基于Kinect傳感器的老人摔倒檢測

鄢然

當(dāng)今社會的獨居老人越來越多，獨居老人的監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為一個社會問題。為使獨居老人在家發(fā)生摔倒時能被及時發(fā)現(xiàn)并告知其子女，設(shè)計和實現(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信息，通過計算胯骨中心高度以及脊柱中心點的運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。實驗結(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)計具有重要意義。

目前，針對老年人摔倒的檢測系統(tǒng)設(shè)計主要包括三種方法：

（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驗結(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)點并將采集到的彩色圖像轉(zhuǎn)換為深度圖像，實現(xiàn)了一種摔倒動作識別系統(tǒng)。系統(tǒng)可獲取老人運動時重心的高度和運動的速度，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)確性與實時性和老人使用的舒適性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

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，其圖像采集裝置包括最左側(cè)的紅外攝影機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)的骨骼點數(shù)據(jù)，共形成20個數(shù)據(jù)點。如圖1所示。

根據(jù)Kinect骨骼圖像中各骨骼點的坐標(biāo)位置可計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)的實時運動速度，進(jìn)而進(jìn)行摔倒動作的判斷與檢測。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計與分析

根據(jù)之前的實驗，在成年人正常站立時胯骨中心點（HipCenter）與地面的距離和正常活動時脊柱中心點（Spine）上下運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的高度和脊柱中心點的上下運動速度進(jìn)行計算，當(dāng)胯骨中心點的高度H小于閾值H并且脊柱中心點的速度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，胯骨中心點高度定義為胯骨中心點的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)脊柱中心點上下運動速度的檢測，每隔10幀計算一次人體中心下降的速度V。根據(jù)實驗結(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。在本實驗中，將中心點運動速度的閾值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 實驗總結(jié)

實驗表明，該老人摔倒檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確率高，算法簡單易于實現(xiàn)，可解決獨自居家的老人發(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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[3]李旋旋，張仁杰.一種基于Kinect的人體摔倒檢測方法[J].軟件導(dǎo)刊，2017，16（07）：125-127.

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