CN114722939A - 一种用于步态分析的数据扩充方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于步态分析的数据扩充方法及系统，包括：获取步态数据并将步态数据格式转换为C3D格式；对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，包括：对C3D格式的步态数据参数部分以及3D点/模拟数据部分分别进行拼接。本发明在步态分析实验室场地较小、设备不足的情况下，通过对手动截取步态周期后得到的步态数据进行拼接，以实现数据的扩充。
Description
技术领域
本发明属于生物力学及步态分析技术领域，尤其涉及一种用于步态分析的数据扩充方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
进行步态分析需要多个步态周期，但目前生物力学及步态分析实验室场地比较小，且三维测力台造价昂贵，所以测得的连续步态周期的数量较少，导致可直接使用的步态数据不足，因此目前大多数步态分析数据质量不高。
当前描述步态的数据类型主要包括图像、视频、时间序列数据。目前虽存在相关的扩充技术，但主要是用于扩充图像数据，仍未有时间序列数据的扩充方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于步态分析的数据扩充方法，对步态周期进行扩充延长，从而提高步态数据的质量，便于后续数据的处理与分析。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种用于步态分析的数据扩充方法，包括：
获取步态数据并将步态数据格式转换为C3D格式；
对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，包括：
对C3D格式的步态数据参数部分以及3D点/模拟数据部分分别进行拼接。
作为进一步的技术方案，所述对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，具体包括依次进行的位置点拼接、点数据拼接、模拟数据拼接、模拟信号拼接和模拟信号分配，最终实现多个数据文件拼接。
作为进一步的技术方案，获取的步态数据包括位置点的原始3D坐标数据以及三维测力台的模拟力学数据。
作为进一步的技术方案，获取步态数据之后还包括：步态数据的标定步骤，具体为：
针对采集到的整段步态数据按步态周期进行分割，只保留正常行走状态下的完整的步态周期，使截取片段中开始时的人体姿态与结束时的人体姿态保持一致；
对截取片段中采集到的每个3D位置点进行命名和标注；
经多次截取后，获得多段步态周期数据。
作为进一步的技术方案，所述位置点的拼接时，使用dstack函数表示将两段数据沿行进方向进行拼接。
作为进一步的技术方案，所述模拟数据拼接时，使用dstack函数实现每个C3D文件力和力矩数据矩阵的对应相接。
作为进一步的技术方案，模拟信号拼接需要对测力台的多个相关参数进行拼接。
作为进一步的技术方案，相关参数包括：USED，单个无符号整数值，存储测力台数目；
TYPE，每个测力台的输出类型；
ZERO，包含两个非零整数值的数组；
ORIGIN，原点参数数组；
CHANNEL，有符号的整数数据值数组，记录包含特定测力平台数据的模拟通道，并将测力平台信号分配给模拟通道；
CORNERS，记录平台四个角的位置，包含x,y,z三个方向、指定拐角和测力台号三个维度。
作为进一步的技术方案，模拟信号分配，具体步骤为：
模拟通道从第一个采样的模拟信道开始按顺序存储，该模拟通道总是通道1；
如果每3D帧采样10个模拟通道，那么在3D点数据之后将10个模拟值按顺序写入，从通道1开始，以通道1结束；
如果每三维帧有3个模拟数据样本，那么前10个模拟样本将按顺序编写，然后是第二组模拟样本，最后是第三组10个模拟样本；
接下来将是下一帧3D数据，然后是与3D数据帧相关联的下三组模拟样本。
第二方面，公开了一种用于步态分析的数据扩充系统，包括：
数据转换模块，被配置为：获取步态数据并将步态数据格式转换为C3D格式；
拼接扩充模块，被配置为：对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，包括：
对C3D格式的步态数据参数部分以及3D点/模拟数据部分分别进行拼接。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明在步态分析实验室场地较小、设备不足的情况下，通过对手动截取步态周期后得到的步态数据进行拼接，以实现数据的扩充。
本发明通过对步态周期的延长和调整，实现了步态数据质量的提高，便于后续数据的处理和分析，克服了不利的现实因素，实现连续步态周期的延长和扩充。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例步态实验校准示意图；
图2为本发明实施例步态实验实际行走过程示意图；
图3(a)-图3(b)为本发明实施例截取片段中开始时的人体姿态和结束时的人体姿态示意图；
图4为本发明实施例对3D位置点进行命名和标注示意图；
图5为本发明实施例三维坐标存储格式示意图；
图6为本发明实施例三维坐标字4格式与内容示意图；
图7为本发明实施例n个通道模拟数据的N个样本组织示意图；
图8为本发明实施例方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
C3D文件被保存为C3D的数据文件(坐标3D)，它主要用于生物力学信息的存储。该文件保存3D运动捕捉数据为二进制，主要用于存储生物力学数据。该文件格式自1987年开始使用，并已被广泛用于临床步态、生物力学运动、动画和许多其他运动以捕获数据。C3D格式背后的基本思想是，任何记录测量的所有原始3D坐标和数字数据以及描述数据的所有参数都被存储在一个文件中。
实施例一
如图8所示，本实施例公开了一种用于步态分析的数据扩充方法，包括以下步骤：
步骤一：步态数据的获取。
步骤一的具体操作如下：
在采集人体步态运动信息时，可以采用下述实验方式获取，也可以采用从现有的数据库中获取或者其他方式得到所需要的数据。
在一实施例子中，实验方式获取具体的为：在实验对象身上粘贴52个反光点，使其面向特定方向，双脚分开与肩同宽，掌心向前站立并对其进行系统的校准，如图1所示。
校准完成后，使实验对象在实验场地范围内来回行走一段时间，利用三维运动捕捉系统及测力台系统采集人体步态运动信息，如图2所示。采集数据包括位置点的原始3D坐标数据以及三维测力台的模拟力学数据。
步骤二：步态数据的标定。
步骤二的具体操作如下：
对原始3D坐标数据以及三维测力台的模拟力学数据，根据采集到的一段时间内的连续步态数据按步态周期进行分割，舍弃掉刚起步以及转身的阶段，只保留正常行走状态下的完整的步态周期，从而使截取片段中开始时的人体姿态与结束时的人体姿态保持一致，如图3(a)-图3(b)所示。对截取片段中采集到的每个3D位置点进行命名和标注，用于3D点的各点对应拼接以及数据后续的处理与分析，如图4所示。经多次截取后，获得多段步态周期数据。将采集到的步态数据格式转换为步态分析及生物力学领域常用的C3D格式。
上述原始3D坐标数据以及三维测力台的模拟力学数据同时采集得到，C3d文件包括A header section，A parameter section，3D point/analog data section。3D point/analog data section即为原始3D坐标数据以及三维测力台的模拟力学数据，也就是需要拼接和扩充的部分。因此，可认为整段步态数据等于原始3D坐标数据以及三维测力台的模拟力学数据。
将每个点进行命名和标注：可以将人体上粘贴的52个反光点区分开来，便于按照索引访问反光点的三维位置数据，便于后续的拼接操作；还可以通过以命名的点，使用生物力学建模和分析软件建立骨骼模型。
步骤三：对步态数据进行拼接扩充。
C3D文件包括三个部分：A header section，A parameter section，3D point/analog data section。而通过对C3D文件类型进行拼接来达到数据的扩充，需要对参数部分以及3D点/模拟数据部分分别进行拼接。
步骤三的具体操作如下：
3.1位置点的拼接
C3D文件格式要求由POINT：USED参数定义的3D点数据值按照在POINT：LABELS参数部分中列出的顺序写入3D数据部分内的每一帧。访问三维点数据的所有应用程序必须通过读取每个C3D文件的参数部分中存储的点标签的顺序来确定三维点的存储顺序和标识。
每个3D帧的模拟样本按ANALOG:LABELS参数部分列出的顺序记录，并由ANALOG:USED和ANALOG:RATE计数定义。
位置点的拼接步骤为：将第一个C3D文件中各点的位置数据作为基准，对第二个C3D文件中各点的位置数据参照第一个文件进行调整，调整过程如下列第一式(1)所示，以实现两个文件的点位置对应拼接。此时拼接文件的位置数据依旧以第一个文件的位置数据为基准。依次对需要拼接的C3D文件中各点的位置数据进行调整并对文件进行n-1拼接，即可实现n个文件位置点的对应拼接。
上述这种位置点拼接方法的优点在于所有文件各点的位置数据均以第一个文件各点的位置数据作为基准，实现了最终拼接文件内n-1个文件拼接处各点位置的平滑过渡，便于后续数据的导出处理与分析。
di+1(axis)＝pi(axis)-pi+1(axis) (1)
p1(axis)＝p1(axis) (2)
axis＝[x,y,z],pi(axis)和pi+1(axis)表示第i段和第i+1段C3D文件点数据矩阵，可分为x,y,z三个方向进行计算；
di+1(axis)表示分别利用第i段3D点矩阵的初始位置减去第i+1段3D点矩阵的结束位置后得到的差值矩阵，同样可分为x,y,z三个方向，所得矩阵中元素的个数即为采集的3D点个数；
dstack函数表示将两段数据沿行进方向进行拼接，将该数据矩阵与前i个数据矩阵拼接而成的pi(axis)继续拼接可得pi+1(axis)，代表前i+1个数据矩阵的拼接。
其中，初始数据矩阵p1(axis)＝p1(axis)。
使用递归方法循环以上过程，当i＝n-1时，可完成n段C3D文件点数据矩阵p(axis)的拼接。
位置点的拼接就是前一个文件最后的位置点和经过调整的后一个文件最前面的位置点的拼接，新加的拼接步骤那一段落已经给出。一个点的位置数据包含了不同方向上的数据，因此用数据矩阵表示。点位置数据是人体关节点在行走过程中的数据，模拟数据是步态测试设备在人行走过程中产生的数据。
3.2模拟数据拼接
模拟数据拼接的内容包括6个力和6个力矩、相机掩模和三维点残差。
力和力矩的拼接方法与点数据拼接方法类似，同样使用dstack函数实现每个C3D文件力和力矩数据矩阵的对应相接。
具体操作步骤可参考位置点的拼接，其优点在于实现了对多个C3D文件模拟数据的平滑拼接，扩充了步态数据的类型，便于后续数据的多维度分析。
每个三维坐标存储为3个16位符号整数+相机掩模和残差，如图5所示。其中，每个整数值都是通过将物理世界坐标除以点：尺度参数(POINT:SCALE parameter)来生成的，它在除以32000之后被计算为点：单位参数(POINT:UNITS parameter)的最大坐标值。
注意，向存储的三维数据添加任何额外数据将需要重新计算点：比例因子(POINT:SCALE factor)，如果任何新数据值超过现有的最大坐标值，将重新计算以符号整数存储的所有现有数据点的比例。如果一个点无效，则第四个字(相机掩模和残余)将为负值，X、Y和Z坐标值将被忽略，因为残余表示该点无效。字4的字节1有7个位，被设置为“1”对应于测量点的摄像机，位1表示第一个相机，位2表示第二位，等等，如图6所示。按照惯例，如果点值已被插值、过滤或以任何方式修改，所有照相机位将被设置为0。请注意，照相机位位于整数记录的字4的高字节中，这个字中最重要的位是残余符号位。因此，这些相机只有7位可用。任何具有负残差的点都被解释为无效，即设置第8位会产生一个负符号整数，因此相机掩模只支持7个相机。同样地，相机掩模和三维点残差数据也使用dstack函数进行拼接。
通过n-1次循环操作可将n个C3D文件的模拟数据拼接完成。
3.3模拟信号拼接
模拟信号为测力台采集的力学信号数据，因此实现模拟信号拼接需要对测力台的多个相关参数进行拼接，包括：USED，单个无符号整数值，存储测力台数目；TYPE，每个测力台的输出类型；ZERO，包含两个非零整数值的数组；ORIGIN，原点参数数组；CHANNEL，有符号的整数数据值数组，记录包含特定测力平台数据的模拟通道，并将测力平台信号分配给模拟通道；CORNERS，记录平台四个角的位置，包含x,y,z三个方向、指定拐角和测力台号三个维度。
其中USED存储测力台数目，每拼接一次测力台，USED内存储数目增加2。
由于除USED拼接无意义、CORNERS记录位置参数之外，其他四个相关参数均为与空间位置参数无关的标量，因此对这些参数进行直接拼接，拼接过程如下列各式所示。模拟信号拼接为步态数据的分析提供了新的数据类型。
f1(parameters)＝f1(parameters)
fi+1(parameters)＝dstack(fi(parameters),fi+1(parameters))
i＝1,2,3,...,n-1
其中，parameters＝[TYPE,ZERO,ORIGIN,CHANNEL],fi(parameters)和fi+1(parameters)表示第i段和第i+1段C3D文件模拟信号参数矩阵，dstack函数表示将第i段和第i+1段C3D文件点数据矩阵中测力台的相关参数沿受试者前进的方向进行拼接，从而实现了测力台在受试者前进方向上的延长。fi+1(parameters)表示前i+1段数据拼接而成的模拟信号参数矩阵。
与位置点拼接相类似，测力台的位置同样需要调整并拼接以实现测力台参数和力学信号数据在文件拼接处的平滑过渡。
测力台四个角位置的调整可用如下公式表示：
f1(axis)＝f1(axis)
其中，fi(axis)和fi+1(axis)表示第i段和第i+1段C3D文件测力台位置矩阵，
是位置点拼接过程中，第i段3D点矩阵的初始位置减去第i+1段3D点矩阵的结束位置后得到的差值矩阵di+1(axis)内元素的平均值，第i+1块测力台同样需要加上差值矩阵元素平均值
以调整测力台位置。再次使用dstack函数实现第i块和第i+1进行受试者前进方向上的拼接。fi+1(axis)表示前i+1段数据测力台位置拼接而成的测力台位置矩阵。
由于位置点数据以及测力台数据是同时采集的，位置调整也必须同时进行，否则反光点的位置和测力台的位置会不匹配，具体可参照图3，中间的横线为测力台。
3.4模拟信号分配
模拟通道从第一个采样的模拟信道开始按顺序存储，该模拟通道总是通道1。如果每3D帧采样10个模拟通道，那么在3D点数据之后将10个模拟值按顺序写入，从通道1开始，以通道1结束。如果每三维帧有3个模拟数据样本，那么前10个模拟样本将按顺序编写，然后是第二组模拟样本，最后是第三组10个模拟样本。接下来将是下一帧3D数据，然后是与3D数据帧相关联的下三组模拟样本。
这里值得注意的是，模拟通道通常从通道1开始按顺序存储。在C3D格式中，没有规定只存储ADC通道2、8和10并将其识别为这样的通道以便存储通道10，即存储1和10之间的所有通道。然而，由于模拟信道可以通过其模拟标签分配(ANALOG:LABELS assignments)来引用，因此，如果应用程序使用模拟：标签参数(ANALOG:LABELS parameter)来识别信道，而不是使用物理通道号来识别单个模拟信道，则不需要存储未使用的模拟信道。因此，一个C3D文件只能存储这三个通道，每个通道由一个唯一的标签参数标识为C3D模拟通道1、2和3。然后，应用程序将通过其标签来引用每个通道，而不是其原始的物理通道编号。
存储在C3D文件格式中的模拟通道和3D点都被索引并从基础“1”计数，因此从计算通道“0”的模拟数据收集系统采样数据时，偶尔会导致混淆。注意，在C3D文件中没有“帧0”或“模拟通道0”，3D数据的第一帧总是被计算为帧1，模拟通道计数总是从通道1开始。
因此，当模拟数据出现在C3D文件中时，每个3D帧之后是每个模拟通道的一个或多个模拟样本。这些组织如下所示，其中“N”是每一个3D帧的模拟测量数(存储在C3D头文件的字10中)，“n”是存储在C3D文件中的模拟通道的数量。采样的通道数不直接存储在C3D头文件中，但可以计算为(字3)/(字10)、(每3D帧的模拟样本总数)/(每个模拟通道的样本数)，或从参数数据部分读取，如图7所示。
例如，考虑一个C3D文件，它包含以60Hz记录的3D点信息，并包含18个模拟通道，每个模拟通道以每秒1200个采样的速率采样。此信息以以下参数存储在C3D文件中：
POINT:RATE＝60
ANALOG:USED＝18
ANALOG:RATE＝1200
因此，模拟数据将被写入每个包含18个值的每个模拟记录——每个模拟通道在ANALOG:USED参数中记录的一个值。每个模拟通道每一个3D帧的数据被采样20次，每秒将有60个3D帧，记录在POINT:RATE参数中。C3D文件不直接存储每帧的模拟数据样本数作为参数，该值通过将ANALOG:RATE值除以POINT:RATE值来计算。因此，每个以60hz记录的3D帧数据将包含20组模拟样本，每组记录18个模拟通道。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供了一种用于步态分析的数据扩充系统，包括：
数据转换模块，被配置为：获取步态数据并将步态数据格式转换为C3D格式；
拼接扩充模块，被配置为：对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，包括：
对C3D格式的步态数据参数部分以及3D点/模拟数据部分分别进行拼接。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种用于步态分析的数据扩充方法，其特征是，包括：
获取步态数据并将步态数据格式转换为C3D格式；
对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，包括：
对C3D格式的步态数据参数部分以及3D点/模拟数据部分分别进行拼接。
2.如权利要求1所述的一种用于步态分析的数据扩充方法，其特征是，所述对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，具体包括依次进行的位置点拼接、点数据拼接、模拟数据拼接、模拟信号拼接和模拟信号分配，最终实现多个数据文件拼接。
3.如权利要求2所述的一种用于步态分析的数据扩充方法，其特征是，获取的步态数据包括位置点的原始3D坐标数据以及三维测力台的模拟力学数据。
4.如权利要求1所述的一种用于步态分析的数据扩充方法，其特征是，获取步态数据之后还包括：步态数据的标定步骤，具体为：
针对采集到的整段步态数据按步态周期进行分割，只保留正常行走状态下的完整的步态周期，使截取片段中开始时的人体姿态与结束时的人体姿态保持一致；
对截取片段中采集到的每个3D位置点进行命名和标注；
经多次截取后，获得多段步态周期数据。
5.如权利要求2所述的一种用于步态分析的数据扩充方法，其特征是，所述位置点的拼接时，使用dstack函数表示将两段数据沿行进方向进行拼接。
6.如权利要求2所述的一种用于步态分析的数据扩充方法，其特征是，所述模拟数据拼接时，使用dstack函数实现每个C3D文件力和力矩数据矩阵的对应相接。
7.如权利要求2所述的一种用于步态分析的数据扩充方法，其特征是，模拟信号拼接需要对测力台的多个相关参数进行拼接；
相关参数包括：USED，单个无符号整数值，存储测力台数目；
TYPE，每个测力台的输出类型；
ZERO，包含两个非零整数值的数组；
ORIGIN，原点参数数组；
CHANNEL，有符号的整数数据值数组，记录包含特定测力平台数据的模拟通道，并将测力平台信号分配给模拟通道；
CORNERS，记录平台四个角的位置，包含x,y,z三个方向、指定拐角和测力台号三个维度；
优选的，模拟信号分配，具体步骤为：
模拟通道从第一个采样的模拟信道开始按顺序存储，该模拟通道总是通道1；
如果每3D帧采样10个模拟通道，那么在3D点数据之后将10个模拟值按顺序写入，从通道1开始，以通道1结束；
如果每三维帧有3个模拟数据样本，那么前10个模拟样本将按顺序编写，然后是第二组模拟样本，最后是第三组10个模拟样本；
接下来将是下一帧3D数据，然后是与3D数据帧相关联的下三组模拟样本。
8.一种用于步态分析的数据扩充系统，其特征是，包括：
数据转换模块，被配置为：获取步态数据并将步态数据格式转换为C3D格式；
拼接扩充模块，被配置为：对C3D格式的步态数据进行拼接扩充，包括：
对C3D格式的步态数据参数部分以及3D点/模拟数据部分分别进行拼接。
9.一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210361290.7A CN114722939B (zh) | 2022-04-07 | 一种用于步态分析的数据扩充方法及系统 |
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| CN202210361290.7A CN114722939B (zh) | 2022-04-07 | 一种用于步态分析的数据扩充方法及系统 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150006120A1 (en) * | 2013-06-26 | 2015-01-01 | Dassault Systémes Simulia Corp. | Musculo-Skeletal Modeling Using Finite Element Analysis, Process Integration, and Design Optimization |
| CN111582081A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-08-25 | 西安交通大学 | 一种多Kinect串联的步态数据时空合并方法与测量装置 |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150006120A1 (en) * | 2013-06-26 | 2015-01-01 | Dassault Systémes Simulia Corp. | Musculo-Skeletal Modeling Using Finite Element Analysis, Process Integration, and Design Optimization |
| CN111582081A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-08-25 | 西安交通大学 | 一种多Kinect串联的步态数据时空合并方法与测量装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MOTION LAB SYSTEM: ""The C3D File Format A Technical User Guide"", 《MOTION LAB SYSTEMS》, 6 October 2021 (2021-10-06), pages 77 - 82 * |
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