行走過程中的上肢擺動特征的穩定性與特定性研究

呂杰　王程煒　唐嘉健　程潤　+孫梁　丁浩

【摘 要】監控視頻資料在尋找作案人的行動軌跡方面發揮著越來越大的作用。但在監控視頻資料中的人物影像模糊及作案人掩面或換穿衣著的情況下，利用面貌、衣著等細節特征則難以識別和追蹤嫌疑人；近年來，利用人行走特征確定嫌疑人越來越受到關注。本文通過對人在行走過程中上肢擺動特征穩定性和對稱性進行研究，為識別和確定嫌疑人提供理論依據。

【關鍵詞】監控視頻；上肢擺動特征；穩定性；特定性

Research on Stability and Specificity of Upper Limb Swing Characteristics in Human Walking

LV Jie WANG Cheng-wei TANG Jia-jian CHENG Run SUN Liang DING Hao

（Jiangsu Police Institute， Nanjing City， Jiangsu Province，Nanjing Jiangsu 210031，China）

【Abstract】Surveillance video materials are playing a more and more important role in finding out the criminals movements. But under the circumstances of vague information like fuzzy character images and veiled criminals or having changed their clothes， it becomes difficult to tell and keep track with the criminals by face， clothing， etc. In the recent years， it has become a focus in identifying criminals by walking characteristics. By researching on the stability and specificity of upper limb swing characteristics in human walking， theoretical basis is provided for recognizing and identifying the criminal.

【Key words】Surveillance video； Upper Limb Swing Characteristics； Stability； Specificity

0 引言

監控視頻資料在提供破案線索和審判證據方面發揮著越來越大的作用。然而在實際工作中，由于缺少理論支撐和科學方法以及視頻資料質量等原因，使得視頻資料的證據效能不高，提供線索不清晰。偵查人員從監控視頻中獲取嫌疑人的行走時間和空間特征時，由于監控視頻的資料模糊、作案人掩面或換穿衣著的情況下，偵查人員在嫌疑人識別過程中將難以快速準確地找出目標，從而導致偵查活動受阻。

在對嫌疑人識別的過程中，運用行走特征進行分析具有可操作性。本文通過對人行走過程中上肢運動時腕部和肘部表現出的空間軌跡特征進行分析，進而對穩定性和特定性加以研究，科學地闡述行走過程中所表現出的規律，為利用行走特征識別和確定嫌疑人提供理論支撐。

1 實驗方法和實驗器材

1.1 實驗目的

本文通過捕捉人行走過程中手腕部和肘部運動，利用時間、空間的對應關系，從兩個角度加以研究：一是同一人特征的穩定性，二是該特征特定性。

1.2 實驗原理

利用運動捕捉系統二個以上捕捉單元對某一點同時從不同角度進行捕捉，通過三維疊加計算出該點在空間中的三維坐標。當該點運動時，可分別記錄下該點不同時刻的空間位置。再利用數理統計等方法對該點運動過程中的空間位置加以分析，從中找出相應規律。

1.3 實驗方法

（1）確定測量空間：調節鏡頭方位、焦距；

（2）處理空間環境：除去空間雜物，修正鏡頭參數；

（3）標定攝像頭：利用標定架，確定各鏡頭空間位置；

（4）建立數據庫以及人體模型：測量人體參數，確定人體靜態模型；

（5）測量數據：測量正常行走運動中一個行走周期以上的腕部和肘部空間時間數據，捕捉頻率為100hz/s.對20位測試者分別測試20組數據。

1.4 實驗器材

Vicon V1.3運動捕捉系統。

2 實驗數據及分析

2.1 數據及初步分析

數據以表格形式展現，其中表1-1（left）為編號為1的實驗者第一次測量左上肢的數據，表1-j（right）（1≤j≤20）為編號為1的實驗者第j次測量的右上肢數據……表i-j（left）（1≤i≤20，1≤j≤20）為編號為i的實驗者第j次測量的左上肢數據……因為數據較多，此處僅截取一部分，其它數值參照此表。

表i-j（left）

表i-j（right）

根據所測的數據，首先利用折線圖對左、右臂的手腕和肘部運行的軌跡在空間X、Y、Z三個方向上（X為左右方向，Y為行進方向，Z豎直方向）分別加以描述。圖1至圖4。

2.2 穩定性分析

分別對同一人測量的20組每個點的X、Y、Z方向的數據進行穩定性分析。

對上述實驗對象20組數據的匯總分析，如圖5所示。

從圖5可以看出，腕部在X方向上運動的過程中，運動的頻率、周期、波峰、波谷等趨于一致，但整體上不具有穩定性所必須具備的條件。究其原因，主要是在數據采集的過程中，被實驗者在行走的方向上不夠穩定形成的。就穩定性而言，不可以從X方向對人的行走特征進行認定。

從圖6可以看出，腕部在Y方向上運動的過程中，運動的頻率、波峰、波谷、周期等趨于一致，整體上比X方向的穩定性有所增強，但在穩定性的描述中要注意兩點：一是屬于不同周期但為同一姿態時穩定性較高，二是實驗過程中被實驗者行走的路線是影響Y方向穩定

性的重要因素。就穩定性而言，從Y方向對人的行走特征進行認定可以作為參考。

從圖7可以看出，腕部在Z方向上運動的過程中，運動的頻率、波峰、波谷、周期等趨于一致，穩定性強。就穩定性而言，可以從Z方向對人的行走特征進行認定。

運用相同的研究方法，對被實驗者的左手肘部、右手腕部、右手肘部進行研究，如左臂肘部（圖8），得到相同的結論。

對其余19人運用相同的方法進行研究，發現同一人的左、右手的腕部，左、右臂的肘部，在X、Y、Z三個方向上的特性和第一人相似，具有一致性。表明腕部和肘部的運動特征在X方向上的穩定性很差，究其原因，主要和行走時行走的路徑有關；在Y方向上穩定性比X方向上要好一些，在應用的過程中要注意動作的起點要一致；在Z方向上具有較強的穩定性，在對人身識別時可以應用。

2.3 特定性分析。

對20人同一位置點在X、Y、Z方向上分別比較，分析其特定性。

從圖9可以看出，不同人右肘部Z方向的特征差異很大。結合前面所述，同一人該特征具有穩定性。可以推斷，同一人行走過程中肘部在Z方向上的運動特征具有特定性；運用同樣的方法，驗證穩定性較強的腕部、肘部在Y、Z方向上不同人的運動特征具有特定性。

3 實驗結論及不足

通過大量的數據分析，我們得出以下結論。在人的行走過程中上肢的肘部和腕部擺動在左右方向上由于行走時很難按照直線行走，故在現有條件下很難進行穩定性分析，特定性分析也就無從談起；肘部和腕部擺動在行進方向上具有一定的穩定性和特定性，當對不同行走周期間特征比較時，注意姿態的一致性，否則，穩定性會比較差；肘部和腕部擺動在上下方向上具有很強的穩定性和特定性。

本文只是采集行走過程中上肢腕部和肘部的運動時的空間數據，特征點數量較少，不能完整地反應出人行走時的全部狀（下轉第6頁）（上接第22頁）態。對于數值的分析，目前也僅從空間的軌跡進行分析，還可以運用其它科學方法進行討論。

4 小結

本文運用科學的手段和方法對人行走過程中的上肢運動特征的特定性和穩定性進行分析，一方面為科學分析人的行走姿態提供方法和途徑；另一方面，也為偵查機關的視頻資料的運用提供理論支撐。綜合本文的研究過程，還可以從如下幾個方面繼續研究：

（1）研究運動過程中的速度、加速度等特征；

（2）研究兩上肢運動的對稱性；

（3）研究軀體其它點的運動特征；

（4）對不同點之間運動的相關性研究。

[責任編輯：朱麗娜]