行走过程中的上肢摆动特征的稳定性与特定性研究

吕杰　王程炜　唐嘉健　程润　+孙梁　丁浩

【摘 要】监控视频资料在寻找作案人的行动轨迹方面发挥着越来越大的作用。但在监控视频资料中的人物影像模糊及作案人掩面或换穿衣着的情况下，利用面貌、衣着等细节特征则难以识别和追踪嫌疑人；近年来，利用人行走特征确定嫌疑人越来越受到关注。本文通过对人在行走过程中上肢摆动特征稳定性和对称性进行研究，为识别和确定嫌疑人提供理论依据。

【关键词】监控视频；上肢摆动特征；稳定性；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

监控视频资料在提供破案线索和审判证据方面发挥着越来越大的作用。然而在实际工作中，由于缺少理论支撑和科学方法以及视频资料质量等原因，使得视频资料的证据效能不高，提供线索不清晰。侦查人员从监控视频中获取嫌疑人的行走时间和空间特征时，由于监控视频的资料模糊、作案人掩面或换穿衣着的情况下，侦查人员在嫌疑人识别过程中将难以快速准确地找出目标，从而导致侦查活动受阻。

在对嫌疑人识别的过程中，运用行走特征进行分析具有可操作性。本文通过对人行走过程中上肢运动时腕部和肘部表现出的空间轨迹特征进行分析，进而对稳定性和特定性加以研究，科学地阐述行走过程中所表现出的规律，为利用行走特征识别和确定嫌疑人提供理论支撑。

1 实验方法和实验器材

1.1 实验目的

本文通过捕捉人行走过程中手腕部和肘部运动，利用时间、空间的对应关系，从两个角度加以研究：一是同一人特征的稳定性，二是该特征特定性。

1.2 实验原理

利用运动捕捉系统二个以上捕捉单元对某一点同时从不同角度进行捕捉，通过三维叠加计算出该点在空间中的三维坐标。当该点运动时，可分别记录下该点不同时刻的空间位置。再利用数理统计等方法对该点运动过程中的空间位置加以分析，从中找出相应规律。

1.3 实验方法

（1）确定测量空间：调节镜头方位、焦距；

（2）处理空间环境：除去空间杂物，修正镜头参数；

（3）标定摄像头：利用标定架，确定各镜头空间位置；

（4）建立数据库以及人体模型：测量人体参数，确定人体静态模型；

（5）测量数据：测量正常行走运动中一个行走周期以上的腕部和肘部空间时间数据，捕捉频率为100hz/s.对20位测试者分别测试20组数据。

1.4 实验器材

Vicon V1.3运动捕捉系统。

2 实验数据及分析

2.1 数据及初步分析

数据以表格形式展现，其中表1-1（left）为编号为1的实验者第一次测量左上肢的数据，表1-j（right）（1≤j≤20）为编号为1的实验者第j次测量的右上肢数据……表i-j（left）（1≤i≤20，1≤j≤20）为编号为i的实验者第j次测量的左上肢数据……因为数据较多，此处仅截取一部分，其它数值参照此表。

表i-j（left）

表i-j（right）

根据所测的数据，首先利用折线图对左、右臂的手腕和肘部运行的轨迹在空间X、Y、Z三个方向上（X为左右方向，Y為行进方向，Z竖直方向）分别加以描述。图1至图4。

2.2 稳定性分析

分别对同一人测量的20组每个点的X、Y、Z方向的数据进行稳定性分析。

对上述实验对象20组数据的汇总分析，如图5所示。

从图5可以看出，腕部在X方向上运动的过程中，运动的频率、周期、波峰、波谷等趋于一致，但整体上不具有稳定性所必须具备的条件。究其原因，主要是在数据采集的过程中，被实验者在行走的方向上不够稳定形成的。就稳定性而言，不可以从X方向对人的行走特征进行认定。

从图6可以看出，腕部在Y方向上运动的过程中，运动的频率、波峰、波谷、周期等趋于一致，整体上比X方向的稳定性有所增强，但在稳定性的描述中要注意两点：一是属于不同周期但为同一姿态时稳定性较高，二是实验过程中被实验者行走的路线是影响Y方向稳定

性的重要因素。就稳定性而言，从Y方向对人的行走特征进行认定可以作为参考。

从图7可以看出，腕部在Z方向上运动的过程中，运动的频率、波峰、波谷、周期等趋于一致，稳定性强。就稳定性而言，可以从Z方向对人的行走特征进行认定。

运用相同的研究方法，对被实验者的左手肘部、右手腕部、右手肘部进行研究，如左臂肘部（图8），得到相同的结论。

对其余19人运用相同的方法进行研究，发现同一人的左、右手的腕部，左、右臂的肘部，在X、Y、Z三个方向上的特性和第一人相似，具有一致性。表明腕部和肘部的运动特征在X方向上的稳定性很差，究其原因，主要和行走时行走的路径有关；在Y方向上稳定性比X方向上要好一些，在应用的过程中要注意动作的起点要一致；在Z方向上具有较强的稳定性，在对人身识别时可以应用。

2.3 特定性分析。

对20人同一位置点在X、Y、Z方向上分别比较，分析其特定性。

从图9可以看出，不同人右肘部Z方向的特征差异很大。结合前面所述，同一人该特征具有稳定性。可以推断，同一人行走过程中肘部在Z方向上的运动特征具有特定性；运用同样的方法，验证稳定性较强的腕部、肘部在Y、Z方向上不同人的运动特征具有特定性。

3 实验结论及不足

通过大量的数据分析，我们得出以下结论。在人的行走过程中上肢的肘部和腕部摆动在左右方向上由于行走时很难按照直线行走，故在现有条件下很难进行稳定性分析，特定性分析也就无从谈起；肘部和腕部摆动在行进方向上具有一定的稳定性和特定性，当对不同行走周期间特征比较时，注意姿态的一致性，否则，稳定性会比较差；肘部和腕部摆动在上下方向上具有很强的稳定性和特定性。

本文只是采集行走过程中上肢腕部和肘部的运动时的空间数据，特征点数量较少，不能完整地反应出人行走时的全部状（下转第6页）（上接第22页）态。对于数值的分析，目前也仅从空间的轨迹进行分析，还可以运用其它科学方法进行讨论。

4 小结

本文运用科学的手段和方法对人行走过程中的上肢运动特征的特定性和稳定性进行分析，一方面为科学分析人的行走姿态提供方法和途径；另一方面，也为侦查机关的视频资料的运用提供理论支撑。综合本文的研究过程，还可以从如下几个方面继续研究：

（1）研究運动过程中的速度、加速度等特征；

（2）研究两上肢运动的对称性；

（3）研究躯体其它点的运动特征；

（4）对不同点之间运动的相关性研究。

[责任编辑：朱丽娜]