1.步態(tài)分析的技術(shù)分類

　　目前，主流的狀態(tài)分析技術(shù)主要有以下幾種:基于計(jì)算機(jī)視覺的人體步態(tài)捕捉與分析、基于慣性傳感器的人體步態(tài)捕捉與分析、基于無線信號(hào)的人體步態(tài)捕捉與分析。基于計(jì)算機(jī)視覺的人體步態(tài)捕捉包括紅外攝像機(jī)、基于三維深度攝像機(jī)的2D攝像機(jī)等。上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)路線也是基于機(jī)械步態(tài)捕捉。其他動(dòng)作捕捉軟件基于電磁步態(tài)捕捉的技術(shù)路線。

　　1.1基于紅外攝像機(jī)的光學(xué)步態(tài)捕捉

　　經(jīng)過幾十年的持續(xù)發(fā)展，紅外光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)視覺的原理。紅外攝像機(jī)的光學(xué)步態(tài)捕捉主要分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種。被動(dòng)方式是在人體關(guān)鍵部位貼上反光標(biāo)志，主動(dòng)方式是在人體主要部位佩戴能發(fā)射紅外線的主動(dòng)攝像頭。本節(jié)主要描述被動(dòng)光學(xué)步態(tài)捕捉。在人體的主要骨骼和關(guān)節(jié)上粘貼反射標(biāo)記，利用架設(shè)的紅外攝像機(jī)跟蹤反射標(biāo)記，然后計(jì)算反射標(biāo)記在空間的絕對(duì)位置。

　　基于紅外相機(jī)的光學(xué)gait動(dòng)作捕捉系統(tǒng)技術(shù)成熟度高，采樣頻率高，數(shù)據(jù)處理速度快。主要缺點(diǎn)是對(duì)光特別敏感，不能在光線變化大的環(huán)境中使用，周圍不能有類似光學(xué)標(biāo)記物的物體或光斑。所以光學(xué)步態(tài)捕捉一般只在室內(nèi)使用。由于攝像頭的視角有限，人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的一些標(biāo)記點(diǎn)容易被其他物體和自己遮擋，導(dǎo)致被遮擋部分的數(shù)據(jù)丟失。后期處理工作量大，且由于數(shù)據(jù)量大，需要處理丟幀、跳幀等問題，后期處理時(shí)間長(zhǎng)。缺點(diǎn)是需要架設(shè)攝像頭，一般架設(shè)在鋼架結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致使用場(chǎng)景一般固定，難以移動(dòng)。一般場(chǎng)景至少需要6個(gè)攝像頭。如果需要跟蹤更大的場(chǎng)景，需要幾十個(gè)攝像頭，單個(gè)攝像頭非常昂貴。比如維康公司生產(chǎn)的單個(gè)攝像頭價(jià)格高達(dá)10萬元，導(dǎo)致紅外光學(xué)步態(tài)捕捉或在科研中的應(yīng)用，無法進(jìn)入大眾。

　　2.動(dòng)作捕捉基于3D深度相機(jī)

　　3D隨著深度相機(jī)技術(shù)的成熟，許多研究者開始研究基于深度相機(jī)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[5][6]。3D相機(jī)和2D相機(jī)的區(qū)別在于，除了平面圖像，還可以獲得深度信息。目前，深度技術(shù)廣泛應(yīng)用于人體步態(tài)識(shí)別、三維重建等領(lǐng)域，如SLAM。目前主流3D深度相機(jī)的技術(shù)路線包括:(1)雙目立體視覺；(2)飛行時(shí)間；(3)結(jié)構(gòu)光技術(shù)等。

　　雙目立體視覺使用兩個(gè)2D平面相機(jī)。兩個(gè)平面相機(jī)從兩個(gè)圖像獲得兩個(gè)圖像以計(jì)算深度信息。飛行時(shí)間是雷達(dá)芯片發(fā)射的紅外激光散射、照射物體，然后反射回雷達(dá)芯片的時(shí)間。因?yàn)橐阎馑俸鸵阎l(fā)射，相機(jī)和物體之間的距離被測(cè)量。結(jié)構(gòu)光是由照相機(jī)發(fā)出的特定圖案。當(dāng)對(duì)象反射回該圖案時(shí)，深度相機(jī)再次接收該圖案，并且通過比較發(fā)送的圖案和接收的圖案來測(cè)量相機(jī)和對(duì)象之間的深度信息。

　　輕方案引入了Kinect，廣泛應(yīng)用于體感交互、人體骨骼識(shí)別、步態(tài)科技等領(lǐng)域。

　　基本原理是先找到圖像中的運(yùn)動(dòng)物體，然后評(píng)估運(yùn)動(dòng)物體的深度，識(shí)別出人體的部位，再從背景環(huán)境中分割出來。分割后，要做的工作是模式匹配，它與骨骼系統(tǒng)光學(xué)匹配。

　　光

　　光學(xué)動(dòng)作捕捉算法流程圖

　　3.以上三種方案D深度相機(jī)方案多用于娛樂，如面部識(shí)別解鎖、人機(jī)交互等。由于探測(cè)距離短，很難在大空間使用。目前，深度相機(jī)芯片正在基于3D不斷研究和改進(jìn)。其硬件芯片仍是目前的難點(diǎn)之一，其次是算法的復(fù)雜度。大量的圖像計(jì)算對(duì)硬件主控芯片的計(jì)算能力要求很高。由于目前的電池技術(shù)，單個(gè)傳感器的工作時(shí)間相對(duì)較短。它的優(yōu)點(diǎn)是用戶不需要佩戴任何傳感器和貼標(biāo)志點(diǎn)?；贙inect的人體下肢骨骼識(shí)別

　　2D相機(jī)動(dòng)作捕捉

　　利用2D相機(jī)捕捉三維運(yùn)動(dòng)軌跡是當(dāng)前的前沿技術(shù)研究。2D相機(jī)是一種沒有深度信息的平面相機(jī)。目前基于2D相機(jī)的動(dòng)作捕捉主要利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)突出稀疏2D人體姿態(tài)檢測(cè)原理。然而，這種姿態(tài)捕捉捕獲方案需要長(zhǎng)時(shí)間操作，不適合實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)分析，并且輸出精度低。2D目前攝像機(jī)的動(dòng)作捕捉可以捕捉人體的局部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，需要采集大量的數(shù)據(jù)樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。2D相機(jī)對(duì)深度信息的預(yù)測(cè)是有偏差的，任何錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)都會(huì)導(dǎo)致偏差大，穩(wěn)定性差。最大的挑戰(zhàn)是相機(jī)的屏蔽和快速移動(dòng)，2D相機(jī)很難跟蹤。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何衣服，需要一個(gè)觸手可及的2D相機(jī)，成本極低。對(duì)于熱門應(yīng)用來說是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　3.基于MEMS慣性傳感器的慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)

　　基于MEMS慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、生物醫(yī)學(xué)工程和康復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域。因?yàn)樗鼈凅w積小，重量輕，價(jià)格合理。

　　Inertia動(dòng)作捕捉system主要是將慣性傳感器綁定在人體的主要骨骼上，如腳、小腿、大腿等，實(shí)時(shí)測(cè)量每個(gè)骨骼的轉(zhuǎn)動(dòng)，利用正向和反向運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)推導(dǎo)計(jì)算出整個(gè)人體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于它是一個(gè)被動(dòng)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，不需要任何外界信息，即不受外界環(huán)境的干擾。缺點(diǎn)是慣性傳感器常見的累積漂移會(huì)使慣性系統(tǒng)無法精確測(cè)量運(yùn)動(dòng)位移。

　　慣性傳感器主要有加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)。加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)大多采用MEMS，所以稱為MEMS慣性傳感器。三軸加速度計(jì)可以測(cè)量載體在三個(gè)軸上的加速度，也就是一個(gè)矢量，我們也可以通過加速度計(jì)算出載體靜止時(shí)的傾角。三軸陀螺儀通過對(duì)角速度進(jìn)行積分，可以測(cè)量載體在三個(gè)軸上的角速度。三軸磁力儀可以測(cè)量周圍磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及與地球磁場(chǎng)的夾角。我們可以通過整合加速度、角速度和磁值的數(shù)據(jù)來精確地旋轉(zhuǎn)載體。積分?jǐn)?shù)據(jù)通常用四元數(shù)或歐拉角表示。歐拉角等四元數(shù)形式包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角。在獲得載體的旋轉(zhuǎn)之后，擬合每個(gè)骨骼的運(yùn)動(dòng)，以計(jì)算佩戴部件的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)?？梢酝ㄟ^加速度和角速度的積分來測(cè)量佩戴者的步速、步幅、步長(zhǎng)等參數(shù)。世界著名的MEMS慣性動(dòng)作捕捉國(guó)外荷蘭Xsens，國(guó)內(nèi)的等等。

　　姿態(tài)分析基于MEMSinertial動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的步態(tài)分析有很大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在inertial動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用MEMS芯片，成本低。每個(gè)芯片只需要10元左右，整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格上萬元。由于慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是一個(gè)被動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的重量在幾公斤的范圍內(nèi)，這使得它可以方便地隨身攜帶，而無需安裝復(fù)雜的攝像頭。慣性傳感器只需啟動(dòng)即可使用，無需復(fù)雜的標(biāo)定、校準(zhǔn)等操作步驟，使用起來非常方便。Inertia動(dòng)作捕捉system不受使用環(huán)境影響，室內(nèi)室外均可正常使用。然而，MEMS傳感器與optical動(dòng)作捕捉system相比，精度較低，但已經(jīng)完全滿足了大眾的需求。隨著時(shí)間的推移，MEMS陀螺儀出現(xiàn)零偏，積分累積誤差會(huì)隨著動(dòng)態(tài)情況而漂移。在MEMS的不同狀態(tài)下，特別是在高動(dòng)態(tài)下，加速度計(jì)也存在誤差。強(qiáng)磁環(huán)境容易干擾磁力儀。但是算法可以補(bǔ)償這一系列的誤差。補(bǔ)償后的MEMS慣性傳感器靜態(tài)精度一般可以達(dá)到:俯仰角/滾轉(zhuǎn)角≤0.2°，偏航角≤1°；動(dòng)態(tài)精度:俯仰角/滾轉(zhuǎn)角≤0.5°，偏航角≤2°，步態(tài)位移誤差可達(dá)5%。滿足了步態(tài)參數(shù)計(jì)算的精度要求。

　　4.其他技術(shù)路線

　　機(jī)械運(yùn)動(dòng)捕捉依靠佩戴在人體內(nèi)的機(jī)械裝置來測(cè)量關(guān)節(jié)的角度和位移。人類的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)。傳感器可以從機(jī)械裝置的角度知道運(yùn)動(dòng)角度，根據(jù)角度和機(jī)械部分的長(zhǎng)度計(jì)算出運(yùn)動(dòng)位移。這項(xiàng)技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量，機(jī)械運(yùn)動(dòng)捕捉早已退出步態(tài)分析的主流。然而，使用機(jī)械外骨骼