智能空間中人的行為識(shí)別與理解.pdf

1、目前許多國(guó)家已進(jìn)入老齡化社會(huì),對(duì)獨(dú)居老人的監(jiān)護(hù)和陪伴已成為突出的社會(huì)問(wèn)題,各國(guó)把智能服務(wù)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)作為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題的重要策略之一。正確識(shí)別和理解人的行為是服務(wù)機(jī)器人給人提供相應(yīng)服務(wù)的前提。目前對(duì)基于視覺(jué)的行為識(shí)別和理解的研究尚處于初級(jí)階段,人體行為模式的多樣性和家庭環(huán)境的復(fù)雜性使之成為一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的課題。就目前機(jī)器人的發(fā)展水平而言,僅僅依靠機(jī)器人自身有限的感知和計(jì)算能力難以完成“在正確識(shí)別和理解人的行為基礎(chǔ)上提供恰當(dāng)服務(wù)”這樣復(fù)雜的

2、任務(wù),必須借助其他手段。為此,本文提出了以基于視覺(jué)的方法為基礎(chǔ)、結(jié)合智能空間技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人行為的識(shí)別和理解的方法。對(duì)智能空間中人的行為的正確識(shí)別和理解使機(jī)器人對(duì)獨(dú)居老人的監(jiān)護(hù)和陪伴成為可能。因此,對(duì)智能空間及智能空間中行為識(shí)別和理解的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　 本文對(duì)智能空間中行為識(shí)別和理解所包含的五個(gè)主要方面進(jìn)行了研究與探討:“面向理解和服務(wù)的智能空間”(Intelligent Space for Understand

3、ing andService,簡(jiǎn)稱(chēng)ISUS)的設(shè)計(jì)與搭建,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤,日常動(dòng)作識(shí)別,異常動(dòng)作識(shí)別,行為認(rèn)知和意圖識(shí)別。首先,研究了ISUS的搭建。ISUS既是人活動(dòng)的物理空間,又是能夠感知人的活動(dòng)、給人提供服務(wù)的智能空間。在行為識(shí)別和理解的研究過(guò)程中,需要用到ISUS中的視覺(jué)和其他相關(guān)信息。因此,ISUS是后續(xù)研究的基礎(chǔ)；然后,研究了以家庭環(huán)境中獨(dú)居老人的監(jiān)護(hù)為背景的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤,實(shí)現(xiàn)了家庭環(huán)境中對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確檢測(cè)和實(shí)時(shí)跟蹤,

4、此為目標(biāo)動(dòng)作識(shí)別中特征提取的前提；在正確檢測(cè)出目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的基礎(chǔ)上,對(duì)常見(jiàn)日常動(dòng)作和異常動(dòng)作的識(shí)別進(jìn)行了研究。日常動(dòng)作的正確識(shí)別是行為認(rèn)知和意圖識(shí)別的基礎(chǔ),而通過(guò)對(duì)異常動(dòng)作的有效識(shí)別可判斷被監(jiān)護(hù)者是否有異常狀況發(fā)生；最后,研究了智能空間中目標(biāo)的行為認(rèn)知和意圖識(shí)別,實(shí)現(xiàn)了對(duì)正常行為的認(rèn)知和意圖識(shí)別以及對(duì)常見(jiàn)反常行為的識(shí)別。在此基礎(chǔ)上,智能空間可根據(jù)識(shí)別結(jié)果直接或者間接給人提供相應(yīng)的服務(wù)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果概括如下:
　　

5、 (1)針對(duì)iSpace(Intelligent space)服務(wù)效率低的問(wèn)題,提出了ISUS的概念和執(zhí)行分布的思想,有效提高了服務(wù)效率,降低了機(jī)器人的負(fù)擔(dān)；從智能空間標(biāo)準(zhǔn)化的角度進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了ISUS的分層體系結(jié)構(gòu),從而使整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊清晰,便于ISUS的搭建和任務(wù)分配；在對(duì)ISUS的組成單元進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,搭建了智能空間,然后針對(duì)智能空間如何有效完成“理解和服務(wù)”這一核心任務(wù)進(jìn)行了任務(wù)分解和規(guī)劃,最后介紹了ISUS所能

6、實(shí)現(xiàn)的功能并剖析了ISUS中的信息流結(jié)構(gòu)。
　　 (2)針對(duì)智能空間的環(huán)境特點(diǎn),改進(jìn)了高斯混合模型(GMM)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法,提高了模型及時(shí)反映背景變化的能力,從而改善了目標(biāo)分割的效果；對(duì)均值漂移算法(Mean Shift算法)進(jìn)行了改進(jìn),提出了適合本環(huán)境的模板和目標(biāo)尺度更新策略,并結(jié)合卡爾曼濾波提高了跟蹤的魯棒性；采用智能空間中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視覺(jué)技術(shù)相結(jié)合的目標(biāo)跟蹤方法,解決了跟蹤過(guò)程中目標(biāo)的嚴(yán)重遮擋或目標(biāo)暫時(shí)離開(kāi)攝像機(jī)視野

7、范圍后的重新獲取以及多攝像機(jī)目標(biāo)跟蹤中目標(biāo)匹配、交接困難的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了多攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)的接力跟蹤。
　　 (3)人體動(dòng)作識(shí)別是行為認(rèn)知和意圖識(shí)別的基礎(chǔ),基于視覺(jué)的動(dòng)作識(shí)別的實(shí)質(zhì)是有效特征的選擇問(wèn)題,好的特征不僅能夠有利于行為識(shí)別而且能夠減少識(shí)別的計(jì)算量。針對(duì)利用目前常用特征難以提高動(dòng)作識(shí)別準(zhǔn)確性的問(wèn)題,本文提出了利用人體動(dòng)作序列的輪廓特征識(shí)別人的日常動(dòng)作的方法,有效提高了動(dòng)作識(shí)別的準(zhǔn)確率。但是,這種方法對(duì)目標(biāo)分割的要求很高,易受目

8、標(biāo)分割結(jié)果的影響。為此,提出了直接利用人體動(dòng)作序列的側(cè)影特征作為動(dòng)作識(shí)別特征的方法,提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　 (4)對(duì)常見(jiàn)異常動(dòng)作的識(shí)別進(jìn)行了研究,主要研究了跌倒、異常步態(tài)和異常行走狀態(tài)的識(shí)別。在跌倒識(shí)別方面,針對(duì)已有方法難于區(qū)分跌倒和正常躺下的問(wèn)題,提出了一種新的跌倒識(shí)別算法,在識(shí)別過(guò)程中利用了跌倒的靜、動(dòng)態(tài)特性,同時(shí)考慮了人在智能空間中的位置、身體狀況等信息,提高了跌倒識(shí)別的準(zhǔn)確性；與目前常用步態(tài)特征實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別不

9、同,本文通過(guò)對(duì)異常步態(tài)的識(shí)別來(lái)推斷人是否有異常狀況發(fā)生。為此,根據(jù)人的步態(tài)特點(diǎn),定義了能實(shí)時(shí)描述步態(tài)變化的參數(shù),據(jù)此實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常步態(tài)的識(shí)別；最后通過(guò)對(duì)行走軌跡的判斷實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常行走狀態(tài)的識(shí)別。
　　 (5)行為認(rèn)知和意圖識(shí)別是行為識(shí)別和理解的高層處理階段。首先對(duì)人在智能空間中的定位進(jìn)行了研究,針對(duì)基于身高模型的定位不能解決當(dāng)人的姿態(tài)變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生定位錯(cuò)誤的問(wèn)題,提出了身高模型和姿態(tài)識(shí)別相結(jié)合的定位方式,消除了人體姿態(tài)變化對(duì)定位準(zhǔn)確

10、性的影響。然后,通過(guò)定義的位置置信度系數(shù)實(shí)現(xiàn)了多攝像機(jī)定位結(jié)果的融合,進(jìn)一步提高了定位精度；在實(shí)現(xiàn)對(duì)人定位的基礎(chǔ)上,研究了對(duì)正常行為的認(rèn)知和對(duì)反常行為的識(shí)別。在對(duì)正常行為的認(rèn)知和意圖識(shí)別中,提出了智能空間關(guān)鍵點(diǎn)的概念,對(duì)智能空間中的關(guān)鍵點(diǎn)和區(qū)域進(jìn)行了定義。在此基礎(chǔ)上提出了地點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的行為認(rèn)知算法,把關(guān)鍵點(diǎn)與其屬性相聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)人意圖的識(shí)別；在反常行為識(shí)別方面,提出了通過(guò)分析人在關(guān)鍵點(diǎn)之間的活動(dòng)路線識(shí)別人是否有反常狀況發(fā)生的方法；提出了關(guān)