三维人体扫描仪在游泳运动员身体形态结构测量中的应用

吴卫兵

(上海体育学院 运动科学学院,上海 200438)

三维人体扫描仪在游泳运动员身体形态结构测量中的应用

吴卫兵

(上海体育学院 运动科学学院,上海 200438)

三维人体扫描仪在身体形态结构测量中的应用研究。方法:以上海市浦东新区、徐汇区、长宁区、黄浦区的游泳运动员为研究对象,采用三维人体扫描仪测量(肌性)和传统手工测量(骨性)游泳运动员的身体形态,并比较分析15项常用形态指标(长度、宽度、围度)和形态比派生指数。结果:肌性与骨性2种测试方法比较发现,长(高)度测试指标中身高、下肢长A和小腿长无显著性差异(P>0.05),围度测试指标中胸围无显著性差异(P>0.05),而宽度和形态比派生指数在2种测试方法中存在显著性差异(P<0.05)。在长(高)度测试中,肌性测试数据在整体上小于骨性测量数据;在宽度的测量数据中,肩宽、髂宽肌性数据大于骨性测量数据;在围度测量数据上,几乎所有指标都是肌性数据偏大,而在形态比中所有派生指数又均小于骨性测量值。结论:三维人体扫描仪在人体长(高)度测试结果与传统手工测试结果相一致,但在人体的厚度和维度测试中存在一定差异,因此,三维人体扫描仪人体形态测量尚不能完全代替传统手工测量方法,非接触测量技术及转换模型尚待进一步研究。

三维扫描;游泳运动员;身体形态;测量;应用

人体的形态结构和功能是对立统一的关系,形态结构决定功能,功能影响形态结构;反过来,形态结构可以分析功能性动作,功能动作的改变促进形态的改变[1]。运动员选材、体质测评、运动员机能评定等领域都需要对形态结构进行测试。20世纪80年代中期,Wacoal开发了计算机外形分析器,可以自动分析物体的外形轮廓,这是三维人体扫描仪的雏形。目前的三维人体扫描仪逐渐发展成熟,利用光线技术和传感器装置,在非接触人的情况下可快速进行人体肌性指标数据的收集。当今处于“互联网+”时代,智能传感技术、智能感知技术以及数据传输、数据处理技术逐步成熟,在此基础上通过三维人体扫描并利用软件程序解读人体形态结构特征,可提高测试的速度和精度,有助于对运动员进行大样本量的测算。

研究显示,反映人体外部形态特征的相关指标有高度(身高、坐高)、宽度(肩宽、髋宽)、长度(上肢长、下肢长、小腿长、跟腱长)、围度(胸围、臂围、臀围、腰围)和充实度(体重),而在三维人体扫描仪中只能对体表的相关指标进行肌性为主的测量,在游泳运动中流线型指数、坐身高比、大小腿比、胸围臀围差等形态比例也是形态特征的衡量指标[2]。三维人体扫描仪已广泛应用于衣服制作、纺织等领域,但在运动人体形态结构测量方面的应用仍存在一定的争议[3-5]。本文以上海市游泳运动员为研究对象,采用三维人体扫描(肌性)和传统手工测量(骨性)2种测量方法,比较分析2种测试方法在游泳运动员的长度、宽度、围度等身体形态测量中的应用。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究测试对象为上海市浦东新区、徐汇区、长宁区、黄浦区580名青少年游泳运动员。研究对象基本情况为:年龄11.37±3.61岁,身高149.08±15.42 cm,其中国际健将级6人(男3人、女3人),健将级34人(男15人,女19人),一级运动员77人(男39人,女38人),二级运动员108人(男57人,女51人),三级运动员12人(男6人,女6人),无等级运动员403人(男237人,女166人)。所有受试对象及其父母对测试内容均知情同意,并正式签定实验知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 测试指标

游泳运动员体现出“倒锥体”形的流线型体征,运动员应具有身高臂长、身体充实度较高、手面积宽大的特点。因此，本研究针对游泳项目的专项特点,同时还满足三维人体扫描仪测量和传统手工测量要求,最终选取指标为:①高度:身高、坐高;②宽度:肩宽、髋宽;③长度:上肢长、下肢长、小腿长、跟腱长;④围度:胸围、臂围、臀围、腰围;⑤形态比派生指数:流线型指数=[(肩宽+髋宽)/身高×2]×100、坐身高比=坐高/身高×1 000、大小腿比=[(下肢长B-小腿长A)/小腿长A]×100、胸围臀围差=(胸围-臀围)。

1.2.2 三维人体扫描仪测量

采用VitusSmart XXL三维人体扫描仪(德国,Human Solutions)进行测试,测试时要求男运动员穿深色游泳短裤,深色泳帽;女运动员穿深色泳衣,深色泳帽,赤足,不得佩戴手表、项链等金属物品,以免干扰测量;测试时,要求受试者自然站立,脚掌放置于平台的脚印标志内,目视前方,将手臂放于身体两侧,掌心向前,四肢并拢,拇指展开。不采取定点定位贴膜。

1.2.3 传统手工测量

采用智能二代马丁测量仪(中国,上海趣壹科技有限公司)进行测试,测量着装与三维人体扫描仪测量相同,为减小误差,所有指标测量均由同一组人完成。测量人员为经过马丁测量仪使用专业培训的熟练选材人员,年测量人数在8 000人次以上。

1.3 统计学分析

采用SPSS17.0和Microsoft Office Excel 2007对所测原始数据进行归纳整理,测试数据以平均数±标准差表示,并对数据进行t检验。运用描述性分析、t检验等方法结合项目技术特点，对游泳运动员的结构特征进行逻辑分析。

2 结果

由表1～表4可知,在长(高)度指标中身高、下肢长A、小腿长,在围度测试中臀围等指标的测试数据在2种测试方法中无显著性差异(P>0.05);而在宽度和形态比中,男女运动员2种测试方法均存在显著性差异(P<0.05)。在长(高)度测试中,三维扫描仪的肌性数据在整体上小于传统测量的骨性数据;在宽度测量中,肩宽、髂宽肌性数据都大于骨性数据;在围度测量中,几乎所有指标均为肌性数据偏大,而形态比派生指标均小于骨性测量值。

表1 三维人体扫描与传统测量结果——长(高)度对比 cm

表2 三维人体扫描与传统测量结果——宽度对比 cm

表3 三维人体扫描与传统测量结果——围度对比 cm

表4 传统测量与三维人体扫描结果——形态比对比

3 讨论

运动人体测量学是人体工程学的一个重要组成部分,主要是研究人体测量和观察方法,并探讨人体特征、人体结构尺寸及人体的发展[6]。对不同项目的运动员来说,专项形态源自于专项训练,不同专项运动员有着不同的形态学特征,而这些指标在一定程度上反映相应的生长发育水平、机能水平和竞技能力水平,因此,采用科学的测量、预测方法,能较好地提高运动选材与训练监控的科学精准度。目前在人体测量方法中,有直接测量法和间接测量法,直接测量法分为马丁法(Martin法)、滑动量规法(Sliding法),间接测量法主要是三维人体扫描法。

任弘等[7]为了研究三维人体扫描技术在身体形态测量中的应用,选取174名受试对象(男74人,女100人),分别使用传统人工测量和三维人体扫描仪对受试对象的身高、肩宽、胸宽、胸厚、骨盆宽、髂宽、髋宽、上肢长、上臂长、前臂长、手长、下肢长H、下肢长A、下肢长B、下肢长C、大腿长、小腿长、小腿长+足高、足长、上臂放松围、前臂围、腕围、胸围、腰围、臀围、大腿围、膝围、小腿围、踝围29项形态指标进行测量。结果发现,在上述指标中仅有骨盆宽、小腿长、腕围、臀围4项指标在2种测试方法中无显著性差异,其他25项指标均存在较大差异。研究认为,在2种测量方法中,有些指标定位不同、受试对象站姿不同、测量松紧不同及三维人体扫描技术扫描盲区和计算机软件算法差异导致了差异的产生。因此得出结论,目前阶段的三维人体扫描技术在人体形态测量中应用不足,对于特殊指标的测量仍不能完全代替传统人工测量技术。

本研究结果中,仅有身高、下肢长A、小腿长、臀围指标在2种测试指标中不存在显著性差异,与任弘等研究结果相同。因此,这4项指标完全可以代替传统手工测量。对任何一个物理量进行的测量都不可能得出一个绝对准确的数值,一定范围的误差是客观存在的,在人体测量评价长度指标的误差允许范围为0.5 cm,宽度、围度和厚度的允许范围为0.2 cm,当数据的差异率小于3%就认为测量结果可以接受。因此,髂宽、踝围、膝围的差异率在3%以下,测量误差仍处于可接受范围。另外,宽度的扫描差异率均值3%以上,表明三维人体扫描技术在宽度扫描上不准确;而流线型指数、坐身高比、大小腿比、胸围臀围差等差异率都在10%以上,由于计算所得数据造成误差率被成倍放大,导致形态比派生指数计算更加不准确。

尽管三维人体扫描技术在人体形态测量中的效度存在争议,但与传统测量方法相比,三维人体扫描技术在速度上优势明显。三维人体扫描仪测量快速、便捷的特点,使其在人体形态测量中仍不失为一种具有较高信度和效度的方法。例如,Cybersoft系统在17 s就可以采集到初始相位并生成由30万个数据点组成的人体表层点阵云,在30 s内就可以输出精确的人体测量数据云图。在体育测量领域,上述结果可以直接导入相关的测量评价软件,根据数据自动化分析处理,从而实现体质测试的大数据统计,可大大提高生产效率,同时最大限度地降低成本。

利用三维人体扫描仪快速、准确、便捷的特点,对相关专项的高水平运动员进行非接触扫描,掌握他们的数据,达到指导系统训练的目的。另外,对于各类项目运动员的选材和机能评定亦有重要意义。譬如，可根据游泳专项特点加入敏感形态函数,对专项形态的研究是以揭示专项训练时专项形态的个性特征,选择专项训练时形态的敏感指标。

4 结束语

通过三维人体扫描仪在游泳运动员身体形态结构测量中的应用研究,探究肌性与骨性2种测量方法在人体形态测量中的差异。在人体长(高)度测试中2种测量方法的结果相一致,但在人体厚度和维度测试中2种测量方法的结果存在一定差异,其主要原因可能与2种测量方法在厚度和维度测量指标的定位不同有关。因此,今后运用三维人体扫描仪测量人体形态结构时,应结合传统手工测量方法,以便快速有效地开展大样本量的人体形态测量。

[1] 张明飞,程燕,章一华.我国优秀游泳运动员身体形态和水感指标研究与分析[J].中国体育科技,2006,42(5):85-88，100

[2] 尹大利.世界优秀游泳运动员竞技年龄与身体形态分析[J].体育文化导刊,2014(3):111-114

[3] 李祖华.服装设计用三维人体扫描系统[J].纺织学报,2014,35(1):144-150

[4] 黄海峤,莫碧贤,郭绮莲,等.从三维人体扫描生成服装样板[J].纺织学报,2010,31(9):132-136，142

[5] 张昭华,应思艺,郭云昕,等.三维人体扫描技术在服装工效学中的应用[J].上海纺织科技,2015,43(8):40-44

[6] 陈浩,何江川.国家女子手球运动员身体形态结构特征[J].中国组织工程研究,2013,17(37):6689-6694

[7] 任弘,王馨塘,吴晓薇,等.三维人体扫描技术在身体形态测量中的应用[J].北京体育大学学报,2013,36(1):51-54

上海市科委项目(16JC1400503)