行走的秘密

宣成

因人而異的步態(tài)

在形容一個(gè)人具有威武雄壯的氣概時(shí)，我們經(jīng)常用“龍?bào)J虎步”這個(gè)成語，意思是他行走時(shí)像老虎一樣。當(dāng)我們形容一個(gè)人行走緩慢時(shí)，會(huì)用“鵝行鴨步”這個(gè)成語。這說明雖然行走是人類的基本功能之一，但不同的人有不同的行走方式。也許這就是為什么步態(tài)（行走的姿態(tài)）——以及它們所傳達(dá)的信息——如此吸引人的原因。在行走時(shí)，我們將一只腳放在另一只腳的前面，帶動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)，這需要全身幾十塊肌肉一起工作。這些微妙的肌肉彎曲和拉伸模式非常獨(dú)特，以至于研究步態(tài)的科學(xué)家相信，它們就像人們的指紋一樣獨(dú)一無二。

古希臘哲學(xué)家亞里士多德是最早關(guān)注行走姿態(tài)的人之一，但沒有人比19世紀(jì)的法國小說家巴爾扎克更癡迷于這一話題。在他的書中，他經(jīng)常將人物的行走方式與他們的個(gè)性、社會(huì)地位和職業(yè)聯(lián)系起來。

巴爾扎克還對(duì)步態(tài)進(jìn)行了第一次嚴(yán)肅的研究。他的行走理論發(fā)表于近200年前，其研究基礎(chǔ)是觀察人們?cè)诎屠杞诸^走路的樣子。他說道：“水手們平時(shí)要應(yīng)付船舶的晃動(dòng)，所以他們走起路來是兩腿分開的。

步態(tài)分析技術(shù)

步態(tài)分析現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種學(xué)術(shù)研究，并正在產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用。最先發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用潛力的是刑事調(diào)查人員，他們讓步態(tài)專家分析閉路電視錄像中嫌疑人的行走方式來鎖定嫌疑人。

最近，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步使步態(tài)分析研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，該方法使用精確成像技術(shù)來測(cè)量眼睛無法察覺的細(xì)節(jié)。一些步態(tài)科學(xué)家會(huì)記錄特定的生物力學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)，比如踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的距離或者膝蓋彎曲時(shí)大小腿的夾角，然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和比較。德國基爾大學(xué)的塞巴斯蒂安·海因策爾說：“每個(gè)人都有獨(dú)特的步態(tài)模式，這意味著它們可以被識(shí)別?！?/p>

加拿大的步態(tài)識(shí)別研究員帕特里克·康納說：“早期步態(tài)識(shí)別研究的最大突破之一就是意識(shí)到可以通過輪廓來識(shí)別一個(gè)人。”他指的是步態(tài)能量成像，即拍攝一個(gè)人行走時(shí)的一系列快照（通常從側(cè)面拍攝），然后將它們合并成一張單獨(dú)的照片?！霸谡掌?，頭部和軀干都在同一個(gè)地方，你會(huì)看到胳膊和腿的模糊運(yùn)動(dòng)。”康納說。

步態(tài)分析的結(jié)果可靠嗎？步態(tài)研究人員稱，如果一個(gè)系統(tǒng)能夠根據(jù)步態(tài)正確識(shí)別90%的志愿者，那么它就是“有效”的。2017年，葡萄牙的計(jì)算機(jī)科學(xué)家聲稱，他們可以通過人們的影子識(shí)別出從攝像頭下方走過的人。這可能意味著將來使用無人機(jī)就可以進(jìn)行隱蔽的步態(tài)分析。

步態(tài)分析與人臉識(shí)別

現(xiàn)在，步態(tài)分析技術(shù)日益熱門起來，交通運(yùn)輸公司想用它來識(shí)別乘客，醫(yī)生想用它來發(fā)現(xiàn)關(guān)于疾病的早期線索。但這項(xiàng)技術(shù)足夠可靠嗎？它是朝著正確的方向邁出了一步還是對(duì)我們生物特征隱私的又一次令人擔(dān)憂的侵犯？

這可能讓人們想到人臉識(shí)別技術(shù)，在許多國家，這種技術(shù)正在被廣泛用于在人們不知情的情況下對(duì)他們進(jìn)行識(shí)別。相對(duì)人臉識(shí)別，步態(tài)分析可能是一個(gè)更強(qiáng)大的工具，因?yàn)樗梢蕴幚淼头直媛实膱D片，而且比人臉識(shí)別系統(tǒng)更難以規(guī)避，即使你戴上頭套或面具都不管用。

英國生物識(shí)別專家保羅·懷爾斯指出，人們向社交媒體上傳了很多視頻片段，在這些視頻中，人臉很難識(shí)別，但步態(tài)很容易辨認(rèn)。他表示，英國警方準(zhǔn)備將步態(tài)分析與人臉識(shí)別結(jié)合起來，以更好地利用這類視頻。

步態(tài)分析目前的應(yīng)用還遠(yuǎn)沒有人臉識(shí)別那么廣泛。這主要是因?yàn)樗枰幌盗羞B續(xù)的照片，涵蓋行走的七個(gè)階段，顯示每條腿的移動(dòng)和抬起。處理這些圖像需要龐大的計(jì)算量，而大多數(shù)步態(tài)分析系統(tǒng)都沒有足夠的計(jì)算量來實(shí)時(shí)工作。這也是步態(tài)分析系統(tǒng)目前對(duì)警察幫助有限的原因：在執(zhí)法中使用該系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要求是，該系統(tǒng)能夠足夠快地識(shí)別出他們想要逮捕的人。

2020年，我國的人工智能企業(yè)銀河水滴公司宣布推出世界首款“智能步態(tài)人臉雙目抓拍機(jī)”，搭載步態(tài)識(shí)別及人臉識(shí)別兩個(gè)深度學(xué)習(xí)算法，支持步態(tài)、人臉雙抓拍。

不過，也有人對(duì)步態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用表達(dá)了擔(dān)憂。懷爾斯說，警察和其他人對(duì)步態(tài)分析的使用可能需要受到新的立法控制或限制。這種生物特征分析在倫理上是有問題的，因?yàn)樗梢栽趥€(gè)人不知情或未經(jīng)個(gè)人同意的情況下進(jìn)行。懷爾斯表示，他傾向于讓各國政府制定框架，列出使用步態(tài)和其他生物識(shí)別技術(shù)的廣泛原則。

步態(tài)分析的應(yīng)用場(chǎng)景

步態(tài)識(shí)別也有適合自己的應(yīng)用場(chǎng)景，以機(jī)場(chǎng)安檢為例，它需要進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的識(shí)別，步態(tài)識(shí)別可以簡(jiǎn)化整個(gè)過程。

如果人們配合識(shí)別過程的話，就不需要像步態(tài)能量成像那樣費(fèi)力地量輪廓。人們可以佩戴傳感器，以反饋他們的動(dòng)作的精確信息。意大利羅馬大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家瑪麗亞利用這種方法，通過智能手機(jī)內(nèi)的加速度計(jì)發(fā)送的信息來識(shí)別人，因?yàn)楫?dāng)人們行走時(shí)，智能手機(jī)在他們的手上或口袋里來回晃動(dòng)。她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造了一個(gè)智能門，它安裝了步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)它識(shí)別到具有進(jìn)入權(quán)限的人接近時(shí)，就會(huì)自動(dòng)打開。

原則上，這種方式比停下來掃描虹膜或指紋要方便得多。美國萬事達(dá)卡公司表示，它正在與運(yùn)輸公司合作，研究如何在乘客接近檢票口時(shí)，利用步態(tài)分析對(duì)其進(jìn)行身份驗(yàn)證。

最近，人們對(duì)使用步態(tài)分析來跟蹤人們的健康越來越感興趣。海因策爾使用安裝在帕金森病患者下背部的傳感器來分析他們的行走動(dòng)作。人們行走的視頻已經(jīng)被用于發(fā)現(xiàn)肌肉的問題，但海因策爾希望利用這項(xiàng)技術(shù)來診斷疾病，跟蹤身體退化過程，并評(píng)估藥物的療效。

雖然這些應(yīng)用現(xiàn)在還處于早期階段，但海因策爾說這種方法也可以用來預(yù)示其他疾病的發(fā)作。他說：“當(dāng)你出現(xiàn)輕度認(rèn)知障礙或患有多發(fā)性硬化癥等疾病時(shí)，你的行走方式可能會(huì)發(fā)生變化。”如果及早發(fā)現(xiàn)這些癥狀，患者就可以得到更好的治療，也意味著能有更好的預(yù)后。

準(zhǔn)確地知道你如何行走也可以幫助你更好地走路。美國南佛羅里達(dá)大學(xué)的生物力學(xué)專家凱爾·里德使用了與電影《阿凡達(dá)》相同的身體傳感技術(shù)和攝像機(jī)，來檢測(cè)中風(fēng)患者受損的步態(tài)。他說，這有助于改善患者的康復(fù)項(xiàng)目，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能夠捕捉物理治療師看不到的信息。

巴爾扎克沒有預(yù)見到，他在巴黎的人行道上所觀察到的現(xiàn)象，可能有一天會(huì)提供一種識(shí)別地球上近80億人的方法。要是他活著聽到這件事的話，也許他走路會(huì)更趾高氣揚(yáng)些。

（摘自《科學(xué)畫報(bào)》2021年第3期）