基于SolidWorks的在职男性颈部三维模型

王珊珊，王 蕾，朱 博，王鸿博

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏无锡 214122)

领口的松紧对人体穿着的舒适感觉有着重要的影响，领口太松易影响领型外观或导致保暖性能变差，领口太紧使穿着舒适性变差。近年来，由于手机与平板电脑等电子产品的发展，人们的生活方式发生了变化，越来越多的人在工作中需要伏案面对电脑或者低头看手机，长时间的座位作业使颈椎正常的生理曲度变直，颈部形态发生变化。根据这一普遍状况，服装的领口设计也应该产生变化，本文在对25～30岁之间的在职男性进行测量所得数据基础上，建立颈部立体模型，为研究颈部压力舒适性打下基础。

目前关于颈部的压力研究相对较少，在颈部压力的相关文献中多数是二维模型的分析，研究者选取颈中截面或颈根截面对颈部一圈的力学变化进行分析［1］，事实上，皮肤压力是呈面状分布的，对单一截面的分析明显不能全面分析颈部的受力状态。国内外的三维立体模型研究［2－4］多运用在人体躯干、四肢等部位。现阶段，关于颈部的三维立体模型还没有系统地建立，而针对特定人群的颈部研究更显不足［5－7］，因此，本文从人体工程学的角度出发，通过对特定人群的颈型分析，利用分析结果建立三维模型，可为领口的优化设计提供理论参考。

1 人体数据采集

通常人体颈部着装处为颈中至颈根之间的5～6 cm处，模型建立在此范围可视为有效，又考虑其他功能型服装的用途，本文研究所建立的人体颈部模型为自枕骨下沿开始至颈根处结束之间的12 cm的范围(见图1)。

图1 颈部立体模型建立区间Fig.1 Range of neck three-dimensional model

由于每个人的颈部构造都有不同特点，本文研究选择200名年龄在25～30岁之间的江浙在职男性，通过三维人体测量，直接提取颈中围、颈根围等12项数据再加上由此衍生的颈根横矢比、侧颈长颈根围比等6项数据，共18项数据进行主成分提取，根据方差贡献率选取前倾角、后倾角、前颈长、颈根宽、颈中围、颈根围6个特征值，并把特征值数据进行Q型聚类分析，分析结果可将男性颈部形态分为4类。其中一类，占总人数比例31.5%，比例最高，可认为此类特征值具有一定的代表性(特征值终止聚类中心参见表1)。故把此分类的特征值终止聚类中心作为挑选依据，在所测人群中挑选20名颈型相近的被试者，进行二次数据提取［8］。

表1 特征值终止聚类中心Tab.1 Characteristic value final cluster centers

此种方法取得的人体数据保证了研究定位的准确性。采用德国Human Solution公司的Vitus Smart非接触式激光三维人体扫描仪，获得20位被选受试者的全身三维点云造型，再通过三维人体扫描系统自带软件Scan worX找出人体颈部位置，自枕骨下沿处每隔0.3 cm取环绕颈部一周的截面闭合曲线，至颈根处结束，由于被试颈部形态相似，故每个颈部可取约40个横向截面。每个截面的圆心均为Scan worX系统自定义，并由系统提供颈部截面的直角坐标轴。

2 颈部截面坐标的获取

图2示出从20名被试者颈围截面中随机挑选的颈中截面皮肤层点云图。虽然被试者的颈部形态相似，但是不能达到完全的吻合，因此，需要将所得的图形进行平均化处理，可得到在职男性颈部皮肤层截面形态。

图2 颈中皮肤层截面点云图Fig.2 Skin layer cross-section point cloud images of neck

运用Corel DRAW 12软件，提取图2所示的颈部皮肤层截面图形，并进行填色处理，即可得到如图3所示的由黑色像素点与白色像素点构成的灰度图像。另外用一个黑色像素点来确定系统给出的圆心位置。再用MatLab 2012软件进行读像素点处理，即从中心黑色的一像素点到边缘黑色像素点的白色像素点的个数，经过多次预实验并参考文献［5］记录，读点从截面0°处开始每隔5°读取1点，如图4所示。读取结果由Excel软件导出，即可得到颈部皮肤层截面上间隔为5°的72个黑色像素点到圆心的白色像素点的个数(数据未一一列出)。

图3 颈中皮肤层截面灰度图像Fig.3 Sectional grayscale image of neck skin layers

图4 MatLab读点图Fig.4 Chart of reading points by MatLab

由上述方法得到的40个颈部截面皮肤层像素点数据进行均值化处理。设D为每个皮肤层截面中心点到边缘点的距离矩阵，i为颈部皮肤层截面层数，j为每个皮肤层截面上读点个数，n为实验人数，Z为中心点到皮肤层边缘点的距离，x为实验者编号。均值化过程如式(1)所示。

并测量得出每个像素点和厘米之间的比例关系，即51.26像素为1 cm。运用Excel软件进行比例处理，即可得到从圆心到皮肤层边缘的距离。28个皮肤层截面的圆心到边缘的距离数据通过Solid Works 2010软件拼合成三维人体颈部模型。其中，每个点的三维坐标为

式中:y为皮肤层截面中心点到边缘点的距离(y=Z/51.16);θ为每个点对应的角度为矢状轴取值，即每个截面距零点的竖直距离。

3 模型建立

3.1 皮肤模型建立

确定了颈部皮肤层截面的坐标输入SolidWorks 2010软件曲线建立工具，建立通过XYZ点的曲线。曲线叠加之后建立边界即可得到闭合的颈部皮肤层立体模型，如图5所示。利用同样的方法添加颈部骨骼层和软组织层。

图5 在职男性颈部皮肤层截面拼合图Fig.5 Skin layer sectional split diagram of men neck

3.2 骨骼模型建立

采用1∶1的解剖用男性标准骨骼模型经过非接触式三维测量仪扫描，即可获得医用解剖颈椎的点云图来建立骨骼模型。医用颈椎模型严密地符合真人男性颈椎的构造，截取颈椎外层截面，进行叠加并获取颈椎三维模型。参考文献［9］，确定颈椎截面在颈部皮肤截面的位置，即可建立包含表皮层与骨骼层的三维立体模型。

3.3 软组织模型建立

软组织模型即颈部皮肤层去除皮肤厚度的软组织层。参考文献［10］得知，男性颈部皮肤层厚度为(1.82±0.29)mm，在本模型的建立中，把男性颈部皮肤层设为厚度相同的层状面环绕颈部1周，厚度为1.8 mm。根据式(2)中在职男性皮肤层坐标可计算得到标准男性颈部软组织层所对应的坐标:

式中:x0为在职男性颈部皮肤层任意截面上的任意点Q的x坐标，即式(2)中的为在职男性颈部皮肤层任意截面上的任意点Q的y坐标，即式(2)中的为在职男性颈部软组织层任意截面上的任意点Q的x坐标;B为在职男性颈部软组织层任意截面上的任意点的y坐标;C为在职男性颈部软组织层任意截面上的任意点Q的z坐标，即矢状轴取值，可理解为每个截面距零点的竖直距离，与式(2)中的取值相同;d为男性颈部皮肤层厚度，d=1.8;θ为每个点对应的角度，θ是5°的倍数。

坐标数据获取完毕即可利用SolidWorks软件建立包含表皮层，软组织层与骨骼层的25～30岁在职男性颈部三维立体模型。

3.4 颈部模型曲率

曲线的曲率表示曲线偏离直线的程度。曲率越大，曲线的弯曲度越大。SolidWorks软件中的曲率工具可直接显示模型的曲率，并以不同的颜色显示，结果如图6所示。

图6 男性颈部模型曲率图Fig.6 Curvature diagram of neck three-dimensional model

4 模型验证

模型建立后，通过人体颈部着装压力与人体颈部曲率的关系来反映模型的准确度。据研究，人体表面的曲率对着装产生的压力有极大的影响，即在服装面料拉伸、压缩、剪切和弯曲等应力相同的情况下，体表曲率越大，服装包覆人体时所产生的拉伸率就越大，使服装着装包覆压增大［5］，所以，通过人体着装实验测量颈部不同部位所产生的服装压力与所建立的模型表面曲率对比，可反映模型的准确度，进行模型验证。

4.1 实验用样衣

实验用样衣根据被试者的体型数据设计制作，表2示出20名被试者的基本体型数据及标准差。测试服装款式如图7所示，为基本合体高领款。

表2 测试者基本体型数据及标准差Tab.2 Basic body data and standard deviation of testers

图7 测试用服装款式图Fig.7 Test clothing styles

由于仅对颈部压力进行研究，测试所选用的样衣仅领口宽度分档差，其他部分的尺寸都为定量。参考上领口宽度与头围的关系为

式中:lH为头围;lN为颈中围;L为成品上领口宽度;E为面料的断裂伸长率。根据织物弹性回复率和人体穿着预实验，成品领上口宽度各档差按照不同拉伸率分别设计为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%7个档，依次标记为S1到S7，最终确定测试服装规格如表3所示。

Tab.3 实验用样衣领部规格表Tab.3 Collar specifications of test clothing

根据市场上针织高领衫面料的使用情况以及工厂的生产经验，实验服装采用常规面料制作，成分为棉/氨(95/5)。织物结构参数如表4所示。

表4 织物结构数据Tab.4 Fabric structure data

4.2 压力测量

压力测量采用日本AMI公司研发的AMI3037-5气囊式接触压测定仪，仪器应用气压式服装压力测试原理，使服装穿着过程中对气囊挤压产生的力并显示压力数值信号来记录数据。实验测试点选取颈部的9个肌肉点，如图8所示，依次标记为1到9。测量实验在安静的室内进行，测量环境温度为(27±3)℃，相对湿度为(60±10)%，无风。被试者进入室内先休息10 min，并用软尺对被试的颈部进行测量，用记号笔标定测试点的位置，然后穿着测试用针织衫，服装穿着顺序和测试顺序都是随机的，以免测试顺序对实验结果产生影响。测试者穿着针织衫站立10 min后开始测试服装压力值。测量时，压力传感器放置于皮肤表面与服装面料之间，当压力值稳定时记录数据，每个点测量3次，计算平均值。颈部压力的分布如表5所示。9个肌肉点的曲率值如表6所示。

图8 颈部压力测量位置Fig.8 Neck pressure measurement position

表5 颈部着装压力分布Tab.5 Pressure distribution of neck kPa

表6 颈部模型曲率分布Tab.6 Curvature distribution of neck modelm－1

4.3 客观颈部压力与模型曲率的关系

利用SPSS软件获取正态分布直方图进行变量正态分布检验，结果显示模型曲率数据和7件样衣穿着后产生的压力数据均符合正态分布，模型曲率数据和7件样衣穿着后产生的压力数据标准差分别为:0.463、0.034、0.039、0.045、0.036、0.029、0.026、0.044。实验采用相关性分析方法进行说明。

相关性分析是指对2个或多个具备相关性的变量进行分析，衡量变量因素的相关密切程度。本文引用Pearson相关系数表征曲率和着装压力的相关性。相关系数越接近于1或－1，相关性越强。相关系数越接近于0，相关度越弱。一般来说通过以下取值范围判断变量的相关强度［11］:0.8～1.0为极强相关;0.6～0.8为强相关;0.4～0.6为中等程度相关;0.2～0.4为弱相关;0.0～0.2为极弱相关或无相关。分析结果如表7所示。

表7 Pearson相关系数Tab.7 Pearson correlation coefficient

从表中可看出，除S7外，其他6组数据均与模型曲率呈现强相关的关系。考虑服装制作和测量过程有产生误差的可能，认为模型曲率与服装穿着压力有一定的相关性，且相关系数均为正数，实验结果符合体表曲率与服装压力呈现正相关的性质。

5 结论

本文研究对25～30岁的在职青年男性颈部测量分析结果进行建模研究，为颈部服装压力与男性领口的优化设计提供了依据，具有一定的理论意义。

1)三维人体模型造型过程中，截面的坐标间隔适宜取5度一点，截面距离适宜为0.3 cm，选取此范围可较为准确地描述人体造型。

2)模型验证采用人体穿着实验获取的压力数据与三维模型曲率进行相关性分析。分析结果符合体表曲率与服装压力正相关的性质，曲率数据与压力数据有一定的相关性，模型可视为有效。

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