肢體運(yùn)動(dòng)特征在刑事偵查中的作用

初 凱，尹 燕

（1.吉林警察學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.四平市公安局，吉林 四平 136000）

一、前言

在刑事案件中犯罪嫌疑人的肢體運(yùn)動(dòng)往往是視頻監(jiān)控中最容易獲取的明顯特征，通過(guò)研究肢體運(yùn)動(dòng)特征不僅可以為偵查破案確定偵查方向和偵查范圍，還可以為犯罪嫌疑人同一認(rèn)定提供有效的理論基礎(chǔ)。但目前此方面研究只是剛剛起步，這就迫切要求我們科學(xué)地研究人體行走運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律以及人身自然條件例如年齡對(duì)步態(tài)特征的影響，為行走姿勢(shì)的同一認(rèn)定打下了基礎(chǔ)。

本論文以德國(guó)Simi Motion運(yùn)動(dòng)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)輸出的步態(tài)特征數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)人體行走運(yùn)動(dòng)時(shí)下肢步態(tài)特征的一般規(guī)律，對(duì)行走步態(tài)周期進(jìn)行科學(xué)劃分，并尋找年齡對(duì)行走姿勢(shì)的影響。行走是一種周期性運(yùn)動(dòng)，行走時(shí)一側(cè)足跟著地到該足跟再次著地稱為一個(gè)步態(tài)周期。在本實(shí)驗(yàn)中的步態(tài)周期是以采集對(duì)象左腳足跟著地至足跟再次著地記做一個(gè)周期，即左腳為觀測(cè)腳。所以一個(gè)步態(tài)周期要經(jīng)歷踩地負(fù)重和離地?cái)[動(dòng)兩個(gè)時(shí)期，分別稱為支撐時(shí)期和擺動(dòng)時(shí)期。

（一）支撐時(shí)期

支撐時(shí)期是指步態(tài)周期中從左腳足跟著地到左腳尖離地的時(shí)間段（圖1中t0~t3時(shí)期）。

我們?cè)谥螘r(shí)期中尋找出四個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，用來(lái)對(duì)支撐時(shí)期進(jìn)行細(xì)致劃分，四個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)分別為足跟著地、足放平、足跟離地、足尖離地。這四個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)在本實(shí)驗(yàn)中的確定方法為：

圖1 支撐時(shí)期的各個(gè)分期

圖2 Simi系統(tǒng)下的3D棍狀圖

1.足跟著地：由于視頻采集前定標(biāo)時(shí)地平面所在面并非立體坐標(biāo)中的XY平面，所以先尋找地平面所在面的Z軸的坐標(biāo)值，得出Z=0.10米。則當(dāng)足跟節(jié)點(diǎn)在Z軸的坐標(biāo)等于0.10米時(shí)說(shuō)明足跟剛剛著地，即圖1中的t0時(shí)刻，支撐時(shí)期開(kāi)始。

2.足放平：當(dāng)足尖節(jié)點(diǎn)在Z軸的坐標(biāo)也剛好等于0.10米時(shí)說(shuō)明足跟足尖都在地平面，即全足著地，圖1、圖2中的t1時(shí)刻。

3.足跟離地：當(dāng)足尖節(jié)點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)顯著大于0.10米時(shí)說(shuō)明足跟抬起，圖1、圖2中的t2時(shí)刻。

4.足尖離地：當(dāng)足尖節(jié)點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)也顯著大于0.10米時(shí)說(shuō)明足尖抬起，即圖1中的t3時(shí)刻，擺動(dòng)時(shí)期開(kāi)始。

根據(jù)以上四個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，將支撐時(shí)期分為跟著地期、站立中期和加速期三個(gè)階段。跟著地期：足跟著地至足完全接觸地面放平為跟著地期（圖1中t0~t1時(shí)期），足跟開(kāi)始承受不斷增加的重量，形成踏痕；站立中期：從足放平至足跟離地為站立中期（圖1中t1~t2時(shí)期），此期全足接觸地面，身體在左腳的支撐下不斷向前移動(dòng)，形成壓痕；加速期：從足跟完全離地至足尖完全離地為加速期（圖1中t2~t3時(shí)期），身體加速前進(jìn)，形成蹬痕。

支撐時(shí)期在初始和結(jié)束的兩段時(shí)間中，兩側(cè)下肢同時(shí)負(fù)重，稱為雙肢負(fù)重相，每一步態(tài)周期出現(xiàn)兩次雙肢負(fù)重相，共占全周期的26%左右。由于在支撐時(shí)期形成的足跡特征蹬痕和踏痕剛好也是在雙肢負(fù)重相形成，所以痕跡特征穩(wěn)定、可靠，利用價(jià)值高。雙肢負(fù)重相的長(zhǎng)短與行走速度密切相關(guān)，速度越快，此相越短，奔跑時(shí)則不存在雙肢負(fù)重相。支撐時(shí)期時(shí)段會(huì)形成足跡，且是影響足跡特征的主體。

（二）擺動(dòng)時(shí)期

擺動(dòng)時(shí)期是指步態(tài)周期中從左腳尖離地開(kāi)始至足跟再次著地的時(shí)間段（圖3中t3~t6時(shí)期）。

圖3 擺動(dòng)時(shí)期的各個(gè)分期

根據(jù)膝關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時(shí)刻和髖關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時(shí)刻為轉(zhuǎn)變點(diǎn)，將擺動(dòng)時(shí)期分為擺動(dòng)前期、擺動(dòng)中期、擺動(dòng)后期三個(gè)階段。擺動(dòng)前期：從足尖離地至膝關(guān)節(jié)達(dá)到最大屈曲即膝關(guān)節(jié)角度曲線圖中達(dá)到峰值的時(shí)刻（圖3中t3~t4時(shí)期）。髖、膝關(guān)節(jié)于此期不斷增加屈曲度，使足呈弧形上提；擺動(dòng)中期：隨后膝關(guān)節(jié)角度不斷減少，而髖關(guān)節(jié)角度繼續(xù)增大，使左下肢在足底與地面盡可能平行的情況下前擺，當(dāng)髖關(guān)節(jié)達(dá)最大屈曲度時(shí)作為結(jié)束時(shí)刻（圖3中t4~t5時(shí)期）；擺動(dòng)后期：是從髖關(guān)節(jié)最大屈曲時(shí)刻到足跟著地時(shí)結(jié)束（圖3中t5~t6時(shí)期）。

（三）步態(tài)周期分期特征

根據(jù)上文中的分期規(guī)則，首先尋找出每一次行走中各個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)的時(shí)刻，分別標(biāo)記足跟著地時(shí)刻為t0、足放平時(shí)刻為t1、足跟離地時(shí)刻為t2、足尖離地時(shí)刻為t3、膝關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時(shí)刻為t4、髖關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時(shí)刻為t5、足跟再次著地時(shí)刻為t6。然后，根據(jù)上文中的步態(tài)周期分期規(guī)則計(jì)算出各個(gè)時(shí)期所經(jīng)歷的時(shí)間：步態(tài)周期T=t6-t0、支撐時(shí)期T＇=t3-t0、擺動(dòng)時(shí)期T＇＇=t6-t3、跟著地期T1=t1-t0、站立中期T2=t2-t1、加速期T3=t3-t2、擺動(dòng)前期T4=t4-t3、擺動(dòng)中期T5=t5-t4、擺動(dòng)后期T6=t6-t5。統(tǒng)計(jì)出所有受試者各個(gè)時(shí)期所需的時(shí)間，數(shù)值用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示（單位為s），得出表1。

表1 步態(tài)周期及各個(gè)分期所需時(shí)間

由于同一個(gè)人正常行走時(shí)步速有差別，即步態(tài)周期有長(zhǎng)有短，導(dǎo)致各個(gè)時(shí)期相應(yīng)地變長(zhǎng)變短，所以研究各個(gè)時(shí)期所需的時(shí)間占整個(gè)步態(tài)周期百分比值更有意義。所以我們可以統(tǒng)計(jì)出所有受試者各個(gè)時(shí)期所需的時(shí)間占整個(gè)步態(tài)周期百分比值，數(shù)值用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示，得出表2。

從表1、表2可以看出一個(gè)步態(tài)周期經(jīng)歷的時(shí)間平均為1.107±0.066s。支撐時(shí)期經(jīng)歷的時(shí)間平均為0.715±0.050s，占整個(gè)步態(tài)周期的64.56±1.80%。擺動(dòng)時(shí)期經(jīng)歷的時(shí)間平均為0.392±0.028s，占整個(gè)步態(tài)周期的35.44±1.80%。

表2 各個(gè)分期占步態(tài)周期的百分比

二、同一人步態(tài)周期分期特征穩(wěn)定性研究

為了研究步態(tài)周期分期特征的穩(wěn)定性，首先必須測(cè)定同一個(gè)人多次行走中各個(gè)時(shí)期所需時(shí)間特征是否相對(duì)穩(wěn)定。為此，本實(shí)驗(yàn)選用同一人相同行走姿勢(shì)連續(xù)行走10次，并統(tǒng)計(jì)出每一次行走中各個(gè)時(shí)期所需的時(shí)間占整個(gè)步態(tài)周期百分比值，并研究數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性（見(jiàn)表3）。本文利用變異系數(shù)的方法進(jìn)行研究。一般來(lái)說(shuō)，變異系數(shù)越大說(shuō)明數(shù)據(jù)變異程度越大，數(shù)據(jù)越不穩(wěn)定；系數(shù)越小說(shuō)明該特征越穩(wěn)定，用該特征進(jìn)行后續(xù)分析的價(jià)值越高。

表3 同一人各個(gè)分期占步態(tài)周期的百分比穩(wěn)定性

從表3可以看出支撐時(shí)期和擺動(dòng)時(shí)期占步態(tài)周期百分比值的數(shù)值是穩(wěn)定的，變異系數(shù)都小于0.1，說(shuō)明同一個(gè)人不同周期所占時(shí)間比例具有較高的穩(wěn)定性。

三、不同年齡組間步態(tài)周期分期特征差異性研究

本文中對(duì)不同年齡組間的特征差異性研究選用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中的單因素方差分析的方法分析。

（一）步態(tài)周期差異性研究

統(tǒng)計(jì)出60名受試者正常行走時(shí)的步態(tài)周期，將所有受試者分成青年、中年、老年三個(gè)年齡組，用SPSS單因素方差分析方法研究不同年齡組步態(tài)周期差異性，得出表4。

表4 不同年齡組間步態(tài)周期均值差異性

從表4中看出，顯著性概率p=0.403＞0.05，表示三個(gè)組的數(shù)據(jù)均值之間沒(méi)有顯著性差異。說(shuō)明步態(tài)周期的長(zhǎng)短受年齡增長(zhǎng)的影響較小，即不同年齡段步態(tài)周期的形成沒(méi)有明顯差異。

（二）支撐時(shí)期差異性研究

統(tǒng)計(jì)出60名受試者正常行走時(shí)支撐時(shí)期及三個(gè)分期所需的時(shí)間占整個(gè)步態(tài)周期百分比值。最后，將所有受試者分成青年、中年、老年三個(gè)年齡組，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得出表5。

從表5可以看出，支撐時(shí)期占周期的百分比值三個(gè)年齡組間并不存在差異，但在支撐時(shí)期的三個(gè)分期中跟著地期和站立中期占步態(tài)周期的百分比值各組間均值有差異。

跟著地期占整個(gè)步態(tài)周期的百分比值青年組與中年組、青年組與老年組的均值會(huì)有顯著差異。青年組與中年組的均值顯著性概率p=0.001，小于顯著性水平a=0.05，拒絕零假設(shè)，表示青年組跟著地期占整個(gè)步態(tài)周期的平均百分比與中年組的有顯著差異，比中年組多2.21%。青年組與老年組的均值顯著性概率p=0.000＜0.05，表示青年組跟著地期占整個(gè)步態(tài)周期的平均百分比與老年組的有顯著差異，比老年組多2.88%。中年組比老年組多0.67%，但兩組間顯著性概率p=0.282＞0.05，表示均值差異不是很顯著。

表5 不同年齡組間支撐時(shí)期的均值差異性

站立中期占整個(gè)步態(tài)周期的百分比值只有青年組與老年組會(huì)有顯著差異，青年組與老年組的均值分別為31.19±6.16%、35.13±2.89%，青年組比老年組少3.94%，顯著性概率p=0.035。

老年人跟著地期顯著短于青年人，中年人顯著短于青年人，老年人短于中年人。這說(shuō)明老年人由于身體機(jī)能下降，下肢肌肉組織的活動(dòng)性也趨向衰退，行走時(shí)踝關(guān)節(jié)不靈活，足跟著急著地，表現(xiàn)出行走時(shí)求穩(wěn)而不求快的現(xiàn)象，從青年到中年的變化尤為顯著。老年人站立中期占比也顯著大于青年人，更能說(shuō)明老年人行走時(shí)求穩(wěn)的行走姿態(tài)。

（三）擺動(dòng)時(shí)期差異性研究

統(tǒng)計(jì)出60名受試者正常行走時(shí)擺動(dòng)時(shí)期及三分期所需的時(shí)間占整個(gè)步態(tài)周期百分比值。最后，將所有受試者分成青年、中年、老年三個(gè)年齡組，用SPSS單因素方差分析方法研究不同年齡組擺動(dòng)時(shí)期分期特征的差異性，得出表6。

從以上兩個(gè)表格可以看出擺動(dòng)時(shí)期占周期的百分比值三個(gè)年齡組間并不存在差異，但在擺動(dòng)時(shí)期的三個(gè)分期中擺動(dòng)前期和擺動(dòng)中期占步態(tài)周期的百分比值各組間均值有差異。

擺動(dòng)前期占整個(gè)步態(tài)周期的百分比值中青年組與老年組的均值會(huì)有顯著差異。青年組擺動(dòng)前期占比比老年組多3.35%，顯著性概率p=0.023；擺動(dòng)中期占整個(gè)步態(tài)周期的百分比值青年組與老年組、中年組與老年組的均值都會(huì)有顯著差異。青年組擺動(dòng)中期占比比老年組少4.00%，顯著性概率p=0.023；中年組比老年組少3.80%，顯著性概率p=0.030。

表6 不同年齡組間擺動(dòng)時(shí)期的均值差異性

老年人擺動(dòng)前期占比顯著小于青年組，而擺動(dòng)中期占比顯著大于青年組。說(shuō)明老年人足尖離地進(jìn)入擺動(dòng)時(shí)期后急于支撐地面以維持身體平衡，導(dǎo)致足尖蹬地不充分，膝關(guān)節(jié)也沒(méi)有充分彎曲。這使得老年人與青年人相比較表現(xiàn)為擺動(dòng)前期縮短而擺動(dòng)中期延長(zhǎng)。這個(gè)結(jié)論也印證了足跡學(xué)中用蹬痕分析年齡的理論，即老年人形成的足跡中跖蹬痕、趾蹬痕的面積會(huì)增大，而痕跡反映沒(méi)有青年人明顯，尤其是在立體足跡中青年人的蹬痕會(huì)更明顯，容易形成明顯的刨土痕跡。

四、總結(jié)

通過(guò)該課題的研究表明：不同年齡組間步態(tài)周期的長(zhǎng)短沒(méi)有顯著差異，但步態(tài)周期的各個(gè)分期占整個(gè)步態(tài)周期的百分比數(shù)值穩(wěn)定并且不同年齡組間有顯著差異，這說(shuō)明隨著年齡增大身體機(jī)能下降，會(huì)對(duì)下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。所以，根據(jù)不同年齡組間步態(tài)特征數(shù)據(jù)的差異性可以對(duì)影像資料中的行走人進(jìn)行年齡分析，劃定年齡范圍。從而利用人體肢體運(yùn)動(dòng)特征來(lái)進(jìn)行人身識(shí)別，并為人體肢體運(yùn)動(dòng)特征在公安技術(shù)領(lǐng)域中教學(xué)與辦案提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)服務(wù)。