行走的秘密

宣成

因人而異的步態

在形容一個人具有威武雄壯的氣概時，我們經常用“龍驤虎步”這個成語，意思是他行走時像老虎一樣。當我們形容一個人行走緩慢時，會用“鵝行鴨步”這個成語。這說明雖然行走是人類的基本功能之一，但不同的人有不同的行走方式。也許這就是為什么步態（行走的姿態）——以及它們所傳達的信息——如此吸引人的原因。在行走時，我們將一只腳放在另一只腳的前面，帶動身體運動，這需要全身幾十塊肌肉一起工作。這些微妙的肌肉彎曲和拉伸模式非常獨特，以至于研究步態的科學家相信，它們就像人們的指紋一樣獨一無二。

古希臘哲學家亞里士多德是最早關注行走姿態的人之一，但沒有人比19世紀的法國小說家巴爾扎克更癡迷于這一話題。在他的書中，他經常將人物的行走方式與他們的個性、社會地位和職業聯系起來。

巴爾扎克還對步態進行了第一次嚴肅的研究。他的行走理論發表于近200年前，其研究基礎是觀察人們在巴黎街頭走路的樣子。他說道：“水手們平時要應付船舶的晃動，所以他們走起路來是兩腿分開的。

步態分析技術

步態分析現在已經發展成為一種學術研究，并正在產生實際應用。最先發現其應用潛力的是刑事調查人員，他們讓步態專家分析閉路電視錄像中嫌疑人的行走方式來鎖定嫌疑人。

最近，計算機視覺技術的進步使步態分析研究取得了長足的進展，該方法使用精確成像技術來測量眼睛無法察覺的細節。一些步態科學家會記錄特定的生物力學測量數據，比如踝關節旋轉的距離或者膝蓋彎曲時大小腿的夾角，然后通過計算機進行分析和比較。德國基爾大學的塞巴斯蒂安·海因策爾說：“每個人都有獨特的步態模式，這意味著它們可以被識別。”

加拿大的步態識別研究員帕特里克·康納說：“早期步態識別研究的最大突破之一就是意識到可以通過輪廓來識別一個人。”他指的是步態能量成像，即拍攝一個人行走時的一系列快照（通常從側面拍攝），然后將它們合并成一張單獨的照片。“在照片中，頭部和軀干都在同一個地方，你會看到胳膊和腿的模糊運動。”康納說。

步態分析的結果可靠嗎？步態研究人員稱，如果一個系統能夠根據步態正確識別90%的志愿者，那么它就是“有效”的。2017年，葡萄牙的計算機科學家聲稱，他們可以通過人們的影子識別出從攝像頭下方走過的人。這可能意味著將來使用無人機就可以進行隱蔽的步態分析。

步態分析與人臉識別

現在，步態分析技術日益熱門起來，交通運輸公司想用它來識別乘客，醫生想用它來發現關于疾病的早期線索。但這項技術足夠可靠嗎？它是朝著正確的方向邁出了一步還是對我們生物特征隱私的又一次令人擔憂的侵犯？

這可能讓人們想到人臉識別技術，在許多國家，這種技術正在被廣泛用于在人們不知情的情況下對他們進行識別。相對人臉識別，步態分析可能是一個更強大的工具，因為它可以處理低分辨率的圖片，而且比人臉識別系統更難以規避，即使你戴上頭套或面具都不管用。

英國生物識別專家保羅·懷爾斯指出，人們向社交媒體上傳了很多視頻片段，在這些視頻中，人臉很難識別，但步態很容易辨認。他表示，英國警方準備將步態分析與人臉識別結合起來，以更好地利用這類視頻。

步態分析目前的應用還遠沒有人臉識別那么廣泛。這主要是因為它需要一系列連續的照片，涵蓋行走的七個階段，顯示每條腿的移動和抬起。處理這些圖像需要龐大的計算量，而大多數步態分析系統都沒有足夠的計算量來實時工作。這也是步態分析系統目前對警察幫助有限的原因：在執法中使用該系統的一個關鍵要求是，該系統能夠足夠快地識別出他們想要逮捕的人。

2020年，我國的人工智能企業銀河水滴公司宣布推出世界首款“智能步態人臉雙目抓拍機”，搭載步態識別及人臉識別兩個深度學習算法，支持步態、人臉雙抓拍。

不過，也有人對步態分析技術的應用表達了擔憂。懷爾斯說，警察和其他人對步態分析的使用可能需要受到新的立法控制或限制。這種生物特征分析在倫理上是有問題的，因為它可以在個人不知情或未經個人同意的情況下進行。懷爾斯表示，他傾向于讓各國政府制定框架，列出使用步態和其他生物識別技術的廣泛原則。

步態分析的應用場景

步態識別也有適合自己的應用場景，以機場安檢為例，它需要進行快速、準確的識別，步態識別可以簡化整個過程。

如果人們配合識別過程的話，就不需要像步態能量成像那樣費力地量輪廓。人們可以佩戴傳感器，以反饋他們的動作的精確信息。意大利羅馬大學的計算機科學家瑪麗亞利用這種方法，通過智能手機內的加速度計發送的信息來識別人，因為當人們行走時，智能手機在他們的手上或口袋里來回晃動。她的團隊已經制造了一個智能門，它安裝了步態識別系統，當它識別到具有進入權限的人接近時，就會自動打開。

原則上，這種方式比停下來掃描虹膜或指紋要方便得多。美國萬事達卡公司表示，它正在與運輸公司合作，研究如何在乘客接近檢票口時，利用步態分析對其進行身份驗證。

最近，人們對使用步態分析來跟蹤人們的健康越來越感興趣。海因策爾使用安裝在帕金森病患者下背部的傳感器來分析他們的行走動作。人們行走的視頻已經被用于發現肌肉的問題，但海因策爾希望利用這項技術來診斷疾病，跟蹤身體退化過程，并評估藥物的療效。

雖然這些應用現在還處于早期階段，但海因策爾說這種方法也可以用來預示其他疾病的發作。他說：“當你出現輕度認知障礙或患有多發性硬化癥等疾病時，你的行走方式可能會發生變化。”如果及早發現這些癥狀，患者就可以得到更好的治療，也意味著能有更好的預后。

準確地知道你如何行走也可以幫助你更好地走路。美國南佛羅里達大學的生物力學專家凱爾·里德使用了與電影《阿凡達》相同的身體傳感技術和攝像機，來檢測中風患者受損的步態。他說，這有助于改善患者的康復項目，因為這項技術能夠捕捉物理治療師看不到的信息。

巴爾扎克沒有預見到，他在巴黎的人行道上所觀察到的現象，可能有一天會提供一種識別地球上近80億人的方法。要是他活著聽到這件事的話，也許他走路會更趾高氣揚些。

（摘自《科學畫報》2021年第3期）