基于3种骑行姿势下虚拟压力的骑行服上衣样板优化方法

田金钰 屠晔

摘 要：为了提高在不同路况下男式骑行服上衣的动态压力舒适性，以170/88A男性中间体为研究对象，借助三维人体动作捕捉系统，捕捉人体在平地，上坡和下坡3种不同姿势下的骑行动作，获取其动态数据，导入至Motion Builder和3DSMAX软件中进行虚拟模特的建模。借助CLO 3D软件的虚拟压力测量模块，测量并分析站立和3种姿势下骑行服上衣的动、静态压力及其差值，不同骑行姿势下的压力分布情况存在差异，且不同衣片的压力情况也存在差异。在各衣片的样板优化过程中，分别基于压力显著较高的姿势下的虚拟模特进行试穿和结构优化。优化后平地，上坡和下坡姿势下骑行服上衣的压力总值分别下降了46.6%，43.7%和38.7%，压力折线趋于平缓，大部分测量点的压值显著下降，上述结果表明该方法显著提升了骑行服的服装压力舒适性。

关键词：骑行服上衣;动作捕捉;虚拟压力测量;样板优化;压力舒适性

中图分类号：TS941.2

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）01-0212-12

Abstract： To improve the dynamic pressure comfort of men's cycling jacket under different road conditions， 170/88A median men are taken as the research objects， and the riding actions of human body in three different postures： on the ground， uphill and downhill are captured， with the help of a three-dimensional human motion capture system. In order to obtain the dynamic data of different riding actions， they are imported into Motion Builder and 3DSMAX software to model virtual models. With the help of a virtual pressure measurement module of CLO 3D software， the dynamic and static pressures of the cycling jacket and their difference in standing and three postures are measured and analyzed. There are differences in the pressure distribution in different riding postures， and there are also differences in the pressure of different garment pieces. In the optimization process of the template of each garment piece， the virtual models try on in postures with a significantly high pressure and the structure is optimized. After optimization， the total pressure of the cycling jacket on the ground， uphill and downhill decrease by 46.6%， 43.7% and 38.7%， respectively. The broken line of pressure tends to be flat， and the pressure values of most measuring points fall significantly. The above results show that the proposed method significantly improves the pressure comfort of the cycling jacket.

Key words： cycling jacket; motion capture; virtual pressure measurement; template optimization; pressure comfort

近年来，随着节能环保理念的普及及共享单车的流行，自行车骑行逐渐成为一项全民运动。作为一项高强度的户外运动，骑行服的穿着舒适性尤为重要。过高的服装压不仅会影响穿着舒适性，还会影响人体生理和心理健康[1]。作为紧身型服裝，合理的骑行服样板设计有助于减小运动风阻，减少血管扩张，提高运动效能。骑行服的设计应满足静态和动态两个条件下的舒适性和合体性，然而基于动态压力的服装舒适性优化目前仍然难以实现。目前关于动态服装压力舒适性的研究主要采用的是主观压力评价实验及客观压力测量的方式进行结构优化[2-4]，然而这两种实验具有一定的局限性。主观实验具有一定的偶然性和主观性，客观压力测量则需要昂贵的压力测量装置，与主机相连的传感器会限制被测者的活动[5]，此外，人体各部位表面的曲率变化、运动姿势的改变及呼吸等因素还会使传感器的位置出现滑移，造成测量误差[6]。

Liu等[7]及于欣禾等[8]提出一种基于动、静态服装压力差值的服装样板优化方法，然而其样板的优化仅局限于平地路况下的骑行姿势。若仅基于平地姿势下的骑行动作进行结构的设计，所得到的骑行服在上坡和下坡姿势下的着装舒适性难以保证。因此，以170/88A的男性虚拟模特为研究对象，借助三维人体动作捕捉系统获取人体在平地，上坡和下坡3种姿势下的骑行动态数据并建模。利用CLO 3D对3种姿势下骑行服上衣的虚拟压力进行测量并分析，进一步优化样板，并验证基于虚拟服装压力的样板优化方法的有效性。

1 动作捕捉实验

人体运动姿势的改变会引起相关部位发生变形和移位，致使体表曲率产生变化，从而影响局部的受压状态[9]。因此将平地，上坡和下坡的姿势动作也考虑到结构设计中，借助三维动作捕捉系统捕捉骑行者在3种姿势下的骑行周期动作，获得骑行动作点云数据。

1.1 实验对象

选取3名20～25岁，体型接近于170/88A男性中间标准体的骑行爱好者作为实验对象。

1.2 仪器与条件

采用瑞典Qualisys公司生产的QUALISYS动作捕捉系统捕捉人体的骑行运动，该设备由9个Oqus 500高速视频的运动捕捉摄像机、QTM跟踪软件组成。其他辅助器材有自行车、自行车支架和垫台。

1.3 试验内容

借助支架和垫台模拟上坡和下坡状态，在实验对象稳定匀速骑行的状态下，以平地，上坡和下坡3种姿势分别进行骑行实验，获取10s左右的骑行动作。动态测试做3次以上的重复测试，获取3种姿势下3名实验对象的骑行动作点云数据。

骑行运动是有规律的周期运动，将蹬踩360°视作1个周期，由上死点（0°）开始，按照右脚蹬骑转动的角度，将一个周期的骑行过程平均分为8个阶段。通过比较3名实验对象骑行动作分解的图像帧，从中选用最稳定的一组，并导出其3种骑行姿势下C3D 格式的骑行动作点云数据文件。

1.4 建立虚拟人模

在3DSMAX中根据男性170/88A中间标准体的尺寸修改模特细部尺寸数据，进行建模和骨骼绑定;借助Motion Builder实现骑行动作与虚拟模特的绑定;导入3DSMAX中，分别将平地和上坡的骑行周期动作各分解为8个阶段的静态动作，如图1所示;播放骑行动作到所需的关键帧并塌陷后，将其导出为OBJ格式的虚拟人体模型，包含1个站立模型，1个下坡模型及平地和上坡各8个模型，如图2所示。

2 男式骑行服设计

2.1 骑行服款式

骑行服上衣款式如图3所示，款式设计为立领，全开拉链，插肩袖，前片长短于后片长，后背设有贴袋。

2.2 骑行服的规格尺寸及样板

由于紧身型针织物放松量因织品的弹性率较大而取负值[10]，M型号男式骑行服上衣的尺寸如表1所示。

参考《服装纸样设计原理与技术·男装编》[11]，使用ET软件绘制170/88A男性标准体的骑行服样板。将样板导入CLO 3D中，对站立姿势下的虚拟模特进行试穿，并调整样板至合体，调整后的样板如图4所示。

2.3 虚拟面料性能设置

在CLO 3D的虚拟面料设置中修改各项性能参数[7]，在CLO 3D中生成所需针织运动服面料，具体参数设置见表2。

3 三维虚拟压力测量实验

CLO 3D软件具备虚拟压力测量的功能，能够快速、准确地模拟真实情况，有较高的效率和稳定性[12]。研究表明，通过数值计算来模拟 3D 人体和紧身服装压力分布的方法可用于分析、预测服装压力舒适性[13]。

3.1 虚拟压力测量点选取

为了分析骑行服整体和局部的压力情况，以胸围线为水平基准线，以过胸高点和袖窿底点的线为垂直基准线，以过肩点的横、纵向基准线分别作为袖片的垂直和水平基准线，在各衣片水平及垂直方向上以5cm为间隔设置基准线[8]，并在基准线与基准线、基准线与轮廓线的交点设置测量点，最终形成145个压力测量点，其分布如图5所示。

根据动静态压力分布情况选择代表点，分别在平地姿势下骑行服的后片，上坡姿势下的前片及下坡姿势下的袖片上，选取B10，B13，F11，F17和S155个代表点。分别以上述点为中心，以1cm为间隔，绘制如图6所示5cm×5cm的方格。借助CLO 3D的虚拟压力测量图层，依次测量各点的压力。为了减少误差，每组进行3次模拟试穿，每个点测量3次，求平均值作为代表点各次试穿的测量结果。借助SPSS对5组压力数据进行正态性检验，多因素方差分析和单样本t检验，结果表明以5cm为间隔所形成的145个压力测量点能够反映各衣片服装压力分布情况。

3.2 虚拟压力测量实验步骤

虚拟试穿及动、静态虚拟压力测量实验流程见图7。

测量前的准备工作主要包括：a）导入1.4中所建立的虚拟人体模特;b）导入3.1中已设置好压力测量点的二维衣片纸样并安排衣片（见图7（a）、图7（b））;c）虚拟缝合与试穿（见图7（c）、图7（d））。

基于CLO 3D的压力图层，测量静、动态的虚拟压力值（见图7（e）、图7（f）），方法如下：

選取站立和下坡姿势下虚拟模特右半身的145个测量点，每个点测量3次，取其平均值分别作为静态和下坡的压力数据;b）选取平地和上坡姿势下各8个阶段虚拟模特右半身的145个测量点，每个点测量3次，得到各点8个阶段下共计24个压力值，求平均值作为平地和上坡的压力数据。

4 压力分析及样板优化

4.1 各衣片压力分析

为了提升骑行服上衣的压力舒适性，分别将平地，上坡和下坡3种姿势下各衣片的动、静态压力及动、静态压力差值绘制成折线图，并分析其整体的变化趋势，波动幅度等，据此分区域进行样板的调整优化。动、静态压力差值越大表示动态压力舒适性降低得越多[8]。虚拟压力的单位为虚拟kPa，区别于实际压力单位kPa。

由图8、图9可知，袖片的压力由上部到下部整体呈上升趋势。总体来看上坡姿势下的压力和动静态压力差值最大，下坡压力最小。依据压力折线变化规律，对各部位的压力折线进行分析：

a）肩部S1～S9处在3种姿势下的压力及差值较小，其中平地和下坡最小。这说明在骑行时人体的肩部耸起，导致前袖窿部的余量增大。

b）臂山顶端S10～S21处在上坡状态下的压值和压力差值尤其大。腋下部位S18和S24处的动、静态压力值和差值显著增大，其中上坡压力接近于30kPa。上坡骑行时人体的重心上移，上肢力度增加，肩部耸起，大臂后侧拉伸，腋下部位加紧，其舒适性显著降低。

c）袖口部位S31～S36处压值较大。对S31～S36在4种姿势下的压力进行单因素方差分析，得到P<0.05，可知4种姿势下S31～S36处的压力存在显著性差异，是由于骑行动作而不是原样板过小引起的袖口部位压力变大。

综上可得，在袖片的样板优化过程中，应着重于上坡姿势下的虚拟模特进行试穿和调整。

由图10、图11可知，前片的整体压力折线波动幅度较大。

a）上中部F1～F10处在3种骑行姿势下的压力及压力差值较小。由于骑行者附身向前的动作使得前片上中部的合体度下降。与站立姿势相比，骑行时肩部的前屈与内收导致肩宽减小，该处的松量随之增大。

b）腋下部F11，F12和上腹部F16～F27处的压力较大，上坡姿势下最大，且F11处的动静态压力差值较大。这是由于上坡时骑行者采取的是接近直立状态的姿势，导致腋下和胸腹部的面料较为紧绷。

综上可得，在前片的样板优化过程中，应着重于上坡姿势下的虚拟模特进行试穿和调整。

由图12、图13可知，后片大部分的动静态压力差值为正且较大。

a）上背部B7～B26处3种姿势的压力较大，且下坡状态远大于平地和上坡。由于骑行时的背宽相较静态增大，后背的横、纵向伸展性显著增强，骑行者身体的前屈和手臂的抬举导致背部衣料的拉伸，压力增大，且在下坡姿势下动作幅度达到最大。

b）肩胛部B11～B22处3种姿势的压力较大，下坡姿势下B11～B16，B21～B24处的压值和压力差值尤其大。这是由于骑行时，骑行者的肩胛骨因发力突出，导致肩胛部所受压力显著增长，在下坡状态下尤为显著。

c）腋下部B11，B17～B20处的静态压力骤增，这些点接近于袖窿底点所在的位置，说明站立时腋下过于紧绷，应适量增加其松量。

综上可得，在后片的样板优化过程中，应着重于下坡姿势下的虚拟模特进行试穿和调整。

由图14、图15可知，P1～P7腰侧部的压力由腋下至腰部呈递减趋势。袖窿底点P1处的压力及差值较大，在上坡姿势下的压力达到最高。

综上可得，在侧片的样板优化过程中，应着重基于上坡和站立姿势下的虚拟模特进行试穿，对腋下部位进行调整。

由圖16、图17可知，领子整体的压力较低，压力差值较低且曲线平缓。在骑行时，随着身体的前倾，颈部前屈的幅度也随之变大，衣料向前滑移，压力略有上升，领后部贴合颈部可以避免风阻的影响。

4.2 样板优化

综合考虑骑行服对皮肤的摩擦及运动效能等因素，通过优化样板结构以改善骑行服的压力舒适性，从而提升骑行时人体的生理及心理舒适性。样板的调整过程是在CLO 3D的2D窗口完成，实时的压力情况会同步反映在3D窗口的骑行服上，具体优化方法如图18所示。在每一次试穿的过程中，检验各试穿姿势下是否有压力明显较大或较小的部位。通过增减松量逐步优化样板直至压力降低，压力曲线趋于平缓。观察骑行服所受应力变化情况，调低骑行服的透明度观察各部位是否合体。优化前后骑行服样板对比如图19所示，各衣片样板调整优化如下：

a）骑行者上肢前举时，前腋点周围压缩，其下部向横向拉伸，后腋点周围作伸展扩大变形，而臂山顶端处的空隙量减少[14]。相较于人体而言，后袖窿弧线过短，前袖窿弧线过长，导致前腋窝产生许多褶皱，且后腋窝过于紧绷，腋窝处的压力过大。为了适应手臂前伸的骑行状态，调整袖窿弧线的形态，前袖窿弧线向内凹，后袖窿弧线向外凸，将前袖窿弧线的长度缩短1cm，沿着后袖窿方向增加1cm后袖窿曲线的长度，增加后腋窝处的松量，减少前袖窿处面料的堆积及后袖窿处的紧绷感，优化见图19（a）。

b）骑行时人体的手臂前伸且肘部弯曲，袖口过紧会阻碍手臂的活动，不利于血液循环，长时间地高强度骑行会导致生理上的不适。因此向后袖窿方向增加2.8cm的袖口围以减少袖口的牵制束缚感，见图19（a）。

c）骑行服的前中心线处松量过大会增加骑行时的风阻，降低骑行效率，因此在前中心线处以1.5cm的撇门量减少其松量，领圈长度不变，见图19（b），前中心处与人体的贴合度得到改善。

d）由于骑行运动是一项高强度的户外运动，骑行者呼吸急促会导致胸部起伏较大，因此在前片压力较大的F16～F19点所在的基准线处增加1cm的松量。将前片的前袖窿弧线缩短1cm，使之与袖片的前袖窿弧线长度一致，调整前片的袖窿形态使其与袖山曲线吻合，见图19（b）。

e）骑行运动中后背的伸展性较大，尤其是下坡骑行姿势下更加明显，增加2.5cm的后背宽以降低肩胛部及后背部的压力。将后片的后袖窿弧线增长1cm，使之与袖片的后袖窿弧线长度保持一致，同时调整后片的袖窿形态使其与袖山曲线吻合，见图19（c）。

f）人体手臂在运动时，运动量主要为从侧腋分前后两脉向上运行的走向，经前胸及后背而集中于底腋处[15]。因此将侧片腋下两侧的长度随前、后片的增长而相应地增长。由于P1～P7的压力由腋下至腰部逐渐减小，增加的松量也由腋下至腰部逐渐减小，适应骑行时大臂根部的运动特征，优化见图19（d）。

g）前片撇门的修改使得领口部位与颈部的合体度降低，因此将领片的起翘量由2.7cm增加至4.6cm，见图19（e）。使领子贴合颈部曲线以防止领口灌风，增强运动效能，同时与颈部留有合理的空隙量，不会对颈部造成压迫，减少骑行过程中领子对颈部皮肤的摩擦。

5 样板优化结果分析

5.1 压力优化结果

图20为优化后的骑行服样板。在样板优化后，分别测量各测量点在3种姿势下的压力值，通过计算可得优化后平地，上坡和下坡姿势下骑行服的压力总值分别下降了46.6%，43.7%和38.7%。

图21为优化后的压力折线。优化后骑行服整体的压力折线趋于平缓，局部压力较高部位的压力值也显著降低。

5.2 样板相对优化程度

通过计算样板相对优化程度D进一步对压力舒适性的优化进行定量分析，其计算方法为：

D=∑n1（Ci-Ci'Ci）n（1）

式中：n为服装压力测量点总数;Ci为修改前样板第i个测量点处的压力值，kPa;Ci'为修改后样板第i个测量点处的压力值，kPa。

该定量指标代表样板相对优化的程度，D的值越高说明样板优化后压力舒适性的提高越显著，其结果见表3。

综合3种姿势的结果，各衣片的相对优化程度由大到小依次为：袖片，侧片，后片，领片，前片。

5.3 模拟试穿效果

优化后，骑行服上衣的前后袖窿处褶皱明显减少，前中心处的贴合度显著提高，整体上更加合体。

借助CLO 3D中的应力图层，对比优化前后3种姿势下骑行服所受拉伸强度的情况，以平地姿势下的应力图（见图22）为例。由图22可知，优化后骑行服所受应力显著降低。

综合以上结果可知，样板优化后，骑行服整体的压力显著降低，这表明基于虚拟压力值进行样板优化的方法能够有效提升服装的压力舒适性。

6 结 论

本文以170/88A的男性虚拟模特为研究对象，借助三维人体动作捕捉系统获取人体在平地，上坡和下坡3种姿势下的骑行动态数据并建模，并利用CLO 3D对3种姿势下骑行服上衣的虚拟压力进行测量分析，得到如下主要研究结果：

a）通过人体动作捕捉系统，对平地，上坡和下坡状态下的人体进行建模，根据人体不同骑行姿势的动作特征进行结构优化，有助于改善不同骑行姿势下骑行服的舒适度和合体度。

b）借助SPSS软件对试穿次数及压力测量点设置的合理性进行分析可得：模拟试穿次数的不同对压力测量结果不会产生显著影响;中心点的压力可以用来代表方格内其他点的压力;压力测量点的设置方法能够体现各衣片的压力分布状况。

c）通过研究3种姿势下各衣片的动静态压力和压力差值折线图，可知不同姿势下骑行服的压力分布状况存在显著差异，且不同衣片的压力情况也不尽相同。在各衣片的样板优化过程中，分别基于CLO 3D中各衣片压力及动静态差值相对较高的姿势下的虚拟模特进行试穿和结构优化。骑行服压力较大的部位为腋下，胸腹部，肩胛部，臂山頂端和袖口部位。经样板优化后，上述部位的压力显著降低，压力折线趋于平缓，平地姿势下的优化效果最为显著。各衣片的样板优化程度由大到小依次为袖片，侧片，后片，领片，前片。基于虚拟压力的骑行服样板优化方法能够有效改善其压力舒适性，提升服装的功能性价值，能够应用于服装的样板优化设计中。

本文的所有实验是在虚拟环境中进行的，与传统的压力测量方法相比，便捷且具有可重复性，无需昂贵的压力测量仪器，节约了时间和成本，提高了生产效率。将CLO 3D应用于服装样板优化中，有利于提升服装的设计速度，减少资源的浪费。

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