動作捕捉技術在功能性服裝的應用發展

李冰玉，肖 劍

(大連工業大學，遼寧 大連 116034)

隨著計算機數據采集和傳感器技術的發展，動作捕捉技術越發精準，應用范圍逐步擴大，如今已經在軍事、體育、醫療、科研、動畫制作、虛擬現實等諸多領域得以使用。光學動作捕捉系統是目前最先進、應用最廣泛的捕捉系統，高性能的紅外攝像頭可以迅速、準確捕捉反光標識點，收集并生成運動信息，用于動態的分析研究工作。動作捕捉技術的普及也為服裝設計領域提供了一個新思路，以科學實驗為設計依托，使設計更具合理性，服裝結構更符合人體活動需求，提高服裝的實用性及舒適度。

1 動作捕捉技術概述

1.1 動作捕捉技術的發展

動作捕捉,也可以稱為動作追蹤或簡稱Mocap，用于記錄物體在空中移動的整體過程并將其模擬到數字化模型中。早期的簡易動作捕捉和描繪概念是Max Fleischer于1915年提出的“動態影像描摹”[1]。1937年，迪士尼公司將這項技術運用到《白雪公主》的制作中，顯著提升了視覺效果，后來該技術應用于《指環王》、《美女與野獸》等動畫影視中。該技術的不足之處在于逐幀測繪的工作量很大，而且僅僅能夠獲得二維的信息。20世紀80年代各大研究機構開始對人體捕捉技術進行研究，麻省理工大學最早使用了光學式動作捕捉拍攝系統。此后，動作捕捉技術吸引了越來越多的科學研究者和開發商的注意力，并由試用逐漸走向實用。1988年，SGI公司成功開發出一套可以捕捉人體頭部運動和表情的系統。隨著電子計算機軟、硬件技術得到進一步發展，大眾對動畫制作提出更高要求，動作捕捉技術被廣泛應用到生活當中。各個廠商開始相繼推出更加多樣化的動作捕捉設備，如Film Box、MAC等。如今動作捕捉技術已在動畫電影、體育賽事、醫學研究等領域廣泛應用。

1.2 動作捕捉技術分類

常見的動作捕捉技術從使用工具和工作原理上可分為機械式運動捕捉、電磁式運動捕捉、聲學式運動捕捉、光學式運動捕捉和慣性式運動捕捉五種。在定位精準度、實時性、使用便捷性、可捕捉運動范圍、價格、抗干擾性、多物體捕捉性能等方面各有所長，互相平衡。表1為動作捕捉技術類型對比分析表。

表1 動作捕捉技術類型對比分析表

2 動作捕捉技術的應用表現

國內外研究專家和學者積極地參與到動作捕捉技術的研究開發中，在很多方面取得了前瞻性的技術成果和突破性進展，在動作捕捉的方法與應用、實時數據分析、運動動態研究、交互設計等方面有豐富的基礎。

2.1 影視游戲動畫制作

動作捕捉技術能使動畫效果更加真實、生動，提高了作品創作效率的同時，還能夠降低成本，在影視制作中大量使用該技術不僅是當下國內外電影制作的主要方式，也是未來影視行業的發展趨勢。

2.2 非物質文化遺產保護

動作捕捉技術對于動作類非物質文化遺產的宣傳和創新是切實可行的。施蕾等人[2]通過Vicon動作捕捉系統對花腰彝舞蹈動作進行數據采集，將動作信息錄入舞蹈數據庫，后期可用于各種三維角色，使非遺舞蹈在三維動畫及人機交互中得到應用，以達到傳承傳統文化的作用；吳志峰[3]以泉州提線木偶戲為例，在木偶角色身體的關鍵點安裝傳感器，將木偶表演時的固定動作進行捕捉和存儲，建立數據檔案庫，再進行后期電腦動畫的制作。

2.3 人體工程及醫學研究

將動作捕捉技術應用于臨床，可以對骨外科、整形科等科室的患者進行病理研究、檢測手術過程、分析步態數據、防止動作損傷以及評估患者假肢矯形安裝情況和康復情況等。早在20世紀90年代，麻省理工大學就通過臨床實驗，研制了上肢運動功能康復動作捕捉系統，為上肢患者提供了高效的醫療環境。Kim等人[4]提出了一種將動作捕捉數據應用到人形雙足機器人上的有效步行模式映射算法。通過對不同高度、尺寸、重量等數據的兩個機器人進行實驗分析，有效解決了腳與地面的滑動所產生的問題。

2.4 動作教學訓練研究

在體育、舞蹈等學科的教學訓練中，可運用動作捕捉設備進行輔助指導，細化動作要求，糾正錯誤的姿態，制定合理的訓練計劃，提高教學質量和效率。王露晨[5]以舞蹈姿態為理論基礎，提出了基于動作特征向量匹配的舞蹈姿態分析方法，并進一步驗證了將動作捕捉技術與舞蹈教學相結合的科學有效性與實施的可行性；韓麗，張美超[6]將動作捕捉技術與傳統的體育教學結合，通過搭建教練員動作數據庫，生成一套教學動畫軟件，實現動作的三維立體分析與講解。

3 動作捕捉技術的應用表現

3.1 動作捕捉技術在服裝領域的研究現狀

人體處于不同動態時，局部的肢體動作變化影響服裝的穿著舒適性，同時人體各個部位的動作變化也是服裝松量與結構設計的理論基礎，捕捉技術在準確計算人體結構的變量方面可起到重要作用。羅蘭，王建萍[7]通過動作捕捉技術，挑選出最具有代表性的騎行動作并進行拓樣研究，根據騎行狀態下腿部各個部位的形變率，提出制作騎行褲的最佳面料參考參數，及騎行褲分割線位置和形狀設計。

體育運動是生活中必不可少的組成部分，每一類運動都有與其特征相適應的服裝搭配，將動作捕捉技術應用于運動服裝的設計中，可通過圖像數據準確設計出滿足運動要求的服裝。劉莉等人[8]通過設備實例考察了高爾夫全揮桿動作引起的人體軀干部皮膚和肌肉伸展改變規律，并據此對高性能高爾夫上裝尺寸設計進行了探討。

運動防護是在體育運動中防止發生意外造成身體損傷的一項關鍵措施，除了防護裝備，防護性服裝在近幾年也得到發展。吳旭波[9]通過對網球運動時人體上肢各關節部位進行動作捕捉，提出了防護性網球運動服裝的優化設計；劉青青[10]通過探究在急停跳投和爭搶籃板球情況下各膝關節角度的變化情況，設計出符合籃球運動特點的功能防護服。

服裝工效學是一項專門研究個體、服裝和環境三者之間相互作用的學科，集合了對服裝功能性的評判標準和方法。田苗，李俊[11]把三維動作捕捉儀應用于人體功效性評價中，提出未來可將動作捕捉技術與可穿戴設備理念相結合的發展趨勢，嘗試開發設計一種具有動態監測功能的智能服裝，減少運動傷害，提高工作效率。

3.2 動作捕捉技術在服裝領域的發展趨勢

未來隨著動作捕捉系統行業的不斷提高，動作捕捉技術會應用到更多領域，進一步擴大產品的市場需求。目前動作捕捉技術在服裝領域的參與還比較有限，可繼續將該技術運用于智能服裝、職業工裝等多種類型的服裝設計中。動作捕捉技術具有精準性、全面性等優點，結合步態分析和行走模型等生物力學的運動學理論，能夠使服裝設計上升到更加科學的理論水平，進一步提高穿著人員作業效率、降低職業傷害，為服裝、服飾及其他配套裝備的設計提供更加科學合理的指導。

4 結語

服裝設計應從人體工程學、運動力學等基礎原理出發，對捕捉到的運動數據進行分析和模擬，從而形成一套由動作捕捉到服裝產品設計研制的開發體系，并針對特定人群及特定場景進行研發。隨著現代動作捕捉技術研究的不斷深化和進步，動作捕捉設備的不斷發展，動作捕捉技術與服裝功能性研發的結合會更加緊密。