特殊体态人体肩背部变化规律

陈 郁， 任雨佳， 师亚楠

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

服装制作需以人体尺寸为数据基础，但现有测量指标无法准确描述不同体态的尺寸差异。人体体态的形成与日常生活习惯有着密不可分的关系，调查显示：大学生群体中，头、颈、肩胛骨、骨盆的侧面和背面姿态指标全部正常的只有2.5%[1]；男大学生中，17.9%为挺胸体态，14.1%为驼背体态[2]。事实上，体态测量研究已经得到广泛重视，并且取得了一定成果。

GB/T 1335.2—2008[3]中所划分的Y，A，B，C 4种体型没有考虑到不同体态的局部差异。董丽等[4]利用三维人体扫描技术分析成年女性的人体数据，在GB/T 1335.2—1997的基础上增加了背凸距、胸凸距、腹凸距、臀凸距等特征指标，便于调整同一号型不同体态的服装版型；YOO H等[5]根据胸背凸量、臀部凸量、胸腰距离、腰臀距离等指标描述成年男性的侧身形态，将人体体型分为前胸较发达型和背部弯曲型；石圆圆[6]借助非接触式易量体测量法测量中老年男性的人体数据，分析其体型变化，使用驼背量和驼背角指标对中老年男性服装版型进行调整，总结驼背体态的服装纸样变化规律；阮婷等[7]通过三维人体测量技术，得出前肩宽、左肩斜度、胸背宽比3个指标可用于描述青年男性肩部形态，发现挺胸体态人体的肩斜对肩型影响较大，驼背体态人体的肩宽和肩斜对肩型均有影响。除了上述常规人体测量项目外，吕吉[8]通过测量肩腰斜线(即肩端点到腰中点的体表路径)优化肩部结构；贺义军等[9]发现，肩弓的变化会影响肩线长度、领窝线长度、袖笼弧线；田亚楠[10]利用非接触式人体测量技术，发现肩周的围度、高度和厚度在不同体态下有显著差异，最终确定引入肩周曲线模型，定量区分前胛弓背体型与标准体型；贺莉文[11]采用肩弓系数(即肩端距与总肩宽的比值)量化肩部后凸程度，通过肩截面曲线判别弓背体体型，但是并未深入探究弓背体态对背部及胸部曲线特征的影响。

上述研究为体型测量增加了部分描述人体侧面轮廓的特征指标，如背凸距、胸凸距、背入角等，有的研究还选取了肩腰斜线、肩弓等非常规测量部位，但是驼背体态和挺胸体态相对标准体态的变化还有待探究。因此，为了深入了解肩背部体态的变化情况，文中使用三维人体扫描技术采集同一人的正常体态、驼背体态和挺胸体态数据，使用Geomagic Studio软件提取相关人体数据作为实验样本，从变化部位以及变化方向两方面探究特殊体态肩背部的描述性指标，旨在更加深入了解人体体态变化情况，为人体模型的调节提供数据参考，对不同体态的服装版型研究有指导意义。

1 实验部分

由于驼背体态与挺胸体态的形成与日常生活习惯有着密不可分的关系，因此可以根据驼背体态和挺胸体态的外形特征设计实验，模拟特殊体态。

1.1 仪器

X Scan 2017博克三维人体扫描仪，深圳博克时代科技开发有限公司制造。

1.2 实验对象

由于驼背体态在身高较高的人群中较为常见，因此随机选取体态正常、体型接近180/96A的17名青年男性参与测量实验。

1.3 实验方法

测量环境需符合裸体测量要求，温度为(25±2)℃。扫描过程中，实验对象自然呼吸，尽量避免身体晃动；扫描结束后，可直接生成与真人等比例的OBJ格式三维人体模型。实验对象上半身为净体，以自然站立的肩背状态为正常体态，以伏案写作时的肩背状态为驼背体态，以站军姿时的肩背状态为挺胸体态进行扫描。以正常体态为参考对象，挺胸和驼背体态为测试对象，分别对驼背体态与挺胸体态的变化情况进行分析。

结合相关文献以及测量男性驼背体态与挺胸体态的实际经验，选取位于肩部、胸部、背部的17个特征点以及3个特征面。特征点包括前颈点、后颈点、肩峰点、前腋点、后腋点、胸高点、背凸点、胸中点、背中点、侧腰点、后腰点等，特征面为矢状面、冠状面、水平面。使用Geomagic Studio软件标记的特征点与特征面如图1所示。

图1 测量所需特征指标的分布情况Fig.1 Distribution of feature indexes required for measurement

2 主要变化部位及其变化趋势

通过扫描得到人体模型及特征点、特征面，对驼背体态和挺胸体态进行数据测量。使用SPSS统计软件分析人体各部位的变化趋势、关键部位的变化方向以及关键指标的变化范围，对比同一人标准体态与特殊体态的人体尺寸差异。

2.1 变化部位

为获得驼背体态与挺胸体态的主要变化部位及其变化趋势，使用Geomagic Studio软件获得人体侧面轮廓，具体如图2所示。

图2 人体侧面轮廓Fig.2 Side profile of human body

由图2可知，不同体态的侧面差异主要位于胸部和背部，驼背状态的主要表现为胸部内收以及背部外凸，挺胸状态的主要表现为胸部外凸以及背部内收。

Geomagic Studio软件中的偏差分析可以更直观地获得人体模型之间的差异。采用特征部位对齐与最佳拟合对齐相结合的方式将正常体态和非正常体态重叠对齐，模型偏差结果如图3、图4所示。

图3 驼背体态与标准体态的模型偏差Fig.3 Model deviation between humpback body and normal body

图4 挺胸体态与标准体态的模型偏差Fig.4 Model deviation between straightening chest body and normal body

图3、图4中，以正常体态为参考对象，挺胸和驼背体态为测试对象，通过三维彩色偏差图展示测试对象与参考对象之间的偏差。由于驼背与挺胸均属上肢体态的变化，所以主要关注躯干模型的差异。颜色色相表示测量值偏离真值的方向，当测定值大于真值时，误差为正，呈红色；当测定值小于真值时，误差为负，呈蓝色；当测定值等于真值时，误差为零，呈绿色。

由图3可知，在驼背状态下，颈部呈绿色，躯干前侧以及大臂后侧呈蓝色，胸部为深蓝色，躯干后侧以及大臂前侧呈黄色，背部为红色，说明胸部和背部变化最为明显，胸部内含，背部凸出，手臂的颜色变化说明与之相连的肩部有前摆的趋势。由图4可知，在挺胸状态下，颈部呈绿色，躯干前侧以及大臂后侧呈黄色，胸部为红色，躯干后侧以及大臂前侧呈蓝色，背部为深蓝色，说明胸部和背部变化最为明显，胸部凸出，背部内收，手臂的颜色变化说明与之相连的肩部有后摆的趋势。由此可知，驼背体态与挺胸体态的主要变化部位均为肩部、胸部和背部。驼背体态下，肩膀前摆，胸部内含，背部向后凸出；挺胸体态下，肩膀后摆，胸部前挺，背部内收。

2.2 变化方向

为保证测量数据能够反映特殊体态的尺寸规律，以胸坡角、背入角大小分别作为驼背体态与挺胸体态的筛选依据：胸坡角大于20°为挺胸体态[12]，背入角大于26°为驼背体态[13]，最终得到11组驼背体态数据以及15组挺胸体态数据。

为了获得肩部、胸部以及背部的主要变化方向，将变化部位的移动距离作为衡量变化方向的指标，特征点最大位移方向即为特征部位的变化方向。由于人体运动时后正中线与腰围线交点(即后腰点)处的皮肤变形较小[14]，因此选择后腰点作为基点。使用肩峰点、胸高点、背凸点代表变化部位，将各特征点相对于后腰点的位移沿矢状面、冠状面、水平面3个平面进行拆解，相关测量项目见表1。

表1 特征部位变化方向的相关测量项目

使用Geomagic Studio软件根据各个特征量的定义进行尺寸测量，计算特殊体态与标准体态对应指标的差值，使用SPSS软件对测量结果进行相关性分析，结果见表2。

表2 特征部位变化方向各测量项目之间的相关性

由表2可以看出，胸高点至后腰点斜线长与胸高点至冠状面距离的相关系数为0.806，背凸点至后腰点斜线长与背凸点至冠状面距离的相关系数为0.679，肩峰点至后腰点斜线长与肩峰点至冠状面距离的相关系数为0.61，它们在0.01水平上均呈显著正相关。因此，胸部、背部、肩部的变化主要为前后变化。虽然胸高点至后腰点斜线长与胸高点至矢状面距离、背凸点至后腰点斜线长与背凸点至矢状面距离均在0.05水平上呈显著正相关，但特征点相对于矢状面的运动比相对于冠状面的运动发生概率小。综上所述，与冠状面垂直的前后方向是肩部、胸部、背部的主要变化方向。

3 数据分析

驼背状态与挺胸状态的主要变化部位为肩部、胸部、背部，驼背状态的具体表现为胸部内收、背部凸出以及肩部前摆，挺胸状态各部位的变化趋势则相反。肩部、胸部、背部的主要变化方向为与冠状面垂直的前后方向。因此，可以使用胸凸量表示胸部前后移动的距离，背凸量表示背部前后移动的距离。胸锁关节位于胸骨上端，且与锁骨的胸骨端关节面相切，是肩部和躯干部相连接的唯一关节[15]，因此，文中使用肩开角表示相对于前颈点的肩部前后摆动的角度。关键指标的主要测量项目见表3。

表3 关键指标测量项目

使用Geomagic Studio软件根据关键指标的定义进行尺寸测量，运用SPSS软件对关键指标进行描述性统计分析，得出相关指标的平均值、标准差、最小值以及最大值，结果见表4。平均值可以反映该组数据的平均水平，标准差可以反映数据的离散程度，最值可以反映数据变化范围。

表4 不同体态关键指标的数据统计

由表4可知，驼背状态下，胸部内收的位移范围为1.92～4.51 cm，平均值是3.37 cm；背部外凸的位移范围为0.09～3.86 cm，平均值是1.96 cm；肩部前摆角度范围为0.39°～10.72°，平均值是3.82°。挺胸状态下，胸部外凸的位移范围为0.22～3.59 cm，平均值是1.66 cm；背部内收的位移范围为0.17～1.98 cm，平均值是1.12 cm；肩部后摆角度范围为0.04°～16.89°，平均值是5.23°。对不同体态下胸凸量、背凸量、肩开角之间进行Person相关性分析，结果见表5。

表5 不同体态关键指标的相关性

由表5可知，驼背状态下，胸凸量、背凸量之间的相关系数为-0.677，小于0，说明胸凸量、背凸量之间在0.05水平下呈显著负相关，肩开角与胸凸量、肩开角与背凸量之间均无显著相关性；挺胸状态下，胸凸量、背凸量、肩开角之间无显著相关性。

4 结语

文中从变化部位、变化方向、变化范围3方面定量研究特殊体态人体的变化情况。通过对三维人体模型进行偏差分析，发现驼背体态与挺胸体态的主要变化部位为肩部、胸部、背部。通过分析特征点的移动距离，发现肩部、胸部、背部特征点与人体冠状面之间的距离变化对特征点移动方向的影响最大，因此确定胸凸量、背凸量、肩开角3个指标定量描述驼背体态与挺胸体态的变化，且上述3个描述性指标之间没有显著相关性。在肩背部体态变化中，为了维持重心平衡，颈部和腰腹部也会发生变化。未来可以对不同体态下颈部、腰部、腹部体态的变化情况进行深入探究。