張朕

摘 要：在視頻偵查越來越普及，越來越有效率的今天，分析監(jiān)控視頻中嫌疑人的行走步態(tài)特征已經(jīng)成為偵查破案重要的一環(huán)，但是在破案一線工作中，視頻中人體運(yùn)動(dòng)信息卻往往僅憑人的觀察和總結(jié)，應(yīng)提供大量的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)以及量化標(biāo)準(zhǔn)支撐。Codamotion三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)能有效準(zhǔn)確的分析人體運(yùn)動(dòng)上的規(guī)律，總結(jié)出人體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定特征和特定特征，為偵查破案提供有效的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)作捕捉 步態(tài)分析 視頻監(jiān)控

中圖分類號(hào)：DF7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（b）-0197-02

步態(tài)是指人們行走時(shí)的方式，這是一種復(fù)雜的行為特征。同時(shí)，步態(tài)特征又具有較高的穩(wěn)定性和特定性。步態(tài)特征的分析有著多方面的研究?jī)r(jià)值，在醫(yī)療領(lǐng)域，對(duì)于進(jìn)行康復(fù)治療的人進(jìn)行步態(tài)分析，以確定治愈程度和康復(fù)計(jì)劃的可行性；在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，結(jié)合運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)來幫助運(yùn)動(dòng)員更高效地進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)、以優(yōu)化和提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)；在人身識(shí)別方面，雖然現(xiàn)在的識(shí)別方法較為先進(jìn)，例如人臉識(shí)別，指紋識(shí)別，虹膜識(shí)別等，但是步態(tài)識(shí)別方法在人身識(shí)別方法中獨(dú)具特征——遠(yuǎn)距離性和隱蔽性等。還可以結(jié)合行為人步態(tài)的變化來對(duì)足跡特征作出具體的量化分析，對(duì)足跡學(xué)進(jìn)行更深入的量化研究。

步態(tài)具有唯一性。早期的醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證明了步態(tài)雖然是一種復(fù)雜的行為特征，但具有唯一性。步態(tài)是很難偽裝的，即具有穩(wěn)定性。

本文介紹的在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段都屬先進(jìn)的人體三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)codamotion，對(duì)于研究人體行走時(shí)上肢和下肢等肢體關(guān)節(jié)及身體部位對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為進(jìn)一步人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析和識(shí)別做出基礎(chǔ)性分析與分類，以確定具有較高分析價(jià)值的關(guān)節(jié)、肢體部分及其對(duì)應(yīng)的分析策略。

1 實(shí)驗(yàn)方法

Codamotion系統(tǒng)是世界上較為先進(jìn)的三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，以主動(dòng)紅外捕捉的方式，獲取被捕捉物體各環(huán)節(jié)的動(dòng)作，提供便捷、高效、精確的三維數(shù)據(jù)采集，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)作科研分析、步態(tài)生物力學(xué)研究、臨床步態(tài)分析、神經(jīng)行為和感知、人機(jī)工程學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。單個(gè)采集點(diǎn)動(dòng)態(tài)采集頻率最高達(dá)5800hz，分辨率高達(dá)0.05mm，完全可以適用于人體各種運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的分析中。Codamotion系統(tǒng)可在數(shù)分鐘內(nèi)完成任意marker方案的設(shè)定，自定義曲線圖表、棍狀演示圖、實(shí)時(shí)設(shè)置、關(guān)節(jié)角度、剛體均可定義，做到精確分析單個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置變化以及多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系，對(duì)人體的步態(tài)特征進(jìn)行量化描述。

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先對(duì)受試者進(jìn)行基礎(chǔ)信息采集，包括受試者性別、年齡、身高、體重等，然后依據(jù)年齡對(duì)受試者進(jìn)行分組。

（1）著裝要求：要求受試者身穿著緊身衣褲，使標(biāo)記點(diǎn)更靠近人體骨骼，系統(tǒng)建模更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)人員專門采購(gòu)的平底布鞋同一款式不同型號(hào)若干雙，由受試者選擇適合自己的穿著。

（2）貼marker標(biāo)記點(diǎn)：由一名專門試驗(yàn)人員負(fù)責(zé)粘貼marker，保證每個(gè)人用同樣的粘貼標(biāo)準(zhǔn)，粘貼在相同部位。確保左右對(duì)稱，如果條件允許，則依據(jù)人體骨骼模型，對(duì)應(yīng)骨關(guān)節(jié)進(jìn)行貼點(diǎn)。

（3）在采集測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，若區(qū)分速度，則采用節(jié)拍器對(duì)受試者步頻進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練。行走時(shí)，保證受試者目視前方，身體自然。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)需在室內(nèi)進(jìn)行。由專門負(fù)責(zé)粘貼marker的實(shí)驗(yàn)人員貼點(diǎn)后，讓受試者自由活動(dòng)一段時(shí)間，以適應(yīng)穿戴實(shí)驗(yàn)裝備后運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。如果實(shí)驗(yàn)要求對(duì)受試者不同速度進(jìn)行分別實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，則需要受試者按照節(jié)拍器的節(jié)奏進(jìn)行行走準(zhǔn)備，以保證速度控制在要求的范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，受試者在要求的范圍內(nèi)做行走或者慢跑動(dòng)作，由于數(shù)據(jù)采集的marker點(diǎn)會(huì)受到衣物或者肢體部位的遮擋，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性造成影響，所以在每種測(cè)試條件下應(yīng)多進(jìn)行幾次實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集后應(yīng)及時(shí)保存有效運(yùn)動(dòng)信息，刪除無效數(shù)據(jù)，避免對(duì)冗余數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度造成影響。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Codamotion系統(tǒng)可以準(zhǔn)確高效的采集到實(shí)驗(yàn)研究中所需要用到的數(shù)據(jù)，這比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度更高，速度更快，可以不斷變換數(shù)據(jù)采集策略進(jìn)行研究。利用codamotion系統(tǒng)對(duì)對(duì)象身體關(guān)節(jié)及部位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。這套系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)為三維坐標(biāo)模型數(shù)據(jù)，能輸出然后利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS Statistics 或者M(jìn)ATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)所采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，并根據(jù)分析結(jié)果得出結(jié)論，判斷該項(xiàng)數(shù)據(jù)所反映的關(guān)節(jié)及部位是否具有穩(wěn)定性和特定性，最終確定所提取的數(shù)據(jù)和分析方法的有效性和魯棒性。

實(shí)驗(yàn)所提取的各部位運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)是為后期數(shù)據(jù)分析，確定不同個(gè)體的獨(dú)特性，個(gè)體識(shí)別做準(zhǔn)備。個(gè)提識(shí)別是根據(jù)所得未知身份人的步態(tài)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋與之匹配的人的步態(tài)，從而確認(rèn)其身份[2]。這個(gè)過程中會(huì)用到SPSS Statistics 20.0和MATLAB R2014b軟件對(duì)需匹配的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在分析過程中，結(jié)合了國(guó)外較為先進(jìn)的肢體數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的特征分量進(jìn)行合理放大分析以便于深入開發(fā)數(shù)據(jù)的有用性，并制定匹配方案，最終得出匹配率。

2 比較分析

國(guó)內(nèi)外較多的步態(tài)分析研究團(tuán)隊(duì)采用的是基于視頻域分析的方法。但是罪犯或許會(huì)通過化裝改變自己的外貌，謹(jǐn)慎的不讓指紋或頭發(fā)留在作案現(xiàn)場(chǎng)，但他們卻很難控制他們走路的姿勢(shì)。步態(tài)風(fēng)格的微小變化可以被用作生物標(biāo)識(shí)符來識(shí)別個(gè)體的人。該參數(shù)有時(shí)空相關(guān)（步長(zhǎng)，步寬，步速，周期時(shí)間）和運(yùn)動(dòng)相關(guān)（髖，膝，踝，指的是髖/膝/踝關(guān)節(jié)角度和大腿/軀干關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)/腳角度）等的特性[3]。

在人員監(jiān)控，身份識(shí)別以及視頻偵查領(lǐng)域，較多的是直接運(yùn)用視頻數(shù)據(jù)分析，但筆者認(rèn)為，基于視頻、圖像的身份識(shí)別，步態(tài)分析等應(yīng)用，應(yīng)該是建立在對(duì)人體本身運(yùn)動(dòng)特征的分析基礎(chǔ)之上。

（1）先以數(shù)據(jù)為支撐，通過更為標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)三維數(shù)據(jù)來確定人體運(yùn)動(dòng)是否具有同一人同一狀態(tài)下的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外的研究大多數(shù)是建立在默認(rèn)這一結(jié)論的基礎(chǔ)上，但是并沒有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。endprint

（2）繼而通過實(shí)驗(yàn)論證，數(shù)據(jù)分析出人體某些部位，關(guān)節(jié)點(diǎn)等在特定運(yùn)動(dòng)條件下的各個(gè)特征分量具有穩(wěn)定性，可分析性。

（3）重點(diǎn)是在確定穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對(duì)這些特征進(jìn)行分類，確定不同運(yùn)動(dòng)特征變量閾值。同時(shí)確定不同識(shí)別算法，并通過對(duì)比，可行性論證確定特征價(jià)值。

本文采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備codamotion系統(tǒng)通過直接準(zhǔn)確的采集運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，直接分析人體運(yùn)動(dòng)的特征，對(duì)于捕捉運(yùn)動(dòng)過程中肢體關(guān)節(jié)及身體部位的運(yùn)動(dòng)有著較為獨(dú)特和先進(jìn)的采集辦法，無需考慮復(fù)雜的背景干擾和行走環(huán)境問題，對(duì)步態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了全方位，高頻率的采集。這樣與直接運(yùn)用視頻圖像的研究思路相比，研究思路更為清晰，結(jié)論支撐更為強(qiáng)大，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)更為準(zhǔn)確?；谝曨l的研究是本研究方向的下一個(gè)目標(biāo)，只有基礎(chǔ)理論充足，下一步研究才更具科學(xué)性。并且視頻域的圖像目標(biāo)識(shí)別和提取是一項(xiàng)長(zhǎng)久的跨學(xué)科的任務(wù)，需要與步態(tài)特征并行研究，本文研究思路可縮短實(shí)現(xiàn)步態(tài)識(shí)別研究成果的時(shí)間。

本項(xiàng)目研究特點(diǎn)和創(chuàng)新之處在于采用了國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的codamotion三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，分析算法上借助spss軟件以及借助matlab軟件在算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算等方面較為高級(jí)開發(fā)研究環(huán)境，在步態(tài)分析領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高水平的數(shù)據(jù)挖掘。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來，視頻監(jiān)控領(lǐng)域，偵查犯罪領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)健康恢復(fù)領(lǐng)域等都需要在人體步態(tài)分析方面的研究成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智能的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展，科研人員越來越對(duì)步態(tài)識(shí)別投入更多的重視，尤其在視頻偵查方面，對(duì)監(jiān)控錄像中的人員進(jìn)行步態(tài)分析和確定識(shí)別個(gè)體方面，有著極其重要的意義，這都促進(jìn)了這一領(lǐng)域的深入研究。繼指紋識(shí)別，虹膜識(shí)別，DNA鑒定，人臉識(shí)別之后，步態(tài)識(shí)別將會(huì)再次掀起人身個(gè)體識(shí)別的新浪潮，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)人體遠(yuǎn)距離這一其他識(shí)別方法無法達(dá)到的能力[4]。同時(shí)還將帶動(dòng)，圖像模式識(shí)別，醫(yī)學(xué)研究，光電設(shè)備，新型安防設(shè)備等領(lǐng)域的大力發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]胡榮.人體步態(tài)識(shí)別研究[D].華中科技大學(xué)，2010.

[2]曾瑩.基于角度及輪廓特征的步態(tài)識(shí)別方法研究[D].中南大學(xué)，2008.

[3]黃濤，李新建.籃球?qū)ｍ?xiàng)學(xué)生的步態(tài)特征和足底壓力研究[J].運(yùn)動(dòng)，2015（19）：88-89.

[4]鄭曉雯，王仝杰，李彩琴.基于步態(tài)的人體身份檢測(cè)與識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40（5）：82-83.endprint