青年人步態(tài)特征中迫痕與行走姿態(tài)映射關系統(tǒng)計分析研究

穆小旭，徐偉，孫晗，郭威

（中國人民公安大學，北京102623）

青年人步態(tài)特征中迫痕與行走姿態(tài)映射關系統(tǒng)計分析研究

穆小旭，徐偉，孫晗，郭威

（中國人民公安大學，北京102623）

通過對青年人步態(tài)特征與行走姿態(tài)映射關系的統(tǒng)計分析為偵查破案快速提供線索，為刑事訴訟提供可靠依據(jù)，為步態(tài)足跡自動識別新技術提供基礎理論依據(jù)的需求.采集樣本的立體足跡，并尋找含有迫痕的立體足跡.將采集對象的行走姿勢使用攝像機進行錄制，并經(jīng)過后期處理對采集對象的行走姿勢進行分類.對每個擁有迫痕的立體足跡的采集對象找出所對應的行走姿勢，從而統(tǒng)計出擁有迫痕的青年人所表現(xiàn)出的行走姿勢，有利于快速通過現(xiàn)場足跡確定青年人的行走姿勢，進一步縮小排查范圍，有利于提高破案效率.手臂內扣狀態(tài)下，身體前傾姿勢占據(jù)較多；手臂提前甩動和前后甩動狀態(tài)均為身體正常比例較大.無論手臂以及身體處于何種狀態(tài)，頭部平視狀態(tài)占據(jù)了較大比例.

迫痕；行走姿勢；映射關系

1 引言

在傳統(tǒng)步態(tài)特征的分析中，迫痕出現(xiàn)概率較高.通常情況下，迫痕出現(xiàn)在立體足跡的內邊緣或者外邊緣，是支撐階段腳落地以后，身體重心出現(xiàn)變化或者身體結構等客觀原因，使得腳在承痕客體上出現(xiàn)向內側或者外側微微移動而形成的伴生痕跡.本文擬通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法對迫痕所對應的行走姿態(tài)進行分析，從而確定每種行走姿態(tài)所出現(xiàn)的概率.

2 實驗部分

2.1 實驗對象

300名年齡分布在17歲～22歲之間的中國人民公安大學15級以及16級本科生.

2.2 實驗場地以及實驗器材

實驗場地：中國人民公安大學模擬街區(qū)足跡采集實驗室.

實驗器材：1、?？低旸S-2CD2T20F(D)-I3/I5/I8(W)200萬1/2.7quot;CMOS紅外防水ICR日夜型筒型網(wǎng)絡攝像2、尼康D7000 3、VSPlayerV7.2.0

2.3 實驗方法

1.采集立體足跡：采集對象完整通過采集立體足跡的沙坑，實驗人員用照相機對立體足跡進行拍照并記錄，并保持步態(tài)足跡細節(jié)特征清晰、完整以及不變形.

2.采集行走姿態(tài)：在實驗行走場地的東向，西向以及南向放置三架海康威視紅外網(wǎng)絡攝像機，同時記錄采集對象的三個方向的行走姿態(tài).

2.4 實驗相關參數(shù)定義

本文將行走姿態(tài)從以下4方面進行定義：兩臂、前后臂、身體、頭部.

身體體傾斜方向、頭部、胸部的姿態(tài)判定主要以重心點的位置為標準，而重心點在行走周期中的支撐階段較為穩(wěn)定，且此階段身體、頭部和胸部的姿態(tài)能夠正常反映①.又由于雙肢支撐時相與擺動時相存在一定交叉混合，且起、落足的瞬間時刻界定難度大②，綜合考慮以上因素，本文決定選取單肢支撐時相（兩腳靠攏的瞬間）的側方行走姿態(tài)幀畫面圖像作為分析身體、頭部和胸部姿態(tài)的實驗圖像.

受人體體態(tài)和行走習慣因素的影響，人體在行進時重心點偏移不但存在于前后水平方向，同時在人體側面的切線方向也存在由于起落足協(xié)調性動作、身體晃動所引起的偏移.為平衡后者，兩臂會向側切線方向的擺動③.另外，當人體處于行走周期中一側下肢進入支撐時相時,另側下肢尚未離地，兩下肢同時負重的雙肢支撐階段時，兩臂的擺動幅度達到最大④.綜合分析以上因素，以人身體正面中線為準，兩臂的擺動與中線的位置、角度存在一定的映射關系.所以，本文決定選取正前方行走姿態(tài)幀畫面圖像作為分析兩臂姿態(tài)的實驗圖像.

兩臂：兩臂在側身切線方向的擺動與中心點偏移幅度、人的胖瘦態(tài)、行走習慣等均有關.綜合考慮以上幾點，本文決定在兩肢支撐時相的起落足瞬間正前方行走姿態(tài)幀畫面圖像中，以前擺手的內側點與頭部中心端點連線與人體中線所呈角度來界定和量化兩臂的行走姿態(tài).當夾角＜5°時為體前內扣；當夾角在5～10°之間時為兩臂體前甩動；當夾角在10～18°之間時為兩臂前后甩動；當夾角＞18°為兩臂外展.身體：本文中所界定的身體為狹義的范圍，僅包括軀干和腿部.身體的行走姿態(tài)是人體行走姿態(tài)的直接反應，它是人主觀意識層面上的形象認識，甚至決定著對一個人整體行走姿態(tài)的第一印象.⑤綜合考慮以上幾點，本文決定在單肢支撐時相中兩腳靠攏的瞬間的側方圖像中，以人體肩平線的中點與足部距離后跟1/3處兩點所建立的連線，與肩平線所呈角度來界定和量化身體的行走姿態(tài).當夾角＞92°時為身體前傾，如圖7；當夾角在87～92°之間時為身體正常姿勢；當夾角＜87°時為身體后仰.

頭部：在無意識的常態(tài)行走活動中，人體為減少身體重心偏移量，維持協(xié)調平衡，頭部一般不會大幅度左右晃動，而是僅隨生理特點和行走習慣在頭頸后的頸部脊髓彎曲程度上存在差異⑥.綜合考慮以上幾點，本文決定在單肢支撐時相中兩腳靠攏的瞬間的側方圖像中，以眼、耳廓上沿部的連線與地面垂線所呈角度來界定和量化頭部的行走姿態(tài).當夾角＜87°時低頭；當夾角在80～95°之間時為平視；當夾角＞95°時為仰頭.

2.5 實驗數(shù)據(jù)與記錄

使用照相機記錄足跡采集實驗室的立體足跡，使用?？低暭t外網(wǎng)絡攝像機對采集對象的三個方向的行走姿態(tài)進行采集并記錄.

3 結果與討論

3.1 迫痕與人體行走姿態(tài)映射關系統(tǒng)計

在300人的采集對象中，有223人的立體足跡存在迫痕，但并不是每個人所采集的立體足跡均含有迫痕，擬用每個采集對象出現(xiàn)迫痕的立體足跡與其總的立體足跡數(shù)量的比例，確定穩(wěn)定出現(xiàn)迫痕的采集對象.比例在0～0.1之間有57人，在0.1～0.2之間有67人，在0.2～0.3之間有38人，在0.3～0.4之間有21人，在0.4～0.5之間有20人，在0.5～0.6之間有15人，在0.6～0.7之間有2人，在0.7～0.8之間有1人，在0.8～0.9之間有2人.現(xiàn)在擬確定比例≧0.3為穩(wěn)定出現(xiàn)迫痕的采集對象，因為0～0.1與0.1～0.2區(qū)間內采集對象出現(xiàn)迫痕比例較低，認定為因客觀采集條件或者行走姿勢出現(xiàn)迫痕為偶然性，則穩(wěn)定出現(xiàn)迫痕的采集對象為61人，所占比例為總人數(shù)的20.33%.據(jù)上文所述，行走姿勢從3個方面進行分析：手臂、身體、頭部進行分析.手臂體前甩動的人數(shù)為15人，占穩(wěn)定出現(xiàn)迫痕人數(shù)的25%，手臂內扣狀態(tài)的人數(shù)為18人，占穩(wěn)定出現(xiàn)迫痕人數(shù)的29%，手臂前后甩動的人數(shù)為28人，占穩(wěn)定出現(xiàn)迫痕人數(shù)的46%.在手臂為體前甩動狀態(tài)下，身體前傾的人數(shù)為2人，占體前甩動總人數(shù)的13.33%，身體后仰的人數(shù)為1人，占體前甩動總人數(shù)的6.67%，身體正常的人數(shù)為12人，占體前甩動總人數(shù)的80%，頭部姿態(tài)為低頭人數(shù)為5人，占體前甩動總人數(shù)的33.33%，仰頭人數(shù)為1人，占體前甩動總人數(shù)的6.67%，平視人數(shù)為9人，占體前甩動總人數(shù)的60%.在手臂為前后甩動狀態(tài)下，身體前傾的人數(shù)為5人，占前后甩動總人數(shù)的,17.86%，身體后仰的人數(shù)為4人，占前后甩動總人數(shù)的14.29%，身體正常的人數(shù)為19人，占前后甩動總人數(shù)的,67.86%；頭部姿態(tài)為低頭人數(shù)為5人，占前后甩動總人數(shù)的17.86%，仰頭人數(shù)為2人，占前后甩動總人數(shù)的7.14%，平視人數(shù)為21人，占前后甩動總人數(shù)的75%.在手臂為內扣狀態(tài)下，身體前傾的人數(shù)為0人，占內扣狀態(tài)總人數(shù)的0%，身體后仰的人數(shù)為5人，占內扣狀態(tài)總人數(shù)的27.78%，身體正常的人數(shù)為13人，占內扣狀態(tài)總人數(shù)的72.22%,；頭部姿態(tài)為低頭人數(shù)為6人，占內扣狀態(tài)總人數(shù)的33.33%，仰頭人數(shù)為3人，占內扣狀態(tài)總人數(shù)的16.67%，平視人數(shù)為9人，占內扣狀態(tài)總人數(shù)的50%.

3.2 手臂內扣狀態(tài)下其它人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)對應分析

手臂內扣狀態(tài)（18人，29%）下，身體正常狀態(tài)的人數(shù)為13人，占21%，身體后仰狀態(tài)的人數(shù)為5人，占8%，身體前傾狀態(tài)的人數(shù)為0人，占0%；手臂內扣狀態(tài)（18人，29%）、身體正常狀態(tài)（13人，72%）下，低頭的人數(shù)為3人，占17%，仰頭的人數(shù)為2人，占11%，平視的人數(shù)為8人，占44%；手臂內扣狀態(tài)（18人，29%）、身體后仰狀態(tài)（5人，28%）下，低頭的人數(shù)為3人，占17%，仰頭的人數(shù)為1人，占6%，平視的人數(shù)為1人，占5%.

3.3 手臂體前甩動狀態(tài)下其它人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)對應分析

手臂體前甩動狀態(tài)（15人，25%）下，身體正常狀態(tài)的人數(shù)為12人，占20%，身體后仰狀態(tài)的人數(shù)為1人，占2%，身體前傾狀態(tài)的人數(shù)為2人，占3%；手臂體前甩動狀態(tài)（15人，25%）、身體前傾狀態(tài)（2人，14%）下，低頭的人數(shù)為1人，占7%，仰頭的人數(shù)為1人，占7%，平視的人數(shù)為0人，占0%；手臂體前甩動狀態(tài)（15人，25%）、身體正常狀態(tài)（12人，80%）下，低頭的人數(shù)為3人，占20%，仰頭的人數(shù)為1人，占7%，平視的人數(shù)為8人，占53%；手臂體前甩動狀態(tài)（15人，25%）、身體后仰狀態(tài)（1人，7%）下，低頭的人數(shù)為1人，占7%，仰頭的人數(shù)為0人，占0%，平視的人數(shù)為0人，占0%.

3.4 手臂前后甩動狀態(tài)下其他人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)對應分析

手臂前后甩動狀態(tài)（28人，46%）下，身體正常狀態(tài)的人數(shù)為19人，占31%，身體后仰狀態(tài)的人數(shù)為4人，占7%，身體前傾狀態(tài)的人數(shù)為5人，占8%；手臂前后甩動狀態(tài)（28人，46%）、身體前傾狀態(tài)（5人，18%）下，低頭的人數(shù)為2人，占7%，仰頭的人數(shù)為2人，占7%，平視的人數(shù)為1人，占4%；手臂前后甩動狀態(tài)（28人，46%）、身體正常狀態(tài)（19人，68%）下，低頭的人數(shù)為3人，占11%，仰頭的人數(shù)為1人，占3%，平視的人數(shù)為15人，占54%；手臂前后甩動狀態(tài)（28人，46%）、身體后仰狀態(tài)（4人，14%）下，低頭的人數(shù)為0人，占0%，仰頭的人數(shù)為0人，占0%，平視的人數(shù)為4人，占14%.

4 結論與誤差分析

在迫痕所對應的行走姿態(tài)中，當手臂處于內扣狀態(tài)時，青年人中最多的姿勢為身體前傾，頭部處于平視狀態(tài)；當手臂處于體前甩動狀態(tài)時，青年人中最多的姿勢為身體正常，頭部處于平視狀態(tài)；當手臂處于前后甩動狀態(tài)時，青年人中最多的姿勢為身體正常，頭部處于平視狀態(tài).

注釋：

①羅亞平.痕跡檢驗教程[M].北京：中國人民公安大學出版社：2012.110-111.

②李瑞峰，王亮亮，王珂.人體動作行為識別研究綜述[J].模式識別與人工智能，2014,27（1）：35-48.

③④劉沉.步態(tài)研究及其應用[J].理化生教學與研究，2011：186-187.

⑤錢競光，宋雅偉，葉強，李勇強，唐瀟.步行動作的生物力學原理及其步態(tài)分析[J].南京體育學院學報,2006,5（4）:1-8.

⑥喬曉曉.人體行走運動與行走姿態(tài)的影響[J].產業(yè)與科技論壇，2016，15（5）：63-64.

〔1〕史力民.足跡學[M].北京：中國人民公安大學出版社，2007.238.

〔2〕羅亞平.痕跡檢驗教程[M].北京：中國人民公安大學出版社，2012.110-111.

〔3〕李瑞峰,王亮亮,王珂.人體動作行為識別研究綜述[J].模式識別與人工智能,2014(1):35-48.

〔4〕劉沉.步態(tài)研究及其應用[J].考試周刊,2011（68）：186-187.

〔5〕錢競光,宋雅偉,葉強,等.步行動作的生物力學原理及其步態(tài)分析[J].南京體育學院學報:自然科學版,2006(4):1-7.

〔6〕喬曉曉.人體行走運動與行走姿態(tài)的影響[J].產業(yè)與科技論壇,2016,(5):63-64.

G808；Q985

A

1673-260X（2017）11-0043-02

2017-08-22