監(jiān)控視頻中正面行走姿態(tài)的簡(jiǎn)易識(shí)別

丁 浩 楊自強(qiáng) 史業(yè)程

一、 前言

近些年來(lái)，監(jiān)控視頻以其直觀性和即時(shí)性已成為公安機(jī)關(guān)案件偵破的一把利器。視頻圖像能夠比較準(zhǔn)確、及時(shí)地捕捉到犯罪分子的各方面生理特征，為嫌疑人真實(shí)身份的認(rèn)定提供了可靠依據(jù)。然而隨著新媒體時(shí)代的到來(lái)，狡猾的犯罪分子面對(duì)監(jiān)控鏡頭總是費(fèi)盡心機(jī)地偽裝自己。部分具有較強(qiáng)的反偵查意識(shí)的犯罪分子甚至故意改變自己原本的行走姿勢(shì)，給監(jiān)控視頻中人物的識(shí)別帶來(lái)了很大的難度。

針對(duì)目前監(jiān)控視頻中行走對(duì)象身份識(shí)別的難題，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的鑒定專家對(duì)此做出大量探索工作。有的專家提出可以通過(guò)視頻與實(shí)際空間幾何關(guān)聯(lián)進(jìn)行成趟足跡定量化檢驗(yàn)，選取左步長(zhǎng)、右步長(zhǎng)、左步寬、右步寬、左步角、右步角六項(xiàng)指標(biāo)，作為步幅特征檢驗(yàn)的指標(biāo)，利用模糊數(shù)學(xué)中最大隸屬度原則，檢驗(yàn)步幅特征，從而達(dá)到通過(guò)排除或者認(rèn)定步幅特征來(lái)認(rèn)定身份的目的。①王軍、周亞紅、呂導(dǎo)中、萬(wàn)榮春：《足跡顯現(xiàn)及定量化綜合檢驗(yàn)》，《江蘇公安?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)》1998年第6期。有的專家提出用半周期長(zhǎng)的代表性短序列取代關(guān)鍵幀，然后對(duì)每個(gè)序列用下肢關(guān)節(jié)角度描述其動(dòng)態(tài)特征，并用關(guān)節(jié)點(diǎn)的形狀上下文描述其輪廓靜態(tài)特征，從而在不影響識(shí)別率的前提下，有效地解決了數(shù)據(jù)量大和計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)，提高了識(shí)別的實(shí)時(shí)性。②李翔、趙輝、張曉利：《基于人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的步態(tài)識(shí)別算法研究》，《電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)》，2010年第5期。不過(guò)，這些成果都沒(méi)有能夠徹底解決公安機(jī)關(guān)所需要的實(shí)用性與可靠性難題，無(wú)法在公安工作實(shí)踐中真正的用于偵破案件實(shí)戰(zhàn)。因此針對(duì)這個(gè)難題，筆者嘗試了一種利用人體運(yùn)動(dòng)各組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系為識(shí)別特征的簡(jiǎn)易方法—矢量標(biāo)記法。

二、 方法介紹

（一）方法原理

根據(jù)痕跡檢驗(yàn)學(xué)原理，人的行走運(yùn)動(dòng)是在大腦中樞神經(jīng)統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)下，借助骨骼杠桿和關(guān)節(jié)樞紐作用，以骨骼肌為動(dòng)力的一種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。幼兒從蹣跚學(xué)步到自由的行走，進(jìn)而可以健步如飛和奔跑，是動(dòng)作技巧不斷發(fā)展的結(jié)果。大腦皮質(zhì)中的興奮劑和抑制反饋使得肌肉的配合與劼抗進(jìn)一步合理，行走的效果得到改善和加強(qiáng)。與此同時(shí)，反饋的形式和強(qiáng)度也得到不斷強(qiáng)化，并且在某一個(gè)程度上被固定下來(lái)。隨著運(yùn)動(dòng)效果被固定下來(lái)，行走的方式、姿態(tài)等行走特征可以穩(wěn)定重復(fù)。因此，當(dāng)人的行走動(dòng)力定型形成之后，行走運(yùn)動(dòng)特征有著很好的穩(wěn)定性。

另一方面，人行走運(yùn)動(dòng)特征是人行走運(yùn)動(dòng)動(dòng)力定型的具體反映。由于行走運(yùn)動(dòng)動(dòng)力定型與人體運(yùn)動(dòng)器官結(jié)構(gòu)、形態(tài)和生理機(jī)能以及每個(gè)人學(xué)習(xí)、模仿和實(shí)踐途徑等密切相關(guān)，因此，每個(gè)人的行走運(yùn)動(dòng)特征是不可能完全相同的，這就為利用行走姿態(tài)進(jìn)行身份識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

簡(jiǎn)便快捷地鎖定既具有穩(wěn)定性又具有特異性的行走特征成為進(jìn)行快速身份識(shí)別的關(guān)鍵。針對(duì)這一難題，我們首先以人體運(yùn)動(dòng)學(xué)骨骼運(yùn)動(dòng)相關(guān)理論為基礎(chǔ)選定一系列基本點(diǎn)作為選取特征點(diǎn)的庫(kù)，再通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終建立起一種利用概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)和模糊理論方法，將特征點(diǎn)的穩(wěn)定性和特異性與特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的離散程度對(duì)應(yīng)起來(lái)進(jìn)行個(gè)體識(shí)別分析。

在對(duì)各項(xiàng)特征的測(cè)量、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)單純的直接使用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存在很大的誤差，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，我們找到誤差來(lái)源在于行走對(duì)象的行走是隨意的，測(cè)量中周期的選取是隨機(jī)的，距離鏡頭的距離也不同，并且每次分析對(duì)象不可能非常準(zhǔn)確的走到監(jiān)控中心位置，那么不同周期的第一幀的數(shù)據(jù)并不具有相同的測(cè)量條件，那么我們的分析的結(jié)果必然不準(zhǔn)確。因此我們重新調(diào)整了思路，最終建立了一種創(chuàng)新的，科學(xué)的，能夠鎖定分析初始條件的測(cè)量方法—矢量標(biāo)記法。

矢量標(biāo)記法是根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)科學(xué)原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一種步態(tài)分析方法。人體是一個(gè)物體系統(tǒng)，其總重心應(yīng)是人體各環(huán)節(jié)重心合力的作用點(diǎn)。人在行走過(guò)程中，身體的重心會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程上下左右的搖擺，不同人的重心變化曲線是不一樣的。人在自然站立時(shí)，身體重心的位置大約在人體第三骶骨椎上緣前方7cm處，稍偏右。人如果改變站立姿勢(shì)，則人體重心的位置一定也會(huì)發(fā)生改變。因?yàn)榇藭r(shí)人體各組成部分的相對(duì)位置發(fā)生了變化，如彎腰、跨立、舉手、抬腿等。人體是由許多骨與骨連結(jié)而成的杠桿系統(tǒng)，其體姿可以千變?nèi)f化。但是人在行走過(guò)程中，由于行走姿勢(shì)不停地發(fā)生重復(fù)性改變，那么這個(gè)杠桿系統(tǒng)之間的關(guān)系必然是穩(wěn)定的。因此，我們嘗試以人體重心的外標(biāo)為分析平面的原點(diǎn)，考慮其他的特征點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)的位置變化與對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將這種關(guān)系通過(guò)既具有方向信息又具有距離信息的矢量來(lái)標(biāo)識(shí)，將甄別對(duì)象的行走過(guò)程中的姿態(tài)（即骨骼及肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）外化為直觀的數(shù)學(xué)量，依靠統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)來(lái)有效的識(shí)別其穩(wěn)定性和特異性，進(jìn)而鎖定樣本的行走姿態(tài)。

（二）方法步驟

首先，隨機(jī)提取目標(biāo)監(jiān)控視頻中嫌疑人行走的8~10個(gè)完整周期，利用Ve-gas軟件一幀一幀仔細(xì)查看監(jiān)控視頻，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象所選取的所有周期的運(yùn)動(dòng)視頻全部分解為若干幀單獨(dú)的圖像。

其次，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行細(xì)致觀察，根據(jù)樣本的行走運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，初步選定13—15個(gè)在樣本行走過(guò)程中運(yùn)動(dòng)比較穩(wěn)定的部位中心作為最終特征點(diǎn)的基本點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)和標(biāo)記（如圖1所示）。

第三，找到嫌疑人的運(yùn)動(dòng)重心，以重心為原點(diǎn)在圖像中建立二維坐標(biāo)系，將所選定的所有基本點(diǎn)相對(duì)于重心的水平與垂直坐標(biāo)分別用photoshop中的標(biāo)尺工具測(cè)量并換算出來(lái)（如圖2所示）。

（圖1）

（圖2）

（表1）

最后，選取不同對(duì)象的相同幀的同一特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特異性分析（可以計(jì)算其 persong系數(shù)進(jìn)行）。如果所獲得的穩(wěn)定的特征點(diǎn)一致，則進(jìn)行數(shù)值比較得到表2。

（表1）

三、結(jié)果與分析

首先在穩(wěn)定性分析方面，以樣本一及樣本二的第4特征點(diǎn)為例，分別得到其在垂直與水平方向匯總數(shù)據(jù)如下列四張表格。

根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)原理，如果數(shù)據(jù)組的離散系數(shù)在0.1以內(nèi)則可以得出這一組數(shù)據(jù)離散程度低，穩(wěn)定性比較高的結(jié)論，即離散系數(shù)是與數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性成負(fù)相關(guān)的。因此通過(guò)計(jì)算離散系數(shù)可以快速確定樣本一及樣本二行走過(guò)程中第4特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)具有高度穩(wěn)定性，即相對(duì)應(yīng)的左肩部位運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是穩(wěn)定變化的。這樣就可以迅速鎖定嫌疑人有哪些特別穩(wěn)定的行走特征點(diǎn)，從而獲得嫌疑人動(dòng)力定型的行走姿勢(shì)，并為據(jù)此判斷視頻中該對(duì)象為何人奠定了基礎(chǔ)。

其次在特異性分析方面，如果不同對(duì)象獲得的穩(wěn)定的特征點(diǎn)不一樣說(shuō)明對(duì)象動(dòng)力定型的表現(xiàn)姿態(tài)就不一樣，從而可以確定或排除嫌疑人；如果行走對(duì)象獲得的穩(wěn)定的特征點(diǎn)一致則又可以比較相同部位特征點(diǎn)所得到的穩(wěn)定數(shù)值是否相同或相近（可以計(jì)算其persong系數(shù)進(jìn)行）來(lái)甄別不同的行走對(duì)象，下面以比較第4特征點(diǎn)都穩(wěn)定的樣本一和樣本二為例，由上表所示，樣本一的第4特征點(diǎn)在第一幀中的平均坐標(biāo)為（56.11，137.28），而樣本二的第4特征點(diǎn)在第一幀中的平均坐標(biāo)為（48.00，142.93），顯而易見(jiàn)，兩個(gè)樣本的第4特征點(diǎn)在第一幀中的姿態(tài)差異很大，即樣本一與樣本二的左肩運(yùn)動(dòng)姿態(tài)各不一樣，從而據(jù)此可以迅速甄別這兩個(gè)樣本。

（樣本一垂直匯總分析表）

（樣本一水平匯總分析表）

（樣本二垂直匯總分析表）

（樣本二水平匯總分析表）

四、結(jié)論與不足

矢量分析法通過(guò)分析監(jiān)控視頻圖像可以快速獲得嫌疑人在行走過(guò)程中其肩、肘、手腕、股骨、脛骨等運(yùn)動(dòng)部位相對(duì)于人體重心的變化趨勢(shì)，能夠快捷簡(jiǎn)便地確定監(jiān)控視頻中嫌疑人行走過(guò)程中既具有穩(wěn)定性又具有特異性的行走姿勢(shì)，從而為迅速進(jìn)行身份識(shí)別提供了有力依據(jù)。本方法的不足之處在于必須擁有一定數(shù)量的關(guān)于嫌疑人的監(jiān)控視頻，才能有較強(qiáng)的可靠性。因此，實(shí)踐中需要偵查人員獲取大量的偵查資料作為進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)條件。