基于三維技術的滅火防護服研究進展

楊鈺蝶，鄭晶晶,2，李承璋

(1.浙江理工大學 服裝學院，浙江 杭州 310018； 2.浙江省服裝工程技術研究中心，浙江 杭州 310018；3.杭州市消防救援支隊錢塘新區大隊，浙江 杭州 310018)

滅火防護服作為消防員的最后一道防線，需具備良好的阻燃性、熱防護性、熱濕舒適性等，結合配套裝備的佩戴，需保證消防員的身體活動不受阻礙，救援工作不受干擾。為此，各國學者不斷從面料升級、結構改進、細節優化等方面促進滅火防護服的改進升級。

隨著科技的發展，服裝三維技術在滅火防護服設計和評價中的應用呈現新興趨勢，逐步實現從二維平面到三維立體轉換。服裝三維技術主要包括三維人體掃描、三維動作捕捉、三維虛擬仿真等。文章介紹了服裝三維技術在滅火防護服的設計與評價中的應用，以期拓寬滅火防護服的設計思路，增加評價防護服性能的途徑，提高消防員穿著舒適性。

1 三維人體掃描技術

1.1 三維人體掃描技術概述

三維人體掃描技術是近年來被廣泛應用在服裝領域的三維技術之一，其能夠快速、高效地提供人體的精確數據，因而逐步取代了傳統手工測量的地位。該技術實現了人體數據測量由二維平面走向三維立體，通過多臺三維掃描器，結合光照射系統的聯動控制，對人體進行全方位的掃描拍攝并捕獲體表外形，而后通過計算機系統提取掃描結果，可實現人體點云數據的精確輸出[1]。現代三維人體掃描技術主要有3種方法：激光掃描法、紅外線測量法、白光相位測量法，其中激光掃描法與白光相位測量法發展較為成熟，且實用性較高[2]。

三維人體掃描能夠反映出人體與服裝的關系，在防護服領域有很好的應用前景，但該技術也存在一定缺陷，比如被光源遮蔽的部分或與光源平行的表面數據易丟失。隨著現代技術的發展，便攜式高分辨率的掃描儀能夠掃描這些無法準確捕獲和測量的區域，提高了三維人體測量的準確性。三維人體掃描技術為消防員人體數據測量、滅火防護服熱防護性研究、服裝合體性分析提供了技術與設備支持。

1.2 三維人體掃描技術的應用

1.2.1 消防員人體數據

人體數據測量是生產滅火防護服的重要基礎，確保其在消防員身上發揮出最佳的安全性與舒適性。應用三維人體掃描技術，研究人員能夠在數十秒內得到精準反映人體特征的幾百個數據。三維人體測量處理流程見圖1，分為5個階段：準備、掃描、特征提取、模型擬合、數據提取，其中第2、5階段是強制性的，而第1、3、4階段是可以選擇的[3]。

已有多位學者將三維人體掃描技術應用在消防員的人體數據獲取上，通過人體數據分析對比男女體型，以便進行防護服的個性化優化設計。如Park等[4]使用[TC]2三維掃描儀測試了消防員在3種下裝穿著下的數據，在400 多個測量點中，選定8 個下半身標志作為分析對象導出數據，并在男性和女性消防員之間進行比較。McQuerry[5]也通過三維人體掃描技術證實了身體測量中的性別差異。

圖1 三維人體測量處理流程Fig.1 3D body measurement processing flow

1.2.2 滅火防護服熱防護性

在火場環境中，熱量通過服裝和衣下空氣層傳遞到人體皮膚，因此有必要對滅火防護服的衣下空氣層進行研究，并與熱防護性建立聯系。Kim等[6]和Lee等[7]應用三維掃描技術將衣下空氣層與預測燒傷關聯起來，以期提高滅火防護服的熱防護性。Song[8]測量不同尺寸防護服下的空氣層，發現防護服在高溫中暴露導致的收縮會使其熱防護性明顯降低。

三維人體掃描因準確性、可重復性被視為測量衣下空氣層的最佳手段，但該方法目前大多用于測量人體穿著單層服裝時的衣下空氣層厚度。對于包括外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層的多層滅火防護服，衣下空氣層位于各層之間以及最內層與人體體表之間[9]，需要更深入地探究其中的作用機制。

McQuerry等[10]將多層滅火防護服中的外層、防水層、隔熱層進行單獨或復合測試。由各層服裝體積或表面積減去裸體的體積或表面積，可以計算出該服裝與人體表面空氣層的體積和表面積。根據下式計算平均空氣層厚度：

式中：Agap是衣下空氣層的平均厚度，mm；Vairgap是服裝的體積減去裸體的體積，cm3，SAnude是人體模型的表面積，cm2。

衣下空氣層測定實驗通常在假人身上進行，國內外學者借助圖形處理軟件使得結果更加客觀、可視、科學。如Mah等[11]使用三維人體掃描儀測量女性人體模型，通過Bersoft圖像處理軟件在人體截面自動生成以截面中心點為圓心的360°量角器，量化了滅火防護服衣下空氣層大小和分布。王云儀等[12]運用逆向工程軟件Geomagic Qualify比較三維掃描得到的裸體和著裝假人之間的差值，獲得假人不同部位衣下空氣層的厚度。

1.2.3 滅火防護服合體性

Ashdown等[13]首次將三維掃描技術用于服裝合體性的分析，使用三維掃描儀分別掃描受試者穿著合體內衣和最合身尺寸的樣褲，由經驗豐富的專家通過查看每個受試者的掃描圖像對樣褲的合體性進行打分。穿著個體體型、防護服號型和款式均會對滅火防護服的合體性造成影響。SON等[14]研究了連體款滅火防護服的合體性，通過三維掃描實驗發現隨著防護服號型的增大，后背和后腰部位的空隙明顯增大，但肩部、胸部、手臂等與防護服貼合的部位空隙變化不明顯。

隨著現代計算機技術的發展，一些處理軟件的應用使服裝合體性的細微差異更加直觀和可量化。Izabela等[15]對穿著3種不同消防服套裝和對照組(僅穿內衣、穿著普通T恤與短褲)時的消防員進行全身三維掃描(見圖2)，將結果導入到MeshLab_64 bit ver. 1.3.4 BETA中進一步處理。該軟件用于分析選定位置(如肩部、臀部和膝蓋)的橫截面，并能將多種著裝下選定位置的橫截面重疊比對。

圖2 5種穿著下的三維人體掃描圖像Fig.2 3D body scan images in five types of clothing

2 三維動作捕捉技術

2.1 三維動作捕捉技術概述

三維動作捕捉技術是一種可以準確測量、記錄并處理物體運動軌跡數據的技術，設備系統主要由傳感器、數據傳輸和數據處理3部分組成[16]。

根據動作跟蹤原理，目前用于人體動作分析的三維動作捕捉儀主要分為光學動作捕捉儀和基于慣性傳感技術的動作捕捉儀[17]，二者原理(見圖3)不同。使用光學動作捕捉儀時，需要將具有反光功能的標記點固定在身體各個定位點處，通過圍繞在人體周圍的攝像機對標記點的運動進行記錄；使用基于慣性傳感技術的動作捕捉儀時，則只需要在定位點放置位置跟蹤傳感器，傳感器主要由三維磁力儀、三維線性加速計、三維速率陀螺儀3部分組成。基于慣性傳感技術的動作捕捉儀不使用光學反饋，因此服裝覆蓋傳感器也可以測量人體的運動，然而它對周圍環境的電磁場很敏感，并且在靠近強電磁場或金屬物體的空間中，測量數據的準確性會降低[18]。

圖3 三維動作捕捉儀的原理圖Fig.3 Schematic diagram of two 3D motion capture devices

2.2 三維動作捕捉技術的應用

作為在高溫環境下的特種防護服，消防員滅火防護服需具備良好的工效性，保證不對消防員作業造成阻礙。一項日本消防服的調查研究顯示[19]，消防員對滅火防護服及裝備的工效性表現出較高的需求。早期研究人員僅能依靠消防員的主觀感受評價滅火防護服的工效性，三維技術的出現及應用使得滅火防護服工效性在客觀上得以量化，且其基于工效性的改進提高了消防員的作業效率。

關節活動范圍(ROM)定義為關節活動時所通過的運動弧或角度，是評價服裝工效性的重要指標。三維動作捕捉技術結合生物力學分析軟件Visual 3D生成人體模型，導出需要的關節活動角度，關節活動角度最大值與最小值之差得到關節活動范圍，該方法能夠獲得滅火防護服結構與細節的改變給人體活動帶來的細微差異，并在滅火防護服的袖部設計上得到實踐[20]。

Son[21]關注到了貼身穿著的消防內衣對消防員活動性的影響。受試者穿著不同材質和結構的消防內衣并穿戴全套消防裝備，所有的反光標記點貼在滅火防護服上，使用光學動作捕捉儀測試5個動作下的肩、髖關節活動。而另一種無需依賴光線條件的位置跟蹤傳感器可穿戴于被測服裝內層，減小服裝厚度與位移對測試結果的影響?；趹T性傳感技術的動作捕捉儀被用于研究消防員防護服和裝備對上半身[22]與下半身[23]活動的影響。

在現實救火場景中，消防員除穿著滅火防護服外，還必須穿戴消防頭盔、消防腰帶、消防手套、消防靴、空氣呼吸器(SCBA)等防護裝備，這些服裝與裝備共同作用于人體，產生一定影響。Park等[24]在這方面的研究較為深入且全面，其運用三維動作捕捉儀測量了佩戴SCBA后人體下肢各關節在矢狀面和水平面的ROM變化，之后又研究了消防靴和SCBA尺寸對消防員活動性的影響。王詩潭等[25]同樣選擇使用三維動作捕捉儀測試SCBA不同肩帶長度下受試者跑步過程中骨盆和臀關節的活動角度，為中等身高消防員的SCBA肩帶長度設置提出建議。

研究報告顯示：肌肉骨骼損傷是美國消防員最常見的職業傷害，占全部受傷情況的一半以上，比燒傷、熱應激和毒氣吸入更加嚴重[26]。Wang等[27]的調查結果同樣支持這一結論，肌肉骨骼損傷在中國和美國消防員群體中都很常見，且受傷部位與人體活動受限部位相一致。因此，通過三維動作捕捉儀測試消防員的關節活動情況，可以在一定程度上預測由個人防護裝備引起的消防員肌肉骨骼損傷。三維動作捕捉技術將滅火防護服的工效性評價提升到更科學、更人性的分析高度，從減少職業傷害的人本理念出發，為滅火防護服及裝備的設計提供更科學、合理的建議。

3 三維虛擬仿真技術

3.1 三維虛擬仿真技術概述

服裝三維虛擬仿真技術基于三維人體測量數據，結合人體體型、臉型、發型等個性化特征，構建虛擬人體模型，實現設計者和穿著者協同設計，其意義不僅在于設計層面，更在于無需真人和實物即可從客觀上對服裝進行性能評價。在面料、結構較為簡單的服裝上，已經實現了三維虛擬下的壓力舒適性測試，如普通褲裝[28]、針織騎行服[29]、女性跑步針織上衣[30]。

三維虛擬仿真的優點是無需制作樣衣就能直接在用戶端生成虛擬服裝，配合虛擬場景展示人體穿著的真實效果，有效縮短防護服的設計周期，提高生產效率，降低生產成本[31]。但目前三維虛擬仿真技術尚處于發展階段，具有一定局限性，無法完全實現所有類型服裝的虛擬仿真。

3.2 三維虛擬仿真技術的應用

在防護服的設計上，一直以來保持著傳統設計模式，即二維平面設計，三維虛擬仿真技術的應用并不多見。金世婧等[32]介紹了一種適用于防護服結構設計的CLO聯動技術，這項技術以Clostandalone軟件的虛擬仿真設計功能及動態展示技術與Maya、3dsMax、UGNX等軟件的綜合運用技術組成。

對防護服和裝備進行三維虛擬仿真設計，首先需要根據人體體型數據創建虛擬模特，再在軟件界面上安排平面版片，建立縫紉關系后制作立體服裝，調整面料參數，渲染細節，最后將在3dsMax或Maya等建模軟件中完成的配套裝備模型導入到場景中，獲得完整的虛擬模特穿著效果(見圖4)。CLO聯動技術中的壓力測試模塊可以獲得防護服在虛擬人體上的壓力分布情況，從而得到靜態和動態舒適性[32]。由于技術發展的限制，且滅火防護服材料復雜，難以完全虛擬仿真，目前未見有滅火防護裝備的三維虛擬設計與評價。

圖4 防護服三維虛擬仿真步驟Fig.4 Three-dimensional virtual simulation steps of protective clothing

4 服裝三維技術的發展趨勢

三維人體掃描、三維動作捕捉、三維虛擬仿真并不是3項孤立發展的技術，它們的應用與拓展彼此依賴、相輔相成。3項服裝三維技術的常見分類、優劣特點及應用設備和軟件信息總結見表1。未來，滅火防護服的研究將與服裝三維技術息息相關，在人體測量、開發設計、評價預測等方面緊密結合。

表1 服裝三維技術Tab.1 Garment 3D Technology

4.1 消防員體型測量系統化

服裝號型系統的準確性是服裝合體性、舒適性的前提。職業消防員與一般人群體型存在一定差異，Hsiao等[33]收集美國不同地區男性和女性消防員的人體測量數據，通過測量和數據比對得到：男性消防員比美國一般男性重9.8 kg，女性消防員比美國一般女性高2.9 cm。為了制定個人防護服的尺寸參考，Robert等[34]應用三維人體掃描測量了2 281 名印度男性的身體數據。防護服上裝和下裝分別以胸圍和臀圍為主要度量單位，設計了3 種服裝尺寸(即小型、中型和大型)，尺寸范圍間隔分別為4和6 cm。為了最大限度地覆蓋群體，小尺寸進一步分為XXS、XS、S，大尺寸進一步分為L、XL、XXL和XXXL。這些研究中獲得的數據為其對應地區個體防護裝備的設計提供了有效、可用的人體數據信息基礎。

滅火防護服作為消防人員的特定職業防護服裝，應聚焦消防作業人員體型數據，建立消防員體型數據庫，發展形成一套專門的號型系統。而目前，我國滅火防護服的尺寸設定參照一般服裝號型，沒有形成特定的尺寸標準。消防員體型數據庫將作為三維虛擬人體建立的基礎，各地區也有必要根據當地體型特點為消防員開發一套特定的號型系統。

4.2 服裝發展性別差異化

女性消防員是不容忽視的一個群體，且女性消防員比例在不斷擴大，但是目前滅火防護服的設計主要迎合了男性的體型特征，女性消防員因穿著不合適的防護服而面臨更大傷亡風險。

Mcquerry[5]通過三維人體掃描，從圖像上反饋了男女體型差異：男性的軀干呈方形，而女性的身體呈三角形，腰部較窄，臀部較寬。Park等[4]在研究中確定了女性消防員在穿著消防褲時引起不適的特定區域，表示與男性消防員相比，女性消防員穿著消防褲時的不合身性和不適感程度更高。針對男女體型差異，賴丹丹[35]根據女性體型特點對滅火防護服的款式進行改良，對肩部、胸部、袖長、袖窿、衣長、襠部等位置的不合體性做出調整，并對改良后的作業適應性評價。

這些研究成果使消防從業人員和科研人員重視男女消防員體型差異，以制定并完善女性消防員的尺碼系統，為女性消防員滅火防護服的發展奠定基礎。

4.3 服裝設計三維數字化

三維虛擬仿真技術已廣泛應用于服裝領域，它讓服裝設計實現了二維紙樣和三維模型的實時轉換，為產品設計帶來了極大的便利。這項技術目前存在一定局限性，在滅火防護服設計上的應用較少，且防護服面料層數多而復雜，真實模擬難度大，給技術平臺和操作人員帶來了考驗。

三維虛擬仿真的前提是建立逼近真實的虛擬人體模型，這就對三維人體掃描技術提出了更高的要求。如果無法采集到準確的人體數據，就難以建立與設計對象完全吻合的虛擬人體模型，也無法達到展示真實穿著樣貌的目的。

隨著現代信息技術、制造技術的不斷發展，三維虛擬仿真技術也將被推上新的高地，逐步實現滅火防護服設計的三維數字化及產業性應用，為個性化設計創造有利條件。

4.4 服裝性能評價多元化

服裝三維技術的興起實現了從早期的主觀評價和簡單的客觀評價到如今的可視化、數字化評價的飛躍。滅火防護服的評價內容、評價方法、評價指標越來越多元化。

在實物層面，運用三維人體掃描技術測得的衣下空氣層來評估防護服熱防護性，測得的防護服與人體橫截面空隙來評價合體性；運用三維動作捕捉技術測試消防員真人穿著滅火防護服下的活動性能，用以評估防護服的工效性。在虛擬層面，運用三維虛擬仿真技術模擬真實穿戴場景，并使虛擬人體模型做出相應動作，如救火中常見的走、跑、蹲、舉等，結合各技術模塊的運行，即可預測真人穿著時的多項性能。

5 結束語

本文總結了三維人體掃描、三維動作捕捉、三維虛擬仿真技術在滅火防護服研究中的應用，未來消防員人體測量將更加系統化并區別男女的體型差異，防護服的設計將突破二維平面轉為全要素、全角度的三維數字化模式。同時，服裝三維技術的發展與應用也使滅火防護服的性能評價更加科學、合理，拓寬了結構研究和效果驗證的新思路。

總體來說，服裝三維技術現在仍處于發展階段，尤其是針對滅火防護服這類功能性服裝，還有很多關鍵技術需要得到進一步的研究與討論。提高數據精確度、運行速度、自動化程度等都將成為技術發展的重點。未來，三維技術更將為滅火防護服的設計開發和評價性能注入了科學、精確、省時省事的技術動力，擁有廣闊的應用前景。