基于三維人體測量的青年男性肩部形態(tài)分類

阮 婷， 袁惠芬*,2， 韋玉輝,2， 夏 威

(1.安徽工程大學 紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學 紡織面料安徽省高校重點實驗室，安徽 蕪湖 241000；3.安徽紅愛實業(yè)股份有限公司，安徽 安慶 246500)

隨著生活水平的提高，服裝市場迫切需要建立準確細致的樣板庫以滿足消費者對服裝合體度和舒適度的要求。肩部作為西裝、襯衫等款式設計的重要部位，不僅影響著裝的舒適性，還影響領、袖等部位的合體度及造型。目前，對肩部的研究主要涉及肩部形態(tài)分類、肩部結構設計影響因子、人體肩部結構與衣身前后肩斜角的關系和肩部測量的影響因素等。張金花等[1]運用SPSS分析，將肩寬和右肩斜度作為肩部的特征變量，并得出多數人特征變量的范圍。賀莉文[2]采用AGNES凝聚層次聚類方法將肩型按肩弓系數分為平直、標準和弓形3種。石玲[3]分析了肩寬、肩斜度和肩線對服裝肩部結構設計的影響。李小輝等[4]將身體質量指數作為影響肩部厚度的參數，通過SPSS分析衣身肩斜角和人體肩部結構主要影響因素之間的回歸關系。潘春宇等[5]引入非常用測量部位“肩腰斜線”，推演出女上體后肩斜度的反三角函數。洪正琳等[6]通過對左肩高、肩寬直等6個部位分析，發(fā)現肩斜度對肩點獲取影響不顯著，沖肩對肩點獲取影響顯著。

在前人研究的基礎上，文中選擇三維人體測量技術收集肩部數據，運用變量聚類和特征指標算法提取肩部典型指標，結合K-means聚類和組合計算實現肩部形態(tài)的分類，統(tǒng)計不同肩部形態(tài)的人數，分析典型指標對肩部形態(tài)的影響。研究結果為青年男性肩部形態(tài)的細分提供參考。

1 人體數據采集實驗及數據預處理

1.1 測量儀器及測量條件

測量儀器：3D Camega非接觸三維人體掃描儀，北京博維恒信科技發(fā)展有限公司制造。

測量條件：參照GB/T 23698—2009[7]，實驗環(huán)境符合裸體測量要求，溫度為(25±2)℃，相對濕度為(65±5)%。

1.2 測量要求

被測量者穿著實驗室提供的專用人體測量服，頭戴白色泳帽，赤足；不得佩戴手表、眼鏡、戒指、耳釘等飾品。被測量者按要求站在指定位置，雙手握拳離大腿距離約5～8 cm。實驗時，被測量者自然呼吸，目視前方，盡量保持平穩(wěn)。

1.3 肩部相關變量

肩部相關變量如表1所示。參考GB/T 16160—2017[8]，選定頸圍、總肩寬、前肩寬、袖窿深、前胸寬、后背寬、左肩斜度和右肩斜度8個肩部測量項目，結合胸背寬比和肩弓系數2個肩部派生項目，共計10個肩部相關變量。

表1 肩部相關變量

其中，胸背寬比用來評價肩部形態(tài)。胸背寬比越大，人體的后背寬與前胸寬的差值越大，肩胛骨較為突出，背部彎曲明顯，呈現出明顯的屈身體型；胸背寬比越小，人體的后背寬與前胸寬的差值越小，背部隆起較小，胸部前挺，呈現出明顯的反身體型[9]。肩弓系數用來衡量弓背體型的后凸或彎曲程度。肩弓系數越大，肩胛骨后凸或弓形程度越小，兩肩端點前凸程度越小。肩弓系數越小，肩部后凸或彎曲程度越大，肩端點前凸程度越大[10]。

1.4 實驗對象及樣本容量

實驗對象為某大學的青年男性大學生和研究生，年齡為18～25歲，身高為160～190 cm，體重為45～98 kg。樣本容量N計算公式為

(1)

式中：CV為變異系數，CV=標準差/均值；A為相對誤差，A取3%。

肩部相關變量的基本統(tǒng)計量見表2。按變量中最大變異系數0.185，代入式(1)，得出樣本容量最少應不低于147。考慮到實際測量存在異常值等情況，將樣本容量設為400。

表2中變異系數CV用來衡量樣本某變量的離散程度，CV值越大說明變量的離散程度越大，數據差異越大，反之則越小[11]。由表2可知，該組青年男性肩部形態(tài)差異較大的前3個變量依次為左肩斜度、右肩斜度和胸背寬比，差異較小的前3個變量依次為總肩寬、前肩寬和肩弓系數。

表2 肩部相關變量的基本統(tǒng)計量

1.5 數據測量及預處理

為了減少三維人體測量誤差，需對同一個樣本進行3次測量并取平均值作為分析數據。運用SPSS軟件中箱式圖對400個原始數據進行奇異性檢測，剔除27個無效值，最終參與分析的有效數據為373個。采用Q-Q圖檢驗肩部相關變量的正態(tài)性，結果均通過正態(tài)性檢驗。

2 肩部形態(tài)分類

2.1 肩部相關變量的聚類分析

聚類分析是將對象的集合分組為由相似的對象組成的多個類的分析過程，其中變量聚類是根據各變量之間的相關性和親密性進行分類[12]。運用SPSS軟件對373個有效個體的10個肩部相關變量進行變量聚類分析，以Pearson相關性作為測度，按最遠距離法作為聚類方法，生成的肩部相關變量聚類樹形圖如圖1所示。

根據圖1，結合變量相似性及專業(yè)知識，將10個肩部相關變量聚為4類。第1類由總肩寬、前肩寬、頸圍、袖窿深和前胸寬5個變量構成；第2類由后背寬和胸背寬比2個變量構成；第3類由左肩斜度和右肩斜度2個變量構成；第4類由肩弓系數1個變量構成。

2.2 典型指標的選擇

為簡化肩部形態(tài)分析，聚類結束后可在各類變量中選取典型指標，選取原則為典型指標具有代表性且易測量。根據變量相關指數的大小確定其代表性[13]，計算公式為

(2)

表3 肩部相關變量相關指數

2.3 肩部形態(tài)分類

參考肩斜分類方法[14]，運用K-means聚類將肩部形態(tài)按胸背寬比分為3類，經過7次迭代以后收斂，迭代終止，迭代歷史記錄見表4。

通過方差分析檢驗分類結果，可知F檢驗值0，小于0.05，證明分類合理。由表5所示的最終聚類中心數據可得出：第1類胸背寬比最小，說明人體的后背寬小于前胸寬，背部隆起小，胸部挺直，定義為反身肩型；第2類胸背寬比居中，最接近1，說明前胸寬和后背寬差距較小，2條線段趨于重合狀態(tài)，定義為平直肩型；第3類胸背寬比最大，說明人體的后背寬大于前胸寬，肩胛骨較為突出，背部彎曲明顯，呈現出屈身肩型。

表4 迭代歷史記錄

表5 最終聚類中心與聚類中的案例數

依據胸背寬比的聚類結果將肩部形態(tài)分成反身肩型F(0.765～0.924)、平直肩型T(0.925～1.023)、屈身肩型Q(1.024～1.172)。其中，反身肩型、平直肩型、屈身肩型分別為121，175，77人，分別占比32.44%，46.92%和20.64%。

同理，運用K-means聚類將肩部形態(tài)按左肩斜度分為：平肩P(12.000°～20.650°)、正常肩斜A(20.651°～25.867°)、斜肩X(25.868°～33.600°)。其中，平肩、正常肩斜、斜肩分別為94，172，107人，分別占比：25.20%，46.92%和28.69%。將肩部形態(tài)按前肩寬分為：窄肩S(37.367 ～41.067 cm)、正常肩寬B(41.068 ～43.000 cm)、寬肩L(43.001 ～46.200 cm)。窄肩、正常肩寬、寬肩分別為104，153，116人，分別占比：27.88%，41.02%和31.10%。

胸背寬比、左肩斜度和前肩寬分別從挺身屈身狀態(tài)、肩斜度和肩寬這3個方面描述了肩部的形態(tài)。為使肩部形態(tài)描述更加合理全面，以此3個方面為基礎，經組合后共獲得27種肩部形態(tài)。

反身肩型分類見表6。其中，“F”為反身肩型，“S”為窄肩，“B”為正常肩寬，“L”為寬肩。由表6可知，在肩部形態(tài)呈現反身肩型時，窄肩、正常肩寬和寬肩人數接近；平肩、正常肩斜和斜肩人數差距較大。故在反身肩型時，肩寬對肩型的影響不明顯，肩斜對肩型的影響較明顯。

表6 反身肩型分類

平直肩型分類見表7。其中，“T”為平直肩型，“S”為窄肩，“B”為正常肩寬，“L”為寬肩。由表7可知，肩部形態(tài)呈現平直肩型時，窄肩、正常肩寬和寬肩人數差距較為明顯；平肩、正常肩斜和斜肩人數差距也較為明顯。故在平直肩形態(tài)時，肩寬和肩斜對肩型的影響均較大。

表7 平直肩型分類

屈身肩型分類見表8。其中，“Q”為屈身肩型，“S”為窄肩，“B”為正常肩寬，“L”為寬肩。由表8可知，肩部形態(tài)呈現屈身肩型時，窄肩、正常肩寬和寬肩人數有所差距；平肩、正常肩斜和斜肩人數也有所差距，但對比表7平直肩型時的人數差距，可知在屈身肩型形態(tài)時，肩寬和肩斜對肩部形態(tài)有一定影響，但其影響小于平直肩型時肩寬和肩斜對肩部形態(tài)的影響。

表8 屈身肩型分類

根據表6～表8中各類樣本數量可知，該組青年男性肩部形態(tài)中，屈身平肩寬肩(PQL)人數最少，平直正常肩斜正常肩寬(ATB)人數最多。當肩斜度居中時，反身正常肩斜(AF)、平直正常肩斜(AT)、屈身正常肩斜(AQ)之間的樣本數量相差較大，胸背寬比對肩型的影響較為明顯；而在平肩和斜肩中，胸背寬比對肩型影響較不明顯。

3 結 語

1)樣本CV值反映的青年男性肩部形態(tài)的10個變量中左肩斜度、右肩斜度和胸背寬比差異較大，而總肩寬、前肩寬和肩弓系數差異較小。

2)對樣本進行變量聚類和相關指數計算，將前肩寬、左肩斜度和胸背寬比作為代表青年男性肩部形態(tài)的3個典型指標。

3)分別對3個典型指標進行K-means聚類分析，組合得出27類肩部形態(tài)。分析得出：反身肩型的肩寬對肩型影響不明顯，肩斜對肩型影響較明顯；平直肩型和屈身肩型的肩寬和肩斜對肩型均有一定影響。當肩斜度居中時，胸背寬比對肩型的影響較明顯；在平肩和斜肩中，胸背寬比對肩型影響較不明顯。