計(jì)算機(jī)視覺(jué)摔跤檢測(cè)技術(shù)研究

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摘要：計(jì)算機(jī)視覺(jué)在生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是一門研究如何使機(jī)器“看”的科學(xué)。它是用攝影機(jī)或者電腦的攝像頭向目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、精準(zhǔn)測(cè)量和實(shí)時(shí)跟蹤，再對(duì)檢測(cè)到的圖片進(jìn)行圖形處理。本研究采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)RGB-D深度圖像技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控人體骨架信息，針對(duì)摔跤過(guò)程骨架變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)人體骨架節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心和肩膀中心進(jìn)行劃分、獲取、檢測(cè)和分析，構(gòu)建上身軀干運(yùn)動(dòng)模型。計(jì)算上身角度和質(zhì)心高度，當(dāng)上身角度在某時(shí)間內(nèi)變化率和質(zhì)心高度變化率均高于指定閾值，當(dāng)前行為即可被判斷為摔跤，當(dāng)檢測(cè)到摔跤后立即觸發(fā)報(bào)警。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué)；RGB-D；摔跤檢測(cè)；骨架信息

引言

摔跤雖然是生活中很少發(fā)生的事故，但是摔跤所帶來(lái)的傷害是不可忽略的。對(duì)于孩子來(lái)說(shuō)，骨骼未發(fā)育完全，摔跤所帶來(lái)的傷害可能會(huì)影響一生；對(duì)于老年人而言，摔跤帶來(lái)的傷害很難痊愈。然而，摔跤這一行為不可預(yù)防，隨時(shí)可能發(fā)生，不能預(yù)防不是代表任由摔跤事件發(fā)生，當(dāng)摔跤發(fā)生后很多人因?yàn)闆](méi)有及時(shí)的救治導(dǎo)致病情嚴(yán)重或者無(wú)法救治。因此檢測(cè)摔跤是十分重要的，檢測(cè)到摔跤行為觸發(fā)報(bào)警和聯(lián)系家人，非常適合于獨(dú)居老人生活現(xiàn)狀，摔跤檢測(cè)可以保障獨(dú)居老人的安全。因此，如何準(zhǔn)確檢測(cè)出摔跤非常重要。本研究是通過(guò)對(duì)人體摔跤過(guò)程中人體骨架信息的變化規(guī)律，采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的RGB—D技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)人體是否摔跤。當(dāng)前檢測(cè)摔跤的方法有環(huán)境檢測(cè)方法、可穿戴設(shè)備方法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法。環(huán)境檢測(cè)方法是將設(shè)備收集到的聲音或者震動(dòng)等方法來(lái)判斷是否發(fā)生摔跤行為[1-2]。但是環(huán)境是不可控的，當(dāng)周圍環(huán)境聲音過(guò)大會(huì)使檢測(cè)結(jié)果存在很大的誤差，或者摔跤時(shí)造成的聲音不大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)不到摔跤。并且使用環(huán)境設(shè)備時(shí)需對(duì)環(huán)境進(jìn)行部署?？纱┐髟O(shè)備是要將設(shè)備佩戴身上，儀器實(shí)時(shí)監(jiān)控身體進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征的提取等等。蘋果公司AppleWatch摔倒檢測(cè)功能[3]，檢測(cè)到摔跤時(shí)就會(huì)撥打急救電話。計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)方法是通過(guò)分析視頻流來(lái)判斷是否摔跤[4]。彌補(bǔ)和改善了以上兩種方法的缺陷，不需要隨身佩戴，只要在監(jiān)控的范圍內(nèi)就能檢測(cè)是否摔跤。

1基本原理

為了檢測(cè)出人體骨架，本文采用3D體感攝影機(jī)-Kinect傳感器，可以即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識(shí)，因此用來(lái)跟蹤人體骨架20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于大部分人來(lái)說(shuō)，身體的高矮胖瘦是不一致的，采用外觀的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷摔跤顯然存在很大的誤差。本文采用提取人體骨架的模式識(shí)別來(lái)判斷人體行為，彌補(bǔ)了檢測(cè)人體外觀行為帶來(lái)的誤差。當(dāng)人體站立的時(shí)候，Kinect傳感器會(huì)跟蹤人體骨架的20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，坐立時(shí)可以跟蹤10個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。嵌入式程序可以使Kinect估計(jì)未跟蹤的關(guān)節(jié)。本文采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)RGB-D深度圖像技術(shù)檢測(cè)出骨架與地面的距離，RGB-D是一副帶有色彩的深度圖像，該圖像記錄與視點(diǎn)的場(chǎng)景對(duì)象的表面的距離相關(guān)信息。該技術(shù)可以測(cè)量出目標(biāo)人體骨架與地面距離信息，對(duì)于測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。在本文的研究中，需要測(cè)量上身角的變化率。因?yàn)橹亓€無(wú)論如何都垂直于地面，所以和y軸平行的線就可以作為重力線，重力線上的矢量都是可以由兩個(gè)點(diǎn)組成，稱作本文的重力矢量。肩部中心和髖部中心組成的線是計(jì)算上身角度的關(guān)鍵，稱為軀干線，本文采用軀干線與重力線形成上身角。根據(jù)穩(wěn)定性測(cè)試極限（LOST）中結(jié)果顯示，成年人可以保持在與身體左/右傾斜不超過(guò)16度，前傾/后退不超過(guò)12.5度并且平衡[5]，本研究從上身角度為13度開(kāi)始，超過(guò)13度之后，上身角度變化率就會(huì)被記錄。因?yàn)槿梭w會(huì)有下蹲或者躺下的動(dòng)作，所以質(zhì)心高度也作為模型的重要變量。因?yàn)橹恍铚y(cè)量出人體下降的速度，所以采用髖關(guān)節(jié)中心關(guān)節(jié)作為本文人的大概質(zhì)心。因此質(zhì)心高度是從人的大概質(zhì)心點(diǎn)向下到地面的距離。人體摔跤時(shí)，身體會(huì)失去平衡，上身角度變化率和質(zhì)心高度變化率會(huì)發(fā)生迅速的變化，當(dāng)上身角度的變化率高于閾值，逐幀記錄上身角度變化率和質(zhì)心高度變化率，當(dāng)這兩個(gè)變化率都超過(guò)上身軀干運(yùn)動(dòng)模型定義的閾值，即可被斷定為摔跤，并觸發(fā)警報(bào)。

2存在的問(wèn)題及缺陷

2.1范圍局限問(wèn)題

Kinect傳感器不能像攝像頭一樣轉(zhuǎn)動(dòng)，所以檢測(cè)范圍有限，檢測(cè)目標(biāo)只能在安裝設(shè)備的范圍內(nèi)監(jiān)控，若有其它人體活動(dòng)離開(kāi)該設(shè)備，人體發(fā)生摔跤時(shí)檢測(cè)不到摔跤，該缺陷使得使用設(shè)備的人體活動(dòng)范圍受到了限制，若人體運(yùn)動(dòng)范圍廣，則需要多安裝幾臺(tái)設(shè)備。

2.2多人檢測(cè)存在誤差

檢測(cè)范圍內(nèi)若出現(xiàn)多人時(shí)，不能精準(zhǔn)檢測(cè)摔跤的發(fā)生，該缺陷使得適用人群變成獨(dú)居老人，不適用于多人出現(xiàn)的范圍。

2.3光線問(wèn)題

本儀器檢測(cè)時(shí)需要較為光亮的條件，當(dāng)晚上室內(nèi)不開(kāi)燈或臨近傍晚光線暗的情況，則該設(shè)備不能提取人體骨架，獲取不到骨架信息，不能精準(zhǔn)檢測(cè)摔跤。

3發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)運(yùn)用于視頻監(jiān)控隨之變多。更多的研究使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)摔跤，如通過(guò)分割運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，根據(jù)前景的長(zhǎng)寬比、有效面積比和輪廓面積等特征來(lái)判斷摔跤[6]，或使用人體多質(zhì)心偏移向量運(yùn)動(dòng)特征及其提取方法來(lái)判斷摔跤[7]。

4發(fā)展趨勢(shì)

信息化社會(huì)的到來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)使用的應(yīng)用場(chǎng)景更加地廣泛，如醫(yī)療、軍事、工業(yè)、自主車等等。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的摔跤檢測(cè)技術(shù)研究越來(lái)越多，使得摔跤檢測(cè)方法逐漸增多，也讓計(jì)算機(jī)視覺(jué)摔跤檢測(cè)技術(shù)變得更加成熟。老年人經(jīng)常有骨質(zhì)疏松的問(wèn)題，跌倒后易致髖部、脊柱骨折，由此活動(dòng)受限，該技術(shù)適用于獨(dú)居老人。我國(guó)在20世紀(jì)70年代以來(lái)全面推行計(jì)劃生育，許多家庭只有一個(gè)孩子，使得21世紀(jì)前期人口老齡化的問(wèn)題日益嚴(yán)重，家庭里的孩子去工作，獨(dú)居老人的比例逐漸增多。本研究的使用，可在一定程度上保障老人的安全，具有良好前景。

5總結(jié)

本研究旨在應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活中的典型問(wèn)題。該設(shè)備通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體上身角度的變化率和質(zhì)心高度變化率檢測(cè)是否摔跤狀態(tài)，與傳統(tǒng)隨身佩戴設(shè)備相比，更加便利于人體行動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[3]王孟孟，曾凡桂.基于應(yīng)用場(chǎng)景的智能手表應(yīng)用交互設(shè)計(jì)研究：以AppleWatch為例[J].藝術(shù)與設(shè)計(jì)(理論)，2019，2(8)：98-100.

[6]盧耿霞.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的室內(nèi)跌倒檢測(cè)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[7]杜井龍.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的室內(nèi)跌倒檢測(cè)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

作者：饒?chǎng)?盧偉 何水清 單位：江西科技學(xué)院