三維動作捕捉儀在服裝工效學評價中的應用

田苗,　李俊*,3

(1.東華大學 服裝·藝術設計學院，上海 200051；2.東華大學 功能防護服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

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三維動作捕捉儀在服裝工效學評價中的應用

田苗1,2,李俊*1,2,3

(1.東華大學 服裝·藝術設計學院，上海 200051；2.東華大學 功能防護服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

摘 要：從發展過程、應用領域和不同產品優缺點的角度出發，對三維動作捕捉儀進行回顧和分析。結合目前服裝工效學評價的一般方法，剖析了現有方法存在的問題及使用三維動作捕捉儀的優勢;通過對現有研究的回顧，預測了三維動作捕捉儀在服裝工效學評價領域的發展趨勢。結合步態分析和行走模式等生物力學和運動學理論，可以從提高穿著者作業效率、減少職業傷害等角度，為服裝及裝備的設計提供更為科學合理的意見和建議;將三維動作捕捉儀與可穿戴設備理念相結合，可以促進服裝在健康監控及職業防護等方向的發展。

關鍵詞：動作捕捉；工效學評價；服裝；肢體活動范圍

三維動作捕捉儀作為動畫、游戲及電影輔助產品的用途廣為人知[1-2]，而其開發的最初目的是分析臨床病人的肢體動作和步態，從而完善治療方案[3]。目前，其應用范圍不斷擴展為與人體運動健康，醫療復健，甚至海軍設備水下測試[4]相關的各個領域。服裝作為人體與環境之間的主要介質，是影響人體運動舒適性的主要原因。對于需要穿著特種服裝執行任務的人群(如消防員或軍人)，服裝對人體動作的限制會直接影響其作業效率，導致肌肉疲勞，甚至危及其生命安全[5]。近年來，一些國外學者將三維動作捕捉儀應用到服裝及特種服裝裝備的工效學評價中，通過科學和全面的分析，促進服裝及裝備的設計與改良[6]。

文中從發展歷程，主要應用領域及不同原理的優缺點分析出發，回顧并總結了三維動作捕捉儀的現狀。通過對服裝工效學一般研究方法的梳理，剖析目前方法存在的問題，及三維動作捕捉儀應對這些問題的優勢。

1三維動作捕捉儀

1.1發展過程及現狀

1.1.1三維動作捕捉儀的開發早期進行動作捕捉相關研究的學者主要來自于醫院及人體運動科學領域，研究的主要目的是評估人體的運動能力，從而判斷手術、假肢等治療方案的有效性[7]。三維動作捕捉系統常與測力平臺(Force platform)及EMG (Electromyography)遙測系統相結合，作為臨床步態分析的主要手段[8]。在三維動作捕捉儀(3D motion capture)之前，具有相似功能的儀器一般被稱為三維分析 (3D analysis)或動作分析(Motion analysis)系統[4]。利用該系統，可以進行人體關節運動學，肌肉骨骼功能及步態分析等方面的研究。

動作分析系統早期主要應用于下肢的動作跟蹤[9]，隨著定位點捕捉技術的發展，上肢及頭部等其他人體部位也逐漸被作為研究對象。除了捕捉范圍的擴大，三維動作捕捉儀的開發也更加追求精確性和時效性。

1.1.2三維動作捕捉儀的構成根據動作跟蹤原理，目前用于人體動作分析的三維動作捕捉儀主要可分為光學運動捕捉系統[10]和基于慣性傳感技術的運動捕捉系統[11]。基于光學的動作捕捉系統主要由人體標記點，用于捕捉標記點信息的攝像機以及進行數據記錄和處理的計算機系統組成。基于慣性傳感技術的捕捉系統則主要由位置跟蹤傳感器和計算機系統組成。

在進行動作捕捉之前，首先需要對人體的不同區段進行定位。以下肢為例，定位點主要在盆骨、大腿、小腿及腳部[12]。為了精確捕捉下肢各區段的動作，光學動作捕捉系統需要將紅外發光二極管或具有反光功能的標記點固定在下肢各個定位點處，然后通過圍繞在人體周圍的攝像機對標記點的運動進行記錄。隨著技術的發展以及測量精度的提高，攝像機的數量逐漸從5個[3]發展到6個[13]、9個[14]等。基于慣性傳感技術的動作捕捉系統，則需要在定位點放置位置跟蹤傳感器。該傳感器主要由3部分組成：用于測量地磁場的三維磁力儀，用于測量包括重力加速度在內加速度的三維線性加速計，以及用于測量角速度的三維速率陀螺儀[15]。

標記點或位置傳感器對于各個點的記錄是分離的，為更好地再現肢體動作及獲得某區段或關節的活動角度或運動速度，需建立人體力學模型對測量的標記點進行整合，即人體動作的三維重建和動態模型的獲得[7]。在目前的商業軟件中，已經可以實現測量和人體力學模型運動的實時觀察。另外，除了三維肢體活動角度之外，軟件通過設計人體力學模型內部算法，還可以計算出各個傳感器的速度，加速度及人體質心的位移等。因此，不僅可以對捕捉到的動作信息進行回放和分析，并且可以將數據導出，在Microsoft Excel,3ds Max，MATLAB等軟件中進行后期處理[15]。

1.2應用領域

三維動作捕捉儀的應用范圍非常廣泛，包括生物力學、運動學、工效學等研究領域，以及虛擬現實、電影制作等應用領域。

在生物力學和運動學領域，三維動作捕捉儀主要用于不同負重或身體狀態下的行走模式，動作分析及身體平衡的判定，及不同身體截面方向特定關節(如腳踝、膝蓋等)的運動學特征分析[16-18]。在三維動作分析中，一般將人體分為3個截面，分別為冠狀面(Frontal plane)，矢狀面(Sagittal plane)和水平面(Transverse plane)[19]。通過測量隨時間變化的各個截面方向的肢體活動，可以計算出臀部、膝蓋、腳踝等處在3個方向的肢體活動范圍(Range of Motion，ROM)，以及角速度的變化等指標，其中矢狀面的運動學參數對于步態的分析具有更為重要的作用[20]。

生物力學和運動學領域的相關研究結合關節處的力矩等特征，對可能造成的肌肉或骨骼傷害作出預測。LaFiandra等[9]利用動作捕捉儀獲得了在不同負重條件下盆骨及胸部在水平面上的角加速度，結合所獲得的力矩參數，提出降低潛在風險的策略。另外，LaFiandra等[21]還對關節處角度的變化和步態參數的關系進行了分析。如非負重狀態下，盆骨的旋轉角度較大，因此可以產生較大的步幅；反之在負重狀態下，盆骨的旋轉角度較小，因此產生的步幅較小。Smith等[16]對大學女生采用不同背包方式狀態下盆骨的傾斜和旋轉進行研究，并發現當背包時，盆骨的傾斜和旋轉的角度范圍都有所減小。另外，對于不同的行走狀態，Protopapadaki等[18]利用三維動作捕捉儀研究了上下樓梯時臀部、膝蓋和腳踝處的運動學參數，并發現與下樓梯相比，上樓梯對于人體生物力學的要求更高。

三維動作捕捉儀還大量用于負重對軍人下肢活動性影響的研究[13]。其中Birrell等[22]發現負重32 kg時，人體的膝部在矢狀面的ROM及盆骨旋轉ROM都有顯著下降。Park等[23]結合不同負重條件(0.06，9，18和27 kg)進行防彈背心相關研究，結果表明隨著負重質量的增加，盆骨旋轉會顯著減小，從而限制下肢對前行運動的控制。而由于負重所導致的身體前傾以及盆骨前傾則會增加背部骨骼肌肉受傷的風險。研究發現不同的負重分布(如左右平衡，或單側負重)同樣會影響下肢的ROM，且相對平衡的負重方式可以減少慢性腰痛等疾病的發生。此類研究有助于進行軍人負重系統設計，從而減少對軍人行動的限制及產生骨骼肌肉傷害的風險[13]。

另外，三維動作捕捉儀還廣泛應用于流水線工人的動作分析，運動員的動作分析和傷害預測以及通過監測微小動作進行測謊等方面[24]。

1.3不同動作捕捉儀的優缺點分析

基于不同原理的動作捕捉儀具有不同的特性，但都主要依靠位于人體表面不同區段的標記點或位置傳感器記錄位置的變化。然而，動作捕捉的根本目的是獲取骨骼或關節處的角度或位置隨時間的變化情況。因此，在人體活動時，附著于人體表面的標記點與骨骼之間相對位置的偏移決定了標記點移動軌跡重建的不確定性，即動作捕捉的誤差[12]。Cappozzo[7]對測試方法中使用儀器導致的誤差進行分析，并認為在測量時應考慮其對精確度的影響。

目前，市場上大部分動作捕捉儀為光學捕捉系統。科研人員對該系統的研究起步較早，技術相對成熟。但在測試時，需要使用紅外發光二極管或有反光效果的標記點，并將其固定在皮膚或服裝表面。在受試者活動時，標記點存在脫落的可能性，從而導致數據缺失[14,25]。另外，當受試者需要穿著厚重服裝時，標記點是否可以保持與骨骼點相對應的位置也是值得考慮的問題。

對于基于慣性傳感技術的動作捕捉系統，位置信息通過無線信號進行收集，并且可以通過計算機實時觀測到虛擬人體的運動狀態，無需任何附加設備(如攝像機)。因此，具有更好的靈活性，不存在避免標記點被遮擋或脫落的問題。但該系統易受外界磁場干擾，在磁場較強的環境難以進行傳感器的校正[15]。因此，基于慣性傳感技術的動作捕捉系統對操作環境要求較高。

2服裝工效學的一般研究方法

2.1主要測試指標-ROM

服裝工效學研究的主要目的是對著裝后人體的活動靈活性進行評價，評價指標一般為靜態動作時肩部、腋下、襠部、腰部等部位的ROM[26]。通過比較著裝前后的ROM，對服裝的活動靈活性進行判斷。在目前服裝工效學評價中，ROM一般不會細分為3個截面方向的變化，而是選取認為穿著服裝可能會顯著影響的部位，如肩部在冠狀面和矢狀面的ROM，臀部在冠狀面的ROM等，因此對于不同服裝，或不同批次實驗所選擇的測試動作并不完全一致。

2.2ROM的來源及測試方法

ROM早期用于臨床測量，主要目的是研究各個關節(尤其是下肢臀部、膝部關節等)的ROM與年齡的相關性等，因為ROM是判斷肢體靈活度的重要標準[27-28]。大量調查表明，隨著年齡的增加，關節的靈活性會逐漸降低。如老年人活動時臀部和膝部的平均ROM比年輕人低20%[29]。另外，ROM也是評價肌肉拉伸等治療手段對病人肢體或關節活動性改善的重要指標，因此，在臨床醫學中被廣泛應用[30]。

角度計是測量ROM的主要技術手段，測量時需要兩位受過訓練的測量者配合操作，其中一位操作角度計，另外一位進行數據記錄。雖然角度計是測量ROM的常用手段，但其準確度和可靠性存在一些爭議。Gajdosik等[27]針對其可靠性進行了研究并認為使用角度計存在一定局限性，臨床醫生應該采用更加標準化的方法進行測試，而測量工具不應該成為影響ROM的因素。

2.3ROM在服裝工效學中的應用

在評價防護服裝系統對人體動作限制時，Huck[26]借鑒了人體運動學和臨床領域所采用的人體坐標系統，選取肩部屈曲/伸展(矢狀面)，肩部內收/外展(冠狀面)，肘部屈曲/伸展(矢狀面)，臀部屈曲/伸展(矢狀面)等9組動作，分別測量人體著裝時所能達到的最大角度，并分別計算ROM。在測量肢體角度時，一般采用角度計，即通過肢體方向與鉛垂方向的角度差確定肢體角度，及一組肢體活動的ROM。在評價穿著高溫防護服[31]、油罐清潔服[32]等防護服裝對肢體活動靈活度的影響時，測量ROM的方法被廣泛使用。

這種測試方法簡單易行，但同時存在測量準確性的問題。另外，肢體最大角度的測量只能針對特定動作，一方面某些極限動作在實際作業情況下并不會發生，另一方面這種測試方法不能實時監測多部位的角度變化。因此，對于服裝工效學的評價需要更加全面和專業的方法和工具。三維動作捕捉儀不但可以測量任何狀態下肢體在3個維度的活動角度，而且能以一定的時間間隔進行連續測量，準確便捷，故可成為替代角度計的測量手段。

3動作捕捉儀與服裝工效學的結合

3.1研究現狀

三維動作捕捉儀在服裝領域的應用報道較少。在國外學者進行的相關研究中，三維動作捕捉儀多用于厚重的防護性服裝裝備或軍隊裝備中[13,22]。在測試時，盡可能模擬服裝裝備所使用的實際情況，如正常行走，跨越障礙物、躲避障礙物和快速折返跑等[33]。在完成這些任務的同時進行動作捕捉，然后對所獲得的數據進行處理。Park等[6]利用三維動作捕捉儀研究了消防員在穿著消防服、消防靴，并佩戴自給式呼吸器(Self-Contained Breathing Apparatus，SCBA)時下肢的肢體活動范圍。研究發現佩戴SCBA時會顯著影響下肢各關節在矢狀面及水平面的ROM；另外，穿著不同材料的消防靴也會對腳踝和跖骨球的ROM產生顯著影響。針對軍人穿著戰術背心的相關研究表明，著戰術背心會顯著增大膝蓋屈曲和盆骨前傾，增加能量消耗并導致肌肉的快速疲勞，從而影響軍人的戰斗力并增加受傷的風險[34]。另外，在利用三維動作捕捉儀進行肢體活動范圍測量時，國外學者還會結合EMG或腳底壓力測試系統，對肌肉功能和行走模式進行分析，從而比較不同裝備的影響。

3.2發展趨勢

雖然三維動作捕捉儀在服裝工效學中的應用仍有一些限制，如，在比較兩種或多種較為寬松服裝服的肢體活動范圍時，效果并不明顯。但該問題在使用角度計時同樣存在。三維動作捕捉儀的應用可以覆蓋角度計的所有功能，并且在精確度、全面性等方面具有不可替代的作用。結合步態分析和行走模式等生物力學和運動學理論，可以將服裝的工效學評價提升到更為科學的分析高度，從提高穿著者作業效率、減少職業傷害等以人為本的理念出發，為服裝及裝備的設計提供更為科學合理的意見和建議。

隨著國民對身體健康重視程度的提升，運動健身逐漸成為大家關注的熱點，各種具有監測心率、計步、記錄能量消耗等健康監測功能的設備熱銷。作為可以監測肢體活動的三維動作捕捉儀，可與運動服裝相結合，一方面通過工效學評價，不斷改善功能和結構設計；另一方面可以開發具有動作監測功能的智能服裝[35]，指導健康的運動方式，減少運動傷害。

對于防護服裝或職業工裝，在利用三維動作捕捉儀對其進行工效學評價，指導服裝的設計和改良的同時，也可以將其與服裝相結合，監測作業人員在執行任務時的肢體動作，通過動作分析，更好地進行服裝的功能性設計，科學指導作業方法，減少職業傷害。

4結語

無論是在科學研究領域，還是市場應用方面，三維動作捕捉儀都發揮著積極的作用。文中從發展過程，應用領域以及不同產品優缺點出發，對三維動作捕捉儀進行了回顧和分析。結合服裝領域進行工效學評價的一般方法，發現其與動作捕捉儀應用領域所存在的交叉點。三維動作捕捉儀在服裝工效學方向應用的現有研究表明，與原有的角度計相比，三維動作捕捉儀具有測量效率高，測量范圍廣且精確便捷的優勢。結合步態分析和行走模式等生物力學和運動學等理論，可以將服裝的工效學評價提升到更為科學的分析層次，從提高穿著者作業效率，減少職業傷害等角度，為服裝及裝備的設計提供更為科學合理的意見和建議。另外，將三維動作捕捉儀與可穿戴設備的理念相結合，從大眾應用方面，可以擴大健康監控的范圍。從職業工作方面，可以科學的指導作業任務，充分發揮三維動作捕捉儀的應用價值。

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(責任編輯：邢寶妹)

Application of 3D Motion Capture on Ergonomic Evaluation of the Clothing

TIAN Miao1,2,LI Jun*1,2,3

(1.College of Fashion and Design,Donghua University,Shanghai 200051,China; 2.Protective Clothing Research Center,Donghua University,Shanghai 200051,China; 3.Key Laboratory of Clothing Design and Technology,Donghua University,Shanghai 200051,China)

Abstract：The status of 3D motion capture was reviewed and analyzed from the aspects of development process,application fields and the merit and demerit of the products.As for the general method of ergonomic evaluation of clothing,the problems of currently existing methods were concluded and the advantages of the 3D motion capture were proposed.According to the literature review,the application of 3D motion capture on ergonomic assessment of the clothing was predicted.Considering the theories of gait analysis and walking pattern from biomechanics and sports science,more scientific and reasonable recommendations could be presented for the design of clothing and related equipment,from the aspects of improving work efficiency and decreasing occupational injuries.Besides,the combination of the 3D motion capture and the concept of wearable technology might contribute to the development of the health monitor and occupational protection.

Key words:motion capture,ergonomic evaluation,clothing,ROM

中圖分類號：TS 941.73

文獻標志碼：A

文章編號：2096-1928(2016)01-0030-05

作者簡介：田苗(1989—)，女，博士研究生。*通信作者：李俊(1970—)，男，教授，博士生導師。主要研究方向為功能防護服裝。Email:lijun@dhu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目(51576038)；人因工程國家重點實驗室開放課題項目(SYFD150051812K)；中央高校基本科研業務費專項基金項目(15D110735/36)。

收稿日期：2015-08-20；

修訂日期：2015-10-26。