(shù)據(jù)測(cè)量及預(yù)處理

為了減少三維人體測(cè)量誤差，需對(duì)同一個(gè)樣本進(jìn)行3次測(cè)量并取平均值作為分析數(shù)據(jù)。運(yùn)用SPSS軟件中箱式圖對(duì)400個(gè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異性檢測(cè)，剔除27個(gè)無(wú)效值，最終參與分析的有效數(shù)據(jù)為373個(gè)。采用Q-Q圖檢驗(yàn)肩部相關(guān)變量的正態(tài)性，結(jié)果均通過(guò)正態(tài)性檢驗(yàn)。

2 肩部形態(tài)分類

2.1 肩部相關(guān)變量的聚類分析

聚類分析是將對(duì)象的集合分組為由相似的對(duì)象組成的多個(gè)類的分析過(guò)程，其中變量聚類是根據(jù)各變量之間的相關(guān)性和親密性進(jìn)行分類[12]。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)373個(gè)有效個(gè)體的10個(gè)肩部相關(guān)變量進(jìn)行變量聚類分析，以Pearson相關(guān)性作為測(cè)度，按最遠(yuǎn)距離法作為聚類方法，生成的肩部相關(guān)變量聚類樹形圖如圖1所示。

根據(jù)圖1，結(jié)合變量相似性及專業(yè)知識(shí)，將10個(gè)肩部相關(guān)變量聚為4類。第1類由總肩寬、前肩寬、頸圍、袖窿深和前胸寬5個(gè)變量構(gòu)成；第2類由后背寬和胸背寬比2個(gè)變量構(gòu)成；第3類由左肩斜度和右肩斜度2個(gè)變量構(gòu)成；第4類由肩弓系數(shù)1個(gè)變量構(gòu)成。

2.2 典型指標(biāo)的選擇

為簡(jiǎn)化肩部形態(tài)分析，聚類結(jié)束后可在各類變量中選取典型指標(biāo)，選取原則為典型指標(biāo)具有代表性且易測(cè)量。根據(jù)變量相關(guān)指數(shù)的大小確定其代表性[13]，計(jì)算公式為

(2)

表3 肩部相關(guān)變量相關(guān)指數(shù)

2.3 肩部形態(tài)分類

參考肩斜分類方法[14]，運(yùn)用K-means聚類將肩部形態(tài)按胸背寬比分為3類，經(jīng)過(guò)7次迭代以后收斂，迭代終止，迭代歷史記錄見表4。

通過(guò)方差分析檢驗(yàn)分類結(jié)果，可知F檢驗(yàn)值0，小于0.05，證明分類合理。由表5所示的最終聚類中心數(shù)據(jù)可得出：第1類胸背寬比最小，說(shuō)明人體的后背寬小于前胸寬，背部隆起小，胸部挺直，定義為反身肩型；第2類胸背寬比居中，最接近1，說(shuō)明前胸寬和后背寬差距較小，2條線段趨于重合狀態(tài)，定義為平直肩型；第3類胸背寬比最大，說(shuō)明人體的后背寬大于前胸寬，肩胛骨較為突出，背部彎曲明顯，呈現(xiàn)出屈身肩型。

表4 迭代歷史記錄

表5 最終聚類中心與聚類中的案例數(shù)

依據(jù)胸背寬比的聚類結(jié)果將肩部形態(tài)分成反身肩型F(0.765～0.924)、平直肩型T(0.925～1.023)、屈身肩型Q(1.024～1.172)。其中，反身肩型、平直肩型、屈身肩型分別為121，175，77人，分別占比32.44%，46.92%和20.64%。

同理，運(yùn)用K-means聚類將肩部形態(tài)按左肩斜度分為：平肩P(12.000°～20.650°)、正常肩斜A(20.651°～25.867°)、斜肩X(25.868°～33.600°)。其中，平肩、正常肩斜、斜肩分別為94，172，107人，分別占比：25.20%，46.92%和28.69%。將肩部形態(tài)按前肩寬分為：窄肩S(37.367 ～41.067 cm)、正常肩寬B(41.068 ～43.000 cm)、寬肩L(43.001 ～46.200 cm)。窄肩、正常肩寬、寬肩分別為104，153，116人，分別占比：27.88%，41.02%和31.10%。

胸背寬比、左肩斜度和前肩寬分別從挺身屈身狀態(tài)、肩斜度和肩寬這3個(gè)方面描述了肩部的形態(tài)。為使肩部形態(tài)描述更加合理全面，以此3個(gè)方面為基礎(chǔ)，經(jīng)組合后共獲得27種肩部形態(tài)。

反身肩型分類見表6。其中，“F”為反身肩型，“S”為窄肩，“B”為正常肩寬，“L”為寬肩。由表6可知，在肩部形態(tài)呈現(xiàn)反身肩型時(shí)，窄肩、正常肩寬和寬肩人數(shù)接近；平肩、正常肩斜和斜肩人數(shù)差距較大。故在反身肩型時(shí)，肩寬對(duì)肩型的影響不明顯，肩斜對(duì)肩型的影響較明顯。

表6 反身肩型分類

平直肩型分類見表7。其中，“T”為平直肩型，“S”為窄肩，“B”為正常肩寬，“L”為寬肩。由表7可知，肩部形態(tài)呈現(xiàn)平直肩型時(shí)，窄肩、正常肩寬和寬肩人數(shù)差距較為明顯；平肩、正常肩斜和斜肩人數(shù)差距也較為明顯。故在平直肩形態(tài)時(shí)，肩寬和肩斜對(duì)肩型的影響均較大。

表7 平直肩型分類

屈身肩型分類見表8。其中，“Q”為屈身肩型，“S”為窄肩，“B”為正常肩寬，“L”為寬肩。由表8可知，肩部形態(tài)呈現(xiàn)屈身肩型時(shí)，窄肩、正常肩寬和寬肩人數(shù)有所差距；平肩、正常肩斜和斜肩人數(shù)也有所差距，但對(duì)比表7平直肩型時(shí)的人數(shù)差距，可知在屈身肩型形態(tài)時(shí)，肩寬和肩斜對(duì)肩部形態(tài)有一定影響，但其影響小于平直肩型時(shí)肩寬和肩斜對(duì)肩部形態(tài)的影響。

表8 屈身肩型分類

根據(jù)表6～表8中各類樣本數(shù)量可知，該組青年男性肩部形態(tài)中，屈身平肩寬肩(PQL)人數(shù)最少，平直正常肩斜正常肩寬(ATB)人數(shù)最多。當(dāng)肩斜度居中時(shí)，反身正常肩斜(AF)、平直正常肩斜(AT)、屈身正常肩斜(AQ)之間的樣本數(shù)量相差較大，胸背寬比對(duì)肩型的影響較為明顯；而在平肩和斜肩中，胸背寬比對(duì)肩型影響較不明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)樣本CV值反映的青年男性肩部形態(tài)的10個(gè)變量中左肩斜度、右肩斜度和胸背寬比差異較大，而總肩寬、前肩寬和肩弓系數(shù)差異較小。

2)對(duì)樣本進(jìn)行變量聚類和相關(guān)指數(shù)計(jì)算，將前肩寬、左肩斜度和胸背寬比作為代表青年男性肩部形態(tài)的3個(gè)典型指標(biāo)。

3)分別對(duì)3個(gè)典型指標(biāo)進(jìn)行K-means聚類分析，組合得出27類肩部形態(tài)。分析得出：反身肩型的肩寬對(duì)肩型影響不明顯，肩斜對(duì)肩型影響較明顯；平直肩型和屈身肩型的肩寬和肩斜對(duì)肩型均有一定影響。當(dāng)肩斜度居中時(shí)，胸背寬比對(duì)肩型的影響較明顯；在平肩和斜肩中，胸背寬比對(duì)肩型影響較不明顯。