基于Kinect傳感器的老人摔倒檢測

鄢然

當(dāng)今社會的獨(dú)居老人越來越多，獨(dú)居老人的監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為一個社會問題。為使獨(dú)居老人在家發(fā)生摔倒時能被及時發(fā)現(xiàn)并告知其子女，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了不受可見光影響、保護(hù)老人隱私的基于Kinect傳感器的老人摔倒檢測系統(tǒng)。使用Kinect傳感器獲取深度圖像和老人的骨骼點(diǎn)信息，通過計(jì)算胯骨中心高度以及脊柱中心點(diǎn)的運(yùn)動速度對老人的動作進(jìn)行判斷。當(dāng)檢測到可能發(fā)生摔倒時，對老人進(jìn)行語音詢問，若得到確認(rèn)立即給老人子女發(fā)送電子郵件進(jìn)行通知。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測到老人摔倒的發(fā)生并發(fā)送電子郵件，同時，老人也可根據(jù)語音提示做出相應(yīng)動作將摔倒警報解除，減小系統(tǒng)誤差。

【關(guān)鍵詞】Kinect 摔倒檢測

1 引言

隨著老齡化社會的到來，“空巢老人”的比例不斷提高。當(dāng)空巢老人發(fā)生跌倒時，常因無法快速發(fā)送求救信號，導(dǎo)致救助不及時從而造成嚴(yán)重后果。因此，針對老人的家庭摔倒檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前，針對老年人摔倒的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括三種方法：

（1）通過可穿戴設(shè)備對老人的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而進(jìn)行摔倒動作的判斷。這種方法使用的傳感器包括速度傳感器、陀螺儀傳感器等，設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高，長期穿戴會使設(shè)備有一定損耗，并給老人生活造成不便。

（2）環(huán)境式摔倒檢測方法，在老人活動區(qū)域中的不同位置放置傳感器，通過監(jiān)測目標(biāo)運(yùn)動時發(fā)出的聲音以及接觸地面時發(fā)出的震動對摔倒動作進(jìn)行檢測，環(huán)境噪聲的干擾將對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大影響。

（3）基于視覺傳感器的摔倒檢測系統(tǒng)，原理是在檢測目標(biāo)的活動區(qū)域內(nèi)安裝圖像采集設(shè)備，通過對老人動作特征的提取進(jìn)行摔倒動作的判斷。這種方法可降低環(huán)境噪聲的干擾，但是老人的生活隱私將被暴露，影響其正常生活。

本文提出的摔倒檢測算法利用Kinect傳感器采集老人活動的信息和老人的關(guān)節(jié)點(diǎn)并將采集到的彩色圖像轉(zhuǎn)換為深度圖像，實(shí)現(xiàn)了一種摔倒動作識別系統(tǒng)。系統(tǒng)可獲取老人運(yùn)動時重心的高度和運(yùn)動的速度，通過閾值判斷老人是否摔倒。滿足摔倒判斷條件并通過語音對老人進(jìn)行詢問得到確認(rèn)之后，系統(tǒng)會給老人子女發(fā)送郵件進(jìn)行提醒，保證了系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性與實(shí)時性和老人使用的舒適性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 人體特征提取與動作分析

Kinect傳感器是微軟公司開發(fā)的一種3D體感攝影機(jī)，其圖像采集裝置包括最左側(cè)的紅外攝影機(jī)和分別位于中間和最右側(cè)的彩色攝像頭和紅外攝像頭。深度數(shù)據(jù)流由深度圖像幀組成，在每個深度圖像幀中包含了從Kinect紅外攝像頭的視角看出去，目標(biāo)物對應(yīng)的（x，y）點(diǎn)坐標(biāo)距離攝像頭平面的距離。

在獲取檢測目標(biāo)的深度圖像之后，Kinect傳感器可提取檢測目標(biāo)的骨骼點(diǎn)數(shù)據(jù)，共形成20個數(shù)據(jù)點(diǎn)。如圖1所示。

根據(jù)Kinect骨骼圖像中各骨骼點(diǎn)的坐標(biāo)位置可計(jì)算出人體中心的高度，結(jié)合Kinect骨骼圖的幀率為30fps，可獲取目標(biāo)的實(shí)時運(yùn)動速度，進(jìn)而進(jìn)行摔倒動作的判斷與檢測。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)，在成年人正常站立時胯骨中心點(diǎn)（HipCenter）與地面的距離和正常活動時脊柱中心點(diǎn)（Spine）上下運(yùn)動的速度均在一定范圍內(nèi)。因此，在老人活動時只需要對其胯骨中心點(diǎn)的高度和脊柱中心點(diǎn)的上下運(yùn)動速度進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)胯骨中心點(diǎn)的高度H小于閾值H并且脊柱中心點(diǎn)的速度V大于閾值V時認(rèn)為老人可能摔倒。為減小檢測誤差，在系統(tǒng)認(rèn)為老人可能摔倒后即對老人進(jìn)行語音詢問，若老人根據(jù)語音提示做出相應(yīng)動作，即可解除摔倒警報。若老人未在規(guī)定時間內(nèi)按照系統(tǒng)要求進(jìn)行動作的反饋，系統(tǒng)將自動通過163郵箱給老人子女發(fā)送電子郵件進(jìn)行提醒。

對于監(jiān)測目標(biāo)高度的檢測，胯骨中心點(diǎn)高度定義為胯骨中心點(diǎn)的Y值與左右腳掌的平均Y值的差值，即H= HipCenter.Y-（LeftFoot.Y+RightFoot.Y）/2。由于摔倒姿勢大多為仰臥式或跪地式，胯骨中心點(diǎn)距離地面的距離將會很小，考慮到老年人穿衣服的厚度等多種情況，將胯骨中心點(diǎn)高度閾值H設(shè)置為0.2較為合適。即當(dāng)H<0.2時，則認(rèn)為監(jiān)測到摔倒特征。

對于監(jiān)測目標(biāo)脊柱中心點(diǎn)上下運(yùn)動速度的檢測，每隔10幀計(jì)算一次人體中心下降的速度V。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)參考，一般認(rèn)為下降速度在1.21～2.05 m/s時可能發(fā)生摔倒。在本實(shí)驗(yàn)中，將中心點(diǎn)運(yùn)動速度的閾值V設(shè)置為0.35m/s，即當(dāng)V>0.35時，即認(rèn)為監(jiān)測到摔倒特征。當(dāng)同時監(jiān)測到上述兩個特征時，系統(tǒng)將對老人的狀況進(jìn)行語音詢問進(jìn)行確認(rèn)。

系統(tǒng)采集深度圖像信息如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

實(shí)驗(yàn)表明，該老人摔倒檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確率高，算法簡單易于實(shí)現(xiàn)，可解決獨(dú)自居家的老人發(fā)生意外摔倒時得不到及時救助的問題。與此同時，該系統(tǒng)只顯示深度圖像，可以很好地保護(hù)老人的隱私。另外，Kinect傳感器價格不高，檢測準(zhǔn)確，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

河海大學(xué)常州校區(qū)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 江蘇省常州市 213000endprint