初 凱，尹 燕

（1.吉林警察學(xué)院，吉林 長春 130117；2.四平市公安局，吉林 四平 136000）

一、前言

在刑事案件中犯罪嫌疑人的肢體運(yùn)動往往是視頻監(jiān)控中最容易獲取的明顯特征，通過研究肢體運(yùn)動特征不僅可以為偵查破案確定偵查方向和偵查范圍，還可以為犯罪嫌疑人同一認(rèn)定提供有效的理論基礎(chǔ)。但目前此方面研究只是剛剛起步，這就迫切要求我們科學(xué)地研究人體行走運(yùn)動的一般規(guī)律以及人身自然條件例如年齡對步態(tài)特征的影響，為行走姿勢的同一認(rèn)定打下了基礎(chǔ)。

本論文以德國Simi Motion運(yùn)動動作捕捉系統(tǒng)輸出的步態(tài)特征數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)人體行走運(yùn)動時下肢步態(tài)特征的一般規(guī)律，對行走步態(tài)周期進(jìn)行科學(xué)劃分，并尋找年齡對行走姿勢的影響。行走是一種周期性運(yùn)動，行走時一側(cè)足跟著地到該足跟再次著地稱為一個步態(tài)周期。在本實(shí)驗(yàn)中的步態(tài)周期是以采集對象左腳足跟著地至足跟再次著地記做一個周期，即左腳為觀測腳。所以一個步態(tài)周期要經(jīng)歷踩地負(fù)重和離地?cái)[動兩個時期，分別稱為支撐時期和擺動時期。

（一）支撐時期

支撐時期是指步態(tài)周期中從左腳足跟著地到左腳尖離地的時間段（圖1中t0~t3時期）。

我們在支撐時期中尋找出四個轉(zhuǎn)變點(diǎn)，用來對支撐時期進(jìn)行細(xì)致劃分，四個轉(zhuǎn)變點(diǎn)分別為足跟著地、足放平、足跟離地、足尖離地。這四個轉(zhuǎn)變點(diǎn)在本實(shí)驗(yàn)中的確定方法為：

圖1 支撐時期的各個分期

圖2 Simi系統(tǒng)下的3D棍狀圖

1.足跟著地：由于視頻采集前定標(biāo)時地平面所在面并非立體坐標(biāo)中的XY平面，所以先尋找地平面所在面的Z軸的坐標(biāo)值，得出Z=0.10米。則當(dāng)足跟節(jié)點(diǎn)在Z軸的坐標(biāo)等于0.10米時說明足跟剛剛著地，即圖1中的t0時刻，支撐時期開始。

2.足放平：當(dāng)足尖節(jié)點(diǎn)在Z軸的坐標(biāo)也剛好等于0.10米時說明足跟足尖都在地平面，即全足著地，圖1、圖2中的t1時刻。

3.足跟離地：當(dāng)足尖節(jié)點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)顯著大于0.10米時說明足跟抬起，圖1、圖2中的t2時刻。

4.足尖離地：當(dāng)足尖節(jié)點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)也顯著大于0.10米時說明足尖抬起，即圖1中的t3時刻，擺動時期開始。

根據(jù)以上四個轉(zhuǎn)變點(diǎn)，將支撐時期分為跟著地期、站立中期和加速期三個階段。跟著地期：足跟著地至足完全接觸地面放平為跟著地期（圖1中t0~t1時期），足跟開始承受不斷增加的重量，形成踏痕；站立中期：從足放平至足跟離地為站立中期（圖1中t1~t2時期），此期全足接觸地面，身體在左腳的支撐下不斷向前移動，形成壓痕；加速期：從足跟完全離地至足尖完全離地為加速期（圖1中t2~t3時期），身體加速前進(jìn)，形成蹬痕。

支撐時期在初始和結(jié)束的兩段時間中，兩側(cè)下肢同時負(fù)重，稱為雙肢負(fù)重相，每一步態(tài)周期出現(xiàn)兩次雙肢負(fù)重相，共占全周期的26%左右。由于在支撐時期形成的足跡特征蹬痕和踏痕剛好也是在雙肢負(fù)重相形成，所以痕跡特征穩(wěn)定、可靠，利用價值高。雙肢負(fù)重相的長短與行走速度密切相關(guān)，速度越快，此相越短，奔跑時則不存在雙肢負(fù)重相。支撐時期時段會形成足跡，且是影響足跡特征的主體。

（二）擺動時期

擺動時期是指步態(tài)周期中從左腳尖離地開始至足跟再次著地的時間段（圖3中t3~t6時期）。

圖3 擺動時期的各個分期

根據(jù)膝關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時刻和髖關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時刻為轉(zhuǎn)變點(diǎn)，將擺動時期分為擺動前期、擺動中期、擺動后期三個階段。擺動前期：從足尖離地至膝關(guān)節(jié)達(dá)到最大屈曲即膝關(guān)節(jié)角度曲線圖中達(dá)到峰值的時刻（圖3中t3~t4時期）。髖、膝關(guān)節(jié)于此期不斷增加屈曲度，使足呈弧形上提；擺動中期：隨后膝關(guān)節(jié)角度不斷減少，而髖關(guān)節(jié)角度繼續(xù)增大，使左下肢在足底與地面盡可能平行的情況下前擺，當(dāng)髖關(guān)節(jié)達(dá)最大屈曲度時作為結(jié)束時刻（圖3中t4~t5時期）；擺動后期：是從髖關(guān)節(jié)最大屈曲時刻到足跟著地時結(jié)束（圖3中t5~t6時期）。

（三）步態(tài)周期分期特征

根據(jù)上文中的分期規(guī)則，首先尋找出每一次行走中各個轉(zhuǎn)變點(diǎn)的時刻，分別標(biāo)記足跟著地時刻為t0、足放平時刻為t1、足跟離地時刻為t2、足尖離地時刻為t3、膝關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時刻為t4、髖關(guān)節(jié)到達(dá)峰值時刻為t5、足跟再次著地時刻為t6。然后，根據(jù)上文中的步態(tài)周期分期規(guī)則計(jì)算出各個時期所經(jīng)歷的時間：步態(tài)周期T=t6-t0、支撐時期T＇=t3-t0、擺動時期T＇＇=t6-t3、跟著地期T1=t1-t0、站立中期T2=t2-t1、加速期T3=t3-t2、擺動前期T4=t4-t3、擺動中期T5=t5-t4、擺動后期T6=t6-t5。統(tǒng)計(jì)出所有受試者各個時期所需的時間，數(shù)值用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示（單位為s），得出表1。

表1 步態(tài)周期及各個分期所需時間

由于同一個人正常行走時步速有差別，即步態(tài)周期有長有短，導(dǎo)致各個時期相應(yīng)地變長變短，所以研究各個時期所需的時間占整個步態(tài)周期百分比值更有意義。所以我們可以統(tǒng)計(jì)出所有受試者各個時期所需的時間占整個步態(tài)周期百分比值，數(shù)值用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示，得出表2。

從表1、表2可以看出一個步態(tài)周期經(jīng)歷的時間平均為1.107±0.066s。支撐時期經(jīng)歷的時間平均為0.715±0.050s，占整個步態(tài)周期的64.56±1.80%。擺動時期經(jīng)歷的時間平均為0.392±0.028s，占整個步態(tài)周期的35.44±1.80%。

表2 各個分期占步態(tài)周期的百分比

二、同一人步態(tài)周期分期特征穩(wěn)定性研究

為了研究步態(tài)周期分期特征的穩(wěn)定性，首先必須測定同一個人多次行走中各個時期所需時間特征是否相對穩(wěn)定。為此，本實(shí)驗(yàn)選用同一人相同行走姿勢連續(xù)行走10次，并統(tǒng)計(jì)出每一次行走中各個時期所需的時間占整個步態(tài)周期百分比值，并研究數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性（見表3）。本文利用變異系數(shù)的方法進(jìn)行研究。一般來說，變異系數(shù)越大說明數(shù)據(jù)變異程度越大，數(shù)據(jù)越不穩(wěn)定；系數(shù)越小說明該特征越穩(wěn)定，用該特征進(jìn)行后續(xù)分析的價值越高。

表3 同一人各個分期占步態(tài)周期的百分比穩(wěn)定性

從表3可以看出支撐時期和擺動時期占步態(tài)周期百分比值的數(shù)值是穩(wěn)定的，變異系數(shù)都小于0.1，說明同一個人不同周期所占時間比例具有較高的穩(wěn)定性。

三、不同年齡組間步態(tài)周期分期特征差異性研究

本文中對不同年齡組間的特征差異性研究選用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中的單因素方差分析的方法分析。

（一）步態(tài)周期差異性研究

統(tǒng)計(jì)出60名受試者正常行走時的步態(tài)周期，將所有受試者分成青年、中年、老年三個年齡組，用SPSS單因素方差分析方法研究不同年齡組步態(tài)周期差異性，得出表4。

表4 不同年齡組間步態(tài)周期均值差異性

從表4中看出，顯著性概率p=0.403＞0.05，表示三個組的數(shù)據(jù)均值之間沒有顯著性差異。說明步態(tài)周期的長短受年齡增長的影響較小，即不同年齡段步態(tài)周期的形成沒有明顯差異。

（二）支撐時期差異性研究

統(tǒng)計(jì)出60名受試者正常行走時支撐時期及三個分期所需的時間占整個步態(tài)周期百分比值。最后，將所有受試者分成青年、中年、老年三個年齡組，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得出表5。

從表5可以看出，支撐時期占周期的百分比值三個年齡組間并不存在差異，但在支撐時期的三個分期中跟著地期和站立中期占步態(tài)周期的百分比值各組間均值有差異。

跟著地期占整個步態(tài)周期的百分比值青年組與中年組、青年組與老年組的均值會有顯著差異。青年組與中年組的均值顯著性概率p=0.001，小于顯著性水平a=0.05，拒絕零假設(shè)，表示青年組跟著地期占整個步態(tài)周期的平均百分比與中年組的有顯著差異，比中年組多2.21%。青年組與老年組的均值顯著性概率p=0.000＜0.05，表示青年組跟著地期占整個步態(tài)周期的平均百分比與老年組的有顯著差異，比老年組多2.88%。中年組比老年組多0.67%，但兩組間顯著性概率p=0.282＞0.05，表示均值差異不是很顯著。

表5 不同年齡組間支撐時期的均值差異性

站立中期占整個步態(tài)周期的百分比值只有青年組與老年組會有顯著差異，青年組與老年組的均值分別為31.19±6.16%、35.13±2.89%，青年組比老年組少3.94%，顯著性概率p=0.035。

老年人跟著地期顯著短于青年人，中年人顯著短于青年人，老年人短于中年人。這說明老年人由于身體機(jī)能下降，下肢肌肉組織的活動性也趨向衰退，行走時踝關(guān)節(jié)不靈活，足跟著急著地，表現(xiàn)出行走時求穩(wěn)而不求快的現(xiàn)象，從青年到中年的變化尤為顯著。老年人站立中期占比也顯著大于青年人，更能說明老年人行走時求穩(wěn)的行走姿態(tài)。

（三）擺動時期差異性研究

統(tǒng)計(jì)出60名受試者正常行走時擺動時期及三分期所需的時間占整個步態(tài)周期百分比值。最后，將所有受試者分成青年、中年、老年三個年齡組，用SPSS單因素方差分析方法研究不同年齡組擺動時期分期特征的差異性，得出表6。

從以上兩個表格可以看出擺動時期占周期的百分比值三個年齡組間并不存在差異，但在擺動時期的三個分期中擺動前期和擺動中期占步態(tài)周期的百分比值各組間均值有差異。

擺動前期占整個步態(tài)周期的百分比值中青年組與老年組的均值會有顯著差異。青年組擺動前期占比比老年組多3.35%，顯著性概率p=0.023；擺動中期占整個步態(tài)周期的百分比值青年組與老年組、中年組與老年組的均值都會有顯著差異。青年組擺動中期占比比老年組少4.00%，顯著性概率p=0.023；中年組比老年組少3.80%，顯著性概率p=0.030。

表6 不同年齡組間擺動時期的均值差異性

老年人擺動前期占比顯著小于青年組，而擺動中期占比顯著大于青年組。說明老年人足尖離地進(jìn)入擺動時期后急于支撐地面以維持身體平衡，導(dǎo)致足尖蹬地不充分，膝關(guān)節(jié)也沒有充分彎曲。這使得老年人與青年人相比較表現(xiàn)為擺動前期縮短而擺動中期延長。這個結(jié)論也印證了足跡學(xué)中用蹬痕分析年齡的理論，即老年人形成的足跡中跖蹬痕、趾蹬痕的面積會增大，而痕跡反映沒有青年人明顯，尤其是在立體足跡中青年人的蹬痕會更明顯，容易形成明顯的刨土痕跡。

四、總結(jié)

通過該課題的研究表明：不同年齡組間步態(tài)周期的長短沒有顯著差異，但步態(tài)周期的各個分期占整個步態(tài)周期的百分比數(shù)值穩(wěn)定并且不同年齡組間有顯著差異，這說明隨著年齡增大身體機(jī)能下降，會對下肢各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動產(chǎn)生影響。所以，根據(jù)不同年齡組間步態(tài)特征數(shù)據(jù)的差異性可以對影像資料中的行走人進(jìn)行年齡分析，劃定年齡范圍。從而利用人體肢體運(yùn)動特征來進(jìn)行人身識別，并為人體肢體運(yùn)動特征在公安技術(shù)領(lǐng)域中教學(xué)與辦案提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)服務(wù)。