基于速度滑冰上肢動態皮膚形變的服裝結構研究

吳 妍，胡紫婷，胡志遠，郭萌萌，王清懿，母晴晴，劉 莉

(北京服裝學院 中國服飾科學技術研究院，北京 100029)

皮膚作為人體第三運動特征，在運動過程中會產生不同程度的伸縮變化，這種變化可用于指導緊身服裝結構和面料參數的設計[1]。高性能速度滑冰競賽服的結構設計由人體靜止姿態和運動動態共同決定[2-3]，在滑冰過程中，若競賽服不能滿足合體性和功能性[4]，即由人體動作牽引所帶動的服裝造型的變化未能滿足體表皮膚的變化，會顯著影響到運動員動作的發揮。

近年來，國內外眾多學者對皮膚形變規律進行了研究，如傳統的石膏帶法[6]、體表描線法[7]、貼線法[8]、未拉伸線法、捺印法等手工測量方式。隨著3D技術的發展，利用三維掃描技術獲取形變規律的研究更加成熟[9]，即通過獲取人體靜態模型，借助三維軟件獲取人體測量數據，得到姿態變化前后的形變規律，與傳統方法相較更便捷且更準確。

目前國內外學者對于動態皮膚形變規律的研究多基于數個特定的姿態，沒有真正意義上對連續形變進行分析，且較少關注于接縫線對高性能緊身裝備的影響。接縫不僅會使織物厚度疊加，還會引起織物拉伸性的降低，這會限制運動員的肢體活動，從而影響運動表現。

1 實 驗

人體大臂內側根部與肘關節都有許多褶皺，這些褶皺在人體運動時因肌肉群的伸展與屈曲極易產生拉伸變形[11]，將形變規律應用于紙樣設計應盡可能地選低拉伸區域[12]作為接縫線位置[13-14]。為研究速滑運動員在滑冰過程中的動態上肢形變特征，使用VIC-3D非接觸變形測量系統獲取模擬速滑擺臂動作的上肢各部位主應變數據。

1.1 實驗設備

實驗設備有：軟尺、直尺、量角器、眉筆、散斑點印章、人體彩繪顏料、毛巾、馬丁測量儀、體重秤、水平儀、剪刀、標記帶以及VIC-3D非接觸變形測量系統。

圖1所示為VIC-3D非接觸式三維變形測量系統[15]，其采用雙目高速攝像機采集物體表面各個時段的散斑圖像，通過追蹤物體表面隨機點的變形進行匹配，計算點的三維坐標并準確直接得到物體表面應變率。

圖1 VIC-3D非接觸式三維變形測量系統Fig.1 VIC-3D non-contacting deformation measurement system

1.2 實驗對象

以8名退役速度滑冰運動員作為研究對象，年齡在20～28歲、身高(180±5) cm、胸圍(98±4) cm、實驗對象基本數據如表1所示。受試者被告知實驗程序，同意參與，并簽署同意書。

表1 實驗對象基本數據Tab.1 Basic data of subjects in this study

1.3 上肢動作采集

速度滑冰運動員運動時肢體呈現典型的周期性和對稱性特征：右腿蹬冰時，肩關節為軸向前擺臂，同時肘關節屈曲；右腿回復過程中，肩關節帶動手臂向后伸展過程中，肘關節也逐漸伸展。考慮到實驗條件，滑冰過程中的手臂動作難以捕捉，故通過模擬軀干前傾一定角度，對上肢擺臂進行拍攝，動作采集如圖2所示。

圖2 動作采集Fig.2 Test action.(a)Camera 1；(b)Camera 2；(c)Camera 3

1.4 實驗過程

實驗在溫度為(22±2.5) ℃，相對濕度為(50±2.5)%的實驗室進行，拍攝人員2名，繪制人員2名，調整人員1名。

實驗過程：①受試者在上身赤裸狀態下進行實驗，休息30 min以適應環境。②自然站立，均勻呼吸，使用唇線筆在受試者右臂完成計測點和計測線的繪制。③使用散斑點印章在右臂完成隨機散斑點的拓印，要求散斑點隨機分布、清晰且不易磨損。④使用量角器對受試者的擺臂角度進行調整，以確保動作的一致性。⑤對拍攝機位進行調整，確保3臺設備能拍攝到足夠的共同區域，熟悉2次之后進行實驗。

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1.5 計測線的標識

為了明確上肢各區域的動態拉伸規律，對人體進行計測點和計測線的繪制，實驗以人體右臂為觀測對象。上肢計測點、上肢基礎計測線如表2、3所示。

表2 上肢計測點Tab.1 Mark points on upper limbs

表3 上肢基礎計測線Tab.1 Described lines on upper limbs

依據計測點的位置繪制基礎計測線。橫向線段有10條：肩點與前后腋點連線的二等分線；前后腋點連線；前后腋點連線與肘圍線的1/4線；前后腋點連線與肘圍線的1/2線；前后腋點連線與肘圍線的3/4線；肘圍線；肘圍線與腕圍線的1/4線；肘圍線與腕圍線的1/2線；肘圍線與腕圍線的3/4線；腕圍線。縱向線段有6條：腋下縱線；后腋縱線；后腋縱線與肩長縱線的1/2線；肩長縱線；肩長縱線與前腋縱線；前腋縱線。計測線標識圖如圖3所示。

圖3 計測線標識圖Fig.3 Described lines

1.6 實驗數據處理

使用VIC-3D配備處理軟件VIC-3D9對實驗獲取圖像進行處理。

新建z3d文件，導入拍攝部位的所有幀數tif文件，如move1-sys1-0000_0、move1-sys1-0000_1為第1個動作、第1個攝像機的雙目圖片；導入標定文件，編輯菜單選中所測量區域，選取1～3個定位點，將每個定位點的圖像與初始0 000時刻的局部進行匹配，調整視圖框的位置和形狀，直至綠色表示完成匹配。所有幀數完成匹配后，保證誤差值在0.1以下，計算勾選所有幀數，置信區域0.05，誤差0.1個像素格，選取主應變，運行得到結果。數據結果選擇面積提取，即可以直接輸出每幀的主應變百分數。數據處理如圖4所示。

圖4 數據處理Fig.4 Data processing

1.7 實驗數據獲取

橫縱向網格將人體上肢分割為54塊單元，區域網格示意圖如圖5所示。用VIC-3D9軟件沿皮膚表面網格選取區域，生成區域每個時刻的主應變值。每個時刻的形變率均是相較初始時刻而言的，初始時刻各處形變率為0。因拍攝角度限制，BA3-1、FA3-1、FA6-2、BA10-2、FA10-2區域數據缺失，不參與討論。

圖5 區域網格示意圖Fig.5 Sketch of grids

2 結果與分析

緊身速度滑冰競賽服相較于其他緊身服裝，需要為穿著者提供更大的活動自由度，因此接縫位置的設計涉及到2個方面，一方面是運動過程中各部分動態皮膚形變率對面料拉伸率參數設計的參考，另一方面是分割線位置對三維紙樣設計的參考。對于8名受試者在模擬速滑擺臂動作時的皮膚形變規律進行分析，為面料分區以及結構線的設計提供參考。

2.1 區域最大形變率的描述統計

對8名受試者擺臂動作中上肢最大形變率進行描述統計，將各區域均值繪制色圖，0～10%為低拉伸區，10%～20%為較低拉伸區，20%～30%為較高拉伸區，30%～40%為高拉伸區，40%以上為極高拉伸區，上肢最大形變率色圖見圖6，由圖示出，顏色越深表示該區域拉伸越大，空白為歧義值剔除區域。

圖6 上肢最大形變率色圖Fig.6 Area mapping of maximum deformation

上肢極大形變存在于4個區域，后腋、三角肌后側、肘關節后凸側以及前臂橈骨莖突末端。其中前2處的最大拉伸均出現在肘關節屈曲擺臂向前動作時，后2個區域最大拉伸出現在手臂向后伸展角度最大時。高拉伸區存在于極高拉伸區的周圍，與肌肉形態和關節突出一致。在速滑擺臂動作中，上肢最大形變率BA3-2高達51.92%，由后腋窩處的前擺臂拉伸引起；其次為三角肌后外側區域BA2-1，在三角肌前束收縮肩關節屈曲內旋時拉伸至50.25%；手臂向后伸展時肱三頭肌幫助伸展，靠近尺骨肘端關節上方BA6-2區域拉伸也達到46.84%。腕關節處的拉伸基本都處于低拉伸區，BA4區域的拉伸較肩端三角肌覆蓋區明顯小，所以在設計結構線時，應特別注意為后腋處的高拉伸需求提供活動量。

2.2 區域動態形變率的聚類分析

在整個上肢擺臂動作過程中，獲取的連續動態形變數據達上百幀，且人體上肢測量區域共49個，很難針對動態形變進行人工分類分析，故采用SPSS軟件系統聚類對上肢網格單元的動態形變率進行分類。連續動態的形變率分析選取13個時刻，t1為初始時刻，t7為擺臂向前時刻，t13為手臂向后伸展時刻，其余時刻為勻速擺臂中的均勻選取，動態形變時刻選取如圖7所示。

圖7 動態形變時刻選取Fig.7 Experimental actions scans

系統聚類結果如圖8所示，圖8(a)示出聚合系數折線，k值從1～5畸變程度大，超過5時畸變程度顯著減小，故將分類數定為5類。圖8(b)示出沃德聯接譜系，第1類包含15個網格面積，第2類包含7個網格面積，第3類包含19個網格面積，第4類包含2個網格面積，第5類包含5個網格面積。

圖8 聚類分析Fig.8 Hierarchical clustering.(a)Coefficient of polymerization；(b)Dendrograms of ward′s method

依照聚類結果和實際拉伸變化的大小繪制上肢動態形變率色圖，如圖9所示。第3類為低拉伸區，第1類為較低拉伸區，第2類為較高拉伸區，第5類為高拉伸區，第4類為極高拉伸區。動態形變的聚類結果與最大形變率的劃分結果基本一致。

圖9 上肢動態形變率色圖Fig.9 Area mapping of skin variation

圖10 5類動態變化量Fig.10 Skin variation

極高拉伸區出現于后腋和三角肌的后側，即BA3-2和BA2-1處，高拉伸區出現于肘關節后凸側以及外側，即BA6-1、BA6-2、BA6-3、BA7-2以及FA6-1。前臂端，即BA8-1、BA8-2、BA8-3、BA9-1、BA9-2、BA9-3、BA10-1、BA10-3、FA8-1、FA8-2、FA8-3、FA9-1、FA9-3、FA10-1,3均基本處于低拉伸區，大臂內側BA4-1、BA4-2、BA4-3拉伸較低，與后腋處差距明顯。

各分類在連續動態中的變化表現如圖10所示。第1類以FA7-2為例，變化率隨時間增長逐步增大，至手臂向后伸展時達到最大值；第2類以FA2-1為例，變化率隨肩關節的向前向后擺動而增大，即在t7時刻和t13時刻基本均能達到較高拉伸；第3類以BA9-1為例，變化率隨時間增長逐步增加，至手臂向后時達到最大值，相較于一類變量而言，基本全程處于低拉伸區；第4類以BA2-1為例，變化率隨手臂向前增大，t4至t9間一直處于高拉伸區，在t7時刻拉伸至最大值，而后隨手臂向后伸展下降；第5類以BA6-2為例，變化率隨時刻逐步增加，在t13時刻手臂拉向后伸展時達到最大值，自t7時刻肘關節帶動手臂向后伸展起，一直處于高拉伸區。

2.3 區域形變率的相關性分析

對區域連續形變量進行相關性分析，得出各區域之間的相關性系數，依據結果繪制相關性熱圖如圖11所示，顏色越深相關性越顯著，上三角白色部分為顯著性大于0.5，不具備統計學意義。

圖11 相關性熱圖Fig.11 Pearson correlation

所研究區域的變量之間均具有一定程度的線性相關性，且均呈正相關，多數變量間相關系數值大于0.8成強相關，前臂末端即A9、A10區域與其他上肢區域的相關性相對較弱，臂根前三角區與其他區域變化率均呈弱相關性。由之前的動態形變分析可知，擺臂過程中，上肢極大形變率基本出現在屈肘擺臂至最前時和手臂伸展向最后時，結合相關性結果可知，臂根A1、A2、A3區域受肩關節活動影響較大，尤其是在前擺過程中受到三角肌前部纖維的作用；上肢A4、A5、A6、A7、A8區域則主要受到肘關節的屈曲和伸展而變化拉伸。

2.4 上肢結構線設計

依據以上分析結果對高性能速度滑冰競賽服的上肢結構線進行設計，如圖12所示，格紋覆蓋區域為低拉伸區和較低拉伸區，斜紋覆蓋區域為高拉伸區，分割線設計的原則應當避開圖示高拉伸區域。由于本文僅針對上肢形變規律展開分析并給出結構線設計建議，袖窿線位置僅作為上肢與軀干分割參考，袖縫線自前腋點起，穿過FA3-3、FA4-3、FA5-3、FA6-3區域，前臂部分并入腋下縱線至腕部。大臂內側設計分割線經過FA3-3、BA3-3、BA4-3，該區域需拼接高彈面料，為后腋的前擺臂提供活動量。

圖12 結構線設計Fig.12 Garment structure line design. (a)Divisional design ；(b)Structure line

3 結 論

通過光學測量實驗，對速滑運動員上肢動態皮膚變化的特征進行研究，通過描述性數理統計、動態聚類分析以及相關性分析探究其動態形變規律，針對速度滑冰競賽服提出一種袖片結構設計方案。對最大形變率定量分析，得出以下結論：

①最大形變區域位于后腋下方、三角肌中束后側以及肘關節上端區域，接縫位置應當避開這些區域。

②肘關節的運動對于前臂末端區域產生的拉伸極小。

③大臂內側也基本處于低拉伸區，該區域的較小拉伸設計為插片能夠解決后腋的活動需求。

④對于動態形變率進行聚類分析，發現各部位產生最大形變的時刻，后腋點區域在肩關節內旋前擺時刻達到最大拉伸，除此之外的肩端其他區域在向前擺臂和向后伸展時均能達到最大形變，大臂與前臂的最大形變量出現在肩關節外旋伸展至最后時刻。除此之外，各部位的最大拉伸率也為松量設計以及面料選擇提供參考依據。