基于三维技术的灭火防护服研究进展

2022-09-30杨钰蝶郑晶晶李承璋

毛纺科技 2022年9期

杨钰蝶，郑晶晶,2，李承璋

(1.浙江理工大学服装学院，浙江杭州 310018； 2.浙江省服装工程技术研究中心，浙江杭州 310018；3.杭州市消防救援支队钱塘新区大队，浙江杭州 310018)

灭火防护服作为消防员的最后一道防线，需具备良好的阻燃性、热防护性、热湿舒适性等，结合配套装备的佩戴，需保证消防员的身体活动不受阻碍，救援工作不受干扰。为此，各国学者不断从面料升级、结构改进、细节优化等方面促进灭火防护服的改进升级。

随着科技的发展，服装三维技术在灭火防护服设计和评价中的应用呈现新兴趋势，逐步实现从二维平面到三维立体转换。服装三维技术主要包括三维人体扫描、三维动作捕捉、三维虚拟仿真等。文章介绍了服装三维技术在灭火防护服的设计与评价中的应用，以期拓宽灭火防护服的设计思路，增加评价防护服性能的途径，提高消防员穿着舒适性。

1 三维人体扫描技术

1.1 三维人体扫描技术概述

三维人体扫描技术是近年来被广泛应用在服装领域的三维技术之一，其能够快速、高效地提供人体的精确数据，因而逐步取代了传统手工测量的地位。该技术实现了人体数据测量由二维平面走向三维立体，通过多台三维扫描器，结合光照射系统的联动控制，对人体进行全方位的扫描拍摄并捕获体表外形，而后通过计算机系统提取扫描结果，可实现人体点云数据的精确输出[1]。现代三维人体扫描技术主要有3种方法：激光扫描法、红外线测量法、白光相位测量法，其中激光扫描法与白光相位测量法发展较为成熟，且实用性较高[2]。

三维人体扫描能够反映出人体与服装的关系，在防护服领域有很好的应用前景，但该技术也存在一定缺陷，比如被光源遮蔽的部分或与光源平行的表面数据易丢失。随着现代技术的发展，便携式高分辨率的扫描仪能够扫描这些无法准确捕获和测量的区域，提高了三维人体测量的准确性。三维人体扫描技术为消防员人体数据测量、灭火防护服热防护性研究、服装合体性分析提供了技术与设备支持。

1.2 三维人体扫描技术的应用

1.2.1 消防员人体数据

人体数据测量是生产灭火防护服的重要基础，确保其在消防员身上发挥出最佳的安全性与舒适性。应用三维人体扫描技术，研究人员能够在数十秒内得到精准反映人体特征的几百个数据。三维人体测量处理流程见图1，分为5个阶段：准备、扫描、特征提取、模型拟合、数据提取，其中第2、5阶段是强制性的，而第1、3、4阶段是可以选择的[3]。

已有多位学者将三维人体扫描技术应用在消防员的人体数据获取上，通过人体数据分析对比男女体型，以便进行防护服的个性化优化设计。如Park等[4]使用[TC]2三维扫描仪测试了消防员在3种下装穿着下的数据，在400 多个测量点中，选定8 个下半身标志作为分析对象导出数据，并在男性和女性消防员之间进行比较。McQuerry[5]也通过三维人体扫描技术证实了身体测量中的性别差异。

图1 三维人体测量处理流程Fig.1 3D body measurement processing flow

1.2.2 灭火防护服热防护性

在火场环境中，热量通过服装和衣下空气层传递到人体皮肤，因此有必要对灭火防护服的衣下空气层进行研究，并与热防护性建立联系。Kim等[6]和Lee等[7]应用三维扫描技术将衣下空气层与预测烧伤关联起来，以期提高灭火防护服的热防护性。Song[8]测量不同尺寸防护服下的空气层，发现防护服在高温中暴露导致的收缩会使其热防护性明显降低。

三维人体扫描因准确性、可重复性被视为测量衣下空气层的最佳手段，但该方法目前大多用于测量人体穿着单层服装时的衣下空气层厚度。对于包括外层、防水透气层、隔热层和舒适层的多层灭火防护服，衣下空气层位于各层之间以及最内层与人体体表之间[9]，需要更深入地探究其中的作用机制。

McQuerry等[10]将多层灭火防护服中的外层、防水层、隔热层进行单独或复合测试。由各层服装体积或表面积减去裸体的体积或表面积，可以计算出该服装与人体表面空气层的体积和表面积。根据下式计算平均空气层厚度：

式中：Agap是衣下空气层的平均厚度，mm；Vairgap是服装的体积减去裸体的体积，cm3，SAnude是人体模型的表面积，cm2。

衣下空气层测定实验通常在假人身上进行，国内外学者借助图形处理软件使得结果更加客观、可视、科学。如Mah等[11]使用三维人体扫描仪测量女性人体模型，通过Bersoft图像处理软件在人体截面自动生成以截面中心点为圆心的360°量角器，量化了灭火防护服衣下空气层大小和分布。王云仪等[12]运用逆向工程软件Geomagic Qualify比较三维扫描得到的裸体和着装假人之间的差值，获得假人不同部位衣下空气层的厚度。

1.2.3 灭火防护服合体性

Ashdown等[13]首次将三维扫描技术用于服装合体性的分析，使用三维扫描仪分别扫描受试者穿着合体内衣和最合身尺寸的样裤，由经验丰富的专家通过查看每个受试者的扫描图像对样裤的合体性进行打分。穿着个体体型、防护服号型和款式均会对灭火防护服的合体性造成影响。SON等[14]研究了连体款灭火防护服的合体性，通过三维扫描实验发现随着防护服号型的增大，后背和后腰部位的空隙明显增大，但肩部、胸部、手臂等与防护服贴合的部位空隙变化不明显。

随着现代计算机技术的发展，一些处理软件的应用使服装合体性的细微差异更加直观和可量化。Izabela等[15]对穿着3种不同消防服套装和对照组(仅穿内衣、穿着普通T恤与短裤)时的消防员进行全身三维扫描(见图2)，将结果导入到MeshLab_64 bit ver. 1.3.4 BETA中进一步处理。该软件用于分析选定位置(如肩部、臀部和膝盖)的横截面，并能将多种着装下选定位置的横截面重叠比对。

图2 5种穿着下的三维人体扫描图像Fig.2 3D body scan images in five types of clothing

2 三维动作捕捉技术

2.1 三维动作捕捉技术概述

三维动作捕捉技术是一种可以准确测量、记录并处理物体运动轨迹数据的技术，设备系统主要由传感器、数据传输和数据处理3部分组成[16]。

根据动作跟踪原理，目前用于人体动作分析的三维动作捕捉仪主要分为光学动作捕捉仪和基于惯性传感技术的动作捕捉仪[17]，二者原理(见图3)不同。使用光学动作捕捉仪时，需要将具有反光功能的标记点固定在身体各个定位点处，通过围绕在人体周围的摄像机对标记点的运动进行记录；使用基于惯性传感技术的动作捕捉仪时，则只需要在定位点放置位置跟踪传感器，传感器主要由三维磁力仪、三维线性加速计、三维速率陀螺仪3部分组成。基于惯性传感技术的动作捕捉仪不使用光学反馈，因此服装覆盖传感器也可以测量人体的运动，然而它对周围环境的电磁场很敏感，并且在靠近强电磁场或金属物体的空间中，测量数据的准确性会降低[18]。

图3 三维动作捕捉仪的原理图Fig.3 Schematic diagram of two 3D motion capture devices

2.2 三维动作捕捉技术的应用

作为在高温环境下的特种防护服，消防员灭火防护服需具备良好的工效性，保证不对消防员作业造成阻碍。一项日本消防服的调查研究显示[19]，消防员对灭火防护服及装备的工效性表现出较高的需求。早期研究人员仅能依靠消防员的主观感受评价灭火防护服的工效性，三维技术的出现及应用使得灭火防护服工效性在客观上得以量化，且其基于工效性的改进提高了消防员的作业效率。

关节活动范围(ROM)定义为关节活动时所通过的运动弧或角度，是评价服装工效性的重要指标。三维动作捕捉技术结合生物力学分析软件Visual 3D生成人体模型，导出需要的关节活动角度，关节活动角度最大值与最小值之差得到关节活动范围，该方法能够获得灭火防护服结构与细节的改变给人体活动带来的细微差异，并在灭火防护服的袖部设计上得到实践[20]。

Son[21]关注到了贴身穿着的消防内衣对消防员活动性的影响。受试者穿着不同材质和结构的消防内衣并穿戴全套消防装备，所有的反光标记点贴在灭火防护服上，使用光学动作捕捉仪测试5个动作下的肩、髋关节活动。而另一种无需依赖光线条件的位置跟踪传感器可穿戴于被测服装内层，减小服装厚度与位移对测试结果的影响。基于惯性传感技术的动作捕捉仪被用于研究消防员防护服和装备对上半身[22]与下半身[23]活动的影响。

在现实救火场景中，消防员除穿着灭火防护服外，还必须穿戴消防头盔、消防腰带、消防手套、消防靴、空气呼吸器(SCBA)等防护装备，这些服装与装备共同作用于人体，产生一定影响。Park等[24]在这方面的研究较为深入且全面，其运用三维动作捕捉仪测量了佩戴SCBA后人体下肢各关节在矢状面和水平面的ROM变化，之后又研究了消防靴和SCBA尺寸对消防员活动性的影响。王诗潭等[25]同样选择使用三维动作捕捉仪测试SCBA不同肩带长度下受试者跑步过程中骨盆和臀关节的活动角度，为中等身高消防员的SCBA肩带长度设置提出建议。

研究报告显示：肌肉骨骼损伤是美国消防员最常见的职业伤害，占全部受伤情况的一半以上，比烧伤、热应激和毒气吸入更加严重[26]。Wang等[27]的调查结果同样支持这一结论，肌肉骨骼损伤在中国和美国消防员群体中都很常见，且受伤部位与人体活动受限部位相一致。因此，通过三维动作捕捉仪测试消防员的关节活动情况，可以在一定程度上预测由个人防护装备引起的消防员肌肉骨骼损伤。三维动作捕捉技术将灭火防护服的工效性评价提升到更科学、更人性的分析高度，从减少职业伤害的人本理念出发，为灭火防护服及装备的设计提供更科学、合理的建议。

3 三维虚拟仿真技术

3.1 三维虚拟仿真技术概述

服装三维虚拟仿真技术基于三维人体测量数据，结合人体体型、脸型、发型等个性化特征，构建虚拟人体模型，实现设计者和穿着者协同设计，其意义不仅在于设计层面，更在于无需真人和实物即可从客观上对服装进行性能评价。在面料、结构较为简单的服装上，已经实现了三维虚拟下的压力舒适性测试，如普通裤装[28]、针织骑行服[29]、女性跑步针织上衣[30]。

三维虚拟仿真的优点是无需制作样衣就能直接在用户端生成虚拟服装，配合虚拟场景展示人体穿着的真实效果，有效缩短防护服的设计周期，提高生产效率，降低生产成本[31]。但目前三维虚拟仿真技术尚处于发展阶段，具有一定局限性，无法完全实现所有类型服装的虚拟仿真。

3.2 三维虚拟仿真技术的应用

在防护服的设计上，一直以来保持着传统设计模式，即二维平面设计，三维虚拟仿真技术的应用并不多见。金世婧等[32]介绍了一种适用于防护服结构设计的CLO联动技术，这项技术以Clostandalone软件的虚拟仿真设计功能及动态展示技术与Maya、3dsMax、UGNX等软件的综合运用技术组成。

对防护服和装备进行三维虚拟仿真设计，首先需要根据人体体型数据创建虚拟模特，再在软件界面上安排平面版片，建立缝纫关系后制作立体服装，调整面料参数，渲染细节，最后将在3dsMax或Maya等建模软件中完成的配套装备模型导入到场景中，获得完整的虚拟模特穿着效果(见图4)。CLO联动技术中的压力测试模块可以获得防护服在虚拟人体上的压力分布情况，从而得到静态和动态舒适性[32]。由于技术发展的限制，且灭火防护服材料复杂，难以完全虚拟仿真，目前未见有灭火防护装备的三维虚拟设计与评价。

图4 防护服三维虚拟仿真步骤Fig.4 Three-dimensional virtual simulation steps of protective clothing

4 服装三维技术的发展趋势

三维人体扫描、三维动作捕捉、三维虚拟仿真并不是3项孤立发展的技术，它们的应用与拓展彼此依赖、相辅相成。3项服装三维技术的常见分类、优劣特点及应用设备和软件信息总结见表1。未来，灭火防护服的研究将与服装三维技术息息相关，在人体测量、开发设计、评价预测等方面紧密结合。

表1 服装三维技术Tab.1 Garment 3D Technology

4.1 消防员体型测量系统化

服装号型系统的准确性是服装合体性、舒适性的前提。职业消防员与一般人群体型存在一定差异，Hsiao等[33]收集美国不同地区男性和女性消防员的人体测量数据，通过测量和数据比对得到：男性消防员比美国一般男性重9.8 kg，女性消防员比美国一般女性高2.9 cm。为了制定个人防护服的尺寸参考，Robert等[34]应用三维人体扫描测量了2 281 名印度男性的身体数据。防护服上装和下装分别以胸围和臀围为主要度量单位，设计了3 种服装尺寸(即小型、中型和大型)，尺寸范围间隔分别为4和6 cm。为了最大限度地覆盖群体，小尺寸进一步分为XXS、XS、S，大尺寸进一步分为L、XL、XXL和XXXL。这些研究中获得的数据为其对应地区个体防护装备的设计提供了有效、可用的人体数据信息基础。

灭火防护服作为消防人员的特定职业防护服装，应聚焦消防作业人员体型数据，建立消防员体型数据库，发展形成一套专门的号型系统。而目前，我国灭火防护服的尺寸设定参照一般服装号型，没有形成特定的尺寸标准。消防员体型数据库将作为三维虚拟人体建立的基础，各地区也有必要根据当地体型特点为消防员开发一套特定的号型系统。

4.2 服装发展性别差异化

女性消防员是不容忽视的一个群体，且女性消防员比例在不断扩大，但是目前灭火防护服的设计主要迎合了男性的体型特征，女性消防员因穿着不合适的防护服而面临更大伤亡风险。

Mcquerry[5]通过三维人体扫描，从图像上反馈了男女体型差异：男性的躯干呈方形，而女性的身体呈三角形，腰部较窄，臀部较宽。Park等[4]在研究中确定了女性消防员在穿着消防裤时引起不适的特定区域，表示与男性消防员相比，女性消防员穿着消防裤时的不合身性和不适感程度更高。针对男女体型差异，赖丹丹[35]根据女性体型特点对灭火防护服的款式进行改良，对肩部、胸部、袖长、袖窿、衣长、裆部等位置的不合体性做出调整，并对改良后的作业适应性评价。

这些研究成果使消防从业人员和科研人员重视男女消防员体型差异，以制定并完善女性消防员的尺码系统，为女性消防员灭火防护服的发展奠定基础。

4.3 服装设计三维数字化

三维虚拟仿真技术已广泛应用于服装领域，它让服装设计实现了二维纸样和三维模型的实时转换，为产品设计带来了极大的便利。这项技术目前存在一定局限性，在灭火防护服设计上的应用较少，且防护服面料层数多而复杂，真实模拟难度大，给技术平台和操作人员带来了考验。

三维虚拟仿真的前提是建立逼近真实的虚拟人体模型，这就对三维人体扫描技术提出了更高的要求。如果无法采集到准确的人体数据，就难以建立与设计对象完全吻合的虚拟人体模型，也无法达到展示真实穿着样貌的目的。

随着现代信息技术、制造技术的不断发展，三维虚拟仿真技术也将被推上新的高地，逐步实现灭火防护服设计的三维数字化及产业性应用，为个性化设计创造有利条件。

4.4 服装性能评价多元化

服装三维技术的兴起实现了从早期的主观评价和简单的客观评价到如今的可视化、数字化评价的飞跃。灭火防护服的评价内容、评价方法、评价指标越来越多元化。

在实物层面，运用三维人体扫描技术测得的衣下空气层来评估防护服热防护性，测得的防护服与人体横截面空隙来评价合体性；运用三维动作捕捉技术测试消防员真人穿着灭火防护服下的活动性能，用以评估防护服的工效性。在虚拟层面，运用三维虚拟仿真技术模拟真实穿戴场景，并使虚拟人体模型做出相应动作，如救火中常见的走、跑、蹲、举等，结合各技术模块的运行，即可预测真人穿着时的多项性能。