动作捕捉技术在功能性服装的应用发展

李冰玉，肖 剑

(大连工业大学，辽宁 大连 116034)

随着计算机数据采集和传感器技术的发展，动作捕捉技术越发精准，应用范围逐步扩大，如今已经在军事、体育、医疗、科研、动画制作、虚拟现实等诸多领域得以使用。光学动作捕捉系统是目前最先进、应用最广泛的捕捉系统，高性能的红外摄像头可以迅速、准确捕捉反光标识点，收集并生成运动信息，用于动态的分析研究工作。动作捕捉技术的普及也为服装设计领域提供了一个新思路，以科学实验为设计依托，使设计更具合理性，服装结构更符合人体活动需求，提高服装的实用性及舒适度。

1 动作捕捉技术概述

1.1 动作捕捉技术的发展

动作捕捉,也可以称为动作追踪或简称Mocap，用于记录物体在空中移动的整体过程并将其模拟到数字化模型中。早期的简易动作捕捉和描绘概念是Max Fleischer于1915年提出的“动态影像描摹”[1]。1937年，迪士尼公司将这项技术运用到《白雪公主》的制作中，显著提升了视觉效果，后来该技术应用于《指环王》、《美女与野兽》等动画影视中。该技术的不足之处在于逐帧测绘的工作量很大，而且仅仅能够获得二维的信息。20世纪80年代各大研究机构开始对人体捕捉技术进行研究，麻省理工大学最早使用了光学式动作捕捉拍摄系统。此后，动作捕捉技术吸引了越来越多的科学研究者和开发商的注意力，并由试用逐渐走向实用。1988年，SGI公司成功开发出一套可以捕捉人体头部运动和表情的系统。随着电子计算机软、硬件技术得到进一步发展，大众对动画制作提出更高要求，动作捕捉技术被广泛应用到生活当中。各个厂商开始相继推出更加多样化的动作捕捉设备，如Film Box、MAC等。如今动作捕捉技术已在动画电影、体育赛事、医学研究等领域广泛应用。

1.2 动作捕捉技术分类

常见的动作捕捉技术从使用工具和工作原理上可分为机械式运动捕捉、电磁式运动捕捉、声学式运动捕捉、光学式运动捕捉和惯性式运动捕捉五种。在定位精准度、实时性、使用便捷性、可捕捉运动范围、价格、抗干扰性、多物体捕捉性能等方面各有所长，互相平衡。表1为动作捕捉技术类型对比分析表。

表1 动作捕捉技术类型对比分析表

2 动作捕捉技术的应用表现

国内外研究专家和学者积极地参与到动作捕捉技术的研究开发中，在很多方面取得了前瞻性的技术成果和突破性进展，在动作捕捉的方法与应用、实时数据分析、运动动态研究、交互设计等方面有丰富的基础。

2.1 影视游戏动画制作

动作捕捉技术能使动画效果更加真实、生动，提高了作品创作效率的同时，还能够降低成本，在影视制作中大量使用该技术不仅是当下国内外电影制作的主要方式，也是未来影视行业的发展趋势。

2.2 非物质文化遗产保护

动作捕捉技术对于动作类非物质文化遗产的宣传和创新是切实可行的。施蕾等人[2]通过Vicon动作捕捉系统对花腰彝舞蹈动作进行数据采集，将动作信息录入舞蹈数据库，后期可用于各种三维角色，使非遗舞蹈在三维动画及人机交互中得到应用，以达到传承传统文化的作用；吴志峰[3]以泉州提线木偶戏为例，在木偶角色身体的关键点安装传感器，将木偶表演时的固定动作进行捕捉和存储，建立数据档案库，再进行后期电脑动画的制作。

2.3 人体工程及医学研究

将动作捕捉技术应用于临床，可以对骨外科、整形科等科室的患者进行病理研究、检测手术过程、分析步态数据、防止动作损伤以及评估患者假肢矫形安装情况和康复情况等。早在20世纪90年代，麻省理工大学就通过临床实验，研制了上肢运动功能康复动作捕捉系统，为上肢患者提供了高效的医疗环境。Kim等人[4]提出了一种将动作捕捉数据应用到人形双足机器人上的有效步行模式映射算法。通过对不同高度、尺寸、重量等数据的两个机器人进行实验分析，有效解决了脚与地面的滑动所产生的问题。

2.4 动作教学训练研究

在体育、舞蹈等学科的教学训练中，可运用动作捕捉设备进行辅助指导，细化动作要求，纠正错误的姿态，制定合理的训练计划，提高教学质量和效率。王露晨[5]以舞蹈姿态为理论基础，提出了基于动作特征向量匹配的舞蹈姿态分析方法，并进一步验证了将动作捕捉技术与舞蹈教学相结合的科学有效性与实施的可行性；韩丽，张美超[6]将动作捕捉技术与传统的体育教学结合，通过搭建教练员动作数据库，生成一套教学动画软件，实现动作的三维立体分析与讲解。

3 动作捕捉技术的应用表现

3.1 动作捕捉技术在服装领域的研究现状

人体处于不同动态时，局部的肢体动作变化影响服装的穿着舒适性，同时人体各个部位的动作变化也是服装松量与结构设计的理论基础，捕捉技术在准确计算人体结构的变量方面可起到重要作用。罗兰，王建萍[7]通过动作捕捉技术，挑选出最具有代表性的骑行动作并进行拓样研究，根据骑行状态下腿部各个部位的形变率，提出制作骑行裤的最佳面料参考参数，及骑行裤分割线位置和形状设计。

体育运动是生活中必不可少的组成部分，每一类运动都有与其特征相适应的服装搭配，将动作捕捉技术应用于运动服装的设计中，可通过图像数据准确设计出满足运动要求的服装。刘莉等人[8]通过设备实例考察了高尔夫全挥杆动作引起的人体躯干部皮肤和肌肉伸展改变规律，并据此对高性能高尔夫上装尺寸设计进行了探讨。

运动防护是在体育运动中防止发生意外造成身体损伤的一项关键措施，除了防护装备，防护性服装在近几年也得到发展。吴旭波[9]通过对网球运动时人体上肢各关节部位进行动作捕捉，提出了防护性网球运动服装的优化设计；刘青青[10]通过探究在急停跳投和争抢篮板球情况下各膝关节角度的变化情况，设计出符合篮球运动特点的功能防护服。

服装工效学是一项专门研究个体、服装和环境三者之间相互作用的学科，集合了对服装功能性的评判标准和方法。田苗，李俊[11]把三维动作捕捉仪应用于人体功效性评价中，提出未来可将动作捕捉技术与可穿戴设备理念相结合的发展趋势，尝试开发设计一种具有动态监测功能的智能服装，减少运动伤害，提高工作效率。

3.2 动作捕捉技术在服装领域的发展趋势

未来随着动作捕捉系统行业的不断提高，动作捕捉技术会应用到更多领域，进一步扩大产品的市场需求。目前动作捕捉技术在服装领域的参与还比较有限，可继续将该技术运用于智能服装、职业工装等多种类型的服装设计中。动作捕捉技术具有精准性、全面性等优点，结合步态分析和行走模型等生物力学的运动学理论，能够使服装设计上升到更加科学的理论水平，进一步提高穿着人员作业效率、降低职业伤害，为服装、服饰及其他配套装备的设计提供更加科学合理的指导。

4 结语

服装设计应从人体工程学、运动力学等基础原理出发，对捕捉到的运动数据进行分析和模拟，从而形成一套由动作捕捉到服装产品设计研制的开发体系，并针对特定人群及特定场景进行研发。随着现代动作捕捉技术研究的不断深化和进步，动作捕捉设备的不断发展，动作捕捉技术与服装功能性研发的结合会更加紧密。