基于人體動作捕捉的騎行運動腿部皮膚形變研究

羅蘭 王建萍

基于人體動作捕捉的騎行運動腿部皮膚形變研究

羅蘭 王建萍

各種動態動作下人體體表皮膚形變是服裝松量與結構設計的理論基礎，對于功能性運動服裝的開發尤其重要。本文通過對人體騎行運動進行動作捕捉，挑選出5個具有代表性的騎行動作，并對其進行腿部皮膚拓樣。試驗發現腿部各部位的皮膚拉伸形變復雜且差異較大（-50%～58%）其中腰圍線和橫襠線位置附近的皮膚形變最為顯著；人體后側皮膚從腰圍線到膝圍線總體呈拉伸減小收縮增大的趨勢，人體前側皮膚從側縫線到前中心線、從膝圍線到腹部總體呈斜向的拉伸減小收縮增大趨勢。

人體運動捕捉；皮膚形變測量；服裝結構設計

1 前言

服裝結構設計是由人體靜態體型和動態變化共同決定的。在各種人體物理性能中，運動中的體表皮膚變化對于服裝松量設計和結構設計的影響是最顯著的[1-2]。人體動作與身體運動所表現出來的不同程度的骨骼、肌肉、皮膚變化都直接影響了服裝在人體上的附著形態，特別是皮膚作為第三運動特征會隨著人體各部位形變產生不均勻的伸縮并最終將這些形變傳遞到服裝上，因此測量計算人體各部位的變形方向和變形量，從而尋求適應這種變化的服裝形態、結構和面料是服裝結構設計的關鍵[3]。

國內的學者們對于皮膚拉伸和服裝結構之間關系的研究起步較晚，近幾年由于運動服裝的興起，人體動態特征方面的研究越來越受到學者們的重視，但目前市場上的騎行服普遍存在款式單一，結構簡單，分割線設置隨意、缺乏理論依據等問題。針對這一現象，本文以騎行運動人體仿真模擬為基礎，探究騎行運動中人體腿部肌肉活動情況和相應皮膚拉伸形變變化，從而為騎行服的設計和改良提供可作參考的科學依據和理論支撐。

2 人體騎行運動動作捕捉

人體動作捕捉，即一個通過在時域上跟蹤一些關鍵點的運動來記錄生物運動，然后將其轉換成可用的數學表達式并合成一個單獨的3D運動的過程。

2.1 試驗內容

通過高頻攝像機對人體騎行動作的捕捉，得到人體騎行動作周期的影像數據，提取關鍵幀，并為騎行仿真模擬實驗提供基礎資料。

2.1.1 試驗工具

本試驗采用的高頻光學動作捕捉系統由12個130萬象素Raptor-E數字捕捉鏡頭，Cortex3.0數據處理軟件組成，其他輔助設備有SonyPMW-EX1R攝像機、山地自行車、自制原地騎行用自行車后輪支架作為實驗器材。

2.1.2 試驗對象

挑選1名23歲，身高160cm，體重46kg，體態勻稱、身體健康的非專業騎行運動愛好者作為實驗對象。

2.1.3 試驗方法

具體試驗方法如下：

實驗之前按照騎行標準姿勢要求，根據實驗對象身高以及腿長，調節自行車鞍座高度、車把高度以及實驗對象坐在鞍座上的位置，要求實驗對象背部保持自然向前傾斜55°左右。右邊腳踏在最低位置，右腳后跟踩住腳踏時要求右腿處于大約伸直狀態，膝蓋垂線未越過前輪，按照motion動作捕捉系統要求在實驗對象上準確粘貼36個標記點；實驗對象雙手水平舉起靜止站立場地L字原點成T字形狀，實驗操作人員進行標定，利用cortex3.0數據處理軟件中模板規定順序連接36點；讓實驗對象隨意做各種動作，預做實驗驗證系統；實驗對象先自行熱身試騎，穩定后以騎行速度為30rmp/min勻速騎行，動作捕捉系統和攝像機同步采集騎行動作點云數據和視頻，采集穩定騎行動作10s左右。騎行動作點云數據以C3D格式保存，視頻以MP4格式保存。

圖1 右足蹬踏1周軌跡圖

2.2 實驗結果及分析

將實驗得到的視頻影像提取中間最穩定一段周期，并分解成幀圖像，得到一個騎行周期的19張幀。由視頻及分解的圖像幀可知騎行運動是下肢做蹬踏前進的周期運動，將蹬踏1周視為1個周期，按照右足在蹬踏軌跡圓周上由上死點（0°）開始轉動的角度，來描述一個運動周期，其位置描述如圖1。

周期踏蹬中，上下死點曲柄不受力，從力學角度對其進行受力分析可知在上下死點時，下肢肌肉蹬踏產生的力的方向通過曲柄所在的縱向中軸線，與速度方向垂直成90°，力臂為零，故不做功。0°到90°是騎行效率上升階段，45°位置是最佳起步位置，在這一階段，蹬踏力方向與速度方向的夾角不斷減小，力臂增大，做功增大；當轉到90°位置時，蹬踏力的方向與速度方向完全重合，此時力臂與力矩都最大，力的做功效率也最高，是騎行蹬踏的重要和主要階段；90°到180°是做功效率下降階段，與上升階段相反；在轉過180°的下死點之后，做功效率迅速減小，270°到上死點的1/4圈是整個騎行周期中做功效率最低、做功最困難的階段，此時基本是靠另一側的踏板下壓用力對其產生的反作用來維持其上升作用和騎行運動的前進的。結合分解圖像幀中得到的動作幅度最大的騎行姿勢和力學分析中得到的騎行周期臨界點姿勢，挑選出以下5個進行皮膚形變試驗的騎行動作，如表1。

表1 騎行運動中特征動作及動作描述

3 騎行運動腿部皮膚形變試驗

3.1 實驗內容

本次試驗通過對各騎行特征動作下腿部皮膚的形變拓樣，計算出騎行運動過程中腿部表面各區域的形變情況。試驗通過控制大轉子處水平線與大腿的夾角和膝蓋處大腿與小腿的夾角來保持動作的準確性（圖2）。

3.1.1 試驗工具

本試驗工具有：卷尺、直尺、量角器、水性油墨筆、熒光筆、溫水、毛巾、鉛垂線、面膜、剪刀、小刀等。

3.1.2 試驗對象

本試驗挑選5名20～25歲的女性非專業騎行運動愛好者，正常體型，身高在160～165cm，BMI（Body Mass Index）指數在20～25kg/m2。

3.1.3 試驗方法

本試驗在東華大學第三教學樓1011辦公室，恒溫28℃±2℃、恒濕60%±2%的條件下進行，并且保證前一天睡眠充足。具體試驗步驟如下：

圖2 人體腿部重要關節夾角示意圖

1）將室內溫度和濕度調整到要求范圍內，受試者在室內休息半小時以適應試驗條件并穿著試驗專用的內衣；

2）讓測試者靜態站立并在其腿部（縱向腰圍線到膝蓋上方3cm位置，橫向前后中心線為基準）用水性油墨筆或眉筆畫3cm×3cm大小左右的網格，待其干后再用熒光筆重復網格線描畫一遍（網格分布如圖3）；

3）將凝膠物質從腰部開始盡量均勻地涂抹在人體待測部位，用吹風機加速凝固速度，待凝膠物質凝固成型后，先從側縫線和下檔線位置剪開，再從臀部和會陰點下方的橫向網格線水平剪開，然后分前上、前下、后上、后下4片樣本小心取下；

4）按照選取的動作，受試者按角度擺相同的姿態，重復上述的拓樣過程；

5）將拓樣得到的膜樣本用剪刀按網格線剪開得到每一個方格的形狀并將剪開后得到的方格按順序按其形態依次貼放在白紙上，將白紙上的方格形狀掃描到電腦里；

6）在一張白紙上畫出5×5cm和3×3cm的小方格，然后用同樣的儀器和方法掃描到電腦里計算像素比。

圖3 人體腿部網格分布示意圖

3.2 試驗結果及分析

通過對試驗得到的樣本方格進行像素計算和面積轉化并與靜立時的方格面積進行比較得到5個動作下每個方格的伸長率，將缺失和有顯著差異性的數據剔除得到5個動作下腿部皮膚方格的平均伸長率變化及伸長率曲線圖（圖4）。

圖4 人體腿部皮膚形變率曲線圖

由圖中曲線得知，曲線形態變化較大，說明在騎行運動中腿部及臀部各部位的皮膚形變變化顯著；5個動作下腿部各部位的皮膚形變趨勢一致，臀部皮膚總體呈拉伸狀態，腹部皮膚總體呈收縮狀態，腿部皮膚的拉縮變化受動作姿勢影響較大。

臀部皮膚在騎行過程中拉伸較大，尤其是腰圍線和橫襠線附近的部位，從腰圍線到橫襠線，臀部皮膚拉伸率呈先減小后增大的趨勢，其中橫襠線位置皮膚在整個腿部部位中拉伸最大，最大值高達58%；腹部皮膚在騎行運動中收縮較大，從側縫線到腹部中心收縮率呈增大趨勢，最大收縮率可達50%，其變化率隨動作不同差異較大，主要受人體上半部姿勢和脊柱前傾彎曲角度影響；大腿部位的皮膚在騎行過程中既有拉伸又有收縮，大腿后側皮膚從橫襠線到膝圍線呈拉伸減小收縮增大的趨勢，大腿前側的皮膚從側縫線到前中心線呈收縮減小拉伸增大，并且靠近膝圍線位置的皮膚拉伸較大，主要受膝蓋彎曲的影響。由此可知，人體后側的皮膚變化主要是縱向拉伸的變化，而人體前側的皮膚變化主要是橫向拉伸的變化。

4 結論

本次研究通過對人體騎行運動進行仿真模擬得到騎行周期中各運動狀態和動作姿勢，從而提取5個特征動作進行腿部皮膚形變試驗，計算出腿部各部位的形變率，通過分析數據發現各部位的皮膚拉伸形變復雜且差異較大，形變范圍在-50%～58%之間，其中腰圍線和橫襠線位置附近的皮膚形變最為顯著。人體后側皮膚從腰圍線到膝圍線總體呈拉伸減小收縮增大的趨勢，人體前側皮膚從側縫線到前中心線、從膝圍線到腹部總體呈斜向的拉伸減小收縮增大趨勢。

通過對騎行運動中腿部皮膚伸縮變化的研究，可以通過計算彈性面料的彈性回復率和最大彈力負荷等參數選擇最佳的騎行褲的面料，并根據腿部皮膚形變的伸縮規律對騎行褲分割線位置和形狀的設置提供參考依據，達到科學、合理、舒適且人性化的生產目的。

[1]Fuzek,John F.Some factors affecting the comfort assessment of knit T-shirts.Industrial&Engineering Chemistry Product Re-search and Development[J].1981,20(2):254-259.

[2]FIirgo Heinrich, Suchomel Friedrich, Burrow Tom. TENCEL High Performance Sportswear. Lenzinger Berichte[J]. 2006(85):44-50.

[3]陳東升.服裝衛生學[M].北京：中國紡織出版社，2000.

[4]林霜.人機工程學意義下自行車騎姿分析[J].四川兵工學報,2010,31(03):103-105.

[5]王永進.動態人體尺寸的測量方法[J].紡織學報,2013,34(4):104-110.

[6]Ukida H, Kaji S, Tanimoto Y, etal. Human motion capture system using color markers and silhouette[C].Instrumentation and Measurement Technology Conference,2006: 151-156.

Skin Deformation of Legs in Cycling Based on Human Motion Capture(HMC)

LUO LanWANG Jian-ping

The skin deformation in different motion types is the theoretical foundation of clothing ease and structuraldesign, especially for the development of functional tight-fitting apparels. By capturing the motions incycling, 5 characteristic motions are picked up and the skin example of the leg is obtained. The experimentshows that the skin deformation of the leg is complicated and varies considerably from -50% to 58%. The skindeformation near the waist line and the thigh line is the most distinct. The skin on the back of the thighs stretchesdecreasingly from the thigh line to the knee line. In contrast, as for the skin on the front thigh, the shrink decreasesfrom the side seam to the front center line.

human motion capture;skin deformation measure;clothing structural design

TS941.2

B

1674-2346(2014)04-0039-05

10.3969/j.issn.1674-2346.2014.04.009

(責任編輯：竺小恩)

2014－09－10

羅蘭，女，東華大學服裝學院，碩士研究生。研究方向：服裝數字化研究（上海 200051）

王建萍，女，東華大學服裝學院，教授（上海 200051）