專利名稱：步態(tài)波形特征提取方法以及個人識別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及步態(tài)波形特征提取方法以及個人識別系統(tǒng)，并適用于根據(jù)在人體上隨著他/她的步行運動而形成的電場位移來識別個人的個人識別系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近來，有以下個人識別系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通過提取人體特有的生物統(tǒng)計特征，如眼睛虹膜、指紋或手印，并通過執(zhí)行基于所提取結(jié)果的規(guī)定匹配過程，而標(biāo)識個人。
另外，近年來，人體步行運動本身已經(jīng)成為人體特有的一個生物統(tǒng)計特征。例如，有這樣一種個人識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對步行運動產(chǎn)生的聲振蕩(聲音)進(jìn)行頻率分析而提取生物統(tǒng)計特征，并基于提取結(jié)果而識別個人。
此個人識別系統(tǒng)要求在人體上放置麥克風(fēng)(聲-電轉(zhuǎn)換器)，麥克風(fēng)通過在他/她步行運動過程中收集聲振蕩能量而獲得電信號子集，使用此電信號子集作為一步的指標(biāo)來檢測步行周期。收集表示在腳著地時的聲振蕩的信號子集，接著，系統(tǒng)基于檢測結(jié)果而提取人體特有的步態(tài)特征，其中，所述聲振蕩是當(dāng)一只腳部分著地時因撞擊而產(chǎn)生的。(參見，美國專利出版物US2002/0107649A1)(如圖6和7)，此專利全部內(nèi)容在此引作參考。)然而，在此個人識別系統(tǒng)中，著地時的聲振蕩隨著麥克風(fēng)在人體上的放置部位而改變。另外，由于在麥克風(fēng)周圍聲音和電噪音的主要影響，不能準(zhǔn)確地確定表示著地時振蕩的一部分電信號，相應(yīng)地，難以精確地提取步態(tài)波形的特征。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到以上觀點而進(jìn)行本發(fā)明，并提出用于精確提取步態(tài)波形特征的步態(tài)波形特征提取方法和個人識別系統(tǒng)。
為了解決上述和其它的問題，本發(fā)明使用在規(guī)定頻帶內(nèi)的峰值振幅作為指標(biāo)，從隨著他/她的雙腿步行運動而在人體上形成的電場位移中確定一步波形，其中，所述規(guī)定頻帶峰值振幅表示一只腳的全部底面與地面接觸并且另一只腳的腳趾剛離開地面之后的狀態(tài)。此一步波形表示雙腿步行運動中的一步，并接著提取一步波形的特征。
對于本發(fā)明，不受左、右腿之間電荷干涉影響地出現(xiàn)輸出信號的峰值振幅。此峰值振幅接著用作與步行圖案差異無關(guān)的指標(biāo)，從而，可幾乎準(zhǔn)確地確定一步，其中，所述步行圖案差異因左、右腿之間差異或個人之間差異而引起。


圖1為示出應(yīng)用本發(fā)明的個人識別系統(tǒng)的構(gòu)造的框圖。
圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的電場位移檢測部件的構(gòu)造的示意圖。
圖3為示出光譜儀實例的示意圖。
圖4為示出步行圖案的示意圖。
圖5為示出電場位移檢測部件的等效電路的示意圖。
圖6為解釋輸出信號的時間圖，所述輸出信號是步行運動的函數(shù)。
圖7為示出根據(jù)本發(fā)明的步態(tài)波形注冊處理的程序的流程圖。
圖8為示出如何識別和劃分一步波形的示意圖。
圖9為示出子段中積分值的示意圖。
圖10為示出注冊波形特征參數(shù)組的分布實例的示意圖。
圖11為示出步態(tài)波形匹配處理的程序的流程圖。
圖12為解釋馬哈拉諾比斯距離計算的示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的一個實施例。
個人識別系統(tǒng)的構(gòu)造在圖1中，參考號1示出應(yīng)用本發(fā)明的個人識別系統(tǒng)的整體。該系統(tǒng)包括電場位移檢測部件2、(經(jīng)有線或無線機構(gòu))連接到電場位移檢測部件2的分析部件3、以及輸入部件4、存儲器5和連接到分析部件3的輸出部件6。該系統(tǒng)按以下方式形成整個系統(tǒng)，或者至少電場位移檢測部件2，可與人體的皮膚如手臂或腳踝直接接觸。而且，電場位移檢測部件2配置為可佩帶裝置，并且可配置為手表、戒指、珠寶或其它可佩帶配置，從而，檢測部件2充分與用戶的外表皮膚接觸。
個人識別系統(tǒng)1配置為通過檢測變化，如隨著人體的步行運動而在腳底面與路(或其它)表面之間形成的靜電容量的變化，而識別個人。在人體上形成的電場位移的變化例如因腳底面與路面之間電荷運動的變化而造成的。系統(tǒng)1在電場位移檢測部件2中產(chǎn)生電信號(以下稱作步態(tài)波形信號)S1，其中，電信號S1表示電場位移的變化。接著在分析部件3中分析所檢測的步態(tài)波形信號S1。
這里，此實施例中的步行運動指人在幾乎平直的路(或其它)表面上行走，對步行速度不特別敏感。應(yīng)指出，在隨著他/她步行運動而在人體上形成的電場位移中，頻率較低并且波長較長，從而，非常寬范圍的靜電場是占主要的。
如圖2所示，電場位移檢測部件2包括場效應(yīng)晶體管(以下稱作FET)10、連接到FET 10柵極的主電極11、插入到主電極11和檢測目標(biāo)人體的外表皮膚OS之間的電介質(zhì)12、以及放大器13，其中，放大器13的一端連接到FET 10的源極，另一端則同時連接到FET 10的漏極。
人體的外表皮膚OS通過電介質(zhì)12連接到FET 10的漏極與放大器13的另一端之間的中點MP。并且，放大器13配置為以內(nèi)部電源或從外部提供的電源工作。在當(dāng)就近提供有源/無源裝置時從外部電源向FET供電的情況下，甚至可使用有源/無源裝置，但是，不必與外部電源接觸。
相應(yīng)地，當(dāng)隨著他/她的步行運動而在檢測目標(biāo)人體上形成的非常低頻帶的電場位移在人體外表皮膚OS發(fā)送時，電場位移檢測部件2借助FET 10通過在電介質(zhì)12與主電極11之間產(chǎn)生的電勢而檢測與電場位移相應(yīng)的低電流，接著，通過放大器13向分析部件3(圖1)發(fā)送檢測的低電流，作為步態(tài)波形信號S1。
在此情況下，在電場位移檢測部件2中，在人體上形成的電場位移是非常低的頻帶，從而，可幾乎不受雜散場和其它來源所產(chǎn)生噪音影響地精確檢測隨著他/她的步行運動而形成的電場位移，其中，所述噪音例如為交流聲。
進(jìn)而，電場位移檢測部件2通過直接連接電介質(zhì)12和他/她的外表皮膚OS，并進(jìn)而通過用具有高介電常數(shù)的材料如軟聚氯乙烯形成電介質(zhì)12，可靈敏地檢測隨著檢測目標(biāo)的步行運動而形成的電場位移，從而，可靈敏地檢測隨著步行運動而形成的電場位移。
如上所述，電場位移檢測部件2不必在檢測目標(biāo)人體上照射諸如微波的搜索光束，就可檢測電場位移。除了上述構(gòu)造以外，電場位移檢測部件2配置為通過保護(hù)電極14與人體外表皮膚OS接地(或接地)，其中，保護(hù)電極14包圍FET 10和主電極11，同時通過中點MP與人體外表皮膚OS接地。此接地以幾種方式發(fā)生，包括使保護(hù)電極與OS互連的單獨導(dǎo)電部件(如導(dǎo)線或接頭)；或者通過形成保護(hù)電極14的底部，局部卷繞電介質(zhì)12的下側(cè)，以便與OS接觸。可替換地，保護(hù)電極不必物理接觸OS。
利用此構(gòu)造并利用保護(hù)電極14，除了隨著人體步行運動而形成的電場位移之外，電場位移檢測部件2可盡可能地避免檢測頻率成分(噪音)。
如圖3所示，由上述電場位移檢測部件2檢測的步態(tài)波形信號S1為低頻帶并且在20Hz以下，步態(tài)波形信號S1隨著時間的流逝而表現(xiàn)出電場強度的強和弱圖案，就象聲波紋一樣。
在這，討論電場強度變化與人體步行運動圖案(以下稱作步行圖案)之間的對應(yīng)關(guān)系。首先，對于基本假設(shè)，解釋人體步行圖案和電場強度的產(chǎn)生機制。
如圖4所示，在右腿的人體步行圖案中，大致順序地重復(fù)三個過程離地過程，此過程從右腳后跟剛離開地面(以下指離開路面等)開始到右腳趾剛離開地面結(jié)束(圖4A)；踢腿過程，此過程從右腳趾剛離開地面開始到右腳后跟剛著地結(jié)束(圖4B)；以及著地過程，此過程從右腳后跟剛著地開始到右腳的全部底面變成與地面接觸(以下稱作完全著地)結(jié)束(圖4C)。
另一方面，在左腿的人體步行圖案中，以與右腿相同的方式大致順序地重復(fù)三個過程，然而，每個過程的開始時間與右腿不同。“接觸地面”過程在右腿離地過程中間開始(由圖4A中的箭頭示出)，并且，離地過程在右腿著地過程的中間開始(由圖4C中的箭頭示出)。
如上所述，在人體步行運動中，交替重復(fù)左、右腿的每個過程，以使他/她向前行進(jìn)，這里，左腿的離地過程幾乎比右腿的著地過程滯后半個周期，并且，左腿的著地過程幾乎比右腿的離地過程滯后半個周期。
其次，解釋產(chǎn)生電場強度(電勢)的機制。
通過以下表達(dá)式，可以表達(dá)靜電容量，這里，C為靜電容量，ε為介電常數(shù)，S為電極面積，并且d是電極之間的距離，表達(dá)式1C＝ε·S/d ......(1)從而，在人體步行運動中，當(dāng)腳底面與地面接觸的接觸面積S越大，靜電容量C就越大，相反，當(dāng)腳底面離開地面時，靜電容量C變得更小，因為與路面和腳底面之間距離d相應(yīng)地形成具有更小介電常數(shù)的空氣層，其中，距離d表示分離面積S。
換句話說，每次腳底面與路面接觸的分離面積(或接觸面積)變化時，路面與腳底面之間的距離都變化，并且，路面與腳底面之間的電荷交換(電荷交互作用)幾乎包含在電場位移的電場強度內(nèi)，其中，所述電場位移隨著人體步行運動而形成。
這里，通過以下表達(dá)式，可表達(dá)電荷量，其中，Q為電荷量，而V為電壓，表達(dá)式2Q＝C·V ......(2)在這，在人體步行運動中，電荷量Q的變化非常小，從而，可以假設(shè)電荷量Q是不變的，這意味著靜電容量C的變化與電壓V的變化反向關(guān)聯(lián)。
從而，在人體步行運動中，當(dāng)在離地過程(圖4A)中靜電容量C隨著腳底面迅速離開路面而突然減小時，由于腳底面與路面之間的電壓突然增加，超過空氣的介質(zhì)擊穿電壓，導(dǎo)致放電。
如上所述，在人體步行運動中，當(dāng)腳底面離開路面時，電壓V增加，同時，由于靜電容量C突然減小，在腳底面與路面之間發(fā)生放電。
相應(yīng)地，在產(chǎn)生隨著人體步行運動而改變的電場強度的機制中，由人體腳底面與路面之間電勢差導(dǎo)致的電壓V不是唯一因素，靜電容量C也是緊密相關(guān)的因素。
考慮到上述基本假設(shè)，基于在人體腳底面與路面之間形成靜電容量C的模型，描述人體步行圖案與隨著人體步行運動而產(chǎn)生的電場強度變化之間的對應(yīng)關(guān)系。
對于此模型，使用等效電路，假設(shè)在路面與腳底面四個部分每一個之間形成可變電容器，這里，通過把左腳的底面一分為二一部分覆蓋從左腳長度方向的中間開始到左腳后跟結(jié)束的區(qū)域、另一部分覆蓋從左腳長度方向的中間開始到左腳趾結(jié)束的區(qū)域，并通過以與左腳相同的方式把右腳的底面一分為二一部分覆蓋右腳后跟、另一部分覆蓋右腳趾，從而形成四個部分。
如圖5所示，等效電路20具有與電場位移檢測部件2(圖2)幾乎相同的電路設(shè)計，然而，假設(shè)在電場位移檢測部件2內(nèi)的FET 10的柵極，為取代主電極11和電介質(zhì)12，有四個連接到FET 10柵極的可變電容器在左腳后跟與路面之間形成的電容器CL1；在左腳趾與路面之間形成的電容器CL2；在右腳后跟與路面之間形成的電容器CR1；以及在右腳趾與路面之間形成的電容器CR2。
應(yīng)指出，為方便起見，在虛線內(nèi)的部分具有電場位移檢測部件2的簡化結(jié)構(gòu)。
使用等效電路20，在圖6中以時間圖描述人體步行圖案、人體電荷量Q的變化、在腳底面與路面之間形成的靜電容量C的變化、以及腳底面與路面之間電壓V的變化(指步態(tài)檢測信號S1的電場強度的變化)之間的對應(yīng)關(guān)系，并且，時間圖的描述在表1中總結(jié)。
應(yīng)指出，為方便起見，忽略路面的漏電阻，人體電荷量Q視為是不變的，因為其變化非常小，并且假設(shè)當(dāng)腳底面離開地面時，腳后跟和腳趾明顯地分別離開地面。
另外，應(yīng)指出，人體步行圖案包含以下運動從右腿在人體質(zhì)量中心之后并且右腳后跟正要離開地面的狀態(tài)(圖4A中的左端狀態(tài))開始，經(jīng)過右腿的踢腿過程(圖4B)，并在左腳趾剛離開地面的狀態(tài)(圖4C所示的右端狀態(tài))結(jié)束。
表1

如表1中所述，圖6所示步態(tài)波形是隨著步行圖案的每個狀態(tài)(表1中步行運動的[1]-[8]項)以接近半周期的相差交替重復(fù)而改變的靜電容量與電勢的變化結(jié)果，并且與圖3所示電場強度的強、弱圖案相對應(yīng)。
從而，步態(tài)波形以唯一圖案出現(xiàn)，同時，靜電容量與電勢根據(jù)生物統(tǒng)計差異，如左、右腿之間差異或個人之間差異、以及步行圖案如步行路線的差異，而變化。
順便提一下，在圖6所示的步態(tài)波形中，在與以下每個狀態(tài)相應(yīng)地出現(xiàn)電荷分離(放電)時，看到尖銳的峰值振幅(在圖6中測量波形上的-∑)，所述狀態(tài)為右腳后跟剛離開地面(圖6中的[1]，右腿的運動)；右腳趾剛離開地面(圖6中的[4]，右腿的運動)；左腳后跟剛離開地面(圖6中的[5]，左腿的運動)；以及左腳趾剛離開地面(圖6中的[7]，左腿的運動)。
此峰值振幅可分為兩組第一組是在腳后跟剛離開地面之后看到的峰值；第二組是在腳趾剛離開地面之后看到的峰值。對于第一峰值，當(dāng)就在右(或左)腳后跟完全離開地面之后時(如圖4中所示，在虛線內(nèi)部)，左(或右)腳在空中并且不與地面接觸。
從而，與就在右或左腳后跟離開地面之后的狀態(tài)相對應(yīng)的峰值振幅(圖6中的和TM)因電荷分離(放電)而相對明顯地出現(xiàn)，然而，峰值振幅受左、右腿之間電荷干涉的限制，并且，如上所述，振幅差異也看成是左、右腿之間電荷干涉根據(jù)左、右腿之間步行圖案差異而變化的狀態(tài)。
相反，對于第二峰值，當(dāng)就在右(或左)腳趾完全離開地面之后時(如圖4中所示，在虛線內(nèi)部)，由于步行圖案的特性，左(或右)腿處于完全著地的狀態(tài)，與步行圖案的差異無關(guān)。
從而，與就在右或左腳趾離開地面之后的狀態(tài)相對應(yīng)的峰值振幅(圖6中的和TM)在大約8Hz±2Hz帶寬出現(xiàn)，并且在步態(tài)波形中最大峰值振幅幾乎沒有變化，因為在左、右腿之間沒有電荷干涉。在此情況下，對于為多個測試步行者測量的步態(tài)波形，8Hz±2Hz帶寬的峰值振幅(以下稱作8Hz峰值)以相同的峰值-振幅-頻率特性出現(xiàn)。
如上所述，步態(tài)檢測信號S1的步態(tài)波形(圖1)以唯一圖案出現(xiàn)，同時，靜電容量和電勢隨著波形圖案的差異而變化。然而，以幾乎不變的間隔出現(xiàn)明顯的8Hz峰值，與步行圖案的差異無關(guān)，其中，所述間隔與右或左腳趾離開地面的循環(huán)相對應(yīng)。
順便提一下，分析部件3(圖1)通過輸入部件4(如外部界面端口或外圍裝置)在規(guī)定的注冊開始操作中執(zhí)行波形注冊處理，使用上述8Hz峰值作為指標(biāo)，從步態(tài)波形信號(以下稱作注冊步態(tài)波形信號)S1中提取注冊波形的特征，其中，所述步態(tài)波形信號S1由電場位移檢測部件2在操作過程中提供，并且步態(tài)波形信號S1例如與戴著個人識別系統(tǒng)1的人(以下稱作注冊人)的步行運動相對應(yīng)，接著，把提取的結(jié)果儲存到存儲器5中，作為注冊波形特征數(shù)據(jù)D1。
在此階段，分析部件3首先通過輸入部件4在規(guī)定的匹配開始操作中執(zhí)行步態(tài)波形匹配處理，使用上述8Hz峰值作為指標(biāo)，從步態(tài)波形信號(以下稱作匹配步態(tài)波形信號)S2中提取匹配目標(biāo)波形的特征，其中，所述步態(tài)波形信號S2由電場位移檢測部件2在操作過程中根據(jù)例如戴著個人識別系統(tǒng)1的人(以下稱作匹配目標(biāo)人)的步行運動提供。
其次，分析部件3通過匹配所述匹配目標(biāo)波形的特征與儲存在存儲器5中的注冊人特征數(shù)據(jù)D1的注冊波形的特征而識別該人是否為注冊人，接著，產(chǎn)生和發(fā)送表示識別結(jié)果的識別結(jié)果數(shù)據(jù)D2。
輸出部件6配置為產(chǎn)生與輸出目標(biāo)電路(系統(tǒng))的接受狀態(tài)相對應(yīng)的輸出信號，并且，例如通過光電轉(zhuǎn)換器對從分析部件3提供的識別結(jié)果數(shù)據(jù)D2進(jìn)行轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生紅外線信號S3，并向外部輸出該信號。
在存儲器5中，儲存峰值信息之間的平均間隔(以下稱作峰值間隔)，作為分析部件3在步態(tài)波形注冊處理或步態(tài)波形匹配處理中使用的信息，其中，儲存峰值信息之間的平均間隔表示8Hz峰值與下一8Hz峰值之間的平均間隔。
實際上，分析部件3配置為通過控制部件，根據(jù)預(yù)先儲存在存儲器5中的分析程序而執(zhí)行步態(tài)波形注冊處理和步態(tài)波形匹配處理，其中，所述控制部件由在圖中未示出的但包含在分析部件3中的部件組成，如CPU、ROM和RAM。分析部件3在包括存儲器的個人計算機、便攜式計算機、PDA或其它基于處理器的裝置上作為主機，或(就地或遠(yuǎn)程)訪問存儲器。電場位移檢測部件2與分析部件3之間的連接可通過有線連接或無線連接。有線連接包括物理連接器(如USB 2，或其它外圍連接器)，其中，物理連接器使電場位移檢測部件2能把采集的信號傳遞給分析部件3(如儲存和傳遞)。可替換地，電場位移檢測部件2包括無線發(fā)送器，如IEEE 802.11a、802.11b、802.11g或藍(lán)牙發(fā)送器。分析部件3包括兼容接收器，其中，所述兼容接收器接收從電場位移檢測部件2(通過直接連接或無線連接)發(fā)送的信號S1。
首先，使用以下流程圖詳細(xì)解釋步態(tài)波形注冊處理。
步態(tài)波形注冊處理如圖7所示，分析部件3從程序RT1的開始步驟開始，前進(jìn)到步驟SP1，通過對在規(guī)定的時間單位從電場位移檢測部件2提供的注冊步態(tài)波形信號S1(圖2)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，而產(chǎn)生步態(tài)波形數(shù)據(jù)，接著前進(jìn)到下一步驟SP2。
在步驟SP2中，分析部件3(例如通過數(shù)字低通濾波器)從注冊步態(tài)波形數(shù)據(jù)中除去等于或高于40Hz的頻率成分，其中，所述頻率成分不是分析目標(biāo)，接著，例如通過積分變換處理如快速傅里葉變換(FFT)而產(chǎn)生在8Hz頻帶附近的注冊步態(tài)波形數(shù)據(jù)(以下稱作8Hz頻帶注冊步態(tài)波形)，如圖8所示，隨后，前進(jìn)到下一步驟SP3。
在步驟SP3中，分析部件3從在步驟SP2中產(chǎn)生的8Hz頻帶注冊步態(tài)波形中除去代表正常步行運動之外運動的波形，其中，所述正常步行運動例如為在開始或結(jié)束時的步行運動、或停止運動，隨后前進(jìn)到下一步驟SP4。
實際上，分析部件3配置為檢測在8Hz頻帶注冊步態(tài)波形中出現(xiàn)的8Hz峰值，并且，通過比較事先儲存在存儲器5(圖1)中的平均峰值間隔信息與檢測的8Hz峰值間隔，除去超出規(guī)定的8Hz峰值間隔允許范圍的波形。
這里，分析部件3配置為通過使用以幾乎不變間隔出現(xiàn)的8Hz峰值作為指標(biāo)，除去代表正常步行運動之外運動的波形，而充分保留代表正常步行運動的8Hz頻帶注冊步態(tài)波形，其中，所述間隔與步行圖案的差異無關(guān)。
在步驟SP4中，分析部件3配置為確定在標(biāo)準(zhǔn)8Hz峰值的中心與在標(biāo)準(zhǔn)8Hz峰值之前和之后的8Hz峰值的中心之間的長度為代表步行運動中實際一步的單元(以下稱作一步單元)SU。分析部件3還通過用一步單元SU劃分在步驟SP3中獲得的8Hz頻帶注冊步態(tài)波形，而產(chǎn)生一步注冊波形的多步，接著前進(jìn)到步驟SP5。
這里，分析部件3配置為通過用一步單元SU劃分8Hz頻帶注冊步態(tài)波形，而充分產(chǎn)生代表步行運動中實際一步的一步注冊波形，其中，使用8Hz峰值作為指標(biāo)而確定一步單元SU。
在步驟SP5中，分析部件3判斷在步驟SP4中得到的一步注冊波形的步數(shù)是否達(dá)到規(guī)定的數(shù)量(以下稱作規(guī)定步數(shù))。
否定結(jié)果意味著在步驟SP4中得到的一步注冊波形的步數(shù)小于規(guī)定步數(shù)，并且分析部件3返回到步驟SP1，并重復(fù)上述處理。
相反，步驟SP5中的肯定結(jié)果意味著在步驟SP4中得到的一步注冊波形的步數(shù)已經(jīng)達(dá)到規(guī)定步數(shù)，并且分析部件3前進(jìn)到下一步驟SP6。
在步驟SP6中，分析部件3以幾乎相同的間隔把在步驟SP4中得到的一步注冊波形的規(guī)定步數(shù)的每一步劃分為子段，如分別為21個子段CSU1-CSU21。
接著，分析部件3提取通過在子段CSU1-CSU21上求振幅值(電場強度值)的積分而獲得的積分值，作為一步注冊波形的特征，接著前進(jìn)到下一步驟SP7。
這里，圖9為示出例如當(dāng)一步注冊波形的五步中的每一步分別劃分為21個子段CSU1-CSU21時獲得的積分值。應(yīng)指出，積分值被規(guī)整。
當(dāng)連接多個積分值時，圖9中的一條直線代表一步注冊波形的一步，從而，代表原始一步注冊波形的詳細(xì)近似形式，其中，積分值是通過在21個子段CSU1-CSU21的每一個上求一步注冊波形的積分而獲得的。
相應(yīng)地，形成一條直線的每個子段CSU1-CSU21的每組積分值代表每個注冊人所特有的一步注冊波形。進(jìn)而，每個劃分區(qū)間上的五組積分值是一步注冊波形的每部分特征的組合，從而，代表證明注冊人每部分的區(qū)域，其中，每個劃分區(qū)間由子段CSU1-CSU21組成。
在步驟SP7中，分析部件3把劃分區(qū)間上的十組積分值的每一組分別識別為注冊波形特征參數(shù)組GR1-GR21，其中，每個劃分區(qū)間由子段CSU1-CSU21組成，接著前進(jìn)到下一步驟SP8。
在步驟SP8中，例如如圖10所示，分析部件3產(chǎn)生表示注冊波形特征參數(shù)組GR1和GR2在21維空間上的分布狀態(tài)的注冊波形特征分布數(shù)據(jù)，并且，以相同方式產(chǎn)生注冊波形特征參數(shù)組GR3-GR21的注冊波形特征分布數(shù)據(jù)，接著，前進(jìn)到下一步驟SP9。
應(yīng)指出，為方便起見，圖10示出二維空間上的分布狀態(tài)。另外，分析部件3示出21維空間上的分布狀態(tài)，然而，實際上，分析部件3配置為示出x維空間上的分布狀態(tài)，這里，x為在步驟SP6中劃分一步注冊波形的次數(shù)。
在步驟SP9中，分析部件3通過把在步驟SP8中產(chǎn)生的與每個注冊波形特征參數(shù)組GR1-GR21相應(yīng)的每個注冊波形特征分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)定的數(shù)據(jù)存儲格式，而產(chǎn)生注冊波形特征數(shù)據(jù)D2，并把該數(shù)據(jù)儲存到存儲器5(圖1)中，接著前進(jìn)到下一步驟SP10，結(jié)束步態(tài)波形注冊處理。
如上所述，分析部件3配置為在規(guī)定的注冊開始操作中，使用8Hz峰值作為指標(biāo)而獲得一步注冊波形，并且，在一步注冊波形的多個子段上求振幅值的積分，從而，可準(zhǔn)確地提取出代表注冊人所特有的一步注冊波形的特征的積分值。
步態(tài)波形匹配處理下面，使用以下流程圖詳細(xì)描述在分析部件3中的步態(tài)波形匹配處理。
如圖11所示，分析部件3從程序RT2的開始步驟開始，前進(jìn)到步驟SP21，對在規(guī)定的時間單位從電場位移檢測部件2提供的匹配步態(tài)波形信號S2執(zhí)行上述程序RT1(圖1)中步驟SP1、SP2和SP3的每個處理，從而，產(chǎn)生8Hz頻帶匹配步態(tài)波形，其中，8Hz頻帶匹配步態(tài)波形代表除去以下波形的波形，被除去波形代表除正常步行運動之外的運動，接著前進(jìn)到下一步驟SP22。
在步驟SP22中，以與步驟SP4相同的方式，分析部件3通過用一步單元SU(圖8)劃分在步驟SP21中獲得的8Hz頻帶匹配步態(tài)波形而產(chǎn)生一步匹配波形的一步，接著前進(jìn)到下一步驟SP23。
在步驟SP23中，分析部件3把在步驟SP22中得到的一步匹配波形劃分為與步驟SP6中劃分次數(shù)相同數(shù)量的子段，例如，劃分為21個子段CSU1-CSU21(圖8)。
接著，分析部件3提取通過在子段CSU1-CSU21上求電場強度(電勢)的積分而獲得的積分值，作為一步匹配波形的特征，接著前進(jìn)到下一步驟SP24。
在步驟SP24中，如圖11所示，分析部件3計算在步驟SP24所提取的子段CSU1的積分值CP與例如三個注冊波形特征參數(shù)組GR1的分布DS1-DS3的重心位置之間的馬哈拉諾比斯距離，所述三個注冊波形特征參數(shù)組GR1與三個注冊人的子段CSU1相對應(yīng)。在下式(3)中的數(shù)量r稱作從特征向量x到均值向量mx的馬哈拉諾比斯距離，這里，Cx是x的協(xié)方差矩陣。
r2＝(X-mx)′Cx-1(X-mx) (3)進(jìn)而，分析部件3以相同的方式計算子段CSU2-CSU21的積分值的馬哈拉諾比斯距離，接著，前進(jìn)到下一步驟SP25。在步驟SP25中，對于三個注冊人中的每一個，分析部件3對在步驟SP24中對三個注冊人和每個子段CSU1-CSU21計算的馬哈拉諾比斯距離求和，并且，基于為每個注冊人求和的馬哈拉諾比斯距離而計算每個注冊人的個人識別比率，其中，個人識別比率表示匹配目標(biāo)人可被識別為一個注冊人他/她自己的可能性的比率，接著，前進(jìn)到下一步驟SP26。
實際上，分析部件3配置為當(dāng)總計的馬哈拉諾比斯距離更短時，計算更高的個人識別比率，相反，當(dāng)總計的馬哈拉諾比斯距離更長時，計算更低的個人識別比率。
在步驟SP26中，分析部件3判斷在步驟SP25中計算的多個個人識別比率中的一個或多個是否為90％或更高?？商鎿Q地，可使用其它閾值，如75％或更大、或85％或更大、或者是任何在75％-100％之內(nèi)的閾值。否定結(jié)果意味著匹配目標(biāo)人的一步匹配波形與事先儲存在存儲器5中的注冊人的一步注冊波形具有較低的匹配比率，換句話說，匹配目標(biāo)人不能被識別為一個注冊人他/她自己，并且相應(yīng)地，分析部件3識別匹配目標(biāo)人不是注冊人之一，接著前進(jìn)到下一步驟SP29。
相反，肯定結(jié)果意味著匹配目標(biāo)人適合注冊人之一，并且分析部件3前進(jìn)到下一步驟SP27。
在步驟SP27中，分析部件3在步驟SP25所計算的多個個人識別比率中判斷是否存在兩個或更多個大于或等于90％的個人識別比率。否定結(jié)果意味著只存在一個申請人是應(yīng)被識別為匹配目標(biāo)人他/她自己的注冊人，從而，分析部件3識別該注冊人是作為匹配目標(biāo)人的申請人，接著前進(jìn)到下一步驟SP29。
相反，肯定結(jié)果意味著存在兩個或更多個申請人是可被識別為匹配目標(biāo)人他/她自己的注冊人，并且分析部件3前進(jìn)到下一步驟SP28，把具有最高和至少90％個人識別比率的注冊人識別為匹配目標(biāo)人，接著前進(jìn)到下一步驟SP29。
在步驟SP29中，分析部件3產(chǎn)生與步驟SP26、SP27或SP28中識別結(jié)果相應(yīng)的識別結(jié)果數(shù)據(jù)D2(圖1)，把該數(shù)據(jù)傳送給輸出部件6，并接著前進(jìn)到下一步驟SP30，結(jié)束步態(tài)波形匹配處理。
當(dāng)存在兩個或更多個具有最高和至少90％個人識別比率的注冊人時，分析部件3配置為向輸出部件6傳遞作為識別結(jié)果數(shù)據(jù)D2的信息。
如上所述，分析部件3使用以幾乎不變間隔出現(xiàn)的8Hz峰值作為指標(biāo)，得到一步匹配波形，其中，所述8Hz峰值與步行圖案差異無關(guān)，并且，提取與步態(tài)波形處理過程中劃分次數(shù)相同數(shù)量的子段CSU1-CSU21(圖8)的積分值，作為一步匹配波形的特征，接著，基于注冊波形特征參數(shù)組GR1-GR21的分布之間的馬哈拉諾比斯距離而識別匹配目標(biāo)人是否為注冊人之一，因此，通過匹配注冊人與匹配目標(biāo)人的一步波形的相應(yīng)部分而匹配注冊人與匹配目標(biāo)人，從而，可精確地識別匹配目標(biāo)人。一旦被識別，系統(tǒng)產(chǎn)生能以多種方式中任一種方式使用的結(jié)果。例如，一旦系統(tǒng)識別某人，系統(tǒng)就產(chǎn)生視頻或音頻信號，宣布已經(jīng)得到匹配的事實?？商鎿Q地，系統(tǒng)可使用識別事件來觸發(fā)用于驅(qū)動某個裝置(如該人可進(jìn)入的門)的控制信號。
在上述構(gòu)造中，個人識別系統(tǒng)1配置為通過電場位移檢測部件2來檢測在路面與腳底面之間隨著人體步行運動而形成的靜電容量變化、以及因路面與腳底面之間電荷變化而導(dǎo)致在人體上形成的電場位移的相對變化，作為步態(tài)波形檢測信號S1或S2。
在此情況下，當(dāng)靜電容量和電荷的變化以極其低的頻帶傳播時，個人識別系統(tǒng)1可檢測電場位移的相對變化，作為步態(tài)波形檢測信號S1或S2，其中，所述電場位移的相對變化不受電場位移檢測部件2位置的影響，并且不受噪音如交流聲和電場位移檢測部件2周圍噪音的影響。
在此狀態(tài)下，個人識別系統(tǒng)1配置為使用步態(tài)波形檢測信號S1或S2的步態(tài)波之一，即8Hz±2Hz頻帶上明顯的8Hz峰值，作為指標(biāo)來確定一步波形，其中，所述8Hz峰值與一只腳的全部底面與地面接觸并且另一只腳的腳趾剛離開地面的狀態(tài)(如圖4所示，在虛線內(nèi)部)相對應(yīng)。
在此情況下，個人識別系統(tǒng)1可使用不受左、右腿之間電荷干涉影響而出現(xiàn)的最大峰值振幅作為指標(biāo)，從而可準(zhǔn)確地確定一步波形，其中，即使步行運動以唯一圖案出現(xiàn)，所述一步波形也可精確地反映步行運動中的實際一步，所述唯一圖案與左、右腿之間差異或個人步行圖案之間差異相對應(yīng)。
進(jìn)而，個人識別系統(tǒng)1把一步波形劃分為多個子段CSU1-CSU21(圖8)，并提取通過對每個劃分的子段CSU1-CSU21上的每一個振幅值求積分而獲得的積分值，作為一步波形的波形特征，從而，可表示一步波形的詳細(xì)適當(dāng)形式，因此，個人識別系統(tǒng)1可精確地識別與一步波形本身不匹配的個人。
對于上述構(gòu)造，使用與一只腳的全部底面與地面接觸并且另一只腳的腳趾剛離開地面的狀態(tài)相對應(yīng)的8Hz峰值作為指標(biāo)，在隨著人體步行運動而在人體上形成的電場位移中確定與步行運動中一步相對應(yīng)的一步波形，并且，基于確定的一步波形，提取一步波形的特征，從而，不受左、右腿之間電荷干涉影響而出現(xiàn)的最大峰值振幅可以是指標(biāo)，并且相應(yīng)地，可準(zhǔn)確地確定準(zhǔn)確反映步行運動中實際一步的一步波形，因此，可精確地提取一步波形的特征。
以上描述已經(jīng)涉及分析部件3分析根據(jù)人體步行運動而在人體上形成的電場位移的情況，然而，并不局限于此，隨著諸如輕快散步、上下樓梯或踏步的運動，總之，隨著一只腳的底面與地面接觸并且另一只腳的腳趾剛離開地面的任何雙腿步行運動，而在人體上形成的電場位移可以是分析的目標(biāo)。
在此情況下，步態(tài)波形的最大峰值振幅隨著在右(或左)腿完全著地的狀態(tài)與右(或左)腿的腳趾剛離開地面的狀態(tài)之間的運動速度而變化，從而，為了獲得與上述相同的效果，要求分析部件3使用在以下頻帶出現(xiàn)的峰值振幅作為檢測目標(biāo)，以取代用于檢測的8Hz峰值，其中，所述頻帶與在雙腿步行運動過程中在右(或左)腿完全著地的狀態(tài)與右(或左)腿的腳趾剛離開地面的狀態(tài)之間的運動速度相對應(yīng)。
進(jìn)而，上述實施例已經(jīng)涉及檢測直接連接電場位移檢測部件2的人體的步態(tài)的情形，這里，該人被視為注冊人或匹配目標(biāo)人，然而，本發(fā)明并不局限于此，在已經(jīng)直接連接電場位移檢測部件2的某人周圍的人可以是其步態(tài)應(yīng)該被檢測的注冊人或匹配目標(biāo)人。
在此情況下，振幅根據(jù)途徑而經(jīng)歷時間序列增加，從而，如果分析部件3事先儲存?zhèn)€人識別系統(tǒng)1和檢測目標(biāo)位置之間距離與作為8Hz峰值的峰值振幅之間的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)靜電場位移隨著人體的步行運動而在人體上非常廣泛地傳播時，分析部件3就可精確地檢測注冊人或匹配目標(biāo)人的步態(tài)，所述注冊人或匹配目標(biāo)人在距已經(jīng)直接連接電場位移檢測部件2的某人相對較遠(yuǎn)的位置上。
進(jìn)而，以上描述已經(jīng)涉及電場位移檢測部件2直接連接到人體外表皮膚OS的情形，然而，本發(fā)明不局限于此，電場位移檢測部件2可連接到各種導(dǎo)體，例如，可安裝到移動電話或計步器上，或放置在金屬桿或桌子上。
在此情況下，本發(fā)明不僅可用于識別個人，而且可用于與雙腿步行運動有關(guān)的各種目的，如用于在醫(yī)療機構(gòu)分析患者(步行者)的步行圖案，以及用于在生物統(tǒng)計領(lǐng)域從動物身體中識別人體。
進(jìn)而，上述實施例已經(jīng)涉及如上所述用電場位移檢測部件2作為上述電場位移檢測裝置的構(gòu)造的情形，然而，本發(fā)明不局限于此，本發(fā)明可配置為使用稱作超導(dǎo)量子干涉裝置(SQID)的磁力傳感器來取代電場位移檢測部件2，在SQID中，與微觀制作超導(dǎo)薄膜平行地放置用作超導(dǎo)的結(jié)合部件(約瑟夫遜結(jié))。
進(jìn)而，上述實施例已經(jīng)涉及在個人識別系統(tǒng)1中設(shè)置分析部件3和電場位移檢測部件2作為識別裝置的情形，但是本發(fā)明不局限于此，可分別單獨地設(shè)置電場位移檢測部件2和分析部件3中的每一個。
進(jìn)而，上述實施例已經(jīng)涉及一步波形劃分為多個子段CSU1-CSU21(圖8)并且提取對每個子段CSU1-CSU21計算得到的積分值作為一步波形特征的情形，然而，本發(fā)明不局限于此，可提取在多個子段CSU1-CSU21(圖8)的分界線上的未被積分的振幅值，作為一步波形的特征。
進(jìn)而，上述實施例已經(jīng)涉及通過分析程序來實現(xiàn)分析部件3中每個處理的情形，然而，本發(fā)明不局限于此，所述處理的部分或全部可通過硬件裝置如專用集成電路，如ASIC或FPGA，來實現(xiàn)。
進(jìn)而，上述實施例已經(jīng)涉及根據(jù)事先儲存在存儲器5中的分析程序而執(zhí)行上述步態(tài)波形注冊處理(圖7)和步態(tài)波形匹配處理(圖11)的情形，然而，本發(fā)明不局限于此，可通過把儲存分析程序的程序存儲介質(zhì)安裝到信息處理裝置中而執(zhí)行步態(tài)波形注冊處理和步態(tài)波形匹配處理。
在此情況下，例如，對于在信息處理裝置中以可執(zhí)行狀態(tài)安裝用于執(zhí)行步態(tài)波形注冊處理和步態(tài)波形匹配處理的分析程序的程序存儲介質(zhì)，不僅可以是封閉介質(zhì)，如軟盤、緊湊盤-只讀存儲器(CD-ROM)和數(shù)字多用途盤(DVD)，也可以是臨時或永久儲存程序的半導(dǎo)體存儲器或磁盤。另外，對于在此程序存儲介質(zhì)中儲存分析程序的裝置，可使用有線或無線通信介質(zhì)如局域網(wǎng)、因特網(wǎng)和數(shù)字衛(wèi)星廣播，并且可通過各種通信接口如路由器和調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行儲存。
根據(jù)本發(fā)明的以上描述，使用在規(guī)定頻帶上的峰值振幅作為指標(biāo)，在隨著他/她雙腿步行運動而在人體上形成的電場位移中，確定與雙腿步行運動中一步相對應(yīng)的一步波形，其中，所述規(guī)定頻帶峰值振幅與一只腳的全部底面與地面接觸并且另一只腳的腳趾剛離開地面的狀態(tài)相對應(yīng)，并且，基于確定的一步波形，提取一步波形的特征，從而，不受左、右腿之間電荷干涉影響而出現(xiàn)的最大峰值振幅可以是指標(biāo)，并且相應(yīng)地，可準(zhǔn)確地確定準(zhǔn)確反映步行運動中實際一步的一步波形，因此，可精確地提取一步波形的特征。
本專利文獻(xiàn)涉及2002年10月29日向日本專利辦公室提交的日本優(yōu)先權(quán)文件JP2003-314920，此優(yōu)先權(quán)文件的全部內(nèi)容在此引作參考。
顯然，根據(jù)以上論述，對本發(fā)明的許多變更和變化是有可能的。從而，應(yīng)該理解，只要在后附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，就能以與本文具體所述不同的方式來實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種步態(tài)波形特征提取方法，包括以下步驟從數(shù)字信號的一部分確定一步波形，所述數(shù)字信號與根據(jù)主體的雙腿步行運動而在所述主體的身體上形成的電場位移相對應(yīng)，所述確定步驟包括使預(yù)定頻帶中的峰值振幅作為所述一步波形的指標(biāo)，所述峰值振幅與所述主體的第一只腳的幾乎全部底面與行走表面接觸并且所述主體的第二只腳的腳趾剛離開行走表面的狀態(tài)相對應(yīng)；以及在所述確定步驟中確定所述一步波形之后，提取所述一步波形的特征。
2.如權(quán)利要求1所述的步態(tài)波形特征提取方法，其中所述預(yù)定頻帶在包括6Hz-10Hz的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的步態(tài)波形特征提取方法，進(jìn)一步包括從存儲器檢索數(shù)字信號。
4.如權(quán)利要求1所述的步態(tài)波形特征提取方法，進(jìn)一步包括比較所述一步波形的所述特征與儲存在存儲器中的第二波形；以及當(dāng)所述一步波形的所述特征在所述第二波形的相應(yīng)特征的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)時，確定所述一步波形與所述第二波形匹配。
5.如權(quán)利要求4所述的步態(tài)波形特征提取方法，進(jìn)一步包括產(chǎn)生控制信號；以及一旦所述確定步驟確定一步波形與所述第二波形匹配，就驅(qū)動另一裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的步態(tài)波形特征提取方法，其中所述驅(qū)動步驟包括以下至少一個步驟驅(qū)動視頻顯示，驅(qū)動音頻警報，以及解鎖。
7.如權(quán)利要求5所述的步態(tài)波形特征提取方法，其中所述確定步驟包括從所述一步波形的所述特征計算馬哈拉諾比斯距離。
8.如權(quán)利要求1所述的步態(tài)波形特征提取方法，其中所述提取步驟包括用間隔對所述一步波形進(jìn)行劃分，以便創(chuàng)建劃分的間隔，以及提取通過對所述劃分間隔的振幅值求積分而獲得的積分值，作為所述一步波形的特征。
9.如權(quán)利要求1所述的步態(tài)波形特征提取方法，進(jìn)一步包括用電場位移檢測器產(chǎn)生所述數(shù)字信號。
10.如權(quán)利要求9所述的步態(tài)波形特征提取方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生所述數(shù)字信號，作為無線信號。
11.如權(quán)利要求10所述的步態(tài)波形特征提取方法，其中在與所述電場位移檢測器分離的分析裝置中執(zhí)行所述提取步驟。
12.一種個人識別系統(tǒng)，包括電場位移檢測器，所述電場位移檢測器配置為檢測根據(jù)主體的雙腿步行運動而在所述主體的身體上形成的電場位移，并產(chǎn)生與電場位移相對應(yīng)的信號；以及處理器，所述處理器配置為使用在預(yù)定頻帶中所述信號的峰值振幅作為指標(biāo)而從所述信號識別個人，其中，所述峰值振幅與所述主體的第一只腳的幾乎全部底面與行走表面接觸并且第二只腳的腳趾剛離開行走表面的狀態(tài)相對應(yīng)。
13.如權(quán)利要求12所述的個人識別系統(tǒng)，其中所述預(yù)定頻帶在包括6Hz-10Hz的范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的個人識別系統(tǒng)，進(jìn)一步包括存儲器，所述存儲器配置為保存與個人相關(guān)的第二波形的特征，其中，所述處理器配置為比較所述一步波形的所述特征與儲存在存儲器中的第二波形；以及當(dāng)所述一步波形的所述特征在所述第二波形的相應(yīng)特征的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)時，確定所述一步波形與所述第二波形匹配。
15.如權(quán)利要求14所述的個人識別系統(tǒng)，其中所述電場位移檢測器配置為當(dāng)所述處理器確定所述一步波形與所述第二波形匹配時，產(chǎn)生控制信號；以及所述處理器配置為一旦所述確定步驟確定一步波形與所述第二波形匹配，就在接收所述控制信號之后驅(qū)動另一裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的個人識別系統(tǒng)，其中所述另一裝置是視頻顯示器、音頻警報機構(gòu)和控制鎖中的至少一個。
17.如權(quán)利要求14所述的個人識別系統(tǒng)，其中所述處理器配置為從所述一步波形的所述特征計算馬哈拉諾比斯距離。
18.如權(quán)利要求15所述的個人識別系統(tǒng)，其中所述電場位移檢測器包括配置為發(fā)送所述控制信號作為無線信號的發(fā)送器。
19.如權(quán)利要求14所述的個人識別系統(tǒng)，其中所述電場位移檢測器與所述處理器分離。
20.一種個人識別系統(tǒng)，包括用于檢測根據(jù)主體的雙腿步行運動而在所述主體上形成的電場位移的裝置；以及用于比較所述電場位移和與不同個人相關(guān)聯(lián)的預(yù)定電場位移，以便基于所述電場位移來識別預(yù)定個人的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及步態(tài)波形特征提取方法以及個人識別系統(tǒng)，其提取步態(tài)波形的特征。使用峰值振幅作為指標(biāo)，在隨著人體步行運動而在人體上形成的電場位移中確定與步行運動中一步相對應(yīng)的一步波形，其中，所述峰值振幅與一只腳的幾乎全部底面與地面接觸并且另一只腳的腳趾剛離開地面的狀態(tài)相對應(yīng)?；诖_定的一步波形，提取一步波形的特征，從而，不受左、右腿之間電荷干涉影響地出現(xiàn)峰值振幅。相應(yīng)地，一步波形反映步行運動中的實際一步，因此，可精確地提取一步波形的特征。
文檔編號A61B5/117GK1705956SQ20038010154
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月29日
發(fā)明者瀧口清昭 申請人:索尼株式會社