商 磊， 張 宇， 李 平

( 浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027 )

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基于密集光流的步態(tài)識別

商 磊， 張 宇*， 李 平

( 浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027 )

作為一種生物特征，步態(tài)在視頻監(jiān)控、行為分析等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景．提取步態(tài)特征的關(guān)鍵在于對步態(tài)在時間、空間兩個維度上的變化模式進行描述．基于密集光流提出了一種步態(tài)特征提取算法，通過密集光流表征每幀圖像人體區(qū)域各部位的運動強度和方向，綜合一個步態(tài)周期內(nèi)所有單幀特征作為步態(tài)周期的特征．利用主成分分析、線性判別分析對步態(tài)特征進行降維處理，用支持向量機進行分類，驗證提取特征的分類性能．實驗結(jié)果表明，所提算法采用光流特征，提供了豐富的動態(tài)信息，可以很好地描述步態(tài)在時間維度上的變化，在與現(xiàn)有步態(tài)特征描述算法的對比中，體現(xiàn)出了良好的識別性能．

步態(tài)識別；背景減除；密集光流；降維

0 引 言

隨著視頻監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備的成熟，視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在安全領(lǐng)域已經(jīng)有了大規(guī)模的應(yīng)用，隨之也產(chǎn)生了大量的視頻數(shù)據(jù)．用人工方式對視頻進行分析會帶來巨大的任務(wù)量，長時間進行視頻分析會造成識別效率和準確率的降低，視頻監(jiān)控領(lǐng)域?qū)χ悄芑曨l監(jiān)控的需要也越來越迫切．

現(xiàn)有的智能化視頻監(jiān)控系統(tǒng)多是對目標進行行為分析，通過判斷目標行為是否屬于預(yù)設(shè)的違法犯罪行為來報警．但是由于多種違法犯罪行為和普通行為之間普遍存在的類內(nèi)多樣性和類間相似性[1]，監(jiān)控系統(tǒng)識別效率會受到影響．現(xiàn)有視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對公安機關(guān)的輔助作用更多地體現(xiàn)在案發(fā)后對案件偵破提供線索，也就是在視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中對嫌疑目標進行追蹤．該應(yīng)用背景可以被抽象成為一個多攝像頭目標跟蹤問題．

現(xiàn)有的多攝像頭跟蹤算法，多使用傳統(tǒng)的圖像學(xué)特征，如顏色直方圖[2]，以及SIFT、LBP、HOG等描述灰度紋理的特征描述子[3-4]．這些特征僅僅對目標區(qū)域進行靜態(tài)描述，且在實際應(yīng)用中會不穩(wěn)定，當(dāng)目標存在偽裝時會很容易失效．因此，在安全領(lǐng)域，一些基于生物學(xué)特征的方法得到了關(guān)注，也有了大量的研究成果，比如虹膜、指紋識別等．

然而上述的圖像學(xué)特征以及虹膜和指紋等生物學(xué)特征都是靜態(tài)的特征，除了這些靜態(tài)特征，人體目標在運動的過程中還蘊含著豐富的動態(tài)信息，基于這些動作特征同樣可以對人體目標進行識別和分類．對動作特征的相關(guān)研究表明，可以利用步態(tài)信息來對目標進行識別[5-6]．步態(tài)描述了目標行走時所具有的一些動作上的特征，相較于指紋、虹膜等特征，步態(tài)特征具有更明顯的優(yōu)勢：一是無須接觸和干擾，不需要被測試者配合，不具有侵犯性；二是其信息可以在相對較遠的距離獲得．基于這些優(yōu)點，步態(tài)識別在門禁系統(tǒng)、安全監(jiān)控、人機交互、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值．

對步態(tài)識別的研究可以分為基于模型的方法和無模型的方法．基于模型的方法通過建立人體運動模型，從視頻序列中判斷關(guān)鍵幀目標的姿態(tài)，通過分析參數(shù)來進行步態(tài)識別．Lee等[7]用7個橢圓擬合人體各部位，提取橢圓參數(shù)以及人體結(jié)構(gòu)參數(shù)共29個參數(shù)作為步態(tài)特征．Yam等[8]將腿建模為耦合鐘擺模型，對大腿和小腿的擺動進行分析，在頻域?qū)Σ綉B(tài)進行分析．基于模型的方法都涉及對身體部位的估計，一旦身體部位的估計出現(xiàn)偏差就會影響后續(xù)的分析．基于無模型的方法通常是對人體輪廓進行分析，以人體輪廓形狀的變化模式來分析步態(tài)．Foster等[9]采用區(qū)域度量的方法將各種掩膜圖像與人體形狀信息進行疊加產(chǎn)生用于識別的特征．Collins等[10]基于關(guān)鍵幀分析實現(xiàn)對序列的匹配．Sarkar等[11]利用提取的二元人體輪廓區(qū)域的相似性度量作為特征．Kusakunniran等[12]利用步態(tài)能量圖(GEI)的方法實現(xiàn)了對步態(tài)特征的分類．Lam等[13]通過計算人體二值化輪廓區(qū)域的變化情況，用GFI特征表達步態(tài)．Makihara等[14]對人體輪廓區(qū)域進行離散傅里葉變換在頻域?qū)Σ綉B(tài)特征進行表達(FG特征)．這些無模型方法所使用的特征都是基于輪廓或輪廓的變化情況，沒有提取人體區(qū)域在步態(tài)周期每個時刻的動態(tài)信息，因而損失了人體區(qū)域內(nèi)豐富的信息．

為了更好地表達步態(tài)的動態(tài)信息，本文提出一種基于密集光流的步態(tài)特征描述算法，用每個時刻人體輪廓區(qū)域上各個像素點的光流特征來表征這一時刻步態(tài)所具有的動態(tài)信息．再對一個步態(tài)周期內(nèi)各個時刻的特征進行綜合表征，最終在中國科學(xué)院自動化研究所CASIA Gait Database B[15]上進行實驗驗證，并與現(xiàn)有的GFI、FG等特征進行對比．

1 基于密集光流的步態(tài)特征

基于密集光流的步態(tài)特征提取流程如圖1所示．

1.1 前景區(qū)域提取

從視頻序列中準確地提取出人體區(qū)域是后續(xù)特征提取和識別的基礎(chǔ)．監(jiān)控攝像頭在大多數(shù)情況下的背景是恒定的，但存在著緩慢的變化，如光照變化、室外環(huán)境下風(fēng)吹樹葉的變化等，直接背景差分會引入大量的噪聲．因此考慮采用混合高斯模型對背景進行建模來抑制這些干擾，為后續(xù)特征的提取和識別提供一個良好的目標區(qū)域．

混合高斯背景模型用M個高斯模型來表征圖像中各個像素點的特征，在獲得新的一幀圖像后，取其每一個像素點的像素值與相對應(yīng)的M個高斯背景模型進行匹配來判斷該點是否為背景點．若被判定為背景則對原有的M個高斯背景模型進行更新．本文根據(jù)文獻[16]的方法對視頻進行背景建模，通過對比每一幀圖像得到各個幀的目標區(qū)域．

圖1 基于密集光流的步態(tài)特征提取流程

提取到粗糙的人體區(qū)域后，用中值濾波去除零星存在的噪聲．當(dāng)人體區(qū)域和背景顏色比較接近，同時紋理特征也比較相似時，如圖2(c)中目標的頸部，無論是采用基于顏色的方法還是基于紋理的方法均無法消除這種情況帶來的干擾．為了消除這種干擾，用合適的模板對圖像進行閉運算，使頭部和身體能夠連接起來，提供完整的人體區(qū)域，用提取出的人體區(qū)域與原始視頻進行與運算，可以得到彩色的人體區(qū)域．

1.2 單幀光流特征

步態(tài)的變化模式是進行識別的關(guān)鍵信息，所以把提取出的人體區(qū)域原始彩色圖保持長寬比不變統(tǒng)一縮放到同一高度，并在水平方向上對齊重心后放進W×H的模板區(qū)域內(nèi)形成一個步態(tài)幀，這種處理方式同時也減少了計算光流的時間．在兩個相鄰步態(tài)幀之間計算光流，得到t時刻目標區(qū)域的光流信息．光流信息可以分為稀疏光流和密集光流，稀疏光流只計算相應(yīng)特征點的光流信息，為了獲取穩(wěn)定的光流來表征人體各區(qū)域的動態(tài)信息，本文采用文獻[17]的方法計算密集光流．光流信息表征了目標區(qū)域上t時刻各個像素點的運動情況．設(shè)圖像左上角為圖像坐標系原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，原始光流信息包含了每個像素點在x方向和y方向上的光流分量u、v，用δ代表光流強度，θ代表光流方向，通過式(1)、(2)計算出光流的強度和方向，通過式(3)、(4)對光流信息進行歸一化．歸一化之后的光流信息即作為表征t時刻步態(tài)動態(tài)信息的特征，每個像素點都有兩個分量fδ和fθ，步態(tài)區(qū)域內(nèi)W×H個像素點的光流信息構(gòu)成了單幀步態(tài)光流圖．

(a) 背景差分 (b) 混合高斯背景建模

圖2 前景區(qū)域分割

Fig.2 Foreground region segmentation

(1)

(2)

(3)

(4)

采用Munsell顏色系統(tǒng)來實現(xiàn)步態(tài)光流圖的可視化，用不同顏色表示不同的運動方向，顏色的深淺表示運動的快慢．圖3 展示了一個步態(tài)周期中各個時刻的步態(tài)光流圖．

1.3 步態(tài)特征表示

一個步態(tài)周期內(nèi)所有單幀特征共同構(gòu)成了目標的步態(tài)特征，對一個步態(tài)周期的所有單幀步態(tài)

圖3 一個步態(tài)周期中各個時刻的步態(tài)光流圖

光流圖進行平均可以得到光流能量圖，每個像素點的值為對應(yīng)像素點在一個步態(tài)周期內(nèi)光流信息的平均值．由于步態(tài)光流圖同時包括了光流強度和方向，可以構(gòu)造出3種光流能量圖，F(xiàn)δ、Fθ以及Fδ+θ，對應(yīng)的維數(shù)分別為W×H、W×H和2×W×H，構(gòu)造方法如式(5)～(7)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：N為一個步態(tài)周期中單幀步態(tài)光流圖的個數(shù)；fδi(x,y)為第i個單幀步態(tài)光流圖每個像素點光流強度的值；fθi(x,y)為第i個單幀步態(tài)光流圖每個像素點光流方向的值．

為了比較能量圖和頻域方法的識別效果，同時用離散傅里葉變換的方法計算出fδi(x,y)在頻域上的特征FGF．

(8)

(9)

其中DFTF(x,y,k)是對單幀步態(tài)光流圖進行離散傅里葉變換，取離散傅里葉變換的幅值分量作為描述步態(tài)的特征，k=0對應(yīng)直流分量，選取k=1,2,3作為步態(tài)光流的頻域特征．

本文將在實驗部分對比分析4種光流特征對于步態(tài)識別的影響．

1.4 用于比較的其他步態(tài)特征

為了將本文提出的步態(tài)特征和現(xiàn)有用于步態(tài)識別的GFI特征[13]、FG特征[14]做比較，本小節(jié)簡要介紹一下GFI和FG特征．

(1)GFI特征

Ft(x,y)=(ut(x,y),vt(x,y))=

OpticalFlow(St(x,y),St+1(x,y))

(10)

(11)

(12)

(13)

其中St(x,y)是人體區(qū)域t時刻的二值化輪廓，對相鄰兩幀二值化輪廓進行光流計算得到Ft(x,y)，表示輪廓變化的情況．然后進行二值化，B[Ft(x,y)] 就是二值化后的特征，同樣用能量圖的方法對一個周期內(nèi)的步態(tài)進行描述得到GFI(x,y)．

(2)FG特征

(14)

(15)

其中DFT(x,y,k)是對輪廓序列進行離散傅里葉變換，取k=1,2,3構(gòu)成步態(tài)的頻域特征．

1.5 特征降維

由前述方法得到的步態(tài)特征向量維數(shù)都很高，對于本文所使用的80×80模板，對應(yīng)的特征向量維數(shù)分別高達6 400、12 800和19 200．對高維度特征向量進行學(xué)習(xí)將帶來龐大的計算量，采用主成分分析方法(principal component analysis,PCA)可以對高維特征進行降維處理．用于訓(xùn)練的總樣本數(shù)為Mt，G(i)代表訓(xùn)練樣本集中第i個樣本(i=1,2,…,Mt)，每個樣本都是一個特征向量，由式(16)計算訓(xùn)練樣本的平均值μ，由式(17)減去均值．

(16)

(17)

令

(18)

(19)

求解協(xié)方差矩陣Σ的特征值和特征向量可以得到轉(zhuǎn)換矩陣，但是計算量比較大，可以采用奇異值分解的方法求解．

(20)

S為奇異值矩陣．U和V分別是左奇異向量和右奇異向量組成的矩陣．非負奇異值按順序排列在S的對角線上，較大的奇異值對應(yīng)的特征向量對訓(xùn)練模式有較大的影響，取前K個最大的奇異值所對應(yīng)的右奇異向量，構(gòu)成特征變換矩陣(v1v2… vK)．

每個樣本x(i)都可以通過式(21)被投影到特征子空間內(nèi)的一點P(i)：

P(i)=(v1v2… vK)Tx(i)

(21)

P(i)只保留了K維關(guān)鍵特征，減少了樣本維數(shù)．用式(22)表示特征向量經(jīng)過壓縮之后的性能，通過設(shè)置閾值即可決定K的取值，Sii為奇異值矩陣S對角線上的元素，可以看出主成分數(shù)量越多，降維帶來的誤差率(error rate,Re)也就越?。?/p>

(22)

其中n為降維前原始特征的維數(shù)．

PCA方法是一種無監(jiān)督的分類方法，把原始特征投影到各樣本間差別最大的方向上，在降維的過程中會損失數(shù)據(jù)的可分特征，所以用PCA降維后的數(shù)據(jù)進行分類效果不理想．線性判別分析(linear discrimination analysis,LDA)是一種有監(jiān)督的降維方法，用LDA降維可以最大化類間方差和類內(nèi)方差的比值，從而使降維后的數(shù)據(jù)具有良好的可分性．

(23)

(24)

(25)

式中：m為樣本總體均值向量，Sb為樣本類間離散度矩陣，Sw為樣本類內(nèi)離散度矩陣，C為總的類別數(shù)，Ci為屬于第i類樣本的個數(shù)．

通過式(26)使特征映射到新的空間中去，為了使降維后的特征具有最大的可分性，需找到合適的w使式(27)取最大值．

y=wTx

(26)

(27)

本文首先利用PCA降維，再用LDA使經(jīng)過PCA降維后的特征投影到具有最好分類性質(zhì)的特征子空間，形成具有良好分類性能的特征．

1.6 分類器

采用支持向量機(SVM)作為分類器．因為SVM是二分類器，用SVM實現(xiàn)多類別分類通常有兩種方法．(1)一對多法(one versus rest，簡稱1-v-r SVMs)，在訓(xùn)練時依次把某個類別的樣本歸為一類，其他剩余的樣本歸為另一類，這樣就構(gòu)造出了C個SVM，分類時將樣本歸為具有最大分類函數(shù)值的那一類．(2)一對一法(one versus one，簡稱1-v-1 SVMs)，其做法是在任意兩類樣本之間設(shè)計一個SVM，這樣共需設(shè)計C(C-1)/2個SVM，對一個未知樣本進行預(yù)測時，對分類結(jié)果進行投票，把樣本歸為得票最多的那類．本文采用1-v-1 SVMs方法進行學(xué)習(xí)與分類．

2 實 驗

2.1 實驗設(shè)計

本文實驗在中國科學(xué)院自動化研究所CASIA Gait Database B[15]上進行，CASIA Gait Database B是一個大型的步態(tài)數(shù)據(jù)庫，包含124個人在0°到180°共11個視角下3類狀態(tài)(帶包兩個、穿外套兩個、正常狀態(tài)6個)的步態(tài)視頻．選取每個人90°視角下，正常狀態(tài)的前4個視頻作為訓(xùn)練樣本庫，另外兩個作為測試樣本庫，首先提取每個視頻序列中的步態(tài)特征信息，每一個視頻序列都會包含3～5個步態(tài)周期，每一個步態(tài)周期形成的光流能量圖都作為樣本參與訓(xùn)練或是測試．

選擇正確分類率(correct classification rate,Rcc)和召回率(recall rate,Rr)作為評價指標．評價指標的定義為

(28)

(29)

式中：Ti表示被識別為i類的目標中真實類別為i類的測試樣本的數(shù)量；Fi表示被識別為i類但真實類別不是i類的測試樣本的數(shù)量；Rcc是對所有C類目標正確分類率的平均，表示分類的正確率；NCi表示真實類別是i類的樣本數(shù)量；Rr表示C類目標中每類測試樣本被正確識別出的概率的平均．

2.2 實驗結(jié)果及分析

分別取綜合光流信息Fδ+θ、光流強度分量Fδ、方向分量Fθ以及頻域特征FGF作為特征進行訓(xùn)練和識別．設(shè)置PCA的誤差率Re分別為0.01 和0.05，由式(22)確定保留多少主成分K．TPCA、Ttrain分別表示PCA降維和SVM訓(xùn)練所用的時間．

從表1、2呈現(xiàn)的識別結(jié)果看，綜合了光流強度和方向的Fδ+θ特征有較好的識別效果，單獨應(yīng)用光流各個分量時，強度分量Fδ比方向分量Fθ的識別效果更好，實驗結(jié)果說明在步態(tài)光流能量圖中光流的強度分量能夠提供更具辨別力的特征．對比能量圖法和頻域方法可以看出，頻域特征并沒有能量圖法的識別效果好，這是因為頻域的分析方法把圖像序列中所有幀的對應(yīng)點在時間維度的變化情況當(dāng)作一個信號來進行分析，對步態(tài)幀質(zhì)量要求較高，當(dāng)人體區(qū)域的完整性和人體區(qū)域的對齊不能很好地保證時會引入噪聲，從而對識別造成干擾，用能量圖的方法反而可以抑制噪聲，提供魯棒的特征表述．

表1 PCA識別結(jié)果(Re=0.01)

表2 PCA識別結(jié)果(Re=0.05)

Fδ+θ降維過程使用LDA后，特征的可分性能得到了提升．從表3可以看出，應(yīng)用LDA后識別率有大幅度提升．當(dāng)適當(dāng)降低PCA提取的特征維數(shù)，亦即Re較高時，LDA訓(xùn)練的時間更短，同時分類性能也更好．

表3 PCA+LDA識別結(jié)果

2.3 與現(xiàn)有算法的對比

從表4可以看出，本文提出的步態(tài)特征的識別效果比GFI特征和FG特征均有提高．GFI特征是計算相鄰兩幀二值化輪廓圖像的光流信息，并且把特征進行二值化來表達步態(tài)，只能區(qū)分有運動和無運動區(qū)域，而本文提出的算法則是對原始圖像計算光流，能夠提供人體區(qū)域內(nèi)所有像素點的運動情況，且綜合了光流強度和方向信息，使識別率得到大幅提升．FG特征是對二值化輪廓序列進行傅里葉變換得到的步態(tài)在頻域上的特征，從表4可以看出，同樣考慮頻域分析的FG特征比本文提出的FGF特征略差，這是因為FG只考慮了二值化的輪廓信息．

表4 算法對比

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于密集光流的步態(tài)特征提取算法，對比現(xiàn)有基于輪廓的步態(tài)特征，能夠提供每個時刻步態(tài)圖像所具有的豐富的動態(tài)信息，用動態(tài)信息來表達步態(tài)在時間維度上的變化．通過綜合光流強度和方向信息，能夠提高識別率，對光流各個分量進行比較，得出光流強度分量，也就是人體區(qū)域運動的幅值強度，能夠提供比運動方向更具辨別力的特征．實驗結(jié)果表明利用光流能量圖可以達到較好的分類效果．

基于本文所提出的步態(tài)特征提取與識別框架，對各部分所用算法進行深入研究和改進，還可以進一步提高識別效率．比如研究更可靠的光流計算方法．由于基于光流的步態(tài)識別的基礎(chǔ)就是光流信息，現(xiàn)有的光流算法對大尺度運動和非剛體運動的光流計算存在不足，因此研究更魯棒的光流計算方法可以為步態(tài)光流特征的準確描述提供幫助，進而提高步態(tài)識別率．本文所采用的特征是把整個光流能量圖作為高維特征向量進行處理，再通過PCA、LDA方法進行降維．可以參照傳統(tǒng)圖像學(xué)的一些方法，人為構(gòu)造光流能量圖中的低維有效特征，比如采用直方圖描述光流能量圖的統(tǒng)計特征，或提取穩(wěn)定特征點及其描述子作為光流能量圖的特征．

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Dense optical flow-based gait recognition

SHANG Lei, ZHANG Yu*, LI Ping

( College of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China )

As a biological feature, gait has great application prospect in many fields, such as video surveillance, behavior analysis and so on. The key point of extracting gait feature is to describe the change pattern of gait both in spatial and temporal dimensions. The proposed gait feature extracting algorithm is based on dense optical flow. Dense optical flow can offer the intensity and orientation of human motion of each point in the subject region, which is the feature of a single frame. Synthesizing the features of each frame in one gait cycle can obtain the feature of a gait cycle. The dimension of gait feature is reduced by principal component analysis (PCA) and linear discrimination analysis (LDA). Then, the subjects are classified by support vector machine (SVM) to verify the classification ability of the extracted feature. The experimental results show that the proposed algorithm uses the optical flow feature to offer rich dynamic information, which can describe gait′s change in temporal dimension well, and is proved to have a better recognition performance compared with the other gait representations.

gait recognition; background subtraction; dense optical flow; dimensionality reduction

1000-8608(2016)02-0214-07

2015-10-30；

2016-01-11．

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(61005085)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2012QNA4024).

商 磊(1991-)，男，碩士生，E-mail:shanglei@zju.edu.cn；張 宇*(1980-)，男，博士，講師，E-mail:zhangyu80@zju.edu.cn；李 平(1954-)，男，博士，教授.

TP391.4

A

10.7511/dllgxb201602016