2023 год № 2
Медико-биологические науки
2Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова Минздрава России, Москва, Россия, u967nk@yandex.ru, https://orcid.org/ 0000-0003-1665-3666
3 111 Главный государственный центр судебно-медицинских и криминалистических экспертиз; Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова Минздрава России, Москва, Россия, sleonoff@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-4228-8973
4Дальневосточный государственный медицинский университет, Хабаровск, Россия, vlasuik1971@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-9023-6898
Аннотация:
Ключевые слова:
2Moscow State Medical and Dental University named after A.I. Evdokimov, Moscow, Russia, u967nk@yandex.ru, https://orcid.org/ 0000-0003-1665-3666
3 111 Main State Center for Forensic and Forensic Examinations; Moscow State Medical and Dental University named after A.I. Evdokimov, Moscow, Russia, sleonoff@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-4228-8973
4Far Eastern State Medical University, Khabarovsk, Russia, vlasuik1971@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-9023-6898
Abstract:
Key words:
Введение |
 |
 |
В настоящее время, в связи с совершенствованием систем видеонаблюдения, актуальной является задача идентификации индивида по особенностям походки на кадрах видеосъемки. Одним из параметров биолого-криминалистической идентификации, наряду с исследованием силуэта и манеры ходьбы, является такой кинематический показатель, как цикл шага, который может быть оцифрован и описан количественно.
В монографии Д.В. Скворцова (1996) проведено исследование биомеханики нормальной походки и предложены следующие показатели, характеризующие цикл шага: периоды двойной опоры и переноса, частота шага [1].
Как отмечено в статье Удочкина Л.А. и соавторов (2019), "… Анализ параметров шагового цикла человека позволяет выявить особенности кинематики локомоторного аппарата человека. …" [2]. Детальное исследование показателей, характеризующих цикл шага, может позволить диагностировать индивидуальные нарушения функций опорно-двигательного аппарата исследуемого индивида, что будет способствовать принятию решения при проведении экспертизы идентификации личности [3, 4, 5].
Можно отметить ряд работ, в которых описаны сходные исследования по описанной проблематике. Так, в работе Удочкина Л.А. и соавторов (2019) проведен анализ пространственно-временных параметров ходьбы в зависимости от соматотипа [2]. В других работах проводился анализ особенностей пространственно-временных параметров ходьбы человека в зависимости от пола и возраста при выполнении когнитивных задач [6, 7, 8]. В работе Abbruzzese, L.D., et al. (2014) также проводился анализ характеристик походки при одновременном движении и решении задач как у взрослых, так и у детей [9].
Целью настоящего исследования является изучение характеристик параметров ходьбы, а именно параметров цикла шага, для дальнейшего их анализа с целью разработки системы идентификации личности на кадрах видеосъемки.
Материалы и методы
|
|
|
В качестве материалов исследования выступали видеозаписи, на которых испытуемые ходили по электрической беговой дорожке со скоростью, изменяющейся в диапазоне от 3 км/ч до 7 км/ч. Запись ходьбы осуществлялась на камеру смартфона. Время съемки каждого скоростного режима выбиралось таким образом, чтобы испытуемый сделал 7-10 шагов естественной ходьбы без наклона туловища и контакта рук с поручнями или электронным табло дорожки. В среднем длина каждой видеозаписи составляла 20-30 секунд. Обязательным условием видеосъемки являлось полное попадание в кадр платформы дорожки и ног испытуемого, а также четкая визуализация контакта с платформой дорожки обеих стоп.
Каждая видеозапись была дополнена сопровождающей информацией, включающей пол, возраст, рост и массу тела индивида.
Полученные для каждого испытуемого видеоролики, соответствующие различным скоростным режимам, обрабатывались с использованием мультимедиаплеера Light Alloy (v4.11.2 свободная версия). Каждый ролик раскладывался в видеоряд, частота дискретизации которого соответствовала частоте кадров (количество кадров в секунду).
Полученный видеоряд вместе с сопровождающей информацией загружался в "Программный комплекс для расчета характеристик цикла шага", разработанный совместно сотрудниками кафедры информатики и прикладной математики Тверского государственного технического университета и Московского государственного медико-стоматологического университета имени А.И. Евдокимова (рис. 1).
Анализируя видеоряд, эксперт обрабатывал последовательные кадры, соответствующие полному циклу шага. Цикл шага - время от начала контакта с опорой данной ноги до следующего такого же контакта этой же ногой [1]. Цикл шага включает в себя два основных периода - период двойной опоры, когда обе ноги находятся в контакте с опорой, и период переноса. Двойная опора и период переноса имеют место дважды за цикл шага (рис. 2).
Рис. 1. Программный комплекс для расчета характеристик цикла шага: окно Кадры
Рис. 2. Периоды цикла шага (по Скворцову Д.В., 1996) [1]
Проводилась фиксация номеров кадров, соответствующих началу и концу цикла. Фиксация начиналась либо с периода двойной опоры, либо с периода переноса. При фиксации производилась запись о том, с какой ноги (левой или правой) начинался рассматриваемый цикл. В автоматическом режиме производился расчет таких показателей цикла шага, как: длины первого и второго периодов двойной опоры в секундах и процентах от цикла шага; длины первого и второго периодов переноса в секундах и процентах от цикла шага; длина цикла шага в секундах; частота ходьбы (количество шагов в минуту); темп ходьбы согласно классификации предложенной Д.В. Скворцовым (1996) [1].
В результате была сформирована база данных, содержащая информацию о 15 индивидах в возрасте от 16 до 60 лет (6 мужчин и 9 женщин), с каждым из которых было ассоциировано 20 записей, соответствующих цифровым характеристикам 20 шагов (по четыре шага на скорости 3 км/ч, 4 км/ч, 5 км/ч, 6 км/ч, 7 км/ч). Обработка четырех шагов производилась с целью выявления индивидуальных особенностей ходьбы испытуемого при опоре на левую и правую ногу, а также с целью получения стабильных результатов.
Собранная информация была выгружена в табличный процессор MS Excel, где производилась дальнейшая статистическая обработка.
Результаты и обсуждение
|
|
|
На первом этапе анализа результатов была проверена их воспроизводимость. Одну и туже видеозапись обрабатывали разные эксперты, затем проводилось сравнение измерений. Расхождение в данных, полученных разными экспертами, составило не более 1 %, что говорит о хорошей воспроизводимости и возможности применения метода для исследования числовых характеристик цикла шага.
Анализ результатов осуществлялся по нескольким направлениям: описательная статистика, исследование показателей в динамике, анализ пригодности для дальнейшего применения при решении задач идентификации.
Расчет показателей описательной статистики для характеристик цикла шага позволил установить, что длина каждого периода двойной опоры в среднем составляет около 14,7 % (±1,2 %) от цикла шага, а длина каждого периода переноса - в среднем 35,2 % (±1,2 %). В свою очередь, средняя продолжительность каждого периода двойной опоры равна 0,16 с (±0,025 с), а каждого периода переноса - 0,38 секунд (±0,01 с).
Суммарное время двойной опоры за цикл шага в среднем равно 29,4 %, а время переноса - 70,6 % от цикла шага, что соответствует 0,34 секундам и 0,76 секундам соответственно.
Согласно полученным данным, средняя продолжительность цикла шага равна 1,1 секунды (±0,08 с).
Описанные выше показатели были отдельно проанализированы для мужчин и женщин. Результат представлен в таблице 1.
| Характеристика | Мужчины | Женщины |
|---|---|---|
| Средняя продолжительность периода двойной опоры: | ||
| в % от цикла шага | 15,4 (±1,03) | 14,2 (±1,4) |
| в секундах | 0,17 (±0,023) | 0,16 (±0,027) |
| Средняя продолжительность периода переноса: | ||
| в % от цикла шага | 34,6 (±1,1) | 35,8 (±1,5) |
| в секундах | 0,38 (±0,01) | 0,38 (±0,01) |
| Средняя продолжительность цикла шага, в секундах | 1,12 (±0,07) | 1,07 (±0,07) |
Для мужчин характерны более длительные периоды двойной опоры и более короткие периоды переноса, чем для женщин. Также средняя продолжительность цикла шага для мужчин более продолжительная чем у женщин. Эта особенность подлежит более детальному исследованию и может быть в дальнейшем использована для формулирования решающих правил при различении мужчин и женщин на видеосъемки, в случае, если визуальная идентификация пола невозможна.
Исследование показателей цикла шага в динамике показало, что с увеличением скорости ходьбы происходит уменьшение длин первого и второго периодов двойной опоры, а также первого и второго периодов переноса, длины цикла шага, что одновременно приводит к увеличению частоты шага (рис. 3-5).
Располагая данными о взаимосвязи между характеристиками цикла шага и скоростью ходьбы, возможно сопоставление и дальнейшая экспертиза по идентификации индивидов при их движении с разной скоростью на кадрах видеосъемки.
В таблице 2 представлены средние значения частоты шага при ходьбе по дорожке со скоростью от 3 км/ч до 7 км/ч для всей выборки, а также отдельно для мужчин и для женщин. Нужно отметить, что для женщин характерна более высокая частота шага при ходьбе на всех скоростных режимах.
Рис. 3. Изменение средних показателей периода двойной опоры с увеличением скорости
Рис. 4. Изменение средних показателей периода переноса с увеличением скорости
Рис. 5. Изменение средней длины цикла шага с увеличением скорости
| Скорость, км/ч | Средняя частота шага. Вся выборка (шагов в минуту) | Средняя частота шага для мужчин (шагов в минуту) | Средняя частота шага для женщин (шагов в минуту) |
|---|---|---|---|
| 3 | 91 | 89 | 92 |
| 4 | 101 | 100 | 102 |
| 5 | 113 | 110 | 115 |
| 6 | 124 | 121 | 125 |
| 7 | 130 | 126 | 135 |
Установлено, что как для периодов двойной опоры, так и для периодов переноса, с увеличением скорости, длины соответствующих периодов уменьшаются в среднем на 3-7 %, что говорит о возможности использования характеристик цикла шага для идентификации индивида при ходьбе с различной скоростью.
В результате проведенного исследования были получены цифровые характеристики цикла шага человека при ходьбе по беговой дорожке со скоростью от 3 км/ч до 7 км/ч. Отдельно проанализированы значения показателей для мужчин и женщин, установлено, что мужчинам свойственны более длительные периоды двойной опоры и более короткие периоды переноса, а также большая продолжительность цикла шага. Анализ изменения показателей в динамике позволил выявить, что с увеличением скорости ходьбы происходит уменьшение всех цифровых характеристик цикла шага, что одновременно приводит к увеличению частоты шага. Проведенное исследование может быть использовано для построения алгоритма идентификации индивида по особенностям походки на кадрах видеосъемки.
Список источников |
|
1. Борзиков В.В. Видеоанализ движений человека в клинической практике (обзор) // СТМ. - 2015 - Т. 7, № 4. - С. 201-210.- 2. Мороз В.М., Йолтуховский М.В., Власенко О.В., Московко Г.С., Богомаз О.В., Рокунец И.Л., Тищенко И.В., Костюк Л.В., Супрунов К.В. Половые особенности ходьбы при одновременном исполнении когнитивных заданий // Вестник морфологии. - 2019. - Т. 25, № 2. - С. 5-15.
- 3. Мороз В.М., Йолтуховский М.В., Власенко О.В., Московко Г.С., Богомаз О.В., Рокунец И.Л., Тищенко И.В., Костюк Л.В., Супрунов К.В. Возрастные особенности ходьбы при одновременном выполнении когнитивных заданий // Biomedical and Biosocial Anthropology. - 2019. - № 1 (34). - С. 68-76.
- 4. Скворцов Д.В. Клинический анализ движений. Анализ походки. - Иваново Издательство НПЦ - "Стимул", 1996. - 344 с.
- 5. Удочкина Л.А., Воронцова О.И., Галушко Т.Г. Конституциональные особенности шагового цикла человека. Морфологический альманах имени В.Г. Ковешникова. - 2019. - Т. 17, № 4. - С. 76-78.
- 6. Abbruzzese L.D., Rao A.K., Bellows R., Figueroa K., Levy J., Lim E., Puccio L. (2014). Effects of manual task complexity on gait parameters in school-aged children and adults // Gait & posture. - № 40 (4). - Р. 658-663.
- 7. Al-Yahya E., Dawes H., Smith L., Dennis A., Howells K., Cockburn, J. (2011). Cognitive motor interference while walking: a systematic review and meta-analysis // Neuroscience & Biobehavioral Reviews. - № 35 (3). - Р. 715-728.
- 8. Andriacchi T.P., Alexander E.J. Studies of human locomotion: past, present and future // J Biomech. - 2000; 33(10):1217-1224, http://dx.doi.org/10.1016/S0021-929(00)00061-0.
- 9. Herda L., Fua P., Plä nkers R., Boulic R., Thalmann D. Using skeleton-based tracking to increase the reliability of optical motion capture // Hum Mov Sci. - 2001. - № 20 (3). - Р. 313-341. http://dx.doi.org/10.1016/s0167- 9457(01)00050-1.
