关于人体工效学中皮肤变形率...量在服装设计领域的应用研究_陈东安.pdf

72 Fashion China学术交流|Academic Exchange陈东安 魏帅第一作者：陈东安，广州大学，硕士研究生。研究方向：功能性服装设计。通讯作者：魏帅，广州大学，本科。研究方向：技术变革与经济效应。STUDY ON THE APPLICATION OF SKIN DEFORMATION RATE MEASUREMENT IN HUMAN ERGONOMICS APPLICATION STUDY IN THE FIELD OF APPAREL DESIGN关于人体工效学中皮肤变形率测量 在服装设计领域的应用研究摘要：通过分析人体工效学中皮肤变形率测量技术的发展，探索该技术在服装设计领域的更多可能性。服装根本是服务于具有生物特征的人，且服装是与人体交互的重要形式之一。相关数据表明，数字化测量技术与传统的测量方法相比，在测量精度、自动化程度和测量数据可视化等方面具有明显的优点，提高了人体维度数据的准确性，从而优化服装与人体维度的适配程度。本文从接触与非接触测量两个方向，举例论述了该技术对服装设计领域的影响。关键词：人体工效学测量技术；皮肤变形率测量；服装设计；应用研究Key words:Ergonomics measurement techniques;Skin deformation rate measurement;Garment design;Applied research中图分类号：TS941.1 文献标识码：A文章编号：1009-6256（2023）08-0072-03服装人体工效学是一门以人为中心、服装为媒介、环境为条件的系统工程，研究服装、环境与人相关的诸多问题，使它们之间达到均衡值1。近代数字化扫描测量人体技术，能更为全面测量和跟踪到人体整体与局部的动态相互关系，以及人体特征与影响着装形变的要素。而人体体表皮肤变形率的有关测量研究也为高性能服装设计应用发展提供了有力的数据支撑。一、人体运动的皮肤滑移机制在人体工效学中，不同的关节构造形成了各部位骨骼特有的运动方向和运动量，称为第一运动特征。由骨骼位移、肌肉膨胀引起特定部位的变形，称为第二运动特征。皮肤为了适应相应部位的变形而产生的伸缩变化称为第三运动特征，人体的运动就是这三个运动特征的有机组合2。在运动过程中，人体表面各部位会呈现出现不同程度的皮肤变形率，此变量会直接影响包裹人体的服装结构、缝合位置和材料拉伸率等。测量人体在运动时的皮肤变形率，可以直观地观察运动人体体表的变形率，皮肤变形率（k）的公式如下L0人体自然直立时的体表尺数据Ln第n个动作后的体表尺寸当皮肤变形率为正值代表该部位的皮肤变形是拉伸的，负值代表该部位的皮肤变形率是收缩的。服装人体工效学中提及人体动态皮肤变形带来的服装牵引和压迫的发生原因和发生部位，从而改善人-衣关系。皮肤变形率测量中的应用研究分接触式与非接触式两种阶段与方向。3p-陈东安 魏帅-关于人体工效学中皮肤变形率测量在服装设计领域的应用研究.indd 722023/7/17 13:04:44DOI:10.20100/11-4548/ts.2023.08.005Fashion China 73学术交流|Academic Exchange二、接触式测量阶段应用研究最早可追溯到20世纪60年代，人体皮肤变形率被正式提出，处于探索阶段。研究学者们，提出不同材料或不同测量的方法。理论是在传统材料的辅助下，在被测者静态时在其体表定点定位A点至B点的线段或图案，而后在被测者运动后观察A点到B点记号的拉伸变化，从而记录分析在不同运动状态下的人体经纬拉伸率。皮肤表面直接描线法：体表描线法是在被测者直立状态下的皮肤或紧身服上绘制等比正方形网格使用马丁测量仪等测量工具，记录下被测者在特定测量姿势下的网格经纬的变形率。实验人员需要将操作误差控制在可被允许的范围内，尽可能减少测量器具与人体皮肤间的手操滑移等变量。1981年，日本学者也进行了大量的研究，日本人间工学会衣服部会编的新编被服与人体一书中，采用描线法定性分析各大关节运动对人体尺寸变化的影响3。石膏带法：石膏带法是使用带有石膏浆的纱布敷于实验姿势下的人体体表，待其干透后从人体中线剪开取下，得到的模型稳定且易于观察与保留，但操作过程繁琐。1981年，小池干枝在服装造型论中用石膏法和莫尔等高线法，定性地分析了下肢运动所引起的皮肤变形4。未拉伸线法：采用无弹性可形变的化学纤维线，系在所需测量的皮表区域，当人体运动时，牵引材料变形，经观察计算拉伸前后线料长短，即可得到对应位置的拉伸量。捺印法：用“米”线段划分正圆，会得到以圆心扩展开的八段半径线段，即圆心周围八个方向的拉伸率。先在静态直立的人体皮肤上按印，可拓印下不同运动状态下印章半径被拉伸的程度。依此原理，服装上该印章的纵、横、斜向变形率都可以求出。日本大野静枝（1967年）便是通过捺印法测得出上装由姿势牵引的皮肤变化趋势。通过大量的测试，得到服装不同部位变化率与面料方向的相关关系5。在20世纪中期到21世纪初面料工业革命的技术创新，这个阶段围绕人体皮肤变形率的计算框架雏形基本完成。1980年，在奥地利召开的第十九届国际化纤会议上公布了，运动状态下皮肤表面拉伸率对于服装松量和不同运动状态下的服装结构变化，有重要的参考价值6。即使接触式测量，需要人工记录和整理数据，耗时长，不利于数据收集，但在各地域服装厂商急需建立服装版型尺寸标准的背景下，确切地提供了有章可循的科学统一的体表变形率测量手段。三、非接触式测量阶段应用研究而近代人体皮肤变形率测量技术的相关研究更为深入，新设备新技术的研制和开发相结合，测量技术实现了从2D到3D的转变。一般的服装产品会基于所销售地区的平均体型制定大众尺码表，因此无法满足到一些特殊人群，如不同运动项目的运动员、残疾人或从事特定职业的人。这不仅仅是因为穿着者的美观和舒适度，而是无法满足不断进步的服装功能性，如矫正型产品、提高性能的专业运动服和一些用于监测的智能纺织品。区别于普通服装，这类服装往往要求更高精度的人体皮肤变形测量数据。三维人体扫描：利用高精度的三维激光扫描仪，三维人体扫描法可在短时间内，可以以高分辨率多方位捕获人体各姿态下的皮肤拉伸形态，并转化成人体连续变化的3D点云变形数据，通过逆向工程技术对皮肤表面线段和面积变化进行集成测量分析处理。人体全身扫描会有设备角度不足和手臂遮挡躯干情况，因此该方法容易产生测量盲区，在皮肤滑移测量中较适合用于需要高精度数据的局部测量，如腿部、手部或臀部等。2014年，吴廷雅等人采用OptiTrack动作捕捉系统对女子跑步动作进行捕捉，提取出两个跑步时的代表性动作分析两者皮肤变形率7。在其扫描数据过程中会较容易发现明显的异常值，因为设备的扫描分辨率和扫描过程中受试者的不自主改变动作。2021年程慧婕用NDIOptotrakCertus三维运动系统分别对中长跑时三个阶段动作进行分解，得到较为规范的测量动作。再结合体表描线法测量得出个动作时着装后衣下的皮肤变形率，根据模型计算出在不同动作下配伍出最佳的面料经纬向弹性参数8。2017年，SitiHanaNasir等人使用3DINFOOT扫描仪以三种不同的手部姿势记录了13名女性参与者右手的点云原始数据9。研究手背皮肤松弛应3p-陈东安 魏帅-关于人体工效学中皮肤变形率测量在服装设计领域的应用研究.indd 732023/7/17 13:04:4474 Fashion China学术交流|Academic Exchange变及其与手部运动过程中皮肤变形行为的关系。使用3d扫描仪器基于人机工程实现皮肤变形率的测量，获得皮肤变化规律，在我国被应用于服装领域中开发高性能的功能性运动服与研究贴体服装的缝纫线定位，合理设定服装版型，能改善人体着装过程中来自服装的牵引耗能或提高运动员肌肉发力状况10。光学运动捕捉标记点法：使用光学运动捕捉系统时，镜头会发射出红外光（长波），被捕捉的目标人体会被贴上标识点（Marker），标识点反射的红外光会被多个镜头上的感应器矩阵接收。运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹，因此可分析人体皮肤表面的线段距离、面积变化和具体的拉伸方向。因研究方向的不同，其人体地标点也会不同。作为人体数据的扫描设备,深度相机同时提供了人体的深度数据和色彩数据。2019年，王贝以重建一个带有色彩的高质量人体模型并对其进行运动变形为目标,提出基于深度与色彩双重优化的人体扫描重建方法和基于数据简化与映射的人体运动变形方法11。将三维数据几何化，便于模拟和计算人体的运动形变，是一组能够完成收集与输出的简易三维数字算法。在非接触式的扫描当中，通常用于将人体一个运动过程中分解出若干动作阶段，通过跟踪与记录人体地标点，对比计算出不同点之间的长度、面积、方向变化。非接触三维人体扫描设备，需要从多方面考量其数据的完整与准确性，依赖设备扫描人体角度的完整性、设备分辨率、实验人员的科学操作能力、实验人体的地标点的数量和地标点位置。因此也有如上案例，使用3D建模模拟出科学运动动作状态，再结合真实的接触式测量方法，弥补扫描技术的数据不足。结语服装是与人体发生交互的重要形式之一，依托皮肤拉伸测量技术的发展，服装设计领域能够更大地发挥其为人服务的功能。本文研究方法存在一定缺陷，还需进一步完善。在制定服装标准尺码方面，围绕人体测量学人体体表面积中皮肤变形率的测量，测量手法从各学者简单自主的体表定位图，到逐步完善成立具有国际通用ISO标准人体地标点，成为之后很长一段时间内服装行业制定大众尺码的标准化、工业化和效率化进程的重要参考依据。在服装产品设计方面，随着人体皮肤变形率的测量研究技术进步，近年也为开发能与人体皮肤高度相互作用的服装产品提供了数据支撑，依据现有皮肤测量技术国内外学者提出了不同的研究方向。高性能运动服装，如高密度潜水服、无缝瑜伽服、户外骑行裤和高尔夫球服等；优化职业服装设计，如配送员裤装设计，人防护装备(PPE)，消防员的化学防护服以及飞行服等；可穿戴的肌骨劳损防护，如肌内效贴布、护腕、手套和护腰等，能起矫正与防护关节炎的可穿戴产品；数字化构建与模拟人体与服装的关系，如虚拟试衣制衣，智能交互服装等。在服装产品不断设计开发过程中，已经完成从最初的“适体”，到实现服装设计的合理性、效率性与数字化的转化，现代服装技术已然可见“医衣”的功能性服装发展方向和人与服装交互的数字化。本文从人体体表皮肤变形率测量技术的发展角度，论述了该技术对服装设计领域的影响，以此为皮肤变形率测量在服装领域应用研究提供方向。注释：1 潘健华：服装人体工效学与服装设计M，2000。2 张文斌、方方：服装人体工效学，上海：东华大学出版社，2008，62-64。3（日）人间：学会衣服部会编新编被服与人体，日本山版局，：。4（日）小池干枝：服装造型论，文化出版局，：。5 张文斌、方方主编：服装人体工效学M，2015。6 王燕珍、王建萍、张燕等：基于跑步状态下的皮肤拉伸研究J，纺织学报，2013，34(8):115119。7 吴廷雅：跑步紧身裤面料弹性与皮肤变形率的配伍性研究D，东华大学，2014。8 程慧婕：紧身服衣袖弹性与手臂皮肤拉伸变化的配伍研究D，上海工程技术大学，2021。9 Nasir S H,Troynikov O.Influence of hand movement on skin deformation:A therapeutic glove design perspectiveJ.Applied Ergonomics,2017,60:154-162.10 程慧婕、王燕珍：人体皮肤拉伸测量在服装设计领域应用的研究进展J，毛纺科技，2020,48(04):90-97.DOI:10.19333/j.mfkj.20190801508。11 王贝：基于深度与色彩双重优化的人体扫描重建及运动变形研究D，浙江大学，2017。3p-陈东安 魏帅-关于人体工效学中皮肤变形率测量在服装设计领域的应用研究.indd 742023/7/17 13:04:44