李蘇虎 湯澄清 卜嘉俊

（中國刑事警察學(xué)院，遼寧 沈陽110035）

引言

步態(tài)是人類行走的行為特征，涉及行為習(xí)慣、職業(yè)、教育、年齡及性別等因素，也受到多種疾病的影響。行走時，人體通過髖、膝、踝、足的一系列連續(xù)活動，使身體沿著一定方向移動。正常步態(tài)具有穩(wěn)定性、周期性、節(jié)律性、方向性、協(xié)調(diào)性以及個體差異性。

步態(tài)分析作為生物力學(xué)的特殊分支，是對人體行走時的肢體和關(guān)節(jié)活動進(jìn)行運動學(xué)觀察和動力學(xué)分析，提供一系列時間、幾何、力學(xué)等參數(shù)值和曲線，旨在揭示步態(tài)規(guī)律、步態(tài)異常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及影響因素，從而對身體結(jié)構(gòu)、運動機能和動作特征作出定性分析和定量評定［1］。在刑事案件中，犯罪嫌疑人的肢體運動往往是視頻系統(tǒng)中最容易獲取的明顯特征，它具有非侵犯性、唯一性、遠(yuǎn)距離、易采集、難以偽裝和隱藏等特性。如何充分利用監(jiān)控視頻中的信息，準(zhǔn)確分析犯罪嫌疑人的作案過程、行走運動規(guī)律和個體行為特征，有效識別和認(rèn)定人身成為刑偵領(lǐng)域亟待解決的難題。

性別分類起到一個初步篩選的作用，能大大縮小偵查范圍，有利于快速確定偵查重點。因此，性別識別技術(shù)將有力推動視頻實時系統(tǒng)在智能前端方面的發(fā)展。性別的分類識別主要運用視頻中人體的生理結(jié)構(gòu)特征（靜態(tài)信息），或某一（些）肢體的運動行為特征（動態(tài)信息）。例如男性肩比臀寬，重心高，跨步大，上半身橫向擺動明顯，女性則起落足平穩(wěn)［2］，這種區(qū)分性別的方式是以靜態(tài)的身體形態(tài)參數(shù)為主要依據(jù)的定性分析。本文中將通過對人體正常行走過程中上、下肢主要關(guān)節(jié)，即肩、髖、膝、踝關(guān)節(jié)的位移和角度特征在步態(tài)周期內(nèi)特定時刻的幅度與變化范圍進(jìn)行定量統(tǒng)計分析，探究男女個體的行走姿態(tài)規(guī)律特點，從而區(qū)分男女步態(tài)。

1 實驗研究

1.1 設(shè)備簡介

本文主要運用Codamotion 三維動作捕捉系統(tǒng)采集步態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，同時借助Footscan足底壓力測量系統(tǒng)（鋪設(shè)在步道中央地面上方并與地面平齊）分析時空參數(shù)。Codamotion 系統(tǒng)包括2 臺捕捉器，28 個Marker、驅(qū)動盒及充電器，高速數(shù)據(jù)傳輸線、集線器及接口卡，2個固定三腳架及1 套系統(tǒng)軟件，整套系統(tǒng)及場地設(shè)置如圖1 所示。該系統(tǒng)具有捕捉視域廣，Mark 點有獨特編碼，無需手動識別；Mark 主動發(fā)光，體積小、無線連接、采樣頻率高、分辨率高、精確度高；系統(tǒng)安裝快速，操作方便；設(shè)備小巧輕便，便攜性高等特點。另外，Coda?motion 系統(tǒng)軟件提供了國際公認(rèn)的詳細(xì)的運動學(xué)和動力學(xué)協(xié)議，可以獲得包括位置、速度、加速度、動作時間、身體旋轉(zhuǎn)、角度變化等參數(shù)，計算距離、屈曲—伸展、內(nèi)收—外展、旋轉(zhuǎn)和用戶定義的角度等運動學(xué)參數(shù)［3］。

圖1 Codamotion系統(tǒng)與場地設(shè)置

1.2 測試對象

選取男、女志愿者共25 名，年齡在22～40歲之間，身體健康，無踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)損傷史，足部無疾病。受試者填寫基本信息采集表，根據(jù)人體形態(tài)學(xué)測量的相關(guān)知識，測得每位受試者的身高、體重等參數(shù)（見表1）。

表1 測試對象個人信息

1.3 實驗準(zhǔn)備

1.3.1 著裝要求

受試者上身穿著無袖或短袖緊身衣，下身穿著緊身褲。這樣可以將標(biāo)記點直接粘貼或更靠近人體骨性關(guān)節(jié)點，保證采集的步態(tài)特征數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

1.3.2 貼標(biāo)記點

按照實驗方案，在受試者身體兩側(cè)共18 個關(guān)節(jié)點上固定Mark（標(biāo)記）點（體積很小的紅外信號發(fā)射器），具體位置（單側(cè)）為肱骨頭部、肱骨外髁、撓骨莖突、骼骨、股骨頂部大轉(zhuǎn)子處、股骨外上髁、腓骨外踝、跟骨外側(cè)、第五跖骨頭外側(cè)9處，如圖2所示。微型集線器插入標(biāo)記驅(qū)動盒，用A、B、C、D、E、F 6 個標(biāo)記驅(qū)動盒分別裝有3 個集線器，這樣每個點都有不同的序號，每位受試者采集點的位置和序號都是固定不變的。由一名專門的實驗人員負(fù)責(zé)按照一定的順序粘貼標(biāo)記點，以保證每位受試者粘貼的標(biāo)記點位置的準(zhǔn)確性，減少誤差。

圖2 Marker點位置

1.3.3 熟悉流程

受試者閱讀實驗方案，了解采集步驟。先在實驗場地內(nèi)行走多次，熟悉和適應(yīng)場地環(huán)境，找到最接近自然放松行走的狀態(tài)。

1.4 數(shù)據(jù)采集

每名受試者在8m長的長方形步道上行走15次，Codamotion 系統(tǒng)采集行走過程。由于步行時人體主要關(guān)節(jié)在矢狀面的運動范圍最大，因此，選取矢狀面內(nèi)髖、膝和踝關(guān)節(jié)角度作為主要角度參數(shù)，系統(tǒng)中通過節(jié)段之間的向量角計算得到，角度的變化選取從落足到起足時間段，并對時間進(jìn)行歸一化處理。具體參數(shù)定義如下：跟骨外側(cè)至第五跖骨頭外側(cè)連線與X 軸夾角，落足角順時針為正，起足角逆時針為負(fù)；大腿與小腿在矢狀面的夾角，膝關(guān)節(jié)屈為正，伸為負(fù)；髖關(guān)節(jié)與軀干在矢狀面的夾角，髖關(guān)節(jié)屈為負(fù)，伸為正（見圖3）。而肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)位置參數(shù)則選擇額狀面內(nèi)的高低起伏和內(nèi)外擺動，正負(fù)參照坐標(biāo)軸方向。

圖3 人體下肢關(guān)節(jié)角

1.5 數(shù)據(jù)處理

由于人的個體差異，如身高、體態(tài)、下肢結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)等因素影響，使起落足動作高低、快慢不同，起落足的具體部位、方向、力度等方面存在差異，提取特征參數(shù)數(shù)據(jù)時，選擇一個步態(tài)周期內(nèi)足與地面接觸的落足和起足兩個特定時相。關(guān)節(jié)角度和位移的穩(wěn)定性利用變異系數(shù)進(jìn)行評價，時空參數(shù)由Footscan 軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)計算，并對身高進(jìn)行歸一化處理［4］，時空參數(shù)包括步速、步長和步頻：步長利用身高歸一化，速度對g*身高均方根歸一化，步頻對g/身高均方根歸一化。男女比較采用獨立樣本t 檢驗，顯著性水平為0.05、0.01。

2 結(jié)果

男女行走的速度基本一致，男性的步長長，女性的步頻快，典型的男女時空參數(shù)特征對照（見圖4）。如果考慮身材因素，無量綱的速度和步長差異不顯著， 且女性大于男性（見表2）。

圖4 男女時空參數(shù)特征對照圖

表2 時空參數(shù)對比

男女肩關(guān)節(jié)內(nèi)外擺動差異不明顯，上下移動男性大于女性，差異顯著；女性髖關(guān)節(jié)內(nèi)外擺動大于男性，差異十分顯著，而男性髖關(guān)節(jié)上下移動明顯大于女性，典型男女身體結(jié)構(gòu)模型、行走姿態(tài)和局部關(guān)節(jié)位移對比（見圖5、表3）。

圖5 男女身體結(jié)構(gòu)、步態(tài)

表3 肩、髖部位移對比（單位mm）

男女落足髖關(guān)節(jié)角度差異不明顯，而男性起足髖關(guān)節(jié)角度大于女性，差異顯著。男女膝關(guān)節(jié)起落足角度均呈十分顯著性差異，踝關(guān)節(jié)角度差異顯著（見表4）。

表4 髖、膝、踝部關(guān)節(jié)角度對比（單位°）

3 討論

3.1 本文討論的步態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)都小于0.15，反映出男女性正常行走時姿態(tài)及特征的相對穩(wěn)定性。

3.2 男性肩關(guān)節(jié)內(nèi)外擺動大于女性，女性髖關(guān)節(jié)內(nèi)外擺動明顯大于男性，K.L.Johnson［5］等和D.J.Lick［6］等從心理學(xué)角度分析，這是人類適應(yīng)生存環(huán)境而不斷進(jìn)化的影響；女性肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)上下移動小于男性，與L.K.Smith等的假設(shè)一致，反映出女性行走高效節(jié)能；此外，男女性步態(tài)在髖關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的差異也與骨骼結(jié)構(gòu)和肌肉生物力學(xué)有密切關(guān)系，或是各種因素綜合作用的結(jié)果。

3.3 男性髖、膝和踝關(guān)節(jié)角度在起落足時刻大于女性，僅在起足時女性踝關(guān)節(jié)角度大于男性，D.M.Fessler 等分析稱由于女性腳小于男性，因此需要更大的跖趾關(guān)節(jié)蹬伸（底屈）角度來維持有效的膝關(guān)節(jié)運動，有關(guān)足結(jié)構(gòu)和踝關(guān)節(jié)活動是研究人體運動和步態(tài)的重要內(nèi)容之一。

3.4 本文采集的數(shù)據(jù)以人體矢狀面和額狀面（側(cè)面觀察和正面觀察）的運動為主，水平面內(nèi)軀干、骨盆的轉(zhuǎn)動及上肢的擺動等特征在男女性之間也存在一定的差異性，進(jìn)一步的研究可對比這些方面的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

男女性由于身體結(jié)構(gòu)、運動機能以及后天訓(xùn)練、學(xué)習(xí)所形成的行走習(xí)慣特點的不同，表現(xiàn)在行走步態(tài)中的一些關(guān)節(jié)角度和位移特征數(shù)據(jù)存在明顯的性別差異，可以通過對視頻中行走的特定時刻（段）的步態(tài)特征進(jìn)行測量、比較、分析，用于行為人的性別區(qū)分，從而為偵查提供線索。