基于瑜伽运动状态下的人体下肢皮肤形变分析

王伟荣 丛洪莲 董智佳

摘要： 为揭示在瑜伽运动中人体下肢皮肤形变规律，针对瑜伽动作特点，选取4个瑜伽动作进行测试与分析，利用VITUS Smart三维人体扫描系统，得到练习瑜伽动作时下肢不同部位皮肤形变数据。结果表明：在瑜伽运动中，腰围和膝上围之间围度尺寸呈增大趋势，拉伸变化率在6%以内，臀围围度变化较明显。在纵向长度方面，腿部各部位皮肤形变差异性大，变化率在（-66.37%，56.90%）区间，大腿后侧拉伸变化最为明显，腹部则多呈收缩状态。当膝盖进行弯曲动作时，腿部皮肤尺寸变化较为明显，正面产生大幅度的纵向拉伸，反面产生收缩变化，长度变化率在（-24.91%，26.15%）区间。

关键词： 瑜伽运动;三维人体扫描;人体;皮肤形变;瑜伽服

中图分类号： TS941.17

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2020）10005405

引用页码： 101110

DOI： 10.3969/j.issn.1001 7003.2020.10.010（篇序）

Analysis of human skin deformation based on yoga motion state

WANG Weirong， CONG Honglian， DONG Zhijia

（Engineering Research Center of Knitting Technology， Minister of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract：

In order to reveal the skin deformation law of human lower limbs in yoga exercise， four yoga motions were selected for testing and analysis for yoga motion characteristics. The VITUS Smart 3D scanning system was used to obtain skin deformation data of different parts of lower limbs during yoga motion. The results showed that in the yoga exercise， the circumference dimension between the waist circumference and the knee circumference increased， and the tensile change rate was within 6%. The hip circumference change was more obvious. In terms of longitudinal length， skin deformation varies greatly in various parts of the leg， and the rate of change was in the range of（-66.37%， 56.90%）. The stretching changes on the back of the thigh are most obvious， while the abdomen was mostly contracted. When the knee was bent， the skin size of the leg changed more obviously， and the front side produced large longitudinal stretching， and the reverse side produced a contraction change. The length change rate was in the range of（-24.91%， 26.15%）.

Key words：

yoga exercise; 3D body scanning; human body; skin deformation; yoga clothes

收稿日期： 20191223;

修回日期： 20200916

基金項目： 国家自然科学基金项目（61602212）;国家科学基金项目（61902150）;无锡市针织科技服务平台项目（WX03 07D0304 021700 06）

作者简介： 王伟荣（1995），男，硕士研究生，研究方向为针织产品的创新设计与性能研究。通信作者：丛洪莲，教授，cong wkrc@163.com。

近年来，瑜伽运动快速兴起使得瑜伽服行业也随之发展起来。虽然瑜伽服品牌种类繁多，但现有瑜伽服在面料结构等方面与普通运动服没有明显的差异，不能满足消费者的需求[1 2]。分析运动姿势，研究各种姿势下人体各部位的变形，在人体皮肤形变的基础上，设计具有良好适体性功能的服装，能够很大程度地提高服装的运动功能[3 4]。测试人体皮肤形变有两种主要的方法，分别是接触式测量和非接触式测量，如接触式的体表划线法、网格法和石膏法[5 6]，应用较广泛的非接触式三维人体扫描方法[7]。在人体运动皮肤形变测量方

面，程宁波等[8]采用运动捕捉系统和体表划线法分析了骑行运动下人体腿部的皮肤形变，分析皮肤变化量应用于骑行裤设计，提高骑行裤的舒适性和功能性。王燕珍等[9]通过实验得到跑步运动状态下下肢不同部位皮肤变化的规律，其中测量方法采用三维扫描系统。在瑜伽运动中，人体各部位的围度和纵向尺寸变化明显，对服装性能要求较高。目前，市场上的瑜伽服结构简单，分割线设置等缺乏理论依据。因此，探讨瑜伽运动时人体皮肤变形，而且采用非接触式测量方法，减小误差，将瑜伽姿态下皮肤变形考虑到服装设计中。

本文对瑜伽动作特点进行分析，选取4个瑜伽动作，分别为战士弯腰式、战士身印式、腿侧举式和三角式，利用VITUS Smart XXL三维人体扫描系统获取不同瑜伽动作下人体下肢的皮肤变化，研究瑜伽运动中人体下肢皮肤纵横向的皮肤形变规律。根据瑜伽姿态下人体下肢皮肤变化率，可以对裤装原型进行分区设计，使服装具有良好的弹性和回复性，满足瑜

伽运动时人体的舒展，提高服装穿着的舒适性，为瑜伽裤装的开发提供依据与指导。

1 实 验

1.1 对 象

选取5名女大学生为实验测试对象，身体健康并具有一定的瑜伽运动经验，测试对象基本数据见表1。

1.2 设备与工具

实验采用设备为VITUS Smart XXL三维扫描系统（德国Human solutions公司），该扫描系统原理是基于激光光学三角测量的原理，测量设备由4根激光柱组成，每根激光柱由2个照相机和1个激光头组成测量感应系统，保证了无接触测量人体的最高精度。该设备通过对前左、前右、后左和后右四个方向同时扫描，获取360°三维人体数据并通过ScanWorX软件测量标记点之间的距离。此外还有卷尺、标记点、量角器。

1.3 测试者标记点

人体体表尺寸的获取采用三维人体扫描法。根据人体特征进行体表分区，将标记点粘贴在相应部位的皮肤上，并进行静态和动态的测量。静、动态测量是指测试者自然站立和进行瑜伽运动时，测量人体各标记点之间的长度。利用对照性原则，将被测者瑜伽运动状态下的数据与静止站立时的数据进行对比分析，研究瑜伽运动状态下皮肤的伸展和收缩变化[10]。

为了在VITUS Smart XXL三维扫描系统中获取皮肤形变数据，需要确定体表标记点的位置，如图1所示。横向基准线为腰围线1、臀围线2、大腿围线3、膝围上线4、膝围线5和膝围下线6，纵向基准线为内侧缝（H、I）、外侧缝（D、M）、前中线（B、O）、后中线（F、K），以及内外侧缝线与前后中线之间等分线（A、C、E、G、J、L、N、P）。

1.4 瑜伽动作

在瑜伽基本体式中，下肢运动时股关节和膝关节作为运动支点，具有不同的运动特点。其中，股关节是多轴性关节，以股骨头为运动中心，腿部可以做前后、左右和上下轴向运动，膝关节为单轴向关节，只能做前后方向的轴向运动[3]。为避免测量中数据缺失较多，选择站立瑜伽体式，对瑜伽基本体式进行分类选择，经过实验和排除，最终选定4个瑜伽体式（图2）进行测量。其中，战士身印式和战士弯腰式代表股关节左右轴向运动的瑜伽体式，且战士弯腰式中膝关节有较大幅度的轴向运动，腿侧举式和三角式代表股关节做前后轴向运动的瑜伽体式，这4个动作关节运动幅度较大，对腿部拉扯感较强。

1.5 方 案

实验在江南大学三维人体扫描实验室进行。实验对象下肢穿着紧身短裤后休息15 min，然后静态站立，按照基准线划分在相应位置体表粘贴标记点。三维扫描系统对静止时人体进行扫描，获取静止时人体标记点纵横向数据。实验对象在瑜伽垫上进行瑜伽动作的练习，熟悉动作，然后进入扫描区域进行瑜伽运动，并通过量角尺调整人体姿势，保持瑜伽姿势不变，三维扫描系统进行扫描获取图像。实验对象依次进行瑜伽动作的练习，每个动作测试3次，减少误差。最后利用ScanWorX软件对扫描数据进行测量记录。

1.6 各部位尺寸变化率的计算

人体动静态皮肤尺寸变化率计算方法如下：

K/%=L1-L2L2×100（1）

式中：K>0表示拉伸，K<0表示收缩，L1为瑜伽动作下标记点之间的长度，L2為静态站立状态下标记点之间的长度。

2 结果与分析

2.1 横向皮肤变化率分析

图3为下肢整体围度变化折线图，横坐标为下肢部位，纵坐标为皮肤伸缩变化率。其中横坐标数值与部位对应关系为：1腰围、2臀围、3 1左大腿围、3 2右大腿围、4 1左膝上围、4 2右膝上围、5 1左膝围、5 2右膝围、6 1左膝下围、6 2右膝下围。

由图3可知，在瑜伽运动中，由于腿部的轴向运动造成双腿之间位移增大，腰围、臀围和大腿围的横向拉伸变化率都呈增大趋势，拉伸变化率在6%以内。其中臀围变化率最明显，在练习动作3腿部向外侧运动时，变化率达到5.52%。大腿围的长度变化率在1.72%～4.91%，由于右腿的轴向运动幅度比左腿大，右大腿围的拉伸变化率稍大于左大腿围。右膝上围在动作2时皮肤拉伸变化率最大，为3.16%;在动作4时皮肤拉伸变化率最小，为1.79%。左膝上围、膝围和膝下围的横向变化率都在±2%以内，围度变化不是很明显。

采用分段式的手法对横向变化率较大的围度进行分析。由图3可知，臀围、右大腿围和右膝上围的横向变化率较大，本文对这3个围度的横向变化率进行分段分析。

由图4可知，臀围不同部位总体呈拉伸状态，臀围线B2C2、G2J2和M2N2的拉伸变化率比较大，其中G2J2为左右臀部中间位置，腿部的运动带动臀部的运动，使得皮肤拉伸变化率达到最大，最大值为19%。

由图5可知，大腿围局部长度变化总体为正值。在练习动作1时，I3J3、N3O3和O3P3的皮肤拉伸变化率较大，依次为11.19%、14.33%和17.57%。在J3K3皮肤长度会有收缩变化，但不是很明显，收缩变化率最大值为6.63%。大腿存在肌肉群，在自然舒张状态和紧绷状态下，不同部位皮肤变化率受到肌肉状态的影响，横向围度会有比较大的差别。

图6为右膝上围的横向长度变化，反面内侧部位收缩变化较大，反面外侧及腿部正面处于拉伸状态，最大值为1918%。

由图6可知，在瑜伽运动中，腿部之间的相对运动使臀围、大腿围和膝上围呈拉伸变化趋势，膝上围以下尺寸变化幅度较小。腿部的相对运动幅度越大，尺寸变化越明显。在局部部位中，臀部、大腿和膝上围正面在练习瑜伽时常处于拉伸状态，局部变化最大值为19.18%。膝上围反面会有比较大的收缩幅度。膝围和膝下围在围度方面没有明显的尺寸变化。

2.2 纵向皮肤变化率分析

图7为腰围到膝下围长度变化折线图。从图7可看出，在进行瑜伽运动时，尺寸变化趋势趋于一致。腿部进行轴向运动时，下肢正面皮肤纵向基本处于收缩状态，前中线处收缩幅度较大，如纵向N1N6在动作2时尺寸变化率最大，最大变化率的绝对值达到17.51%;反面则相反，皮肤纵向基本处于拉伸状态，纵向J1J6在动作3时皮肤拉伸变化率最大，为1819%。

对不同部位的纵向长度变化进行分析。将下肢分为3部分，分别为腰围到大腿围、大腿围到膝上围和膝上围到膝下围。

由图8可知，当以股骨头为运动中心，腿部做向前，左右及上下的轴向运动时，大腿根部区域皮肤堆积，造成正面部位皮肤长度变化率基本处于负值，反面处于拉伸状态。当腿部做向后的轴向运动时，臀部受到挤压，皮肤收缩，正面则会有拉伸变化。比如练习动作2时，右腿做向前的运动，左腿则产生相对的向后运动，正面左侧产生小幅度的拉伸，右侧呈收缩状态;反之，左侧皮肤受到收缩，右侧处于拉伸状态。

由图9可知，由于右腿的动作幅度较大，尺寸变化比较明显。腿部反面皮肤长度变化率较大，且基本处于拉伸状态，在练习动作1时，腿部前迈及膝盖的弯曲使得反面皮膚产生大幅度的拉伸，最大值为56.90%，正面会有较小幅度的收缩。

由图10可知，膝盖附近皮肤长度变化范围较大，在区间（-24.91%，26.15%）波动。练习动作1时，膝盖的弯曲运动造成腿部正面皮肤拉伸，纵线N和纵线O拉伸幅度最大，最大值达到26.15%;反面皮肤收缩，纵线J和纵线K皮肤最大收缩率达到-24.91%。

由以上数据分析可知，在瑜伽运动中，下身纵向皮肤形变大于横向皮肤形变。腿部做上下左右及向前的轴向运动时，造成腰围线和大腿围线之间正面皮肤堆积，皮肤产生收缩，反面皮肤则产生拉伸。当腿部做向后的轴向运动时，臀部跟大腿之间会形成挤压，该处皮肤呈收缩状态，正面则相反，会有小幅度的拉伸。腰围线以下和大腿围线以上部位正面皮肤收缩幅度较大，局部收缩最大值为66.37%。臀部和大腿反面部位则是拉伸幅度较大。当膝盖进行弯曲运动时，膝围附近区域正面皮肤受到大幅度拉伸，反面则会有收缩变化，长度变化率在（-24.91%，26.15%）区间。

2.3 下肢皮肤形变网格图

在以上4个瑜伽动作中，对不同部位的皮肤变化率进行极值的筛选。通过比较在4个瑜伽姿态下皮肤伸缩变化数值的大小，选取最大值为该部位的皮肤伸缩变化量，由于左腿和右腿标记点呈对称关系，如横线A1B1和P1O1，竖线A1A2和P1P2，在两个对称部位的皮肤变化率之间选取最大值为该部位的皮肤变化率，由此可以得到下肢在瑜伽姿态下的各个部位的皮肤变化率。以无缝针织裤装版型为网格原型，将以上数据变化转化为较为直观的皮肤形变网格图，如图11所示。其中，纵横线与体表标记点划分基准线相同，每一种颜色代表一个变化区间，这样可以明显地看到在瑜伽运动中人体下肢皮肤伸缩变化情况。

由图11可知，在进行瑜伽练习时，横向线段多呈绿色和黄色，只有膝部与大腿处小部分区域有红色和橙色出现，说明横向围度的变化率小。纵向线段则变化率较大，其中腹部存在收缩，大腿反面、膝盖正面和臀部则拉伸变化较大，其他部位形变较缓和。因此，基于不同部位在运动中会产生不同大小的皮肤变化率，在瑜伽裤的设计中应采用分区设计，不同部位编织不同的组织，确保每个部位在运动时有足够的自由度。

3 结 论

瑜伽运动对人体各个部位的皮肤形变有很大的影响。通过对瑜伽体式动作特点进行分析，选取瑜伽动作后进行下身皮肤形变的实验可得，与人体静态相比，瑜伽动作会引起腰围、臀围和腿部各个区域的皮肤尺寸发生变化。在大腿围线以上和腰围线以下区域，腿部的轴向运动会使腹部皮肤产生大幅度的纵向收缩，局部变化率绝对值高达65%左右，臀部区域则有较大的拉伸变化，且该部位的围度都呈增大趋势，拉伸变化率在6%以内。大腿肌肉处于绷紧状态时，在围度方面，腿部正面常处于拉伸状态，反面呈收缩状态，长度上则相反。当膝盖进行弯曲动作时，人体腿部的变化是比较显著的，在长度方面，正面产生大幅度的拉伸，反面产生收缩变化，长度变化率在（-24.91%，26.15%）区间，围度则没有显著差异。因此，将下肢各部位的皮肤尺寸拉伸数据应用于瑜伽裤结构设计，如臀部、大腿反面和膝盖正面皮肤拉伸较大的区域采用弹性大的面料，使瑜伽服装更加符合运动特性。

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