基于三维人体测量的青年男性肩部形态分类

2021-01-13袁惠芬韦玉辉

服装学报 2020年6期

阮婷，袁惠芬*,2，韦玉辉,2，夏威

(1.安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖 241000；2.安徽工程大学纺织面料安徽省高校重点实验室，安徽芜湖 241000；3.安徽红爱实业股份有限公司，安徽安庆 246500)

随着生活水平的提高，服装市场迫切需要建立准确细致的样板库以满足消费者对服装合体度和舒适度的要求。肩部作为西装、衬衫等款式设计的重要部位，不仅影响着装的舒适性，还影响领、袖等部位的合体度及造型。目前，对肩部的研究主要涉及肩部形态分类、肩部结构设计影响因子、人体肩部结构与衣身前后肩斜角的关系和肩部测量的影响因素等。张金花等[1]运用SPSS分析，将肩宽和右肩斜度作为肩部的特征变量，并得出多数人特征变量的范围。贺莉文[2]采用AGNES凝聚层次聚类方法将肩型按肩弓系数分为平直、标准和弓形3种。石玲[3]分析了肩宽、肩斜度和肩线对服装肩部结构设计的影响。李小辉等[4]将身体质量指数作为影响肩部厚度的参数，通过SPSS分析衣身肩斜角和人体肩部结构主要影响因素之间的回归关系。潘春宇等[5]引入非常用测量部位“肩腰斜线”，推演出女上体后肩斜度的反三角函数。洪正琳等[6]通过对左肩高、肩宽直等6个部位分析，发现肩斜度对肩点获取影响不显著，冲肩对肩点获取影响显著。

在前人研究的基础上，文中选择三维人体测量技术收集肩部数据，运用变量聚类和特征指标算法提取肩部典型指标，结合K-means聚类和组合计算实现肩部形态的分类，统计不同肩部形态的人数，分析典型指标对肩部形态的影响。研究结果为青年男性肩部形态的细分提供参考。

1 人体数据采集实验及数据预处理

1.1 测量仪器及测量条件

测量仪器：3D Camega非接触三维人体扫描仪，北京博维恒信科技发展有限公司制造。

测量条件：参照GB/T 23698—2009[7]，实验环境符合裸体测量要求，温度为(25±2)℃，相对湿度为(65±5)%。

1.2 测量要求

被测量者穿着实验室提供的专用人体测量服，头戴白色泳帽，赤足；不得佩戴手表、眼镜、戒指、耳钉等饰品。被测量者按要求站在指定位置，双手握拳离大腿距离约5～8 cm。实验时，被测量者自然呼吸，目视前方，尽量保持平稳。

1.3 肩部相关变量

肩部相关变量如表1所示。参考GB/T 16160—2017[8]，选定颈围、总肩宽、前肩宽、袖窿深、前胸宽、后背宽、左肩斜度和右肩斜度8个肩部测量项目，结合胸背宽比和肩弓系数2个肩部派生项目，共计10个肩部相关变量。

表1 肩部相关变量

其中，胸背宽比用来评价肩部形态。胸背宽比越大，人体的后背宽与前胸宽的差值越大，肩胛骨较为突出，背部弯曲明显，呈现出明显的屈身体型；胸背宽比越小，人体的后背宽与前胸宽的差值越小，背部隆起较小，胸部前挺，呈现出明显的反身体型[9]。肩弓系数用来衡量弓背体型的后凸或弯曲程度。肩弓系数越大，肩胛骨后凸或弓形程度越小，两肩端点前凸程度越小。肩弓系数越小，肩部后凸或弯曲程度越大，肩端点前凸程度越大[10]。

1.4 实验对象及样本容量

实验对象为某大学的青年男性大学生和研究生，年龄为18～25岁，身高为160～190 cm，体重为45～98 kg。样本容量N计算公式为

(1)

式中：CV为变异系数，CV=标准差/均值；A为相对误差，A取3%。

肩部相关变量的基本统计量见表2。按变量中最大变异系数0.185，代入式(1)，得出样本容量最少应不低于147。考虑到实际测量存在异常值等情况，将样本容量设为400。

表2中变异系数CV用来衡量样本某变量的离散程度，CV值越大说明变量的离散程度越大，数据差异越大，反之则越小[11]。由表2可知，该组青年男性肩部形态差异较大的前3个变量依次为左肩斜度、右肩斜度和胸背宽比，差异较小的前3个变量依次为总肩宽、前肩宽和肩弓系数。

表2 肩部相关变量的基本统计量

1.5 数据测量及预处理

为了减少三维人体测量误差，需对同一个样本进行3次测量并取平均值作为分析数据。运用SPSS软件中箱式图对400个原始数据进行奇异性检测，剔除27个无效值，最终参与分析的有效数据为373个。采用Q-Q图检验肩部相关变量的正态性，结果均通过正态性检验。

2 肩部形态分类

2.1 肩部相关变量的聚类分析

聚类分析是将对象的集合分组为由相似的对象组成的多个类的分析过程，其中变量聚类是根据各变量之间的相关性和亲密性进行分类[12]。运用SPSS软件对373个有效个体的10个肩部相关变量进行变量聚类分析，以Pearson相关性作为测度，按最远距离法作为聚类方法，生成的肩部相关变量聚类树形图如图1所示。

根据图1，结合变量相似性及专业知识，将10个肩部相关变量聚为4类。第1类由总肩宽、前肩宽、颈围、袖窿深和前胸宽5个变量构成；第2类由后背宽和胸背宽比2个变量构成；第3类由左肩斜度和右肩斜度2个变量构成；第4类由肩弓系数1个变量构成。

2.2 典型指标的选择

为简化肩部形态分析，聚类结束后可在各类变量中选取典型指标，选取原则为典型指标具有代表性且易测量。根据变量相关指数的大小确定其代表性[13]，计算公式为

(2)

表3 肩部相关变量相关指数

2.3 肩部形态分类

参考肩斜分类方法[14]，运用K-means聚类将肩部形态按胸背宽比分为3类，经过7次迭代以后收敛，迭代终止，迭代历史记录见表4。

通过方差分析检验分类结果，可知F检验值0，小于0.05，证明分类合理。由表5所示的最终聚类中心数据可得出：第1类胸背宽比最小，说明人体的后背宽小于前胸宽，背部隆起小，胸部挺直，定义为反身肩型；第2类胸背宽比居中，最接近1，说明前胸宽和后背宽差距较小，2条线段趋于重合状态，定义为平直肩型；第3类胸背宽比最大，说明人体的后背宽大于前胸宽，肩胛骨较为突出，背部弯曲明显，呈现出屈身肩型。

表4 迭代历史记录

表5 最终聚类中心与聚类中的案例数

依据胸背宽比的聚类结果将肩部形态分成反身肩型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、屈身肩型分别为121，175，77人，分别占比32.44%，46.92%和20.64%。

同理，运用K-means聚类将肩部形态按左肩斜度分为：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、斜肩分别为94，172，107人，分别占比：25.20%，46.92%和28.69%。将肩部形态按前肩宽分为：窄肩S(37.367 ～41.067 cm)、正常肩宽B(41.068 ～43.000 cm)、宽肩L(43.001 ～46.200 cm)。窄肩、正常肩宽、宽肩分别为104，153，116人，分别占比：27.88%，41.02%和31.10%。

胸背宽比、左肩斜度和前肩宽分别从挺身屈身状态、肩斜度和肩宽这3个方面描述了肩部的形态。为使肩部形态描述更加合理全面，以此3个方面为基础，经组合后共获得27种肩部形态。

反身肩型分类见表6。其中，“F”为反身肩型，“S”为窄肩，“B”为正常肩宽，“L”为宽肩。由表6可知，在肩部形态呈现反身肩型时，窄肩、正常肩宽和宽肩人数接近；平肩、正常肩斜和斜肩人数差距较大。故在反身肩型时，肩宽对肩型的影响不明显，肩斜对肩型的影响较明显。

表6 反身肩型分类

平直肩型分类见表7。其中，“T”为平直肩型，“S”为窄肩，“B”为正常肩宽，“L”为宽肩。由表7可知，肩部形态呈现平直肩型时，窄肩、正常肩宽和宽肩人数差距较为明显；平肩、正常肩斜和斜肩人数差距也较为明显。故在平直肩形态时，肩宽和肩斜对肩型的影响均较大。

表7 平直肩型分类

屈身肩型分类见表8。其中，“Q”为屈身肩型，“S”为窄肩，“B”为正常肩宽，“L”为宽肩。由表8可知，肩部形态呈现屈身肩型时，窄肩、正常肩宽和宽肩人数有所差距；平肩、正常肩斜和斜肩人数也有所差距，但对比表7平直肩型时的人数差距，可知在屈身肩型形态时，肩宽和肩斜对肩部形态有一定影响，但其影响小于平直肩型时肩宽和肩斜对肩部形态的影响。

表8 屈身肩型分类

根据表6～表8中各类样本数量可知，该组青年男性肩部形态中，屈身平肩宽肩(PQL)人数最少，平直正常肩斜正常肩宽(ATB)人数最多。当肩斜度居中时，反身正常肩斜(AF)、平直正常肩斜(AT)、屈身正常肩斜(AQ)之间的样本数量相差较大，胸背宽比对肩型的影响较为明显；而在平肩和斜肩中，胸背宽比对肩型影响较不明显。