鄭慧平 李旭健 張陽

摘要：針對(duì)背包、外套等干擾因素致使步態(tài)識(shí)別率降低的問題，提出一種分割加權(quán)的步態(tài)識(shí)別方法。首先通過幀差法與閾值分割相結(jié)合的方法得到動(dòng)態(tài)信息更加豐富的幀差閾值能量圖（FTDEI），將該能量圖分割為3部分，并對(duì)每部分添加相應(yīng)權(quán)重，然后利用Gabor小波對(duì)分割加權(quán)后的FTDEI進(jìn)行不同角度的特征提取，得到加權(quán)的濾波特征（SWA-Gabor），最后通過KNN分類器對(duì)SWA-Gabor特征進(jìn)行分類和識(shí)別。基于分割加權(quán)的步態(tài)識(shí)別方法能夠很好地避免背包等干擾因素的影響。為了驗(yàn)證該算法的識(shí)別效果，在中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所CASIA-B步態(tài)數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在攜帶背包和外套的情況下，該算法的識(shí)別率較其它算法提高了約5%，取得了很好的識(shí)別效果。

關(guān)鍵詞：步態(tài)識(shí)別；步態(tài)能量圖；分割加權(quán)；Gabor小波；SWA-Gabor

DOI：10.11907/rjdk.181328

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2018）007-0040-04

Abstract：Inordertosolvetheproblemthatthegaitrecognitionrateisdecreasedduetotheinterferencefactorssuchasbackpacksandjackets，asegmentationweightedgaitrecognitionmethodisproposed.Firstly，aframedifferencethresholdenergymap（FTDEI）isobtainedbycombiningframedifferencemethodwiththresholdsegmentation，whichobtainsricherdynamicinformationWedividetheenergymapintothreeparts，addcorrespondingweightstoeachpart，anduseGaborwavelettoextractthecharacteristicsofFTDEIfromdifferentangles.Weightedfilteringfeatures（SWA-Gabor）areobtained.Finally，SWA-GaborfeaturesareclassifiedandidentifiedbyKNNclassifier.Thegaitrecognitionmethodbasedonsegmentationweightingcanreducetheinfluenceofinterferencefactorssuchasbackpacksbyweighting.Inordertoverifytherecognitioneffectoftheproposedalgorithm，experimentsarecarriedoutonCASIA-Bgaitdatabase.Experimentalresultsshowthattherecognitionrateoftheproposedalgorithmisimprovedbyabout5%comparedwithotheralgorithmsinthecaseofcarryingbackpacksandouterwear.

KeyWords：gaitrecognition；GEI；segmentationweighting；GaborWavelet；SWA-Gabor

0引言

步態(tài)識(shí)別作為人體重要的生物特征識(shí)別之一，因其具有遠(yuǎn)距離、非接觸、可采集等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的生物特征識(shí)別方法能夠很好地解決視頻距離遠(yuǎn)、人臉模糊以及其它無法進(jìn)行身份識(shí)別的情況，在智能監(jiān)控、案件偵破等領(lǐng)域有著重要研究意義，成為身份識(shí)別的重要研究方向和研究熱點(diǎn)[1-2]。

由于視頻采集時(shí)間間隔長(zhǎng)，人體外觀可能會(huì)發(fā)生很大變化，例如外出攜帶背包，天氣寒冷時(shí)穿著大衣，這些明顯的外觀變化將直接改變?nèi)梭w輪廓，進(jìn)而影響識(shí)別結(jié)果，成為步態(tài)識(shí)別的一大難題[3]。為了克服外套和背包的影響，李孟歆等[4]提出只保留腿部局部信息，通過腿部運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行步態(tài)識(shí)別，該方法很好地避免了上身背包和穿大衣對(duì)步態(tài)識(shí)別的干擾，但因刪除了大量上身靜態(tài)信息，所以識(shí)別率沒有很大提升。

對(duì)此，本文提出分割加權(quán)的思想，將人體的FTDEI能量圖劃分為3部分：頭部、上身及腿部，由于人體頭部和腿部含有非常重要的信息，所以增加頭部和腿部相應(yīng)的權(quán)重，為了降低人體上身著裝和攜帶物的影響，首先通過算法策略判斷人體是否背包，如有背包則減小其權(quán)重。該方法既保留了人體運(yùn)動(dòng)的大量信息，又避免了背包因素的影響，最后用Gabor小波進(jìn)行特征提取，利用中科院自動(dòng)化所CASIA-B步態(tài)數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，識(shí)別率較傳統(tǒng)方法提高了約5%。

1算法實(shí)現(xiàn)

1.1GEI生成策略

GEI步態(tài)能量圖是將一個(gè)周期內(nèi)的步態(tài)幀經(jīng)過二值化處理后，按其質(zhì)心點(diǎn)疊加重合，得到一幅平均步態(tài)輪廓圖像[5]，以此作為步態(tài)特征進(jìn)行步態(tài)識(shí)別，該方法能夠簡(jiǎn)化單幀圖像的復(fù)雜性，用一張步態(tài)能量圖代替一個(gè)周期的序列幀；忽略各幀之間的關(guān)聯(lián)性，更多地考慮步態(tài)幀的統(tǒng)計(jì)特性，在步態(tài)識(shí)別上取得了很好的識(shí)別效果[6]。步態(tài)能量圖定義如下：

其中，N代表一個(gè)周期內(nèi)序列幀數(shù)，t代表某一時(shí)刻的步態(tài)幀，x代表二維步態(tài)序列幀圖像中的橫坐標(biāo)，y代表縱坐標(biāo)，B代表二值輪廓圖，G代表最后得到的GEI灰度圖[7]，圖1為90°視角下步態(tài)能量圖合成過程。

1.2FTDEI能量圖獲取

GEI圖像雖然相比于一些基于模型的特征提取方法具有易獲取、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8]，但GEI圖像維數(shù)空間較高，含有較多冗余信息，為了突出關(guān)鍵動(dòng)態(tài)信息，減小靜態(tài)信息的影響，本文提出結(jié)合幀差法與閾值分割法獲取動(dòng)態(tài)能量圖。

基于幀差法與閾值分割法相結(jié)合獲取步態(tài)能量圖的具體步驟如下：

圖2中左側(cè)（a）為幀差圖像，（b）為一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)幀差圖像的均值，（c）為幀差能量圖經(jīng)過閾值處理后的幀差閾值能量圖。

1.3SWA分割加權(quán)算法

為減少背包外套對(duì)于步態(tài)能量圖的影響，學(xué)者提出了不同的解決方法[10]，文獻(xiàn)[4]提出將人體圖像進(jìn)行分割，只保留人體運(yùn)動(dòng)的腿部信息，通過腿部運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行識(shí)別，該方法避免了上身外觀改變對(duì)步態(tài)的影響，但相應(yīng)減少了頭部等重要信息，致使正常行走狀態(tài)下的識(shí)別率降低。

對(duì)此，本文提出一種分割加權(quán)的思想，用來降低背包、外套等干擾因素的影響。通過分割加權(quán)算法將FTDEI能量圖劃分為3部分，分別為D1、D2、D3，如圖3所示：D1為人體頭部信息，特征較穩(wěn)定，區(qū)分度較高；D2部分為人體上身部分，易受背包、外套等因素干擾；D3部分為信息豐富的腿部運(yùn)動(dòng)部分，含有較多的動(dòng)態(tài)信息。圖3為同一個(gè)人在不同狀態(tài)下的FTDEI能量圖，顯然，同一個(gè)人在不同狀態(tài)下獲得的能量圖在直觀上就有很大區(qū)別[11]。最后通過加權(quán)算法對(duì)每一部分進(jìn)行加權(quán)，以突出不同部分的貢獻(xiàn)。

SWA分割加權(quán)算法中的分割算法如式（7）所示：

其中L（n）表示圖像的分割線，通過該分割線將動(dòng)態(tài)步態(tài)能量圖劃分為3部分。P表示幀差閾值能量圖中間黑色部分的點(diǎn)集，如圖4所示的中間黑色區(qū)域。公式中|x2-x1|表示點(diǎn)集P中同一水平線上x1與x2兩點(diǎn)的水平距離。Ymax表示集合P中y取得最大值。PYmin|x2-x1|表示x2與x1兩點(diǎn)之間水平距離最短時(shí)所對(duì)應(yīng)的y值，此時(shí)根據(jù)人體先驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤龍D可知，PY取值范圍為0.818Ymax

根據(jù)分割算法求得分割線后，下一步將進(jìn)行權(quán)重分配，SWA分割加權(quán)算法中的權(quán)重分配公式如下：

2基于SWA-Gabor的特征提取

FTDEI能量圖是通過幀差法與閾值分割相結(jié)合的方法獲得的動(dòng)態(tài)步態(tài)能量圖，該能量圖去除了大量靜態(tài)信息，保留了人在走路過程中的動(dòng)態(tài)信息。Gabor小波是描述圖像局部灰度分布的有力工具[12]，并能在多尺度、角度和頻率域中有效地對(duì)圖像進(jìn)行表述，所以本文采用Gabor小波變換完成步態(tài)特征的提取。

鑒于Gabor濾波器參數(shù)的考慮，最終選用5個(gè)尺度和8個(gè)角度的Gabor小波[13]。將FTDEI能量圖與Gabor核函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，取其幅值譜圖作為動(dòng)態(tài)區(qū)域圖像的Gabor特征，形成5個(gè)尺度、8個(gè)角度的40張Gabor特征圖[14]，這樣原來的1個(gè)FTDEI特征對(duì)于GaborFTDEI變?yōu)?0個(gè)，從GaborFTDEI到SWA-GaborFTDEI，需要引入權(quán)重向量，用W表示[15]，如式（9）所示，w1、w2、w3分別代表了D1、D2、D3區(qū)域的權(quán)重，在后續(xù)分類的時(shí)候，會(huì)根據(jù)前文所提到的算法判斷是否含有背包，如果有就給W2一個(gè)比較小的權(quán)重。

SWA-GaborFTDEI的度量方法如式（10）所示。計(jì)算兩個(gè)樣本相似度的算法是計(jì)算這兩個(gè)樣本的所有GaborFTDEI特征的距離，并乘以相應(yīng)的權(quán)重，然后將每一部分GaborFTDEI特征的距離加權(quán)求和后得到SWA-GaborFTDEI特征的相似度[16]。Sb代表有背包時(shí)的相似度，Sub代表沒有背包時(shí)的相似度，觀察式（10）和式（11）可發(fā)現(xiàn)在計(jì)算SWA-GaborFTDEI相似度時(shí)，唯一區(qū)別在于計(jì)算SWA-GaborFTDEI歐式距離時(shí)所乘的權(quán)重因子不同[17]。

其中Wi為背包狀態(tài)下相應(yīng)權(quán)重，Wui為沒有背包狀態(tài)下權(quán)重，W不是一個(gè)常量，Wi和Wui的取值是根據(jù)i的取值決定[18]。為了簡(jiǎn)化冗余的數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)維度，方便后續(xù)分類操作，采用PCA對(duì)SWA-Gabor特征進(jìn)行降維[19]，得到最終的步態(tài)特征，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分類識(shí)別。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證基于SWA-Gabor特征提取算法的有效性，實(shí)驗(yàn)在CASIA-B步態(tài)數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行，為了方便比較，這里統(tǒng)一采用了KNN分類器[20]，GEI、AEI、FTDEI和SWA-Gabor特征對(duì)比如下：

圖5為攜包狀態(tài)下各種算法在各個(gè)視角下的識(shí)別率。從圖中可以看出，本文算法在各個(gè)視角下的識(shí)別準(zhǔn)確率比較穩(wěn)定，在攜帶背包的情況下平均識(shí)別率為73.1%，其它經(jīng)典算法的平均識(shí)別率為68.2%，相對(duì)于其它算法提高了約5%，有較明顯提高。衣著變化情況下各種方法在各個(gè)視角下的識(shí)別率如圖6所示。本文算法的平均識(shí)別率為77.2%，其它經(jīng)典算法平均識(shí)別率為73.7%，相對(duì)于其它算法在各個(gè)視角下均有明顯提高。

4結(jié)語

本文簡(jiǎn)要介紹了GEI能量圖生成策略，在此基礎(chǔ)上對(duì)GEI進(jìn)行優(yōu)化得到FTDEI能量圖，該能量圖去除了大量低頻信息，減少了信息冗余。為了降低背包、外套等干擾因素的影響，提出分割加權(quán)的思想，將FTDEI能量圖分為3部分，通過權(quán)重分配方法自適應(yīng)地得到每部分權(quán)重，并使用Gabor小波進(jìn)行特征提取，得到豐富的SWA-Gabor特征。為了驗(yàn)證本文特征提取算法的有效性，利用CASIA-B步態(tài)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在有背包和外套干擾的情況下，本文提出的特征提取算法較傳統(tǒng)經(jīng)典算法在識(shí)別率上提高了約5%，取得了很好的識(shí)別效果。

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（責(zé)任編輯：江艷）