基于QTI標準的人體骨架動作識別研究

陳意山 周洲

摘要：本文根據目前一種基于人體骨架關鍵關節點構建人體骨架模型的方法，并對該模型進行了改進，結合QTI練習/測試互操作規范，對人體骨架關節點的結構和位置信息進行了模型構建和XML呈現，為存儲人體骨架動作數據、各人機系統間的人體骨架數據交互提供一種新的模式。

關鍵詞：QTI;人體骨架;動作識別

一、引言

人體動作識別是人機交互快速發展的關鍵技術之一，該技術廣泛應用于醫療保健、電影娛樂和安全監控等各種領域。人體動作識別是利用信息技術的手段將人體的動作特征、人體內的骨架和關節存儲到計算機，并根據相應的模型讀取和計算，如何迅速精確地讀取并識別人體骨架運動軌跡是人機交互系統的發展關鍵技術之一，而如何確定一個通用的描述的人體骨架模型數據規范，并使之在不同的人機交互系統中能夠相互共享人體骨架運動軌跡數據，則是一個新的研究方向。本文將探討利用QTI標準對人體骨架進行描述的模型，以及人體骨架運動數據的存儲模式。

二、QTI標準

CELTS-10 QTI（Question /Test Interoperability）練習/測試互操作規范，是中國現代遠程教育技術標準化委員會，在參照IEEE1484標準體系、IMS-QTI、航空工業計算機輔助培訓委員會（AICC）的基礎上，結合我國遠程教育先行的實際情況，進行修訂和完善后制定的一種規范。它負責描述教學評估實現，將試題以規范化定義的XML文檔來描述測試過程的全部環節：題項的描述、評估、重利用和測試自適應等過程。CELTS-10 QTI標準的主要職能有以下幾項：在任何虛擬的學習環境下，用戶都可以使用復合規范的練習題目;虛擬環境中的各種資源用戶均可使用;支持一致性工具的使用;所有測試結果的顯示都是一致的。

CELTS-10 QTI（Question /Test Interoperability）練習/測試互操作規范，由三個核心部分組成：第一部分為ASI信息模型（Assessment Section Item），制定了測驗內容的規范;第二部分為結果報告信息模型（Results Reporting），制定了關于測驗結果的規范;第三部分為XML綁定實例（XML Banding Specification），該文檔包括了評估、節和題項的設計例子及其元索屬性的詳細描述。

三、人體骨架模型構建及運動特征識別

（一）人體骨架模型構建

人體動作識別目前在人機交互系統中主要是通過識別圖像中的人體各部位位置，再根據連續圖像中各部位位置的變化，來獲取人體各部位的運動軌跡變換。同時人體各部位的位置，與軟體動物不一樣，本質上是人體骨架和各個關節部位的位置變換。因此，為了提高識別的效率，本文主要研究基于骨架模型的識別。

在人體骨架模型的構建模式上，本文參考了范嘉義的骨架模型設計，模型選擇了15個關鍵的關節點，如下圖。并在所要識別的圖片上標記這15個關節點的位置，記錄關節點在笛卡爾坐標系的位置數據。本文將該模型進行了簡單改進，提取了3個重要關鍵部位（頭3，頸部1，髖部2），人體四肢與頸部髖部相連。

改進后的人體骨架模型，以人體中軸線的三個部位（頭3，頸部1，髖部2）為主要的人體骨架中軸。左上肢（左肩5，左肘9，左腕13）和右上肢（右肩4，右肘8，右腕12）與頸部1相連接;左下肢（左臀7，左膝11，左踝15）和右下肢（右臀6，右膝10，右踝14）與髖部2相連接。四肢和三個關鍵關節點的連接組成了人體骨架模型

（二）人體運動特征識別

骨架模型的構建還不能解決人體動作軌跡識別的問題，還需要深入挖掘人體動作在運動時特征，以及如何在坐標體系中記錄特征點位置數據，并按照骨架模型結構存儲特征點數據。因此根據以上本文介紹的人體骨架模型結構，參考人體關節運動過程中的基于關節點的高級姿勢特征數據，這些數據主要表現在笛卡爾坐標系下的關節點運動軌跡特征、極坐標系下距離的關系和軌跡、軌跡特征、方向關系和軌跡、夾角關系和軌跡等9種子特征中。

四、人體骨架模型QTI描述

（一）ASI信息模型

ASI信息模型提供了對模型內容的呈現形式及內容組織結構形態，解釋了“對已有的內容如何進行描述和組織”的問題。模型由三個部分：評估（Assessment）、節（Section）、項（Item）有機結合組成描述模型。項包括了項的表述、結構、數據和反饋等全部信息。節是個集合概念，它可由一個或多個項/節組成的，在本骨架模型當中，上下肢可以作為一個節，而節中就包含三個項（如肩、肘、腕）。評估則像樹的根節點，每個模型只有一個評估，包含了項和節的各種形式集合。

本模型結構如右圖，模型記錄了某個時間點身體關節點的位置。模型中包含了四個項：時間、頭部、頸部、髖部，和四個節（四肢）。四個節的內部結構基本相似，上肢包含了三個項：肩、肘、腕，下肢包含了三個項：臀，膝，踝。每個項（除時間以為）均保存該關節點的位置信息數據。最后，通過整個骨架ASI信息模型，可以明確某個時間點一個人體部位各關節的位置呈現。而這種模型可以適用XML的規范表現。

因此，ASI信息模型具有以下特點：基本的ASI 數據定義簡單且很靈活，并可組成更復雜的數據結構;評估不能直接包含項，評估至少需要包含有一個節;節可包含一個或多個項，節可進行嵌套，也允許定義空節;項是ASI信息模型中最小的獨立單元，項不允許嵌套。

（二）XML綁定實例

<questestinterop>

<assessment title="人體骨架模型" ident="Postion01">

<qticomment>

人體骨架模型

</qticomment>

<objectives view=“應試者">

</objectives>

<qmd_time>2019-1-1 08：15：20<qmd_time>

<body_item>

<mattext>頭部

<X>100.0</X><Y>99.0</Y><Z>12.2</Z>

</body_item>

<body_item>

<mattext>頸部

<X>100.0</X><Y>80.0</Y><Z>12.2</Z>

</body_item>

<section title=“左上肢" ident="S01">

<qticomment>左上肢</qticomment>

<body_item>

<mattext>左肩

<X>85.0</X><Y>70.0</Y><Z>12.2</Z>

</body_item>

<body_item>

<mattext>左肘

<X>75.0</X><Y>60.0</Y><Z>12.2</Z>

</body_item>

<body_item>

<mattext>左腕

<X>65.0</X><Y>50.0</Y><Z>12.2</Z>

</body_item>

<sectionmetadata/>

<section title=“右上肢" ident="S02">

...

<sectionmetadata/>

<body_item>

<mattext>髖部

<X>100.0</X><Y>50.0</Y><Z>12.2</Z>

</body_item>

<section title=“左下肢" ident="S03">

...

<sectionmetadata/>

<section title=“右下肢" ident="S04">

...

<sectionmetadata/>

</assessment>

</questestinterop>

本文改進了人體骨架關節點模型構建，利用了QTI標準對關節點位置數據進行描述和XML呈現，為存儲人體骨架動作數據、各人機系統間的人體骨架數據交互提供了一種具備可行性的方法。

參考文獻：

[1]蔡宗遠，王少白，李國安. 人體運動分析的發展與應用回顧[J].醫用生物力學，2016，31（4）：362-266.

[2]魏瑋，王丹丹，劉命，劉靜. 人體運動分析綜述[J].計算機系統應用，2013，22（2）：1-3.

[3]雷濤，羅薇薇，樊養余. 復雜環境下的運動人體骨架提取算法[J].計算機應用研究. 2010，27（8）：3194-3197.

[4]范嘉義. 基于骨架信息的人體動作識別[D]中國科學技術大學，2017.

[5]黎洪松，李達. 人體運動分析研究的若干新進展[J].模式識別與人工智能，2009，22（1）：70-76.

[6]YU Z，YAO Z，WANG S，et al. Motion analysis of Chinese normal knees during gait based on a novel portable system[J. Gait Posture，2015，41（3）： 763-768.

[7]全國信息技術標準化技術委員會教育技術分技術委員會（CELTSC）.測試互操作規范CELTS-10.2（CD1.0） [S].http：//www.celtsc.edu.cn/，2010-2-3.

[8]韓耀查.基于QTI的?？漆t師網絡考試系統的研究與設計[D].廣州：南方醫科大學，2009.

基金項目：廣西壯族自治區教育廳高?？蒲许椖浚↙X2014655）。

第一作者：陳意山（1977年5月），男，廣西玉林人，碩士，副教授，從事智能教學系統研究。

第二作者：周洲（1980年12月），男，廣西桂林人，學士，講師，從事公共體育教育研究。

（廣西師范大學漓江學院 ?廣西桂林 ?541006）