異常步態(tài)分析方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種異常步態(tài)分析方法及系統(tǒng)，所述方法包括：S1.跟蹤運(yùn)動人體目標(biāo)，并判斷連續(xù)三步是否在一條直線上；若連續(xù)三步在一條直線上，則跳入步驟S2；否則，重復(fù)本步驟，直至行進(jìn)的連續(xù)三步在一條直線上；S2.記錄一條直線上的連續(xù)三步在圖像中的觀測距離，并計(jì)算相鄰兩步的觀測步長之比；S3.假設(shè)行進(jìn)中單側(cè)腿的步長基本保持一致，計(jì)算第二步的實(shí)際步長與第一步的實(shí)際步長之比；S4.對被監(jiān)護(hù)對象的相鄰步長比做聚類統(tǒng)計(jì)，并將被監(jiān)護(hù)對象的實(shí)時相鄰步長比與聚類中心進(jìn)行對比。本發(fā)明中只需被監(jiān)護(hù)人員連續(xù)三步在一條直線上即可適用，對攝像機(jī)的拍攝方向無任何要求和限制，可以很好的滿足日常居家生活監(jiān)護(hù)的需求。
【專利說明】異常步態(tài)分析方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種異常步態(tài)分析方法及系統(tǒng)，屬于視頻處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著人口老齡化不斷加劇、亞健康人群日趨增多以及人們醫(yī)療保健意識 逐步提高，人們對養(yǎng)老監(jiān)護(hù)、慢性病監(jiān)護(hù)、亞健康監(jiān)護(hù)和意外急救等需求越來越迫切，利用 先進(jìn)技術(shù)對人體的健康狀況進(jìn)行智能地監(jiān)護(hù)分析開始成為世界范圍的關(guān)注熱點(diǎn)。步態(tài)作 為反映人體健康狀況和行為能力的重要特征，在醫(yī)療診斷、疾病預(yù)防等臨床研究中備受關(guān) 注。目前，步態(tài)的分析檢查大多依賴于專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員，主要通過觀察在指定路線上完成指 定行走動作的情況對行走能力進(jìn)行評估。這種分析評估方式具有主觀性，并由于僅對短時 行為進(jìn)行觀察易導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確，同時，這種步態(tài)分析方法不能滿足養(yǎng)老監(jiān)護(hù)、慢性病 監(jiān)護(hù)中對實(shí)時監(jiān)護(hù)分析的需求。為了能在日常居家活動中實(shí)時捕捉自然、真實(shí)的行走步態(tài) 特征，人們開始研究適用于日常居家生活的步態(tài)監(jiān)測方法。目前，已有通過攜帶三軸加速度 計(jì)、慣性陀螺儀等傳感器來監(jiān)測步態(tài)、感知步態(tài)平穩(wěn)性的異常步態(tài)監(jiān)護(hù)方式，但攜帶傳感器 不僅會影響對象的正常生活，同時還會影響對象的正常步行狀態(tài)，因此并不適用于在養(yǎng)老 監(jiān)護(hù)、慢性病監(jiān)護(hù)中廣泛推廣。
[0003] 計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展和視頻采集設(shè)備的日漸普及都使得借助視頻 對行走步態(tài)進(jìn)行非接觸式智能監(jiān)護(hù)具備廣泛的普適性、可行性。美國密蘇里大學(xué)研究人員 研究了聯(lián)合使用標(biāo)定后的多攝像機(jī)進(jìn)行步態(tài)監(jiān)測的方案，但是基于多攝像機(jī)的監(jiān)護(hù)方式不 僅導(dǎo)致攝像機(jī)利用率低，同時由于布局布線復(fù)雜、設(shè)備價格昂貴，因而并不容易在家庭監(jiān)護(hù) 中得到廣泛推廣。因此，考慮到系統(tǒng)部署的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性，基于單攝像機(jī)的步態(tài)監(jiān)測更適 用于居家監(jiān)護(hù)環(huán)境?；趩螖z像機(jī)的步態(tài)分析方法中大多采用步速、步長等絕對步態(tài)參數(shù) 來進(jìn)行分析，然而這些絕對步態(tài)參數(shù)在日常居家活動中常會由于行走目的的不同而在同一 個體身上產(chǎn)生差異，比如一個人急著取東西時步速較快、步長較大，而悠閑踱步時步速將變 慢、步長也會相應(yīng)縮小，因而在活動非常隨意的日常居家監(jiān)護(hù)中根據(jù)步速、步長等絕對步態(tài) 參數(shù)判斷行走步態(tài)異常極易產(chǎn)生誤判。
[0004] 文獻(xiàn) K. K. Patterson, W. H. Gage, D. Brooks, et. al. "Evaluation of gait symmetry after stroke:A comparison of current methods and reconmmendations for standardization, " Gait &Postrue, 31，（2010)，241-246 及 E.Auvinet, F. Multon，J. Meunier, "Lower limb movement asymmetry measurement with a depth camera,，'34th Annual International Conference of the IEEE EMBS, 2012, 6793-6796 表明-相鄰 步長比這一相對步態(tài)參數(shù)在應(yīng)對日常居家隨意行走時具有一定的穩(wěn)定性，不會像行走的步 速、步長等絕對步態(tài)參數(shù)那樣多變，同時，相鄰步長比的變化能夠反映步伐的穩(wěn)定性、對稱 性以及下肢肌力或支撐足承重能力的變化等，因而更有利于對監(jiān)護(hù)對象行為能力的客觀表 征和異常判斷。但是以上現(xiàn)有的相鄰步長技術(shù)（先提取絕對步態(tài)參數(shù)，再做比值或差值） 僅僅適用于攝像機(jī)拍攝方向與行走方向垂直的情況，對行走的方向或路徑要求嚴(yán)格，人必 須按照指定的路徑行走，而且攝像機(jī)的工作狀態(tài)也較混亂，無法準(zhǔn)確的判斷什么時候開始 工作，什么時候結(jié)束工作，什么時候測得的數(shù)據(jù)屬于與行走方向垂直情況下的數(shù)據(jù)，什么時 候測得的是無效數(shù)據(jù)，因而上述方法并不能很好的適應(yīng)日常居家生活中對任意行走步態(tài)的 監(jiān)護(hù)需求，獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果，也不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時的異常步態(tài)監(jiān)測分析。因此當(dāng)前急需一種 更具普適性的滿足日常居家生活監(jiān)護(hù)的異常步態(tài)分析技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，提供一種異常步態(tài)分析方法及系統(tǒng)，它可以有效解決現(xiàn)有技 術(shù)中存在的問題，尤其是現(xiàn)有的異常步態(tài)分析方法僅僅適用于攝像機(jī)拍攝方向與行走方向 垂直的情況，對行走的方向或路徑要求嚴(yán)格，導(dǎo)致攝像機(jī)的工作狀態(tài)較混亂，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時 的異常步態(tài)監(jiān)測分析，也無法滿足日常居家生活監(jiān)護(hù)需求的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種異常步態(tài)分析方法，包括 以下步驟：
[0007] S1.跟蹤運(yùn)動人體目標(biāo)，并判斷連續(xù)三步是否在一條直線上；若連續(xù)三步在一條 直線上，則跳入步驟S2 ;否則，重復(fù)本步驟，直至行進(jìn)的連續(xù)三步在一條直線上；
[0008]S2.記錄一條直線上的連續(xù)三步在圖像中的觀測距離（即連續(xù)三步的觀測步長）， 分別記為

【權(quán)利要求】
1. 一種異常步態(tài)分析方法，其特征在于，包括以下步驟：
51. 跟蹤運(yùn)動人體目標(biāo)，并判斷連續(xù)三步是否在一條直線上；若連續(xù)三步在一條直線 上，則跳入步驟S2 ;否則，重復(fù)本步驟，直至行進(jìn)的連續(xù)三步在一條直線上；
52. 記錄一條直線上的連續(xù)三步在圖像中的觀測距離，分別記為 <bs_d、，并計(jì)算相鄰兩步的觀測步長之比，即第一步觀測步長與第二步 觀測步長之比A、第二步觀測步長與第三步觀測步長之比B分別為：
53. 假設(shè)行進(jìn)中單側(cè)腿的步長基本保持一致，即if31 ，計(jì)算第二步的實(shí)際步長 i^al與第一步的實(shí)際步長If31之比為：
54. 對被監(jiān)護(hù)對象的相鄰步長比做聚類統(tǒng)計(jì)，并將被監(jiān)護(hù)對象的實(shí)時相鄰步長比與該 聚類結(jié)果的聚類中心進(jìn)行對比。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，步驟S1中所述的跟蹤運(yùn)動 人體目標(biāo)，并判斷連續(xù)三步是否在一條直線上包括以下步驟：
511. 跟蹤人體運(yùn)動目標(biāo)，并獲取人體剪影；
512. 獲取人體剪影的骨架，并在圖像中對人體雙腳進(jìn)行定位；
513. 計(jì)算雙腳在圖像中的距離，當(dāng)雙腳距離隨時間的曲線出現(xiàn)三次極大值時，則記為 行走三步；
514. 判斷人體在行走三步的時間范圍里運(yùn)動軌跡是否為直線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，步驟S11中，采用 Meanshift算法跟蹤人體運(yùn)動目標(biāo)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，步驟SI 1中，采用ViBe目標(biāo) 檢測方法獲取人體剪影。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，步驟S12中，利用Zhang并 行細(xì)化算法獲取人體剪影的骨架。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，步驟S12中，采用凸點(diǎn)檢測 方法對人體雙腳進(jìn)行定位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，所述的采用凸點(diǎn)檢測方法 對人體雙腳進(jìn)行定位包括以下步驟： 對人體剪影由下至上的25%的區(qū)域進(jìn)行凸點(diǎn)檢測； 將每一類的聚類中心看作一只腳，對檢測到的凸點(diǎn)進(jìn)行二類聚類分析。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，采用非監(jiān)督學(xué)習(xí)的聚類分 析方法對檢測到的位于腳部的凸點(diǎn)進(jìn)行二類聚類分析。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異常步態(tài)分析方法，其特征在于，步驟S4中，對被監(jiān)護(hù)對象的 相鄰步長比做聚類統(tǒng)計(jì)包括：經(jīng)過多次對直線上連續(xù)行走進(jìn)行觀察，利用K-mean聚類分析 方法對被監(jiān)護(hù)對象的相鄰步長比做聚類統(tǒng)計(jì)。
10.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1?9所述方法的異常步態(tài)分析系統(tǒng)，其特征在于，包括： 檢測跟蹤模塊：用于跟蹤運(yùn)動人體目標(biāo)，并判斷連續(xù)三步是否在一條直線上；若連續(xù) 三步在一條直線上，則進(jìn)行下個步驟；否則，重復(fù)本步驟，直至行進(jìn)的連續(xù)三步在一條直線 上； 步態(tài)參數(shù)提取模塊：用于記錄一條直線上的連續(xù)三步在圖像中的觀測距離，分別記為 gbs_d、gww、攻bs_d，并計(jì)算相鄰兩步的觀測步長之比，即第一步觀測步長與第二步 觀測步長之比A、第二步觀測步長與第三步觀測步長之比B分別為： a _ 廠 Observed / 尸 Observed /J - L>| I 匕、 t ^ _ 上Observed,上Observed . 步長比計(jì)算模塊：用于假設(shè)行進(jìn)中單側(cè)腿的步長基本保持一致，即Zfal aZf1，計(jì)算第 二步的實(shí)際步長與第一步的實(shí)際步長之比為：
異常步態(tài)分析模塊：用于對被監(jiān)護(hù)對象的相鄰步長比做聚類統(tǒng)計(jì)，并將被監(jiān)護(hù)對象的 實(shí)時相鄰步長比與該聚類結(jié)果的聚類中心進(jìn)行對比。
【文檔編號】G06T7/20GK104346606SQ201410598320
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】才溪, 韓光, 汪晉寬 申請人:東北大學(xué)