[發明專利]一種實時生活場景步行穩定性評估方法

在審

• 申請號: 202210938992.7
• 申請日: 2022-08-05
• 公開（公告）號: CN115376206A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 劉鵬;鐘亞平
• 申請（專利權）人: 山東體育學院;武漢體育學院;武漢中體智美科技有限公司
• 主分類號: G06V40/20
• 分類號: G06V40/20;G06V20/40;G06V10/82;G06V10/74;G06T7/80;G06T17/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

1.一種實時生活場景步行穩定性評估方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，基于PTP協議實現兩個攝像機間的高精度時鐘同步；

步驟2，通過標定板，以同步時間戳定義同一時刻，通過張正友標定方法標定每一個相機的固定內參，建立兩個相機的姿態關系，并通過特征標定桿在拍攝位置的揮舞和放置實現對拍攝位置三維坐標的自動化標定；

步驟3，利用雙目相機對待評估對象進行連續拍攝，基于拍攝的圖像實現人體運動跟蹤；

步驟4，參考BVH人體骨骼模型，將每一個需要估計的關節點，定義為一種姿態類別，訓練現有的卷積神經網絡；

步驟5，針對拍攝的運動視頻，基于訓練好的卷積神經網絡獲得所有關節點的姿態類別概率圖；

步驟6，通過實際運動過程中的人體關節約束對姿態類別概率圖進行修正，所述姿態類別概率圖即關節點熱圖；

步驟7，獲得關節點熱圖的相似性度量，從多人運動場景中將跟蹤目標和其他目標區分開來；

步驟8，針對關節點熱圖，使用巴特沃斯低通濾波器去除人體關節點的高頻抖動噪聲；

步驟9，使用統一標記對多人運動場景中的跟蹤目標個體進行標記；

步驟10，利用DLT三維重建方法進行空間位置計算，實現人體姿態的三維重建；

步驟11，運用定標后的三維人體模型，提取人體各部分運動學參數，參考BVH人體骨骼模型和據國家標準GBT 17245-2004中的表A.3確定每一體段的質量系數和質心位置系數，確定每一體段的質心位置；

步驟12，根據每一體段的質心位置，計算人體重心CM位置，零力矩點ZMP位置，質心力矩樞軸CMP位置；

步驟13，根據步行過程中ZMP、CMP與CM地面投影點的偏離程度，定義并計算人體穩定系數，據此判別人體行走過程中的穩定調節能力。

2.如權利要求1所述的一種實時生活場景步行穩定性評估方法，其特征在于：人體重心位置計算公式如下；

為身體各部分質心位置矢量，可由雙目攝像頭提取數據獲取；m_i為人體各部分的質量，M為人體總質量，人體各部分的質量系數，可以通過文獻查得；n表示身體的各個部分；該公式中不需要知道m_i和M的具體數值，因二者之比即為人體各部分的質量系數，由公式1計算得到即人體的質心位置矢量。

3.如權利要求2所述的一種實時生活場景步行穩定性評估方法，其特征在于：零力矩點ZMP位置的計算公式如下；

其中是關于零力矩點ZMP的地面反作用力力矩的水平分量，G.R.指地面反作用力，horizontal是地面反作用力產生力矩的水平分量，代表零力矩點位置矢量；公式2意味著從地面施加在身體上的關于ZMP的合力力矩總是垂直水平方向的，或平行于重力加速度g；零力矩點ZMP可以定義為地面上由慣性力和重力引起的凈力矩沿水平軸沒有分量的點，即：

其中Inertial指慣性力，也就是人體運動所產生的慣性力，gravity指重力，總體就是慣性力和重力產生的總力矩的水平分量；根據公式2，如果除地面反作用力和重力外沒有任何外力，則重力圍繞點ZMP產生的力矩的水平分量等于關于ZMP的全身力矩的水平分量，即

其中為重力加速度矢量；使用人體各個部分動力學的詳細信息，公式4可以重寫為

其中為身體的第i部分關于該部分質心的轉動慣性張量，為第i部分的角速度，代表身體各部分的加速度矢量，dt代表對時間求導；

由公式1可知

帶入公式5，并將力矩矢量在x,y方向分解可得：

其中，矢量叉乘方向符合右手螺旋定理，為垂直方向人體質心的加速度；由公式7、公式8可求得ZMP點的橫坐標和縱坐標，令且

其中為人體質心加速度矢量，考慮矢量方向及叉乘后矢量的方向，將叉乘積展開可得：

其中和為關于中心的力矩在y和x方向的分量，F_x，F_y，F_z分別是代表外力在x,y,z方向的分量。