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三、康復(fù)與人體工程學(xué)：
1.2.1步態(tài)分析的技術(shù)分類
目前主流的步態(tài)分析技術(shù)主要有以下幾種：基于計算機(jī)視覺的人體步態(tài)捕捉與分析、基于慣性傳感器的人體步態(tài)捕捉與分析、基于無線信號的人體步態(tài)捕捉與分析?；谟嬎銠C(jī)視覺的人體步態(tài)捕捉又分為基于紅外攝像頭、基于2D攝像頭、基于3D深度攝像頭等多種。上個世紀(jì)的技術(shù)路線還有基于機(jī)械式的步態(tài)捕捉。其他的技術(shù)路線還有基于電磁式的步態(tài)捕捉。
1.2.1.1基于紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)捕捉
紅外光學(xué)動作捕捉技術(shù)經(jīng)歷數(shù)十年的持續(xù)發(fā)展，目前常用的紅外光學(xué)動作捕捉技術(shù)都是基于計算機(jī)視覺原理[4]。紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)捕捉主要分為被動式和主動式。被動式是在人體關(guān)鍵部位粘貼反光標(biāo)記點(diǎn)，主動式是在人體主要部位佩戴上可發(fā)射紅外線的主動式攝像頭。本節(jié)主要說明被動形式的光學(xué)步態(tài)捕捉。在人體的主要骨骼部位以及關(guān)節(jié)處粘貼反光標(biāo)記點(diǎn)，利用架設(shè)好的紅外攝像頭追蹤反光標(biāo)記點(diǎn)（Markers），從而計算出反光標(biāo)記點(diǎn)在空間中的位置。反光標(biāo)記點(diǎn)和紅外攝像頭分別如圖1-1和圖1-2所示。
紅外攝像頭一般采用RJ45接口，通過網(wǎng)線連接匯聚到交換機(jī)，再由交換機(jī)統(tǒng)一將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到計算機(jī)。
計算機(jī)的上位機(jī)軟件經(jīng)過一系列的算法識別還原出人體的步態(tài)。
基于紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)動作捕捉系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟度高，采樣頻率高，加之目前的高性能計算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度*快所以延遲很低，且精度很高，使用范圍廣，應(yīng)用領(lǐng)域眾多。主要缺點(diǎn)是對光照特別敏感，不能在光變化較大的環(huán)境下使用，周圍不能有和光學(xué)標(biāo)記點(diǎn)相近的物體或光斑，所以光學(xué)步態(tài)捕捉一般只在室內(nèi)使用。由于攝像頭的視場角有局限性，且人在運(yùn)動時有的標(biāo)記點(diǎn)很容易受到其他物體及自身的遮擋，這就造成被遮擋部位數(shù)據(jù)的丟失。后期數(shù)據(jù)處理工作量很大，由于數(shù)據(jù)量大且需要處理丟失、跳幀等問題，需要較長的后期處理時間。缺點(diǎn)還在于需要架設(shè)相機(jī)，相機(jī)一般架設(shè)到鋼架結(jié)構(gòu)上，這就造成使用場景一般比較固定，不能輕易的挪動。一般的場景至少需要6個攝像頭，如果需要追蹤更大的場景，需要的攝像頭數(shù)量高達(dá)幾十個，且單個攝像頭價格十分價貴，比如Vicon公司生產(chǎn)的單個攝像頭價格高達(dá)十萬元，這就造成紅外光學(xué)式步態(tài)捕捉還是應(yīng)用到科學(xué)研究方面，無法走進(jìn)大眾。
目前市面上生產(chǎn)紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)捕捉的公司有英國的Vicon公司、美國NaturalPoint公司、美國MotionAnalysis公司、中國的青瞳視覺公司等。NaturalPoint公司生產(chǎn)的Optitrack系統(tǒng)如圖1-5所示。
1.2.1.2基于3D深度攝像頭的動作捕捉
隨著3D深度相機(jī)技術(shù)的成熟，有許多研究者開始研究基于深度相機(jī)的動作捕捉系統(tǒng)[5][6]。3D深度攝像頭與2D攝像頭的區(qū)別在于，除了能夠獲取平面圖像外還可以獲得深度信息。3D深度技術(shù)目前廣泛應(yīng)用在人體步態(tài)識別、三維重建、SLAM等領(lǐng)域。目前主流的3D深度攝像頭的技術(shù)路線有：（1）雙目立體視覺；（2）飛行時間（Timeoffly，TOF）；（3）結(jié)構(gòu)光技術(shù)等。
雙目立體視覺即使用兩個2D平面攝像頭。兩個平面攝像頭獲得兩幅圖像，通過兩幅圖像算出深度信息。飛行時間即由雷達(dá)芯片發(fā)射出紅外激光散點(diǎn)，照射到物體后反射回雷達(dá)芯片的時間，由于光速已知，發(fā)射返回時間已知即可測量出攝像頭距物體的距離， 。結(jié)構(gòu)光是攝像頭發(fā)出特定的圖案，當(dāng)被攝物體反射回這一圖案時，深度攝像頭再次接收這一圖案，通過比較發(fā)射出的圖案和接收的圖案從而測量出攝像頭距離被攝物體的深度信息。3D深度攝像頭方案對比如表1-1所示。
表1-1 3D深度攝像頭方案對比
利用結(jié)構(gòu)光方案的產(chǎn)品有微軟公司推出的Kinect，其廣泛的應(yīng)用在體感交互、人體骨架識別、步態(tài)分析等領(lǐng)域。
基本原理是首先找到圖像中移動的物體，然后會對移動的物體進(jìn)行深度評估，識別出人體的部位，然后將其從背景環(huán)境中分割出來。分割之后要做的工作就是模式匹配，將其匹配到骨骼系統(tǒng)上。算法流程如圖1-7所示。
以上三種方案的3D深度攝像頭方案大部分用在娛樂級別方面，比如臉部識別解鎖、人機(jī)互動，且由于其探測距離較近，很難用在大空間上。目前基于3D深度攝像頭的芯片在不斷地研究改進(jìn)中。其硬件芯片仍是目前的難點(diǎn)，再其次是算法的復(fù)雜度，大量的圖像計算對硬件的主控芯片的計算能力有較高的要求，在功耗上很難做到低功耗的工作，受制于目前的電池技術(shù)，單個傳感器的工作時間比較短。其優(yōu)勢在于不需要用戶穿戴任何傳感器和粘貼標(biāo)記點(diǎn)。利用Kinect進(jìn)行人體下肢骨架識別如圖1-8所示。
1.2.1.3基于2D攝像頭的動作捕捉
利用2D攝像頭實(shí)現(xiàn)3D運(yùn)動軌跡的捕捉是目前的技術(shù)研究。2D攝像頭即平面攝像頭，沒有深度信息。目前基于2D攝像頭的動作捕捉主要采用卷積神經(jīng)網(wǎng)路（CNN）將稀疏的2D人體姿態(tài)凸顯檢測的原理。但是此種捕捉方案需要長時間的運(yùn)算，并不適合實(shí)時的運(yùn)動分析，且輸出精度低?；?D攝像頭的動作捕捉目前可以捕捉人體局部的運(yùn)動姿態(tài)，且捕捉之間需要采集大量的數(shù)據(jù)樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。2D攝像頭在深度信息的預(yù)測上存在著偏差，任何一點(diǎn)錯誤的數(shù)據(jù)都會導(dǎo)致很大的偏差，穩(wěn)定性*差。的挑戰(zhàn)在于攝像頭的遮擋以及快速的運(yùn)動都是2D攝像頭很難追蹤到的。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要任何的穿戴，且所需要的2D攝像頭觸手可得，成本*低，這對大眾化的應(yīng)用是一個不錯的選擇。利用2D平面攝像頭的姿態(tài)捕捉應(yīng)用如圖1-9所示。
慣性傳感器主要包括加速度計、陀螺儀、磁力計。其中加速度計、陀螺儀、磁力計多采用MEMS形式，所以稱之為MEMS慣性傳感器。三軸加速度計可以測量載體的三個軸向上的加速度，是一矢量，通過加速度我們也可以計算出載體靜止時的傾角。三軸陀螺儀可以測量出載體的三個軸向上角速度，通過對角速度積分我們可以得到角度， 。三軸磁力計可以測量出周圍的磁場強(qiáng)度及與地球磁場的夾角。通過融合加速度、角速度、磁力值的數(shù)據(jù)我們可以精準(zhǔn)的得到載體的旋轉(zhuǎn)。融合后的數(shù)據(jù)一般用四元數(shù)或歐拉角來表示。其中四元數(shù)形式如 ，歐拉角包含俯仰角（Pitch）、橫滾角（Roll）、偏航角（Yaw）。得到載體的旋轉(zhuǎn)后再擬合各個骨骼的運(yùn)動，從而計算出穿戴部位的運(yùn)動姿態(tài)。通過對加速度、角速度的積分可以測量出穿戴者的步速、步距、步長等參數(shù)。上的MEMS慣性動作捕捉系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)公司國外有荷蘭Xsens、國內(nèi)的北京孚心科技公司等。綜述其原理如圖1-11所示。
基于MEMS慣性傳感器的動作捕捉系統(tǒng)的步態(tài)分析有很大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在由于慣性動作捕捉系統(tǒng)采用的是MEMS芯片，成本較低，每個芯片只需要十元左右，整套系統(tǒng)的價格在幾萬元級別。由于慣性動作捕捉系統(tǒng)是一種無源的系統(tǒng)，整套系統(tǒng)的重量在幾千克的范圍內(nèi)，所以便于攜帶，且不需要架設(shè)繁雜的相機(jī)。慣性傳感器只需要開機(jī)后就可以使用，沒有繁雜的校準(zhǔn)、標(biāo)定等操作步驟，所以使用十分便捷。慣性動作捕捉系統(tǒng)不受使用環(huán)境的影響，不管在室內(nèi)、還是室外都可以正常使用。 但是MEMS傳感器的精度相比于光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)來講，精度較低，但對于大眾人群已經(jīng)完全滿足其需求。由于MEMS式陀螺儀存在零偏且在動態(tài)情況下積分累計誤差會隨著時間的推移而產(chǎn)生較大的漂移。MEMS加速度計在不同的狀態(tài)下也存在誤差，特別是在高動態(tài)下。磁力計很容易受到強(qiáng)磁環(huán)境的干擾。但是這一系列的誤差問題都可以通過算法來補(bǔ)償。MEMS式慣性傳感器補(bǔ)償后的靜態(tài)精度一般可達(dá)到：俯仰角/橫滾角≤0.2°,偏航角≤1°；動態(tài)精度：俯仰角/橫滾角≤0.5°, 偏航角≤2°，步態(tài)位移誤差可達(dá)5%。已滿足步態(tài)參數(shù)計算的精度要求。
1.2.1.5其他技術(shù)路線
機(jī)械式動作捕捉依靠穿戴在人身體的機(jī)械裝置來測量關(guān)節(jié)角度以及位移。人體運(yùn)動帶動機(jī)械裝置的運(yùn)動，從機(jī)械裝置上的角度傳感器可以知道運(yùn)動角度，根據(jù)角度和機(jī)械部位的長度從而計算出移動位移。這一技術(shù)早出現(xiàn)在20世紀(jì)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的笨重，在步態(tài)分析方面機(jī)械動作捕捉早已退出發(fā)展的主流。但利用機(jī)械外骨骼的搬運(yùn)發(fā)展成了主流。其形狀如圖1-12所示。