蘇 波，柴自強(qiáng)，王 莉，崔帥華

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

健身功法八段錦動作舒展優(yōu)美，具有強(qiáng)身健體、怡心養(yǎng)神等功效，練習(xí)時無需器械且不受場地局限。但是，多數(shù)練習(xí)者由于缺乏專業(yè)指導(dǎo)而動作不規(guī)范，導(dǎo)致健身效果不佳。動作識別與評估系統(tǒng)可以提供動作完整性、同步性的量化分析結(jié)果，輔助練習(xí)者規(guī)范動作，提高練習(xí)收益。

在傳統(tǒng)的人體姿態(tài)識別系統(tǒng)中，測試者需要佩戴一些定制的傳感器(例如體位、速度、慣性等)或通過專用攝像頭來測量運(yùn)動信息。文獻(xiàn)[1]開發(fā)了一套可穿戴系統(tǒng)，通過加速度計(jì)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及WiFi模塊來獲取人體運(yùn)動數(shù)據(jù)，進(jìn)而估計(jì)其姿態(tài)。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于Kinect的人體運(yùn)動識別方法，從Kinect相機(jī)獲取骨骼特征點(diǎn)數(shù)據(jù)并計(jì)算特征向量，通過實(shí)時向量與預(yù)設(shè)向量進(jìn)行匹配來識別動作。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于MEMS慣性傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)模塊，用來檢測人體跌倒等異常行為。以上基于傳感器的姿態(tài)識別方法需要依賴專用設(shè)備，便攜性差且實(shí)施成本高。此外，可穿戴設(shè)備由于具有侵入性而存在一定的安全隱患。

隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，基于圖像的非接觸式人體運(yùn)動分析方法開始興起。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種基于可見光圖像的人體姿態(tài)情感識別方法，利用卷積姿態(tài)機(jī)(Convolutional Pose Machines，CPM)[5]算法提取并描繪出人體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而識別分析人物情感。文獻(xiàn)[6]從熱圖像中提取人的關(guān)節(jié)和骨骼信息，并且使用該信息進(jìn)行人體動作識別。上述方法大多針對單幅圖像或只適用于特定場合。在人體姿態(tài)檢測方面，文獻(xiàn)[7～8]提出的OpenPose是一種人體姿態(tài)估計(jì)模型，相較于其他算法模型有更高的檢測速度和精度。

本文提出了一種基于OpenPose的人體動作識別與評估方法，如圖1所示。該方法提取骨架坐標(biāo)作為原始數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并提取更顯著的特征來訓(xùn)練分類器模型，從而對八段錦招式進(jìn)行識別來獲得動作序列，通過求取不同序列間的相似度來進(jìn)行評估。

圖1 總體流程圖

1 基于OpenPose的姿態(tài)提取

OpenPose 算法可以實(shí)時處理多人姿態(tài)，能夠在視頻圖像中檢測人體關(guān)鍵點(diǎn)，在COCO、MPII數(shù)據(jù)集上都有較高的精確度，且魯棒性強(qiáng)，可滿足本文系統(tǒng)需求。

與以往先檢測人后檢測關(guān)鍵點(diǎn)[9-10]的人體姿態(tài)估計(jì)算法不同，OpenPose提出了人體關(guān)鍵點(diǎn)親和場(Part Affinity Fields)思路：首先經(jīng)過VGGNet-19[11]網(wǎng)絡(luò)前10層提取原始圖像特征；然后用兩個并列分支分別預(yù)測人體關(guān)鍵點(diǎn)位置和關(guān)節(jié)之間骨架走向，并進(jìn)行多階段迭代；最后通過貪心算法組裝每個人的肢體。該算法自下而上，檢測速度不會隨圖中人數(shù)的增多而降低。

OpenPose算法檢測的是人體頭、頸、臂、腿等關(guān)節(jié)位置，每個關(guān)鍵點(diǎn)在圖像中以像素坐標(biāo)(x，y)表示，具體效果如圖2所示，序號與身體部位對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖2 OpenPose算法檢測人體姿態(tài)效果圖

表1 OpenPose算法關(guān)鍵點(diǎn)對照表

2 特征提取

2.1 坐標(biāo)預(yù)處理

為了保證數(shù)據(jù)的有效性和特征的規(guī)范性，需要對OpenPose提取的原始骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體包括：

(1)坐標(biāo)歸一化。人體在運(yùn)動過程中，距離鏡頭的遠(yuǎn)近會發(fā)生變化，圖片尺寸不同也會導(dǎo)致x軸和y軸像素單位不統(tǒng)一。為了便于處理，需對坐標(biāo)進(jìn)行歸一化。首先，對輸入圖片進(jìn)行縮放，將寬高為(w，h)的圖像先縮放成(1，h/w)，并根據(jù)18個點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出人體中心位置 (XC，YC)

(1)

(2)

其次，計(jì)算從頸部到臀部的高度H，這個高度對于不同動作具有不變性；最后，將每一個關(guān)鍵點(diǎn)減去中心坐標(biāo)后除以H，得到歸一化后的坐標(biāo)(Xnew，Ynew)，如式(2)所示。新坐標(biāo)的人體姿態(tài)不變且歸一化至畫面中心，解決了圖像大小或鏡頭遠(yuǎn)近變化導(dǎo)致坐標(biāo)不統(tǒng)一的問題，有利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理，效果如圖3所示；

圖3 坐標(biāo)歸一化效果圖

(2)冗余關(guān)鍵點(diǎn)去除。由于八段錦及日常動作主要是四肢的運(yùn)動，與面部無關(guān)，因此剔除雙眼與雙耳坐標(biāo)(序號14～17)。用鼻子抽象代表頭部的位置信息，將關(guān)鍵點(diǎn)減少至14個，使得后續(xù)提取特征時更為簡化。

2.2 特征計(jì)算與提取

經(jīng)過上述預(yù)處理后，每一幀的歸一化關(guān)節(jié)位置就是最原始的特征。為了有效識別不同動作，本文主要從空間和時間上來考慮，設(shè)計(jì)出有助于區(qū)分動作類型的更顯著特征。

2.2.1 空間幾何特征

空間幾何關(guān)系屬于靜態(tài)特征，主要為單張圖片中肢體直接表達(dá)的信息，例如關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)空間像素位置以及關(guān)節(jié)之間的角度、距離，具體如表2所示。

表2 空間幾何特征

本文定義了距離和角度，兩者各12組。以L1、θ1為例，L1是關(guān)鍵點(diǎn)1～3的距離，θ1是關(guān)節(jié)1～2和關(guān)節(jié)2～3之間的夾角，其幾何特征示意圖如圖4所示，計(jì)算式如式(3)、式(4)所示。

圖4 幾何特征示例圖

(3)

(4)

式中，a=d(1-2)；b=d(1-3)；c=d(2-3)。

2.2.2 時間運(yùn)動特征

運(yùn)動特征反應(yīng)了人體在連續(xù)時刻的變化，例如某些關(guān)節(jié)、肢體的擺動速度等。關(guān)鍵點(diǎn)速度的計(jì)算方式為某個關(guān)節(jié)點(diǎn)在相鄰幀Tk到Tk+1上x與y方向上各自的位移除以間隔時間t，如式(5)所示。

(5)

其中，t與視頻幀率F有關(guān)，當(dāng)F為25 frame·s-1時，t為0.04 s。

為了實(shí)現(xiàn)基于序列的特征提取，需要不斷地從視頻序列中提取新的特征，并實(shí)時地從序列中去除舊的特征?；瑒哟翱谒惴M足上述需求，其實(shí)施過程如圖5所示。大小為N的窗口用于存儲基于時間序列的數(shù)據(jù)，隨著時間的推移，窗口定向移動，新數(shù)據(jù)被添加到窗口的頭部，尾部的數(shù)據(jù)被推出。持續(xù)該過程，直到窗口遍歷所有數(shù)據(jù)。根據(jù)滑動窗口內(nèi)N幀視頻序列所對應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算空間幾何特征和時間運(yùn)動特征，最終聚合而成的特征向量如表3所示。

表3 基于視頻序列的特征列表

圖5 滑動窗口算法實(shí)施過程

3 動作分類器建模與測試

3.1 基于KTH的數(shù)據(jù)集建模與測試

為了證明本文所提出的算法的普適性，首先在公開數(shù)據(jù)集KTH[12]上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。KTH數(shù)據(jù)集共有599段視頻，包括25名受試者在不同場景下進(jìn)行的6種人類動作(拍手、揮手、拳擊、慢跑、快跑和走路)，分辨率為160×120像素，部分示例如圖6所示。

圖6 KTH數(shù)據(jù)集樣例

通過OpenCV算法將視頻做抽幀處理，并將訓(xùn)練集與測試集按照7∶3進(jìn)行劃分，各類樣本數(shù)如表4所示。

表4 KTH數(shù)據(jù)集樣本量

為了比較幾種特征之間的組合效果以及滑動窗口大小對準(zhǔn)確率的影響，本文進(jìn)行了定量試驗(yàn)分析。首先，將滑動窗口大小固定為10幀，以驗(yàn)證不同特征及組合對識別率的影響。設(shè)置分組實(shí)驗(yàn)如下：(1)第1組實(shí)驗(yàn)單獨(dú)使用空間幾何特征，即關(guān)節(jié)點(diǎn)空間位置、軀干角度、軀干長度；(2)第2組實(shí)驗(yàn)單獨(dú)使用時間運(yùn)動特征，即關(guān)節(jié)點(diǎn)速度；(3)第3組實(shí)驗(yàn)將空間特征與運(yùn)動特征融合。由于數(shù)據(jù)量較大，故分類器選用MLP(Multi-Layer Perceptron)，隱藏層為3層，其中神經(jīng)元個數(shù)分別為60、70和0，并采用ReLU作為激活函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同特征組合類型下的識別率

隨后，固定使用融合特征，將滑動窗口的大小設(shè)置為2～20(單位為幀)，其它參數(shù)不變。當(dāng)滑動窗口為9幀時，識別的平均準(zhǔn)確率最高，可達(dá)96.7%，如圖7所示。當(dāng)滑動窗口不斷增大，特征的維數(shù)也隨之增加。為簡化特征，采用主成分分析法[13]將特征減少到固定大小，即100維，降維后的各主成分的方差值占總方差值的比例為97%以上，既保留了特征的有效主成分又減小了計(jì)算量。

圖7 滑動窗口大小對準(zhǔn)確率的影響

從表5可以看出，單一的空間特征或運(yùn)動特征在分類器中的識別率均低于融合特征，因此將空間特征與運(yùn)動特征進(jìn)行融合，將提升識別準(zhǔn)確度。圖8為融合特征情況下預(yù)測結(jié)果的混淆矩陣，其中“boxing” “handclapping”“handwaving”“walking”的識別準(zhǔn)確率都達(dá)到了95%以上，而“running”和“jogging”的準(zhǔn)確率略低，這可能是受到兩者之間動作相似的影響。識別結(jié)果樣例如圖9所示。

圖8 KTH數(shù)據(jù)集識別結(jié)果混淆矩陣

圖9 KTH數(shù)據(jù)集識別樣例

表6為不同方法在KTH公開數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確率對比結(jié)果。文獻(xiàn)[14]提取光流和加速穩(wěn)健特征(Speeded Up Robust Features，SUPF)后，通過支持向量機(jī)(Support Vector Machines，SVM)進(jìn)行動作識別(光流+SURF)。文獻(xiàn)[15]將圖片背景減除后，提取密集軌跡(Dense Trajectories，DT)特征并結(jié)合SVM來實(shí)現(xiàn)(DT+SVM)。文獻(xiàn)[16]采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network，CNN)自動提取圖像特征進(jìn)行動作識別。本文提出的識別方法在該數(shù)據(jù)集上取得了較好的識別效果，證明了算法的有效性及普適性。

表6 KTH數(shù)據(jù)集不同方法準(zhǔn)確率對比

3.2 基于八段錦數(shù)據(jù)集的建模與測試

將網(wǎng)上采集的3段由專業(yè)人員在不同背景、著裝下的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)視頻與個人拍攝的規(guī)范練習(xí)視頻組成八段錦動作數(shù)據(jù)集，經(jīng)過抽幀處理成連續(xù)圖片。本文從八段錦前3個招式：“兩手托天理三焦”、“左右開弓似射雕”以及“調(diào)理脾胃臂單舉”中挑選了8種主要動作進(jìn)行建模識別，動作樣例如圖10所示。

圖10 八段錦數(shù)據(jù)集樣例

自制數(shù)據(jù)集樣本數(shù)如表7所示，訓(xùn)練集與測試集按7∶3進(jìn)行劃分。

表7 自制數(shù)據(jù)集樣本量

在八段錦動作模型訓(xùn)練時，直接采用融合特征，使用MLP作為分類器，調(diào)節(jié)滑動窗口大小。當(dāng)N=6幀時，識別的平均準(zhǔn)確率達(dá)到98.7%。識別結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 八段錦動作識別結(jié)果混淆矩陣

圖12 八段錦動作識別樣例

4 動作序列相似性評估

經(jīng)過分析，八段錦多為重復(fù)性套路動作，例如第1式“兩手托天理三焦”是由圖10中前3個動作循環(huán)組成，因此可以通過動作識別模塊將教學(xué)視頻中的動作序列提取出來，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)序列。對于用戶練習(xí)視頻，可以提取實(shí)時動作序列與標(biāo)準(zhǔn)序列進(jìn)行對比，以此來進(jìn)行評估。

求解序列相似性問題的常用方法有計(jì)算歐氏距離、余弦相似度和動態(tài)時間規(guī)整(Dynamic Time Warping，DTW)距離等。由于每個人的動作快慢不同，因此得到的動作序列長短也各不相同。對于長度不同的時間序列，DTW算法能更有效地求出相似度，因此本文采用DTW算法來進(jìn)行序列間的比對。

4.1 DTW

DTW最早由文獻(xiàn)[17]提出，并用于口語單詞的識別。文獻(xiàn)[18]對手勢特征進(jìn)行了提取，并基于DTW算法計(jì)算模板手勢和實(shí)時手勢之間的最短距離，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)手勢識別。

定義序列A(a1，a2，…，an)和B(b1，b2，…，bm)的長度分別為n和m，構(gòu)造一個m行n列的矩陣網(wǎng)格，如圖13所示。網(wǎng)格中第i行第j列的值表示bi與aj兩點(diǎn)之間的距離，記為d(i，j)。根據(jù)式(6)計(jì)算A序列前j個點(diǎn)與B序列前i個點(diǎn)的累積距離D(i，j)，即當(dāng)前格點(diǎn)距離d(i，j)與可以到達(dá)該點(diǎn)的最小的鄰近元素的累積距離之和。該距離可以表征兩序列的相似度，距離越小相似度越高。

圖13 DTW算法原理圖

D(i，j)=d(i，j)+min[D(i-1，j)，D(i，j-1)，D(i-1，j-1)]

(6)

4.2 動作序列去噪與簡化

采用動作識別模塊處理視頻后，可得到由每一幀圖像動作類型構(gòu)成的動作序列。由于視頻幀是連續(xù)的，因此在某個連續(xù)的動作狀態(tài)下，不會突變成另一個動作。根據(jù)這一點(diǎn)對噪聲進(jìn)行過濾，如圖14(a)所示，連續(xù)動作1中出現(xiàn)了一幀動作2，則動作2被視為噪聲去除。與此同時，為了簡化序列，使其便于處理，本文設(shè)定了1個閾值K，將連續(xù)K幀表示同一動作的圖像抽象成一個狀態(tài)，過程如圖14(b)所示。對于動作1和2，假設(shè)K=10，則連續(xù)10幀的同一動作將被簡化成一幀。經(jīng)過去噪與簡化后的標(biāo)準(zhǔn)八段錦動作的模板序列如圖14(c)所示。

圖14 動作序列處理圖

為測試該方案的可行性以及不同K值對DTW結(jié)果的影響，提取4組不同的八段錦視頻：專業(yè)人員A、B的動作作為優(yōu)秀動作，此外拍攝兩組規(guī)范性較差的視頻作為對照動作，并將所有視頻統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)mp4格式，幀率為25 frame·s-1左右。經(jīng)過動作檢測與提取序列后，得到4組長度不同的動作序列，依次為0、1、2、3。分別計(jì)算不同K值情況下的DTW距離d01、d02、d03，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 不同K值下的DTW距離

由表8可知，當(dāng)K取10或者15時效果較好，d01值較小且遠(yuǎn)小于d02、d03，代表兩組標(biāo)準(zhǔn)八段錦動作序列距離小，相似度高；而序列2、序列3與標(biāo)準(zhǔn)序列0間距較大，意味著動作不完整，規(guī)范性差。

通過分析不同人的套路動作序列與標(biāo)準(zhǔn)序列間距離，可以評估每個人的動作完整性以及速度掌控能力，DTW值越小，則代表測試者的動作與標(biāo)準(zhǔn)動作越相似。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于姿態(tài)估計(jì)的人體動作識別與評估方法，利用OpenPose獲取人體關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，針對人體行為特性設(shè)計(jì)了空間幾何與時間運(yùn)動特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建的分類器可以有效識別日常動作及八段錦招式。本文采用的DTW算法可以有效表征練習(xí)者八段錦動作序列與標(biāo)準(zhǔn)動作序列的總體相似度，但未對關(guān)鍵幀動作進(jìn)行細(xì)化分析，后續(xù)研究可以針對各個招式的動作細(xì)節(jié)進(jìn)行量化評分，為練習(xí)者提供更為精準(zhǔn)的練習(xí)指導(dǎo)。