面向“科技强体”重点专项的体育装备变形与应变测量
千眼狼高速摄像机与DIC技术在运动鞋、运动服装及防护装备研究中的应用
摘要：运动鞋在落地和变向时发生压缩与弯曲，球拍在击球过程中产生挠曲，运动服装随身体动作拉伸并形成褶皱。这些变化影响器材与人体之间的配合，也是材料选型、结构设计和装备评价需要研究的内容。千眼狼高速摄像机结合DIC数字图像相关技术，测量可见表面位移与应变分布，帮助研究人员分析变形发生的位置、时间和变化过程，为体育装备研发及人体与装备交互研究提供实验依据。
同一双运动鞋，在直线跑、跳跃和侧向变向时，承担的使用任务并不相同。鞋底侧面哪里出现较大的局部变形？前掌弯折与后跟压缩如何随动作变化？换一种材料或结构后，变形分布是否发生改变？
球拍、运动服装和防护装备也有类似问题。一次击球中的拍框挠曲，一处接缝附近的拉伸，或冲击过程中的局部压缩，都可能在整体动作画面中被忽略。
观察这些变化，需要将关注点从“器材怎样运动”进一步推进到“器材表面怎样变形”。DIC提供的正是这一类测量信息。
一、DIC测量什么
DIC（DigitalImage
Correlation）即数字图像相关法。它利用物体表面可识别的散斑或纹理，在变形前后的图像中进行匹配，计算表面不同位置的位移，再根据位移的空间变化求取应变。
位移描述某个位置移动了多少，应变描述材料局部的相对变形程度。器材发生整体平移或转动时，表面点的位置可以明显改变，但这并不必然意味着材料产生了同等程度的拉伸或压缩。
与少数测点的记录相比，DIC可以获得测量区域内的表面位移场和应变场，使研究人员看到不同区域的响应差异。
对体育装备研究而言，DIC主要帮助回答三个问题：
哪里发生变形？观察局部拉伸、压缩及变形集中的区域。
变形怎样发展？对应加载过程，检查变化出现、达到峰值和恢复的时刻。
不同方案有什么差异？在相同试验条件下，比较材料、结构或使用工况的表面响应。
测量区域、散斑质量、成像条件和应变计算方法都会影响结果。DIC试验需要同时设计图像采集、相关计算与结果复核过程。
二、为什么动态变形需要高速摄像机
静态加载可以观察器材在某一载荷下的变形，但体育动作中的加载常常变化很快。
跳跃落地时，运动鞋经历接触、压缩和随后卸载；变向时，加载方向和支撑位置随动作改变；击球时，球拍的局部变形与振动集中在较短的时间内。仅记录动作前后两张图像，容易遗漏中间过程。
千眼狼高速摄像机为动态DIC提供连续图像，使表面变形能够与动作阶段对应。例如，可以检查鞋底侧面应变变化发生在初始接触之后，还是支撑转换过程中；也可以观察拍框变形随接触过程的发展。
对于曲面、明显弯曲或离面运动的对象，通常需要评估双目三维DIC方案。它可以测量可见表面的空间形状和三维位移，并在表面上计算应变。
三、运动鞋研究怎样把变形对应到具体动作
图1、图2、图3展示了运动鞋在跳跃、变向和快跑场景下的DIC分析画面，包括鞋底侧面可见区域的应变分布、选定区域的时序曲线及表面位移结果。
这些应变云图说明，鞋类研究可以从整鞋外观观察进一步细化到局部表面响应。
1.跳跃与落地观察压缩过程是否集中在局部
围绕落地过程，可以检查鞋底侧面不同区域的应变变化是否同步，局部变形在什么时刻增大，以及卸载后如何恢复。
这些信息有助于研究人员选择需要进一步检查的材料区域或结构连接位置。比较不同设计时，应同时控制加载条件，并结合测力或机械测试结果，避免将动作差异误认为鞋体结构差异。
图1采用两台千眼狼（Revealer）S1315M型高速摄像机对称布置，搭载DIC应变测量系统计算的跳跃场景下应变场结果
2.侧向变向观察不同方向加载下的结构响应
侧向变向与直线跑的加载方式不同。DIC可以用于比较鞋底侧面、鞋面连接区等可见位置的变形分布，观察局部响应如何随支撑转换改变。
对于鞋体支撑结构研究，表面应变提供的是结构响应线索。是否改善了运动员的稳定性，还需要结合动作表现、接触条件和重复试验评价。
图2采用两台千眼狼（Revealer）S1315M型高速摄像机对称布置，搭载DIC应变测量系统计算的变向场景下应变场结果
3.快跑观察前掌弯折和恢复过程
在快跑试验中，可以关注前掌区域的弯折、局部表面应变及恢复时序。
这类结果可用于比较材料和结构方案，也可作为有限元模型的实验对照。若需分析结构刚度，应结合明确加载条件下的力—位移关系；若需评价能量吸收或回弹效率，还应记录相应的加载与卸载过程，并明确计算方法。表面应变结果可用于解释局部响应情况。
图3采用两台千眼狼（Revealer）S1315M型高速摄像机对称布置，搭载DIC应变测量系统计算的快跑场景下应变场结果
四、从运动鞋扩展到球拍服装与防护装备
DIC在体育装备研究中的适用性，取决于测量表面能否持续成像、表面特征能否随材料稳定运动，以及加载过程是否适合进行图像相关计算。运动鞋试验中的方法可以为其他装备研究提供参考，但相机布置、表面制斑和分析参数需要按对象重新设计。
下表是可开展的试验方向：
球拍与复合材料器材
球拍研究需要区分整体挠曲与局部材料应变。前者描述结构形状的变化，后者描述材料表面的相对变形。DIC可以提供相关位移与应变数据，但计算挠曲时，还需明确参考位置、坐标系及整体平移和转动的处理方式。
对于拍框曲面、拍杆弯曲或扭转等存在明显离面运动的任务，应评估双目三维DIC的适用性。实际击球试验还需要检查运动模糊、遮挡、反光及散斑在连续图像中的可识别性。
复合材料试样与成品器材的试验目的也有所不同。试样测试通常关注材料方向和加载条件下的应变响应；成品测试则更多关注几何结构、连接位置及边界条件的影响。表面应变可以为分析提供依据，需要结合超声检测、X射线检测或计算模型等信息，确认内部裂纹、分层及损伤程度。
运动服装与压缩装备
面料拉伸试验可用于观察不同方向的应变分布，接缝试验可用于检查连接区域两侧的变形差异。结合力信号，还可以进一步开展相应的材料或结构力学分析。
穿着状态下的测量更复杂。褶皱、遮挡、服装与皮肤之间的滑移，以及散斑处理对面料的影响，都可能改变可测区域或结果解释。
DIC可为版型和局部变形研究提供数据。压缩服装的接触压力、穿着舒适性及减阻性能，则分别需要压力测量、穿着评价及相应气动或水动力试验支持。
防护装备与缓冲材料
防护研究可从壳体、材料试样或缓冲层暴露侧面的变形测量入手。例如，观察冲击时壳体局部弯曲如何发展，或压缩试验中材料侧面变形是否均匀。
DIC测得的是所观察表面的响应。缓冲层内部压缩、被遮挡的接触区域以及传递到人体的载荷，需要结合内部应变测量、接触压力传感器和人体载荷测试等设备与数据进行综合确定。
将动态变形与同步力、加速度等数据对应，有助于分析结构响应。能量吸收、载荷传递和防护效果仍需依据完整试验数据及相应评价方法判断。
五、生物力学研究中表面变形能提供哪些信息
生物力学研究中，如小腿皮肤表面变形试验，可在皮肤表面设置可识别散斑，利用双目高速图像分析提取相关动作中的表面位移和应变变化。
这一研究方向关注的是动作过程中可见皮肤表面的响应。例如，不同部位的拉伸与压缩如何分布，同一动作重复执行时，表面变形模式是否一致。
如果研究目标是软组织力学性能，需要进一步结合受控加载、组织几何与材料模型。图4采用DIC记录小腿皮肤表面三维变形，并支持进一步结合有限元方法研究软组织力学参数，
图4使用千眼狼高速摄像机与DIC系统测量小腿皮肤表面应变，展示测量区域、应变分布及局部时序曲线。
六、应变云图怎样成为有用的研究结果
1.比较材料与结构：在相同加载条件下，DIC应变云图可用于比较候选材料、厚度或结构方案的表面变形，检查差异发生的位置和阶段。
2.检查局部响应：在整体位移相近的情况下，DIC应变云图可用于观察是否有某个连接区或过渡区出现更集中的应变，为后续设计检查提供线索。
3.支持仿真核对：将实验与仿真放在一致的坐标系、加载条件和时间基准下，比较相同区域的位移或应变。表面数据可用于检验模型对实际响应的描述。
4.研究人体与装备的配合：将器材变形与动作事件、接触力或压力信息对应，分析装备在不同使用阶段的响应。训练与器材研究由此可以围绕同一过程开展讨论。
七、如何确定适合体育装备研究的DIC方案
首先明确研究对象与区域：测量整鞋的可见侧面、拍框局部、面料试样，还是人体表面。
加载方式：静态拉伸、受控冲击、重复弯折，或实际运动动作。
期望结果：表面位移、应变分布、局部曲线，还是用于仿真对照的数据。
观测条件：表面能否制备稳定散斑，是否存在遮挡、反光、明显离面运动或视场限制。
联合测量：是否需要同步力、压力、运动轨迹或其他数据。
器材表面的散斑应随材料稳定运动。用于软材料或人体表面时，还要评估制斑或贴附方式是否改变局部响应。相机、镜头、照明、同步触发和标定应围绕测量目标配置，并通过试拍确认可用区域和图像质量。
千眼狼（Revealer）高速摄像机结合DIC技术的价值，是使器材变形从外观观察转化为可以定位、比较和复核的表面测量结果。运动鞋哪里压缩，球拍哪里弯曲，面料哪里拉伸，这些具体信息能够为材料选型、结构改进及人体与装备交互研究提供依据。最终的性能结论，则需要与加载条件和相应评价指标共同建立。
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