運動捕捉技術(shù)在運動服裝研發(fā)中的應(yīng)用

邢夢迪，劉 莉

(北京服裝學院，北京 100029)

運動捕捉技術(shù)在運動服裝研發(fā)中的應(yīng)用

邢夢迪，劉 莉

(北京服裝學院，北京 100029)

運動捕捉技術(shù)是記錄物體在三維空間中的運動軌跡并獲取其運動參數(shù)的一種方法。在運動服裝的研發(fā)中，運動捕捉技術(shù)具有對動作束縛小、采樣速率高等優(yōu)點。文章主要從運動評估和產(chǎn)品設(shè)計兩個方面探討了其在運動服裝研發(fā)中的應(yīng)用，認為運動捕捉技術(shù)是研發(fā)功能性服裝的一種有效手段，尤其對研究動態(tài)人體尺寸和服裝尺寸有重要意義。

運動捕捉技術(shù)；運動服裝設(shè)計；動態(tài)人體尺寸

由于運動過程的復雜性，有效且簡潔地捕捉人體運動過程比較困難，因此之前對運動服裝的研究大多是靜態(tài)研究，而運動捕捉技術(shù)能夠跟蹤、記錄物體的運動過程，結(jié)合生物力學則能揭示運動狀態(tài)對人體各部位產(chǎn)生的影響，目前對運動服裝的動態(tài)研究很好地解決了運動過程中服裝對人體的束縛問題，使其能夠更好地滿足人體的運動需求[1]。

1 運動捕捉技術(shù)概述

運動捕捉技術(shù)最初是由心理學家Johansson在實驗中提出，后經(jīng)過學者的不斷完善，運動捕捉技術(shù)取得較快發(fā)展，并在運動評估、產(chǎn)品設(shè)計等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。

1.1 運動捕捉系統(tǒng)的組成

運動捕捉主要是對物體在三維空間中的運動進行記錄，通過獲取其速度、位置等參數(shù)的信息，進而對運動軌跡進行模擬。典型的運動捕捉系統(tǒng)一般由傳感器、信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備等四個部分組成[3-4]，如圖1所示。

1.2 運動捕捉系統(tǒng)的分類

運動捕捉系統(tǒng)的分類方式主要有以下幾種：從捕捉部位劃分，可分為全身運動捕捉和細節(jié)運動捕捉；從實時性劃分，可分為實時捕捉和非實時捕捉；從技術(shù)原理劃分，可分為機械式運動捕捉、聲學式運動捕捉、電磁式運動捕捉、光學式運動捕捉[5]，詳見表1。

由于運動過程的復雜性，研發(fā)運動服裝就要求捕捉系統(tǒng)能夠使設(shè)備對運動的束縛最小化并適用于多數(shù)運動(跑步、網(wǎng)球等)，因此光學式運動捕捉系統(tǒng)憑借其優(yōu)勢在此方面應(yīng)用廣泛。

圖1 運動捕捉系統(tǒng)工作原理

運動捕捉技術(shù)系統(tǒng)組成優(yōu)點缺點機械式關(guān)節(jié)、剛性連桿、角度傳感器(安裝在各個關(guān)節(jié)處)。對環(huán)境限制較小；捕捉精度較高；數(shù)據(jù)處理量較??；可同時捕捉多個對象。對動作限制較大，使用不便。電磁式電磁發(fā)射源、接收傳感器、數(shù)據(jù)處理單元。技術(shù)成熟，成本低廉；可實時捕捉。對高速運動不太適用；不能對多個對象進行捕捉；對環(huán)境要求嚴格，不能存在強磁場和金屬物質(zhì)。聲學式超聲波產(chǎn)生器、接收器、處理單元。穿透性很好，能解決人體的遮擋問題；價格低廉。捕捉有較大延遲性；精度不高；聲波傳輸?shù)母蓴_因素多。光學式標記點、攝像機、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。對動作束縛??；采樣速率較高。系統(tǒng)整體造價高昂；對環(huán)境要求較高；后期處理成本大。

2 運動捕捉技術(shù)在運動評估中的應(yīng)用

由于運動捕捉技術(shù)可以捕捉運動員的動作并對其進行量化分析，進而幫助運動員進行訓練，因而其在體育運動中的應(yīng)用較為廣泛[6]，主要從皮膚、肌肉、骨骼3個方面對捕捉的數(shù)據(jù)進行分析。

在人體運動過程中，皮膚具有很強的跟隨性，其伸縮性與其在運動時產(chǎn)生的滑移可使皮膚更好地參與人體的運動[7]。張云[8]、嚴雅潔[9]對進行高爾夫運動的人體進行捕捉，得到運動員肩部、手臂、腋下、背部等部位皮膚的伸縮趨勢，有助于了解皮膚伸縮對服裝松量、結(jié)構(gòu)線設(shè)計等的影響。

骨骼肌的伸縮有效地控制著身體各部位的運動[10]。肖強懋[11]通過捕捉系統(tǒng)對高爾夫球手原動肌群的肌肉力量與全揮桿線速度進行了相關(guān)性分析。實驗表明，隨著技術(shù)水平的提高，原動肌群肌肉力量呈現(xiàn)逐步增強的趨勢，發(fā)現(xiàn)了肌肉力量對運動員成績的重要影響，為增加肌肉力量的緊身服設(shè)計提供了重要指導。

在人體運動系統(tǒng)中，骨骼起著運動杠桿的作用。蘇云[12]、李淑媛[13]運用運動捕捉系統(tǒng)對不同水平的高爾夫運動員全揮桿動作進行對比，得到了運動員在全揮桿過程中各部位(膝角、軀干角、肘角等)的角度參數(shù)，有助于設(shè)計出符合人體工學的高爾夫運動服。

3 運動捕捉技術(shù)在運動服裝設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀

人體在不同姿態(tài)時某一部位的變化對服裝制作是非常重要的，根據(jù)這些變化量，可以得到該部位的舒適量并將其應(yīng)用到服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

各種動態(tài)動作下人體體表皮膚形變是服裝松量與結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，對功能性運動服裝的研發(fā)更為重要。羅蘭等[14]利用運動捕捉和皮膚拓樣的方式對人體騎行動作的腿部皮膚形變進行研究，得到腿部各部位的皮膚拉伸形變趨勢，基于此得出在進行騎行褲分割線設(shè)計時需參考的腿部皮膚形變規(guī)律。嚴雅潔[9]在對進行高爾夫球運動的人體捕捉后，根據(jù)運動員的皮膚拉伸規(guī)律為高爾夫球服的設(shè)計提供了意見，比如應(yīng)適當縮短肩線，左右兩側(cè)可進行不對稱設(shè)計，服裝分割線設(shè)計則可參考高爾夫揮桿姿態(tài)時皮膚伸縮變化，背部不應(yīng)采用肩育克設(shè)計等。

肌肉活動是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下的一種復雜運動，肌肉收縮時會使血流受阻，使肌肉乳酸積累，導致運動單位傳導速度降低，有研究表明緊身壓力服可以提高運動員的競技水平并幫助運動員增加力量、加速血液循環(huán)并緩解疲勞[15-16]。因此，洛順華等[17-18]對人體騎行動作進行捕捉實驗以獲取人體在騎行運動中下肢骨骼肌的運動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進行骨骼肌仿真，并結(jié)合測量點的壓力變化分析得到騎行過程中下肢動態(tài)壓力變化規(guī)律。數(shù)據(jù)分析表明，測量點動態(tài)壓力隨樣褲松量遞減而線性增加，研究結(jié)果為研究騎行褲不同部位的松量設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，以改善騎行褲舒適性與運動性能。

服裝作為人體的第二皮膚，其舒適性很大程度會影響人們的生理和心理感受[19]。汪世奎等[20]對高爾夫運動時的人體各部位進行捕捉，根據(jù)人體5大區(qū)域的熱濕舒適性分布和所選的8種面料的熱濕傳遞性能，通過配比拼接的方式對夏季高爾夫服裝的熱濕舒適性進行研究。此研究為夏季高爾夫服裝材料的選用提供了參考，有助于制作更符合熱濕舒適性的服裝。

在當前的運動研究中，運動不當或運動量過大等帶來的運動損傷已經(jīng)不容忽視，因此對運動防護產(chǎn)品的開發(fā)很有必要。為了緩解長跑過程中的肌肉疲勞并保護膝關(guān)節(jié)，研究者設(shè)計了長、短兩款功能褲，通過束帶和魔術(shù)貼的結(jié)合以及可調(diào)節(jié)性綁帶的應(yīng)用，不僅提高了功能褲的使用靈活性又增強了其保護作用，并且可將實驗得到的防護參數(shù)用于防護褲的面料選擇，并結(jié)合面料的彈性進行結(jié)構(gòu)設(shè)計進而優(yōu)化防護褲[21-22]。

4 結(jié)語

本文主要從運動捕捉技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計方面入手，描述了運動姿態(tài)和服裝之間的聯(lián)系。服裝設(shè)計應(yīng)從生物力學和運動力學的原理出發(fā)，對捕捉到的運動參數(shù)進行模擬，從而構(gòu)建一套從動態(tài)測量到運動產(chǎn)品開發(fā)的新思路，并針對特定的運動研發(fā)設(shè)計功能性服裝。隨著運動捕捉技術(shù)的不斷發(fā)展，運動捕捉技術(shù)與高性能運動裝的結(jié)合會更加緊密。

[1] 吳旭波.基于生物力學的防護性網(wǎng)球運動服裝的研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學，2014.

[2] 向澤銳，支錦亦，徐伯初，等.運動捕捉技術(shù)及其應(yīng)用研究綜述[J].計算機應(yīng)用研究，2013，30(8)：2241—2245.

[3] 李明宇，趙亮，姜軍.動作捕捉技術(shù)應(yīng)用研究調(diào)查報告[J].科技信息，2011，(36)：471.

[4] 馮利正，陳健.運動捕捉技術(shù)在體育運動中的應(yīng)用[J].杭州師范學院學報(醫(yī)學版)，2005，(5)：24—27.

[5] 付全，趙慧勤，吳壯志.運動捕捉技術(shù)在體育運動仿真中的應(yīng)用[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2013，29(5)：81—84.

[6] 張?zhí)炝?，王曉華.運動捕捉技術(shù)在體育運動中的應(yīng)用[J].電子測試，2015，(24)：103—104.

[7] 張文斌，方方．服裝人體工效學[M]．上海：東華大學出版社，2013.

[8] 張云.基于人體工效學的高爾夫服裝熱濕舒適性研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學，2011.

[9] 嚴雅潔.高爾夫全揮桿動作人體軀干皮膚形變研究[D].北京：北京服裝學院，2015.

[10] 三吉滿智子．服裝造型學(理論篇)[M]．北京：中國紡織出版社，2008.

[11] 肖強懋.高爾夫球手1號木桿頭線速與其核心區(qū)原動肌群力量的相關(guān)性研究[D].杭州：杭州師范大學，2015.

[12] 蘇云.優(yōu)秀與普通高爾夫者全揮桿動作的對比研究[D].杭州：杭州師范大學，2015.

[13] 李淑媛.高爾夫球手全揮桿技術(shù)特征及其相關(guān)身體素質(zhì)特征的研究[D].北京：北京體育大學，2012.

[14] 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[J].浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院學報，2014，13(4)：39—43.

[15] 楊素云.羽毛球運動三維人體運動分析及其應(yīng)用研究[D].上海：東華大學，2016.

[16] 任雙佳.競技運動服功能性研究進展[J].浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院學報，2012，11(2)：9—13.

[17] 駱順華，張健.基于騎行動作骨骼肌仿真的女性下肢皮膚形變表征[J].紡織學報，2015，36(12)：120—124.

[18] 駱順華，王建萍，史慧，等.騎行動作下肢動態(tài)壓力變化研究[J].絲綢，2016，53(7)：38—42.

[19] 張渭源．服裝舒適性與功能(第2版)[M]．北京：中國紡織出版社，2011.

[20] 汪世奎，謝紅，胡冰，等.基于人體工效學的高爾夫服熱濕舒適性研究[J].上海紡織科技，2014，42(11)：11—14.

[21] 汪世奎.基于生物力學的跑步防護運動褲的研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學，2015.

[22] 趙西西.馬拉松跑步狀態(tài)下肢骨骼肌肉系統(tǒng)的防護研究與產(chǎn)品開發(fā)[D].上海：上海工程技術(shù)大學，2016.

The Application of Motion Capture Technology in Developing Sportswear

XingMengdi,LiuLi

(Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029, China)

Motion capture technology is a method to record trajectory of object in three-dimensional space and obtain the motion parameters. It has advantages of little restraint on action and high sampling rate in developing sportswear. This paper mainly discussed its applications in developing sportswear from the aspects of motion evaluation and sportswear design. It pointed out that motion capture technology is an effective mean to develop functional clothing, especially in the study of dynamic body dimension and clothing size.

motion capture technology; design of sportswear; dynamic body dimension

2017-06-29

邢夢迪(1991—)，女，河南漯河人，碩士研究生。

TS941.2

A

1009-3028(2017)04-0025-04