吳衛(wèi)兵

(上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院,上海 200438)

三維人體掃描儀在游泳運(yùn)動(dòng)員身體形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)量中的應(yīng)用

吳衛(wèi)兵

(上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院,上海 200438)

三維人體掃描儀在身體形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)量中的應(yīng)用研究。方法:以上海市浦東新區(qū)、徐匯區(qū)、長(zhǎng)寧區(qū)、黃浦區(qū)的游泳運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象,采用三維人體掃描儀測(cè)量(肌性)和傳統(tǒng)手工測(cè)量(骨性)游泳運(yùn)動(dòng)員的身體形態(tài),并比較分析15項(xiàng)常用形態(tài)指標(biāo)(長(zhǎng)度、寬度、圍度)和形態(tài)比派生指數(shù)。結(jié)果:肌性與骨性2種測(cè)試方法比較發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)(高)度測(cè)試指標(biāo)中身高、下肢長(zhǎng)A和小腿長(zhǎng)無(wú)顯著性差異(P>0.05),圍度測(cè)試指標(biāo)中胸圍無(wú)顯著性差異(P>0.05),而寬度和形態(tài)比派生指數(shù)在2種測(cè)試方法中存在顯著性差異(P<0.05)。在長(zhǎng)(高)度測(cè)試中,肌性測(cè)試數(shù)據(jù)在整體上小于骨性測(cè)量數(shù)據(jù);在寬度的測(cè)量數(shù)據(jù)中,肩寬、髂寬肌性數(shù)據(jù)大于骨性測(cè)量數(shù)據(jù);在圍度測(cè)量數(shù)據(jù)上,幾乎所有指標(biāo)都是肌性數(shù)據(jù)偏大,而在形態(tài)比中所有派生指數(shù)又均小于骨性測(cè)量值。結(jié)論:三維人體掃描儀在人體長(zhǎng)(高)度測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)手工測(cè)試結(jié)果相一致,但在人體的厚度和維度測(cè)試中存在一定差異,因此,三維人體掃描儀人體形態(tài)測(cè)量尚不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工測(cè)量方法,非接觸測(cè)量技術(shù)及轉(zhuǎn)換模型尚待進(jìn)一步研究。

三維掃描;游泳運(yùn)動(dòng)員;身體形態(tài);測(cè)量;應(yīng)用

人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能是對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系,形態(tài)結(jié)構(gòu)決定功能,功能影響形態(tài)結(jié)構(gòu);反過(guò)來(lái),形態(tài)結(jié)構(gòu)可以分析功能性動(dòng)作,功能動(dòng)作的改變促進(jìn)形態(tài)的改變[1]。運(yùn)動(dòng)員選材、體質(zhì)測(cè)評(píng)、運(yùn)動(dòng)員機(jī)能評(píng)定等領(lǐng)域都需要對(duì)形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。20世紀(jì)80年代中期,Wacoal開發(fā)了計(jì)算機(jī)外形分析器,可以自動(dòng)分析物體的外形輪廓,這是三維人體掃描儀的雛形。目前的三維人體掃描儀逐漸發(fā)展成熟,利用光線技術(shù)和傳感器裝置,在非接觸人的情況下可快速進(jìn)行人體肌性指標(biāo)數(shù)據(jù)的收集。當(dāng)今處于“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代,智能傳感技術(shù)、智能感知技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理技術(shù)逐步成熟,在此基礎(chǔ)上通過(guò)三維人體掃描并利用軟件程序解讀人體形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,可提高測(cè)試的速度和精度,有助于對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行大樣本量的測(cè)算。

研究顯示,反映人體外部形態(tài)特征的相關(guān)指標(biāo)有高度(身高、坐高)、寬度(肩寬、髖寬)、長(zhǎng)度(上肢長(zhǎng)、下肢長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)、跟腱長(zhǎng))、圍度(胸圍、臂圍、臀圍、腰圍)和充實(shí)度(體重),而在三維人體掃描儀中只能對(duì)體表的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行肌性為主的測(cè)量,在游泳運(yùn)動(dòng)中流線型指數(shù)、坐身高比、大小腿比、胸圍臀圍差等形態(tài)比例也是形態(tài)特征的衡量指標(biāo)[2]。三維人體掃描儀已廣泛應(yīng)用于衣服制作、紡織等領(lǐng)域,但在運(yùn)動(dòng)人體形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)量方面的應(yīng)用仍存在一定的爭(zhēng)議[3-5]。本文以上海市游泳運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象,采用三維人體掃描(肌性)和傳統(tǒng)手工測(cè)量(骨性)2種測(cè)量方法,比較分析2種測(cè)試方法在游泳運(yùn)動(dòng)員的長(zhǎng)度、寬度、圍度等身體形態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

研究測(cè)試對(duì)象為上海市浦東新區(qū)、徐匯區(qū)、長(zhǎng)寧區(qū)、黃浦區(qū)580名青少年游泳運(yùn)動(dòng)員。研究對(duì)象基本情況為:年齡11.37±3.61歲,身高149.08±15.42 cm,其中國(guó)際健將級(jí)6人(男3人、女3人),健將級(jí)34人(男15人,女19人),一級(jí)運(yùn)動(dòng)員77人(男39人,女38人),二級(jí)運(yùn)動(dòng)員108人(男57人,女51人),三級(jí)運(yùn)動(dòng)員12人(男6人,女6人),無(wú)等級(jí)運(yùn)動(dòng)員403人(男237人,女166人)。所有受試對(duì)象及其父母對(duì)測(cè)試內(nèi)容均知情同意,并正式簽定實(shí)驗(yàn)知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)試指標(biāo)

游泳運(yùn)動(dòng)員體現(xiàn)出“倒錐體”形的流線型體征,運(yùn)動(dòng)員應(yīng)具有身高臂長(zhǎng)、身體充實(shí)度較高、手面積寬大的特點(diǎn)。因此，本研究針對(duì)游泳項(xiàng)目的專項(xiàng)特點(diǎn),同時(shí)還滿足三維人體掃描儀測(cè)量和傳統(tǒng)手工測(cè)量要求,最終選取指標(biāo)為:①高度:身高、坐高;②寬度:肩寬、髖寬;③長(zhǎng)度:上肢長(zhǎng)、下肢長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)、跟腱長(zhǎng);④圍度:胸圍、臂圍、臀圍、腰圍;⑤形態(tài)比派生指數(shù):流線型指數(shù)=[(肩寬+髖寬)/身高×2]×100、坐身高比=坐高/身高×1 000、大小腿比=[(下肢長(zhǎng)B-小腿長(zhǎng)A)/小腿長(zhǎng)A]×100、胸圍臀圍差=(胸圍-臀圍)。

1.2.2 三維人體掃描儀測(cè)量

采用VitusSmart XXL三維人體掃描儀(德國(guó),Human Solutions)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí)要求男運(yùn)動(dòng)員穿深色游泳短褲,深色泳帽;女運(yùn)動(dòng)員穿深色泳衣,深色泳帽,赤足,不得佩戴手表、項(xiàng)鏈等金屬物品,以免干擾測(cè)量;測(cè)試時(shí),要求受試者自然站立,腳掌放置于平臺(tái)的腳印標(biāo)志內(nèi),目視前方,將手臂放于身體兩側(cè),掌心向前,四肢并攏,拇指展開。不采取定點(diǎn)定位貼膜。

1.2.3 傳統(tǒng)手工測(cè)量

采用智能二代馬丁測(cè)量?jī)x(中國(guó),上海趣壹科技有限公司)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)量著裝與三維人體掃描儀測(cè)量相同,為減小誤差,所有指標(biāo)測(cè)量均由同一組人完成。測(cè)量人員為經(jīng)過(guò)馬丁測(cè)量?jī)x使用專業(yè)培訓(xùn)的熟練選材人員,年測(cè)量人數(shù)在8 000人次以上。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS17.0和Microsoft Office Excel 2007對(duì)所測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理,測(cè)試數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)。運(yùn)用描述性分析、t檢驗(yàn)等方法結(jié)合項(xiàng)目技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)員的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行邏輯分析。

2 結(jié)果

由表1～表4可知,在長(zhǎng)(高)度指標(biāo)中身高、下肢長(zhǎng)A、小腿長(zhǎng),在圍度測(cè)試中臀圍等指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)在2種測(cè)試方法中無(wú)顯著性差異(P>0.05);而在寬度和形態(tài)比中,男女運(yùn)動(dòng)員2種測(cè)試方法均存在顯著性差異(P<0.05)。在長(zhǎng)(高)度測(cè)試中,三維掃描儀的肌性數(shù)據(jù)在整體上小于傳統(tǒng)測(cè)量的骨性數(shù)據(jù);在寬度測(cè)量中,肩寬、髂寬肌性數(shù)據(jù)都大于骨性數(shù)據(jù);在圍度測(cè)量中,幾乎所有指標(biāo)均為肌性數(shù)據(jù)偏大,而形態(tài)比派生指標(biāo)均小于骨性測(cè)量值。

表1 三維人體掃描與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果——長(zhǎng)(高)度對(duì)比 cm

表2 三維人體掃描與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果——寬度對(duì)比 cm

表3 三維人體掃描與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果——圍度對(duì)比 cm

表4 傳統(tǒng)測(cè)量與三維人體掃描結(jié)果——形態(tài)比對(duì)比

3 討論

運(yùn)動(dòng)人體測(cè)量學(xué)是人體工程學(xué)的一個(gè)重要組成部分,主要是研究人體測(cè)量和觀察方法,并探討人體特征、人體結(jié)構(gòu)尺寸及人體的發(fā)展[6]。對(duì)不同項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō),專項(xiàng)形態(tài)源自于專項(xiàng)訓(xùn)練,不同專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員有著不同的形態(tài)學(xué)特征,而這些指標(biāo)在一定程度上反映相應(yīng)的生長(zhǎng)發(fā)育水平、機(jī)能水平和競(jìng)技能力水平,因此,采用科學(xué)的測(cè)量、預(yù)測(cè)方法,能較好地提高運(yùn)動(dòng)選材與訓(xùn)練監(jiān)控的科學(xué)精準(zhǔn)度。目前在人體測(cè)量方法中,有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法,直接測(cè)量法分為馬丁法(Martin法)、滑動(dòng)量規(guī)法(Sliding法),間接測(cè)量法主要是三維人體掃描法。

任弘等[7]為了研究三維人體掃描技術(shù)在身體形態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用,選取174名受試對(duì)象(男74人,女100人),分別使用傳統(tǒng)人工測(cè)量和三維人體掃描儀對(duì)受試對(duì)象的身高、肩寬、胸寬、胸厚、骨盆寬、髂寬、髖寬、上肢長(zhǎng)、上臂長(zhǎng)、前臂長(zhǎng)、手長(zhǎng)、下肢長(zhǎng)H、下肢長(zhǎng)A、下肢長(zhǎng)B、下肢長(zhǎng)C、大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)+足高、足長(zhǎng)、上臂放松圍、前臂圍、腕圍、胸圍、腰圍、臀圍、大腿圍、膝圍、小腿圍、踝圍29項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在上述指標(biāo)中僅有骨盆寬、小腿長(zhǎng)、腕圍、臀圍4項(xiàng)指標(biāo)在2種測(cè)試方法中無(wú)顯著性差異,其他25項(xiàng)指標(biāo)均存在較大差異。研究認(rèn)為,在2種測(cè)量方法中,有些指標(biāo)定位不同、受試對(duì)象站姿不同、測(cè)量松緊不同及三維人體掃描技術(shù)掃描盲區(qū)和計(jì)算機(jī)軟件算法差異導(dǎo)致了差異的產(chǎn)生。因此得出結(jié)論,目前階段的三維人體掃描技術(shù)在人體形態(tài)測(cè)量中應(yīng)用不足,對(duì)于特殊指標(biāo)的測(cè)量仍不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測(cè)量技術(shù)。

本研究結(jié)果中,僅有身高、下肢長(zhǎng)A、小腿長(zhǎng)、臀圍指標(biāo)在2種測(cè)試指標(biāo)中不存在顯著性差異,與任弘等研究結(jié)果相同。因此,這4項(xiàng)指標(biāo)完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工測(cè)量。對(duì)任何一個(gè)物理量進(jìn)行的測(cè)量都不可能得出一個(gè)絕對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值,一定范圍的誤差是客觀存在的,在人體測(cè)量評(píng)價(jià)長(zhǎng)度指標(biāo)的誤差允許范圍為0.5 cm,寬度、圍度和厚度的允許范圍為0.2 cm,當(dāng)數(shù)據(jù)的差異率小于3%就認(rèn)為測(cè)量結(jié)果可以接受。因此,髂寬、踝圍、膝圍的差異率在3%以下,測(cè)量誤差仍處于可接受范圍。另外,寬度的掃描差異率均值3%以上,表明三維人體掃描技術(shù)在寬度掃描上不準(zhǔn)確;而流線型指數(shù)、坐身高比、大小腿比、胸圍臀圍差等差異率都在10%以上,由于計(jì)算所得數(shù)據(jù)造成誤差率被成倍放大,導(dǎo)致形態(tài)比派生指數(shù)計(jì)算更加不準(zhǔn)確。

盡管三維人體掃描技術(shù)在人體形態(tài)測(cè)量中的效度存在爭(zhēng)議,但與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比,三維人體掃描技術(shù)在速度上優(yōu)勢(shì)明顯。三維人體掃描儀測(cè)量快速、便捷的特點(diǎn),使其在人體形態(tài)測(cè)量中仍不失為一種具有較高信度和效度的方法。例如,Cybersoft系統(tǒng)在17 s就可以采集到初始相位并生成由30萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的人體表層點(diǎn)陣云,在30 s內(nèi)就可以輸出精確的人體測(cè)量數(shù)據(jù)云圖。在體育測(cè)量領(lǐng)域,上述結(jié)果可以直接導(dǎo)入相關(guān)的測(cè)量評(píng)價(jià)軟件,根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析處理,從而實(shí)現(xiàn)體質(zhì)測(cè)試的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),可大大提高生產(chǎn)效率,同時(shí)最大限度地降低成本。

利用三維人體掃描儀快速、準(zhǔn)確、便捷的特點(diǎn),對(duì)相關(guān)專項(xiàng)的高水平運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行非接觸掃描,掌握他們的數(shù)據(jù),達(dá)到指導(dǎo)系統(tǒng)訓(xùn)練的目的。另外,對(duì)于各類項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的選材和機(jī)能評(píng)定亦有重要意義。譬如，可根據(jù)游泳專項(xiàng)特點(diǎn)加入敏感形態(tài)函數(shù),對(duì)專項(xiàng)形態(tài)的研究是以揭示專項(xiàng)訓(xùn)練時(shí)專項(xiàng)形態(tài)的個(gè)性特征,選擇專項(xiàng)訓(xùn)練時(shí)形態(tài)的敏感指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)三維人體掃描儀在游泳運(yùn)動(dòng)員身體形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)量中的應(yīng)用研究,探究肌性與骨性2種測(cè)量方法在人體形態(tài)測(cè)量中的差異。在人體長(zhǎng)(高)度測(cè)試中2種測(cè)量方法的結(jié)果相一致,但在人體厚度和維度測(cè)試中2種測(cè)量方法的結(jié)果存在一定差異,其主要原因可能與2種測(cè)量方法在厚度和維度測(cè)量指標(biāo)的定位不同有關(guān)。因此,今后運(yùn)用三維人體掃描儀測(cè)量人體形態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)手工測(cè)量方法,以便快速有效地開展大樣本量的人體形態(tài)測(cè)量。

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上海市科委項(xiàng)目(16JC1400503)