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.docx

    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：TS941.2文献标志码：A：1009-265X（2022）01-0212-12Abstract： 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30kP。