基于QTI標準的人體骨架動作識別研究

陳意山 周洲

摘要：本文根據目前一種基于人體骨架關鍵關節(jié)點構建人體骨架模型的方法，并對該模型進行了改進，結合QTI練習/測試互操作規(guī)范，對人體骨架關節(jié)點的結構和位置信息進行了模型構建和XML呈現，為存儲人體骨架動作數據、各人機系統(tǒng)間的人體骨架數據交互提供一種新的模式。

關鍵詞：QTI;人體骨架;動作識別

一、引言

人體動作識別是人機交互快速發(fā)展的關鍵技術之一，該技術廣泛應用于醫(yī)療保健、電影娛樂和安全監(jiān)控等各種領域。人體動作識別是利用信息技術的手段將人體的動作特征、人體內的骨架和關節(jié)存儲到計算機，并根據相應的模型讀取和計算，如何迅速精確地讀取并識別人體骨架運動軌跡是人機交互系統(tǒng)的發(fā)展關鍵技術之一，而如何確定一個通用的描述的人體骨架模型數據規(guī)范，并使之在不同的人機交互系統(tǒng)中能夠相互共享人體骨架運動軌跡數據，則是一個新的研究方向。本文將探討利用QTI標準對人體骨架進行描述的模型，以及人體骨架運動數據的存儲模式。

二、QTI標準

CELTS-10 QTI（Question /Test Interoperability）練習/測試互操作規(guī)范，是中國現代遠程教育技術標準化委員會，在參照IEEE1484標準體系、IMS-QTI、航空工業(yè)計算機輔助培訓委員會（AICC）的基礎上，結合我國遠程教育先行的實際情況，進行修訂和完善后制定的一種規(guī)范。它負責描述教學評估實現，將試題以規(guī)范化定義的XML文檔來描述測試過程的全部環(huán)節(jié)：題項的描述、評估、重利用和測試自適應等過程。CELTS-10 QTI標準的主要職能有以下幾項：在任何虛擬的學習環(huán)境下，用戶都可以使用復合規(guī)范的練習題目;虛擬環(huán)境中的各種資源用戶均可使用;支持一致性工具的使用;所有測試結果的顯示都是一致的。

CELTS-10 QTI（Question /Test Interoperability）練習/測試互操作規(guī)范，由三個核心部分組成：第一部分為ASI信息模型（Assessment Section Item），制定了測驗內容的規(guī)范;第二部分為結果報告信息模型（Results Reporting），制定了關于測驗結果的規(guī)范;第三部分為XML綁定實例（XML Banding Specification），該文檔包括了評估、節(jié)和題項的設計例子及其元索屬性的詳細描述。

三、人體骨架模型構建及運動特征識別

（一）人體骨架模型構建

人體動作識別目前在人機交互系統(tǒng)中主要是通過識別圖像中的人體各部位位置，再根據連續(xù)圖像中各部位位置的變化，來獲取人體各部位的運動軌跡變換。同時人體各部位的位置，與軟體動物不一樣，本質上是人體骨架和各個關節(jié)部位的位置變換。因此，為了提高識別的效率，本文主要研究基于骨架模型的識別。

在人體骨架模型的構建模式上，本文參考了范嘉義的骨架模型設計，模型選擇了15個關鍵的關節(jié)點，如下圖。并在所要識別的圖片上標記這15個關節(jié)點的位置，記錄關節(jié)點在笛卡爾坐標系的位置數據。本文將該模型進行了簡單改進，提取了3個重要關鍵部位（頭3，頸部1，髖部2），人體四肢與頸部髖部相連。

改進后的人體骨架模型，以人體中軸線的三個部位（頭3，頸部1，髖部2）為主要的人體骨架中軸。左上肢（左肩5，左肘9，左腕13）和右上肢（右肩4，右肘8，右腕12）與頸部1相連接;左下肢（左臀7，左膝11，左踝15）和右下肢（右臀6，右膝10，右踝14）與髖部2相連接。四肢和三個關鍵關節(jié)點的連接組成了人體骨架模型

（二）人體運動特征識別

骨架模型的構建還不能解決人體動作軌跡識別的問題，還需要深入挖掘人體動作在運動時特征，以及如何在坐標體系中記錄特征點位置數據，并按照骨架模型結構存儲特征點數據。因此根據以上本文介紹的人體骨架模型結構，參考人體關節(jié)運動過程中的基于關節(jié)點的高級姿勢特征數據，這些數據主要表現在笛卡爾坐標系下的關節(jié)點運動軌跡特征、極坐標系下距離的關系和軌跡、軌跡特征、方向關系和軌跡、夾角關系和軌跡等9種子特征中。

四、人體骨架模型QTI描述

（一）ASI信息模型

ASI信息模型提供了對模型內容的呈現形式及內容組織結構形態(tài)，解釋了“對已有的內容如何進行描述和組織”的問題。模型由三個部分：評估（Assessment）、節(jié)（Section）、項（Item）有機結合組成描述模型。項包括了項的表述、結構、數據和反饋等全部信息。節(jié)是個集合概念，它可由一個或多個項/節(jié)組成的，在本骨架模型當中，上下肢可以作為一個節(jié)，而節(jié)中就包含三個項（如肩、肘、腕）。評估則像樹的根節(jié)點，每個模型只有一個評估，包含了項和節(jié)的各種形式集合。

本模型結構如右圖，模型記錄了某個時間點身體關節(jié)點的位置。模型中包含了四個項：時間、頭部、頸部、髖部，和四個節(jié)（四肢）。四個節(jié)的內部結構基本相似，上肢包含了三個項：肩、肘、腕，下肢包含了三個項：臀，膝，踝。每個項（除時間以為）均保存該關節(jié)點的位置信息數據。最后，通過整個骨架ASI信息模型，可以明確某個時間點一個人體部位各關節(jié)的位置呈現。而這種模型可以適用XML的規(guī)范表現。

因此，ASI信息模型具有以下特點：基本的ASI 數據定義簡單且很靈活，并可組成更復雜的數據結構;評估不能直接包含項，評估至少需要包含有一個節(jié);節(jié)可包含一個或多個項，節(jié)可進行嵌套，也允許定義空節(jié);項是ASI信息模型中最小的獨立單元，項不允許嵌套。

（二）XML綁定實例

<questestinterop>

<assessment title="人體骨架模型" ident="Postion01">

<qticomment>

人體骨架模型

</qticomment>

<objectives view=“應試者">

</objectives>

<qmd_time>2019-1-1 08：15：20<qmd_time>

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<mattext>頭部

<X>100.0</X><Y>99.0</Y><Z>12.2</Z>

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<mattext>頸部

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</body_item>

<section title=“左上肢" ident="S01">

<qticomment>左上肢</qticomment>

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<mattext>左肩

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<mattext>左肘

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<mattext>左腕

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<section title=“右上肢" ident="S02">

...

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<mattext>髖部

<X>100.0</X><Y>50.0</Y><Z>12.2</Z>

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<section title=“左下肢" ident="S03">

...

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<section title=“右下肢" ident="S04">

...

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</assessment>

</questestinterop>

本文改進了人體骨架關節(jié)點模型構建，利用了QTI標準對關節(jié)點位置數據進行描述和XML呈現，為存儲人體骨架動作數據、各人機系統(tǒng)間的人體骨架數據交互提供了一種具備可行性的方法。

參考文獻：

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基金項目：廣西壯族自治區(qū)教育廳高?？蒲许椖浚↙X2014655）。

第一作者：陳意山（1977年5月），男，廣西玉林人，碩士，副教授，從事智能教學系統(tǒng)研究。

第二作者：周洲（1980年12月），男，廣西桂林人，學士，講師，從事公共體育教育研究。

（廣西師范大學漓江學院 ?廣西桂林 ?541006）