人体皮肤拉伸测量在服装设计领域应用的研究进展

2020-05-23程慧婕王燕珍

毛纺科技 2020年4期

程慧婕，王燕珍

(上海工程技术大学服装学院，上海 201620)

人体是凹凸有致、形态复杂的曲面体，附着在人体表面的服装常常被誉为“第2层皮肤”。运动时，人体各部位皮肤形变作为第3运动特征会产生不均匀的伸缩并将这些形变传递到服装上。有些运动服装并不具有良好的延展性，人在静止状态时较符合人体外型静态轮廓，而人在运动状态时则不能满足人体动态需求[1]。人体皮肤动态拉伸测量是研究人体运动状态与服装形变关系较为直接有效的实验技术，在服装设计领域具有广阔的发展前景。现代人对运动服装的要求不再局限于美观性，还要求其具有功能性。因此有必要采集人体运动状态下的皮表尺寸信息，量化皮肤形变，为满足运动自由度和舒适度的服装提供设计参考。

1 人体皮肤拉伸特征

皮肤包覆在人体肌肉表面，直接同外界接触，具有保护、调节体温和感受外界刺激等作用。皮肤分表皮和真皮2层，表皮在最外层，真皮是致密的结缔组织，有许多弹性纤维和带韧性的胶原纤维，故皮肤具有一定的拉伸性能。人体皮肤皱纹机构与伸展原理表示皮肤伸展大的方向总是与皱纹的方向相垂直。人体皮肤皱纹的伸展方向示意图见图1[2]。

图1 人体皮肤皱纹的伸展方向示意图

2 皮肤拉伸测量在服装设计中的意义

运动过程中，人体表面各部位都会表现出不同程度的皮肤变化，这个因素直接影响包覆在皮肤表面服装的松量、割线与面料[3]。无论是户外运动服还是精干、轻量化的紧身服装，只通过人体外在体型特征来设计服装是不全面的，应从人体功效学规律出发，测量不同方向上皮肤形变量的大小，设计满足人体的动态体型特征的合体性与运动性相和谐的服装，缓解皮肤与面料间的相对滑移，降低表皮的摩擦力，减少运动损伤，保障技术动作的出色完成。

2.1 体表变化影响服装松量配置

人体的静态体型和动态变化共同决定了服装松量[4]。当赋予面料的拉伸变形等于或高于皮肤拉伸变形率，或当服装结构设计部位放松量足够充裕时，着装能够达到高度舒适[5]。分析人体在运动状态下的体表拉伸范围，有助于对服装纸样加放松量的位置和方法提供科学依据，以满足运动服装的功能需求。

2.2 体表变化影响服装割线分布

市场上运动服装结构分割线大多设置随意、各有不同，且缺乏理论依据，割线位置会限制面料弹性使其无法匹配皮肤拉伸，降低运动效率。研究表明，皮肤表面拉伸最小的位置是分割的最佳位置，根据体表变化得到皮肤最小拉伸区域可以合理确定割线的位置和形状[6]。

2.3 体表变化影响服装面料选择

面料弹性参数的设置因服装中部位的不同而各不相同。弹性面料与人体皮肤伸缩回复的运动性有一致的变化趋势，当服装选用弹性面料时，应结合不同部位的皮肤拉伸情况决定所采用的面料在横、纵方向应当具有的最大弹力负荷，才能满足人体运动中的各部位的皮肤伸展变化。

3 国内外皮肤拉伸测量的研究进展

目前研究中的皮肤拉伸测量方法分为接触式测量和非接触式测量。在1980年，第19届国际化纤会议上公布了人体运动过程中的皮肤表面拉伸率，对不同运动状态下服装结构设计有重要借鉴意义[7]。近几年随着功能性运动服装的兴起，国内外学者对皮肤拉伸测量的研究正在走向成熟。

3.1 接触式测量法

接触式法测量需要人工记录数据。在测量前，测量人员需经过统一培训，能熟练和正确地使用测量工具，将误差控制在允许的范围内。此法测量者与被测者有大量的肢体接触，测量中难免有尴尬情况发生。

3.1.1 未拉伸线法

未拉伸线法指化学纤维纺成丝后，不经拉伸处理，系在所需测量的皮表区域，当人体运动时，皮肤伸展将纤维拉长，且不再缩回，测量纤维的拉长值便可得到对应位置的拉伸量，但此法不能测量皮肤的负向收缩。

3.1.2 石膏带法

石膏带法是在体表作基准线后，人摆好实验姿态，将温水软化后的石膏带平敷1～2层于人体表面，调配石膏粉至糊状快速涂于石膏带上，再将绷带裹在最外层，加强模型的硬度。然后用电吹风加速定形，干燥后沿侧缝剪开，取出石膏模型，见图2。最后将石膏上的网格线拓印到白纸上，按需要展开后可直接观测三维人体转化成二维时的皮肤表面形态，石膏展开拓印出的网格线见图3。石膏带法得到的模型比较容易保存，但操作过程冗杂,等待时间过长。

图2 石膏模型

图3 石膏展开拓印出的网格线

参考文献[8-9]测量了由运动引起的体表皮肤形变，并进行了定性的研究。参考文献[10-11]研究了在女性右半身根据特征线涂抹石膏，通过取下的人体曲面模型得到静、动态皮肤数值，再选择合适的面料研发调整型内衣。但是乳房为人体曲面较明显的部位，胸型具有个体差异性，该项研究应扩大样本容量以减少误差。朱娜[12]模拟轮椅使用者常态，获取人体腰部到膝盖的石膏模型，观察下肢皮表变化，以此为依据进行短期轮椅使用者功能裤的样板优化设计，但未对功能裤运动性与运动量间的配伍关系进行研究，可用通过增加轮椅使用者的日常动作，多次测量分析等方法探讨增加裤子的运动功能性。郅晓磊[5]测量了218名男子下体静态和动态的皮肤变化量，选出1名中间体男子分析其下体体型特征和动态变化规律，通过屈曲的造型、适合的面料和合理的松量3个方面设计运动型贴体裤装。该实验直接把参数最靠近中位数的男子作为最终研究对象，存在较大误差，应计算所有被测对象各部位皮肤变化量的均值，再寻找靠近均值的男子作为研究对象。

石膏带法可用于人体动态皮肤形变的测量，将立体转化为平面，为后续的皮肤拉伸测量奠定了理论和实践基础，但该方法也表现出一些缺陷：成本高、干燥时间长；实验时人的肌肉紧张和放松、呼吸的轻重、姿势的规范程度是主要的误差来源；数据繁多，记录过程中易出现漏记、误记，采用该方法应及时将数据输入电脑并做检查。

3.1.3 体表描线手工测量法

体表描线法是在被测者皮表用油性记号笔描辅助基准线，构造网格。使用马丁测量仪，软尺等工具，保证人体不受尺的压迫，拉紧尺，在体表直接测量各姿态下的每一条标记线及其中各个线段的围度和长度。

一些关键部位尺寸在运动状态下扩大与缩小变化范围是服装松量、面料设计的参考值。参考文献[13]采用描线法分析了人体各关节运动引起的皮肤变化；高雪梅[14]测量了静态瑜伽基本体式10个动作中，女性腿部皮表的横纵数值变化，可用于指导瑜伽贴体裤装的样版生成；周捷等[15]分析了女性上肢躯干动态时的皮肤伸展情况，研究了文胸材料的选择方法；刘红晓[16]测量了180名在校女大学生在12个动作下上肢皮肤的变化；参考文献[17-18]采集了人体下肢静动态下表皮长度和围度的变化，并得出了裤装结构设计的定量研究方法。张华玲等[19]画出8～9岁男童体表网格线，测量静立和6种动作下的皮肤变化数值，分析男童横、纵方向的皮肤拉伸率，得出影响儿童连身裤设计的4个重要结构参数。此外，赵莉等[20]将皮肤拉伸测量数据应用于服装松量设计，建议拉伸较大的部位使用纬向弹性较好的面料，探究了服装结构宽松率与面料弹性、皮肤拉伸率的相关性，是目前国内对皮肤拉伸测量数据应用较为充分的研究。

还有学者通过划分人体表皮变化率区域来设计面料弹性参数和优化服装样板。刘鹏林等[21]获取女性实验者在静态和模拟登山运动姿态时上半身皮肤拉伸数据，对上肢体表皮肤拉伸率进行分区:在人体上身表面作网格线后，以5%为跨度划分变化区间并分配代表色，再依据每个网格内的变化情况填充其对应的颜色，来观测动态时人体皮表变化。上身拉伸率较大处在腋下与肘关节，以此为依据可应用于专项户外冲锋衣设计。该文指出，测量前仅通过经验确定实验动作，其中有些动作的腋下区域因方法限制无法测量，导致数据缺乏完整性。此外，针对专项运动的服装，应对测量姿态的规范有更高的要求。冯洋等[22]将足球运动中的人体典型技术动作归类为6个姿势，在下肢体表描线，见图4。测量实验者在静、动态下的皮肤网格线长度，再同上述填色方法，在人体下肢体表作变化率分区，踢球时下肢皮肤受髋关节屈曲影响，在臀部与膝关节前部拉伸率可达60%，大腿外侧和后侧收缩率在10%左右。但该文未对动作进行角度规范，最后未依据数据特征给出应用方案，建议后续可在皮肤拉伸率较大处采用拼接弹性面料的方法来科学设计足球裤。陈子豪[23]将踏板的圆周运动以每隔30°进行划分，以此来设计骑行时的腿部动作，见图5，得出下肢的皮肤横、纵向变化结果与刘婕羽等[24]测量跑步动作中下肢皮表变化的趋势相仿。这2项研究均根据人体后腰到臀部，股沟到大腿后侧较明显的皮肤伸缩变化，前者找出骑行裤分割线的最佳位置，提高裤子的运动性能，后者优化了裤装前后浪样板结构。

图4 下肢体表描线

图5 设计骑时的腿部动作

自2000年以来，体表描线法是应用最多的测量方法。但在实际操作中还存在一些问题，如测量时尺具在皮表的轻微压迫可能使测得的数据偏小；笔墨直接与皮肤接触，每次测量后要修补网格线，加大了后期清洗难度。与石膏法相比，描线法对服装形的理解比较模糊，无法得到服装形的特征，限制了应用领域。2010年后，国内关于皮肤拉伸测量方法的研究逐步深入，得到采用黏贴标识带形成网格线再用尺具获得数据的方法，简化了实验操作。

3.1.4 体表贴线手工测量法

体表贴线法与描线法异曲同工，贴线法更加方便卫生，但做动作时黏贴的标识带容易脱落，耐用性较低。已有研究在人体皮肤表面标记基准点[25-26]，并用标识带连接，标识带连接形成的网格见图6。有的设置包含人体基本跑步动作姿态，采用软尺直接采集人体在运动姿态中的体表变化情况，来确定跑步服的动态基础样板。有的计算实验者在静态和模拟排球动作下皮表各线段的拉伸率。以姿态为变量，通过因子分析，探讨手臂动作对上半身体表尺寸变化的影响规律，间接的为上衣样板设计提供理论依据。未来还可用于探讨腿部动作对下肢关键部位皮表变化的影响。

图6 标识带连接形成的网格

3.1.5 拓印法

拓印法指用某种可剥离和延展的柔性物质敷于体表被测处，随人体运动将皮表拉伸形变反映在物质上，将其剥离人体后可直观的分析数据，避免了被测者长时间保持动作的劳累，无形中减少了实验误差。范雅雯等[27]在被测者膝盖中点及上下各10 cm处印上印泥，膝关节周围印泥分布与印泥方向见图7。再将3种姿态下的印泥分别拓印到拷贝纸上，测量这9个“米”字型泥印各方位上的长度。发现3种姿势下膝关节周围及其各个方向上的皮肤形变程度存在差异，提出设计裤装时用分割线或归缩的方法增加膝盖处松量，尤其是设计紧身裤装时需考虑膝盖各方向的弹性。

图7 印泥分布与印泥方向

参考文献[28-29]采用相关研究在被测者大腿部画3 cm×3 cm的网格，在Motion动作捕捉系统中挑出的5个骑行动作为代表，每摆1个姿态就将凝胶均匀地涂抹在待测部位，等凝胶成形后从侧缝剪下，再按网格线剪出方格贴在白纸上，并扫描到电脑中。用Photoshop软件通过方格像素与分辨率计算形变后的面积，与人体静止状态下的大腿皮肤面积进行对比。该实验从选取动作、测量到处理数据都采用较为新颖的方法，但本着减少数据误差的原则，建议在动作捕捉系统提取关键动作后，通过数学方法精确还原各部位动作角度，再作为实验动作的典范。

拓印法虽然成本较高，但对于人体局部变形的测量方便快捷，结果还可以长期保存，且不会在人体留下难洗的痕迹，还能够拓取人体动静态曲面的皮表变化，对于一些人体凹凸明显的被遮挡部位，选择凝胶拓印法测量可以起到方便快捷的作用。

3.2 非接触式测量法

相比传统的手工测量，非接触式法测量的出现无疑是一场革命。它在数据的再利用性上具有独特优势，具有安全、卫生、快速和准确的特点，极大减轻了现场测量的工作量，提高了测量速度，避免了人工测量的尴尬[30]。

3.2.1 三维人体扫描法

三维人体扫描法在3～6 min内，以高分辨率多方位捕获人体各姿态下的皮肤拉伸形态，并转化成人体点云数据模型，通过逆向工程技术对皮肤表面线段和面积变化进行处理。

国外学者的扫描设备种类较多，三维扫描测量法发展的更为成熟，测量皮肤拉伸的应用多致力于服装松量与割线设计。由于静立的人体手臂会遮挡激光，导致腋底成为测量盲区，所以上体测量目前还局限于躯干。KIM等[31]、BARRIOS等[32]分别在男性前胸及后背、整个脚面至脚踝处进行标记扫描，寻找皮肤最小拉伸延长线(Lines of non-extension，简称LoNEs)以用于与皮肤高度相互作用的产品。HYEJUN等[33]扫描手臂运动引起的前后身皮肤变形，结合衬衫表面变形评估服装的合体性，这是一个新的应用领域，可结合服装合身程度与压力舒适性进行研究。EDWARD[34]扫描人体四肢皮肤变形数据用来优化机械反压宇航服(见图8)的样板设计和材料选择，最大限度地减少宇航员的能量消耗。

图8 机械反压宇航服

三维人体扫描法更多应用在下身测量。LEE等[35]使用Artec MHT 3D 和RapidForm程序得到下肢3种不同姿势下的人体扫描，见图9。计算出不同点之间的长度变化。SUNYOON等[36]从腰线以下测量人体皮表变化，研究裤装放松量并结合织物的拉伸特性以达到裤装完美的合身度。JIYOUNG等[6]以腰线为起始，将下肢按裤长款式分成4段，用Geomagic Design X 2014扫描仪观察不同裤长处的腿在直立、膝关节弯曲90°、膝盖弯曲弯曲3种角度时皮肤的横、纵向皮肤拉伸情况，找到每种裤长对应的皮肤LoNEs，以指导不同裤长的分割线设计，根据结论做出样衣，并进行穿着跟踪评价。HYEWON等[37]对膝关节皮表位移进行跟踪与分析，寻找最小LoNEs。LEE等[38]使用Whole body scanner Model WB4扫描仪扫描站立与骑车姿势，重叠对比每一纵向区域的变化值。该实验所选动态姿势较少，不具有代表性，应多选几个动态姿势进行测量比较。SITI[39]使用3D-INFOOT扫描女性手部日常姿势和2种体育活动时的姿势，识别其皮肤动态变化以便用于改善手套的贴合性与功能性。

图9 3种不同姿势下的人体扫描

目前国内学者主要用三维人体扫描仪结合人体动态变化获取的肢体皮肤形变规律，设计与肢体形态适应性最佳的足球、骑行等运动的服装，提高运动装备的附加值。王燕珍等[7]用SCANSMART三维扫描系统，得到人体在静态、3种跑步姿势下的腿表皮肤横、纵向拉伸数据；严雅洁[40]用手持三维扫描仪获取人体站立、3种典型高尔夫挥杆动作时人体上半身皮肤表面形变量；管玉[41]采用3D CaMega人体扫描系统对5名女性进行测量，获取人体静态皮肤尺寸的点云数据，结合体表描线获取人体上肢动态皮肤变化值，其测量方法前后不一致，易造成误差。宋诗超等[42]通过Kinect的深度摄像头对人体进行三维扫描，获得人体体表的点云数据，再使用Pro/E软件处理数据，重建人体模型后测量人体皮肤表面的特征值，但该实验只用了1台设备，给点云的拼接造成误差，今后可考虑用3～4台设备进行多角度拍摄，以提高数据准确性。

3.2.2 光学运动跟踪法

光学运动跟踪法在人体表面标记反光点，通过带有红外线和频闪观测仪的高速照相机记录一段时间内连续运动状态下标记点间的皮肤伸展情况。数据形式为点空间坐标，可分析人体皮肤表面标记点间的长度、面积以及伸展方向。黄莉[43]利用Vicon三维运动捕捉系统捕获下肢带关键标记点(见图10)，测量骑行时被测者腿部关键点部位的皮肤变化。但因骑行动作使摄像头无法摄录到臀下与大腿内侧，数据欠缺完整性，对骑行裤的开发存在限制。罗兰等[28]采用的凝胶拓印法可实现数据的完整性，达成骑行裤结构改良设计。JAMALUDDIN等[44]在人体前臂贴反光点(见图11)，施加1.5 N的荷载诱发皮肤变形，使用Qualisy 3D运动捕捉系统对光标位移轨迹进行跟踪(见图12)，得到了3种不同方向生成的皮肤变化轨迹。