基于Softmax回歸分類分析的人體運動檢測研究

孫小華

摘要：提出一種基于分類分析的人體運動狀態(tài)識別方法。通過手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用Softmax回歸分類算法對人體運動狀態(tài)進(jìn)行分類。在深度學(xué)習(xí)框架TensorFlow下的實驗結(jié)果顯示此算法分類精度較高，對靜止、走路、慢跑、上下樓梯、騎車等五種運動狀態(tài)的綜合識別率為88.18%。

Abstract： This paper proposes a human motion state recognition method based on classification analysis. The relevant data is collected by the built-in acceleration sensor of the mobile phone， and then the collected data is preprocessed， and the Softmax regression classification algorithm is used to classify the human motion state. The experimental results under the deep learning framework TensorFlow show that the classification accuracy of this algorithm is high， and the comprehensive recognition rate of five kinds of motion states such as static， walking， jogging， up and down stairs， and cycling is 88.18%.

關(guān)鍵詞：人體行為識別;Softmax回歸分類;加速度傳感器

Key words： human behavior recognition;Softmax regression classification;acceleration sensor

中圖分類號：TN911.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0239-02

0? 引言

人體運動狀態(tài)識別系統(tǒng)通過各類傳感器實時獲取人體的運動數(shù)據(jù)，然后運用算法分析對運動狀態(tài)進(jìn)行分類識別，從而判斷出人體當(dāng)前的運動狀態(tài)。人體運動狀態(tài)識別可以用于老人或病人的監(jiān)護(hù)、智能家居等系統(tǒng)。如在智能家居領(lǐng)域，可以通過分析處理傳感器獲取的數(shù)據(jù)，對人體進(jìn)行跌倒檢測。之前國內(nèi)外對人體運動狀態(tài)的識別主要是通過可穿戴式設(shè)備采集相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但穿戴這些設(shè)備會導(dǎo)致人體運動不便。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)內(nèi)置了加速度、陀螺儀、光、磁場、氣壓等傳感器可以采集手機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過采集手機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)可以對人體的運動狀態(tài)進(jìn)行分析識別。與傳統(tǒng)的可穿戴式設(shè)備相比，采用智能手機(jī)進(jìn)行人體運動狀態(tài)識別具有便捷性的優(yōu)點。

常用的人體運動狀態(tài)識別分類算法有Kmeans聚類、支持向量機(jī)SVM、隱馬爾可夫模型HMM、決策樹、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN等等。

1? Softmax回歸分類

Softmax回歸分類算法是Logistic回歸分類算法在多分類問題上的推廣。在多分類問題中，分類標(biāo)簽可以取兩個以上的值。Softmax回歸分類算法對手寫數(shù)字分類等問題有很好的效果，如MNIST手寫數(shù)字的識別正確率可達(dá)92%。

該算法的原理如下：將可以判別為某類的特征相加，然后將這些特征轉(zhuǎn)化為判定為屬于這一類的概率。這些特征可以表示成下式：

式中i代表第i類，j表示第j個屬性，bi是偏置。

然后對所有特征計算softmax，即計算一個指數(shù)函數(shù)，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使得所有類別輸出的概率值的和為1。

其中判定為第i類的概率由下式得到。

特征的值越大的類，輸出的概率也越大;反之，特征的值越小的類，輸出的概率也越小。最后取輸出概率最大的類標(biāo)簽作為該條數(shù)據(jù)的類標(biāo)簽。

2? 算法及流程

2.1 原始數(shù)據(jù)集

本文研究人體靜止、走路、跑步、上下樓梯、騎自行車等狀態(tài)的識別，本實驗選取了5名實驗者進(jìn)行實驗，實驗手機(jī)為華為Mate9型號，采集手機(jī)的加速度傳感器數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)為人體各種運動狀態(tài)下Android智能手機(jī)加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過人工方式對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行類別標(biāo)注，如靜止設(shè)為0，走路設(shè)為1，跑步設(shè)為2等等。由于人體運動的頻率較低，一般小于10Hz，所以擬將傳感器的采集頻率設(shè)為20Hz，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，可以保證采樣得到的數(shù)據(jù)完整保留了人體運動中原有的信息。但通過后續(xù)實驗發(fā)現(xiàn)采用20Hz的頻率時，實驗效果不好，因此最終將數(shù)據(jù)的采樣頻率設(shè)為50Hz，原始數(shù)據(jù)為手機(jī)傳感器在0.02s內(nèi)采集到的x、y、z三個方向的加速度信息，即原始數(shù)據(jù)為具有3維特征的數(shù)據(jù)集，每條數(shù)據(jù)對應(yīng)一種人體運動狀態(tài)（即類別），如走路、上樓梯、跑步等運動狀態(tài)，用one-hot編碼表示。

圖1和2分別是走路與跑步時采集的加速度傳感器在三軸方向上的原始數(shù)據(jù)波形圖。從加速度波形圖可以看出，雖然數(shù)據(jù)比較混亂，但三個維度的數(shù)據(jù)變化還是大致呈現(xiàn)規(guī)律性的周期變化。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為充分挖掘運動狀態(tài)信息，通過滑動窗口技術(shù)進(jìn)行特征提取，將每秒時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)作為一個樣本，即滑動窗口的長度為1秒。因為采樣頻率設(shè)為50Hz，因此每秒采集的數(shù)據(jù)有50條，維數(shù)為3*50=150維;同時為了獲取人體運動狀態(tài)的變化信息，將采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行增量計算，計算每次采集到的加速度數(shù)據(jù)與上一次采集到的加速度數(shù)據(jù)的差值，并將差值放大10倍，類似，每秒獲得的增量數(shù)據(jù)有50條，維數(shù)為3*50=150維，因此通過預(yù)處理之后得到的數(shù)據(jù)維數(shù)為300。

2.3 處理流程

將經(jīng)過預(yù)處理過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tensorflow深度學(xué)習(xí)框架進(jìn)行處理。初始化模型中的權(quán)值shape為[300，5]，其中300表示特征的維數(shù)，5表示要識別分類的類別數(shù)。

為了訓(xùn)練模型，需要定義一個損失函數(shù)來描述模型對人體行為狀態(tài)分類的精度，在此采用交叉熵作為損失函數(shù)，交叉熵的定義如下：

其中y'是真實的概率分布，y是預(yù)測的概率分布。

接下來采用隨機(jī)梯度下降方法進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)置學(xué)習(xí)速率為0.01，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)為交叉熵cross_entropy。迭代執(zhí)行訓(xùn)練操作，每次只使用一小部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)梯度下降，隨機(jī)從訓(xùn)練集中抽取100條作為一個mini-batch，并feed給placeholder，然后進(jìn)行訓(xùn)練，這種方法比采用全樣本進(jìn)行訓(xùn)練的收斂速度要快，迭代次數(shù)為5000次。

完成訓(xùn)練后就可以對模型的準(zhǔn)確率進(jìn)行驗證，求出各種預(yù)測的人體行為狀態(tài)中概率最大的那一個，然后與實際的人體行為狀態(tài)標(biāo)簽相比較，如果一致則判別正確，否則判別錯誤。將測試數(shù)據(jù)的特征和標(biāo)簽輸入評測流程accuracy，計算模型中在測試數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確率。

整個處理流程采用Tensorboard工具顯示出來如圖3所示。

3? 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)集

實驗數(shù)據(jù)由5名用戶采用華為Mate 9的Android手機(jī)采集的三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)的采樣頻率為50Hz，采集的數(shù)據(jù)分為靜止、行走、慢跑、上下樓梯、騎自行車等五個日常行為動作。采集的數(shù)據(jù)一共有54250條，其中47350條作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，6900條作為測試數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結(jié)果

通過對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練生成模型，在測試數(shù)據(jù)集上用生成的模型進(jìn)行測試，得到靜止、走路、跑步、上下樓梯和騎自行車等五種人體行為狀態(tài)的綜合分類精度為88.18%。但如果將上、下樓梯這兩種狀態(tài)單獨分開進(jìn)行判別，判別效果不佳，僅比隨機(jī)猜測略好。與常用的人體運動狀態(tài)識別分類算法相比，此方法計算量較小，處理速度快，分類精度較高。

4? 結(jié)束語

本文提出了采用Softmax回歸分類算法對人體運動狀態(tài)進(jìn)行識別，可實現(xiàn)對靜止、走路、跑步、上下樓梯和騎自行車等狀態(tài)的識別，實驗結(jié)果可以看出雖然算法可以看作一個沒有隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但其判別效果良好，分類精度可達(dá)88.18%，但對上、下樓梯這兩種狀態(tài)判別效果不佳，后續(xù)可以增加陀螺儀、氣壓傳感器等特征信息來對上、下樓梯兩種狀態(tài)進(jìn)行識別。

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