丁 浩 楊自強 史業(yè)程

一、 前言

近些年來，監(jiān)控視頻以其直觀性和即時性已成為公安機關(guān)案件偵破的一把利器。視頻圖像能夠比較準(zhǔn)確、及時地捕捉到犯罪分子的各方面生理特征，為嫌疑人真實身份的認(rèn)定提供了可靠依據(jù)。然而隨著新媒體時代的到來，狡猾的犯罪分子面對監(jiān)控鏡頭總是費盡心機地偽裝自己。部分具有較強的反偵查意識的犯罪分子甚至故意改變自己原本的行走姿勢，給監(jiān)控視頻中人物的識別帶來了很大的難度。

針對目前監(jiān)控視頻中行走對象身份識別的難題，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的鑒定專家對此做出大量探索工作。有的專家提出可以通過視頻與實際空間幾何關(guān)聯(lián)進行成趟足跡定量化檢驗，選取左步長、右步長、左步寬、右步寬、左步角、右步角六項指標(biāo)，作為步幅特征檢驗的指標(biāo)，利用模糊數(shù)學(xué)中最大隸屬度原則，檢驗步幅特征，從而達到通過排除或者認(rèn)定步幅特征來認(rèn)定身份的目的。①王軍、周亞紅、呂導(dǎo)中、萬榮春：《足跡顯現(xiàn)及定量化綜合檢驗》，《江蘇公安?？茖W(xué)校學(xué)報》1998年第6期。有的專家提出用半周期長的代表性短序列取代關(guān)鍵幀，然后對每個序列用下肢關(guān)節(jié)角度描述其動態(tài)特征，并用關(guān)節(jié)點的形狀上下文描述其輪廓靜態(tài)特征，從而在不影響識別率的前提下，有效地解決了數(shù)據(jù)量大和計算復(fù)雜的缺點，提高了識別的實時性。②李翔、趙輝、張曉利：《基于人體關(guān)節(jié)點的步態(tài)識別算法研究》，《電氣電子教學(xué)學(xué)報》，2010年第5期。不過，這些成果都沒有能夠徹底解決公安機關(guān)所需要的實用性與可靠性難題，無法在公安工作實踐中真正的用于偵破案件實戰(zhàn)。因此針對這個難題，筆者嘗試了一種利用人體運動各組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系為識別特征的簡易方法—矢量標(biāo)記法。

二、 方法介紹

（一）方法原理

根據(jù)痕跡檢驗學(xué)原理，人的行走運動是在大腦中樞神經(jīng)統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)下，借助骨骼杠桿和關(guān)節(jié)樞紐作用，以骨骼肌為動力的一種復(fù)雜運動。幼兒從蹣跚學(xué)步到自由的行走，進而可以健步如飛和奔跑，是動作技巧不斷發(fā)展的結(jié)果。大腦皮質(zhì)中的興奮劑和抑制反饋使得肌肉的配合與劼抗進一步合理，行走的效果得到改善和加強。與此同時，反饋的形式和強度也得到不斷強化，并且在某一個程度上被固定下來。隨著運動效果被固定下來，行走的方式、姿態(tài)等行走特征可以穩(wěn)定重復(fù)。因此，當(dāng)人的行走動力定型形成之后，行走運動特征有著很好的穩(wěn)定性。

另一方面，人行走運動特征是人行走運動動力定型的具體反映。由于行走運動動力定型與人體運動器官結(jié)構(gòu)、形態(tài)和生理機能以及每個人學(xué)習(xí)、模仿和實踐途徑等密切相關(guān)，因此，每個人的行走運動特征是不可能完全相同的，這就為利用行走姿態(tài)進行身份識別奠定了基礎(chǔ)。

簡便快捷地鎖定既具有穩(wěn)定性又具有特異性的行走特征成為進行快速身份識別的關(guān)鍵。針對這一難題，我們首先以人體運動學(xué)骨骼運動相關(guān)理論為基礎(chǔ)選定一系列基本點作為選取特征點的庫，再通過大量的實驗進行數(shù)據(jù)采集，最終建立起一種利用概率數(shù)理統(tǒng)計和模糊理論方法，將特征點的穩(wěn)定性和特異性與特征點運動數(shù)據(jù)的離散程度對應(yīng)起來進行個體識別分析。

在對各項特征的測量、統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行加工整理的過程中，我們發(fā)現(xiàn)單純的直接使用測量數(shù)據(jù)進行分析存在很大的誤差，經(jīng)過仔細(xì)分析，我們找到誤差來源在于行走對象的行走是隨意的，測量中周期的選取是隨機的，距離鏡頭的距離也不同，并且每次分析對象不可能非常準(zhǔn)確的走到監(jiān)控中心位置，那么不同周期的第一幀的數(shù)據(jù)并不具有相同的測量條件，那么我們的分析的結(jié)果必然不準(zhǔn)確。因此我們重新調(diào)整了思路，最終建立了一種創(chuàng)新的，科學(xué)的，能夠鎖定分析初始條件的測量方法—矢量標(biāo)記法。

矢量標(biāo)記法是根據(jù)人體運動學(xué)的相關(guān)科學(xué)原理為基礎(chǔ)設(shè)計的一種步態(tài)分析方法。人體是一個物體系統(tǒng)，其總重心應(yīng)是人體各環(huán)節(jié)重心合力的作用點。人在行走過程中，身體的重心會隨著運動過程上下左右的搖擺，不同人的重心變化曲線是不一樣的。人在自然站立時，身體重心的位置大約在人體第三骶骨椎上緣前方7cm處，稍偏右。人如果改變站立姿勢，則人體重心的位置一定也會發(fā)生改變。因為此時人體各組成部分的相對位置發(fā)生了變化，如彎腰、跨立、舉手、抬腿等。人體是由許多骨與骨連結(jié)而成的杠桿系統(tǒng)，其體姿可以千變?nèi)f化。但是人在行走過程中，由于行走姿勢不停地發(fā)生重復(fù)性改變，那么這個杠桿系統(tǒng)之間的關(guān)系必然是穩(wěn)定的。因此，我們嘗試以人體重心的外標(biāo)為分析平面的原點，考慮其他的特征點相對于原點的位置變化與對應(yīng)關(guān)系，并將這種關(guān)系通過既具有方向信息又具有距離信息的矢量來標(biāo)識，將甄別對象的行走過程中的姿態(tài)（即骨骼及肌肉運動狀態(tài)）外化為直觀的數(shù)學(xué)量，依靠統(tǒng)計數(shù)學(xué)來有效的識別其穩(wěn)定性和特異性，進而鎖定樣本的行走姿態(tài)。

（二）方法步驟

首先，隨機提取目標(biāo)監(jiān)控視頻中嫌疑人行走的8~10個完整周期，利用Ve-gas軟件一幀一幀仔細(xì)查看監(jiān)控視頻，將每個實驗對象所選取的所有周期的運動視頻全部分解為若干幀單獨的圖像。

其次，對運動圖像進行細(xì)致觀察，根據(jù)樣本的行走運動狀態(tài)，初步選定13—15個在樣本行走過程中運動比較穩(wěn)定的部位中心作為最終特征點的基本點，對其進行編號和標(biāo)記（如圖1所示）。

第三，找到嫌疑人的運動重心，以重心為原點在圖像中建立二維坐標(biāo)系，將所選定的所有基本點相對于重心的水平與垂直坐標(biāo)分別用photoshop中的標(biāo)尺工具測量并換算出來（如圖2所示）。

（圖1）

（圖2）

（表1）

最后，選取不同對象的相同幀的同一特征點的數(shù)據(jù)進行特異性分析（可以計算其 persong系數(shù)進行）。如果所獲得的穩(wěn)定的特征點一致，則進行數(shù)值比較得到表2。

（表1）

三、結(jié)果與分析

首先在穩(wěn)定性分析方面，以樣本一及樣本二的第4特征點為例，分別得到其在垂直與水平方向匯總數(shù)據(jù)如下列四張表格。

根據(jù)概率統(tǒng)計原理，如果數(shù)據(jù)組的離散系數(shù)在0.1以內(nèi)則可以得出這一組數(shù)據(jù)離散程度低，穩(wěn)定性比較高的結(jié)論，即離散系數(shù)是與數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性成負(fù)相關(guān)的。因此通過計算離散系數(shù)可以快速確定樣本一及樣本二行走過程中第4特征點的運動具有高度穩(wěn)定性，即相對應(yīng)的左肩部位運動姿態(tài)是穩(wěn)定變化的。這樣就可以迅速鎖定嫌疑人有哪些特別穩(wěn)定的行走特征點，從而獲得嫌疑人動力定型的行走姿勢，并為據(jù)此判斷視頻中該對象為何人奠定了基礎(chǔ)。

其次在特異性分析方面，如果不同對象獲得的穩(wěn)定的特征點不一樣說明對象動力定型的表現(xiàn)姿態(tài)就不一樣，從而可以確定或排除嫌疑人；如果行走對象獲得的穩(wěn)定的特征點一致則又可以比較相同部位特征點所得到的穩(wěn)定數(shù)值是否相同或相近（可以計算其persong系數(shù)進行）來甄別不同的行走對象，下面以比較第4特征點都穩(wěn)定的樣本一和樣本二為例，由上表所示，樣本一的第4特征點在第一幀中的平均坐標(biāo)為（56.11，137.28），而樣本二的第4特征點在第一幀中的平均坐標(biāo)為（48.00，142.93），顯而易見，兩個樣本的第4特征點在第一幀中的姿態(tài)差異很大，即樣本一與樣本二的左肩運動姿態(tài)各不一樣，從而據(jù)此可以迅速甄別這兩個樣本。

（樣本一垂直匯總分析表）

（樣本一水平匯總分析表）

（樣本二垂直匯總分析表）

（樣本二水平匯總分析表）

四、結(jié)論與不足

矢量分析法通過分析監(jiān)控視頻圖像可以快速獲得嫌疑人在行走過程中其肩、肘、手腕、股骨、脛骨等運動部位相對于人體重心的變化趨勢，能夠快捷簡便地確定監(jiān)控視頻中嫌疑人行走過程中既具有穩(wěn)定性又具有特異性的行走姿勢，從而為迅速進行身份識別提供了有力依據(jù)。本方法的不足之處在于必須擁有一定數(shù)量的關(guān)于嫌疑人的監(jiān)控視頻，才能有較強的可靠性。因此，實踐中需要偵查人員獲取大量的偵查資料作為進行識別的基礎(chǔ)條件。