TWI681756B

TWI681756B - 步態辨識系統及步態辨識方法

Info

Publication number: TWI681756B
Application number: TW107121267A
Authority: TW
Inventors: 李昀儒
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2020-01-11
Also published as: TW202000134A; US20190388008A1

Abstract

本發明提供一種步態辨識系統及步態辨識方法。所述方法包括透過感測裝置的承載面承載使用者的第一足部；透過感測裝置的感測器感測第一足部施加於承載面上的步態；以及透過處理裝置基於步態辨識使用者。

Description

步態辨識系統及步態辨識方法

本發明是有關於一種生物辨識系統及方法，且特別是有關於一種步態辨識系統可用於身份認證及步態辨識方法，並追蹤行走軌跡。

隨著基於諸如指紋、虹膜、人臉等人體特徵的生物辨識技術的越來越成熟，以及由於生物資訊所有具有的獨有性，不容易複製的特點，生物識別相關的技術越來越多的應用到終端設備的用戶認證功能中。目前大部分終端設備應用的生物辨識技術的用戶認證功能都是通過終端設備本身進行使用者生物資訊的儲存和匹配校驗，設備被破解的風險仍然很大。

具體而言，由於上述的生物辨識方式皆屬於靜態辨識，因而可能具有以下缺點：(1)可能因待辨識的人體特徵（例如指紋、虹膜、人臉）被遮蔽而導致無法辨識；(2)可透過高解析度的照片來模仿上述人體特徵，造成安全性下降；以及(3)上述生物特徵辨識方式皆需先透過攝影裝置拍攝人體特徵再透過影像處理的方式進行比對，因此除了實現的成本較高之外，還可能引起相關的隱私問題。

由上可知，對於本領域技術人員來說，如何設計一種可解決上開技術問題的生物辨識技術實為一項重要的議題。

有鑑於此，本發明提供一種步態辨識系統及步態辨識方法，其可偵測使用者的步態並據以認證使用者，進而解決以上所述的各個技術問題。

本發明提供一種步態辨識系統，包括感測裝置及處理裝置。感測裝置包括承載面及感測器。承載面用於承載一使用者的一第一足部。感測器用於感測第一足部施加於承載面上的一踩踏情形。處理裝置耦接感測器，將踩踏情形轉換為第一足部的步態，並基於步態辨識使用者。

在本發明之一實施例中，在第一足部踩踏於承載面的一踩踏過程中，感測器收集第一足部連續地施加於承載面的多個振動，而處理裝置將前述振動表徵為踩踏情形。

在本發明之一實施例中，處理裝置基於前述振動計算對應於前述振動的多個壓力中心點，並將前述壓力中心點所形成的一移動軌跡表徵為步態。

在本發明之一實施例中，感測器包括加速器、陀螺儀感測器或壓力感測器、慣性感測器。

在本發明之一實施例中，處理裝置將步態與一預設步態比對，其中當步態匹配於預設步態時，判定使用者為一合法使用者，反之則判定使用者為一非法使用者。

在本發明之一實施例中，所述系統更包括多個感測裝置，其中各感測裝置的感測器耦接於處理裝置，且各感測裝置的承載面協同地形成一特定承載面，其中各感測裝置的感測器協同地偵測使用者的第一足部及一第二足部連續地施加於特定承載面上的多個特定踩踏情形。

在本發明之一實施例中，各特定踩踏情形表徵為一移動軌跡，且處理裝置將各特定踩踏情形對應的移動軌跡連接為一整合移動軌跡，並基於整合移動軌跡辨識使用者的一活動模式。

在本發明之一實施例中，處理裝置將整合移動軌跡與一預設活動軌跡比對，其中當整合移動軌跡匹配於預設活動軌跡時，判定使用者的活動模式為正常，反之則判定使用者的活動模式為異常。

在本發明之一實施例中，各特定步態對應的移動軌跡為第一足部或第二足部在特定承載面產生的多個壓力中心點連接而成。

在本發明之一實施例中，處理裝置整合於感測裝置中。

本發明提供一種步態辨識方法，包括：透過一感測裝置的一承載面承載一使用者的一第一足部；透過感測裝置的一感測器感測第一足部施加於承載面上的一踩踏情形；以及透過一處理裝置將踩踏情形轉換為第一足部的步態，並基於步態辨識使用者。

在本發明之一實施例中，透過感測裝置的感測器感測第一足部施加於承載面上的踩踏情形的步驟包括：在第一足部踩踏於承載面的一踩踏過程中，透過感測器收集第一足部連續地施加於承載面的多個振動，並透過處理裝置將前述振動表徵為踩踏情形。

在本發明之一實施例中，透過處理裝置將前述振動表徵為踩踏情形的步驟包括：處理裝置基於前述振動計算對應於前述振動的多個壓力中心點，並將前述壓力中心點所形成的一移動軌跡表徵為步態。

在本發明之一實施例中，透過處理裝置基於步態辨識使用者的步驟包括：透過處理裝置將步態與一預設步態比對，其中當步態匹配於預設步態時，判定使用者為一合法使用者，反之則判定使用者為一非法使用者。

在本發明之一實施例中，所述方法更包括：透過多個感測裝置協同地偵測使用者的第一足部及一第二足部連續地施加於一特定承載面上的多個特定踩踏情形，其中特定承載面由各感測裝置的承載面協同地形成。

在本發明之一實施例中，各特定踩踏情形表徵為一移動軌跡，且所述方法更包括：透過處理裝置將各特定踩踏情形對應的移動軌跡連接為一整合移動軌跡，並基於整合移動軌跡辨識使用者的一活動模式。

在本發明之一實施例中，基於整合移動軌跡辨識使用者的活動模式的步驟包括：透過處理裝置將整合移動軌跡與一預設活動軌跡比對，其中當整合移動軌跡匹配於預設活動軌跡時，判定使用者的活動模式為正常，反之則判定使用者的活動模式為異常。

基於上述，本發明提供一種步態辨識系統及步態辨識方法，其可偵測使用者的步態並據以認證使用者。由於步態屬於動態的生物特性，因此既可不受遮蔽影響，亦不會被照片模仿。並且，由於實現的機制中不需引入攝影裝置，因此不會讓使用者因被監視而引發相關的心理障礙。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，其是依據本發明之一實施例繪示的步態辨識系統示意圖。在本實施例中，步態辨識系統100包括感測裝置10及處理裝置20。感測裝置10包括承載面11及感測器12。在圖1中，感測裝置10的外觀可利用一長方形板狀物實現，但在其他實施例中，感測裝置10亦可依設計者的需求而採用相應的材質（例如壓克力、玻璃、金屬等）及外觀（例如各式幾何形狀），並不限於圖1所示態樣。

在不同的實施例中，感測裝置10可放置於各種需要對使用者進行認證的場所，例如可置於某個需經認證方能通過的入口前以作為門禁系統，但可不限於此。

在圖1中，承載面11例如是感測裝置10的頂面，其可用於讓一使用者A以足部31（例如，右腳）及/或足部32（例如，左腳）進行踩踏，以相應地承載足部31及/或足部32。應了解的是，雖然圖1中的情境係繪示為以足部31及32進行踩踏，但在其他實施例中，使用者A亦可在穿著鞋子、襪子或其他類似用品的情況下進行踩踏。

感測器12可設置於感測裝置10旁、感測裝置10的下方、或是依設計者的需求而設置於感測裝置10中的任意指定位置，而並不限於圖1所示態樣。並且，在不同的實施例中，感測器12可採用加速器、陀螺儀感測器、或壓力感測器慣性感測器的其中之一或是其組合來實現，但本發明可能的實施方式可不限於此。

在本實施例中，感測器12可用於感測足部31及/或足部32施加於承載面12上的踩踏情形。以足部31為例，在其踩踏於承載面11的踩踏過程中，感測器12可收集足部31連續地施加於承載面11的多個振動（其例如是由加速器、陀螺儀感測器、或壓力感測器慣性感測器所感測到的數值所組成，但可不限於此），而這些振動可表徵為上述踩踏情形。在一實施例中，足部31在承載面11上的踩踏過程可包括從足部31的足跟31b接觸承載面11開始，直至足部31的足尖31a離開承載面11的整個連續動作（其對應於一般人類往前走時的踩踏方式），但可不限於此。在其他實施例中，足部31的在承載面11上的踩踏過程亦可依設計者的需求而調整為其他態樣，例如可包括足部31的足尖31a接觸承載面11開始，直至足部31的足跟31b離開承載面11的整個連續動作（其對應於一般人類往後走時的踩踏方式）。

在感測器12收集足部31在承載面11上的踩踏過程所產生的振動之後，可相應地提供至處理裝置20。接著，處理裝置20可將踩踏情形轉換為足部31的步態，並基於此步態辨識使用者A。

在一些實施例中，處理裝置20可以是整合於或內建於感測裝置10中的一般用途處理器、特殊用途處理器、傳統的處理器、數位訊號處理器、多個微處理器（microprocessor）、一個或多個結合數位訊號處理器核心的微處理器、控制器、微控制器、特殊應用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、場可程式閘陣列電路（Field Programmable Gate Array，FPGA）、任何其他種類的積體電路、狀態機、基於進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，ARM）的處理器以及類似品。

在其他實施例中，處理裝置20可以是有線/無線連接於感測裝置10的手機、智慧型手機、個人電腦（personal computer，PC）、筆記型電腦（notebook PC）、網本型電腦（netbook PC）、平板電腦（tablet PC）、電視機，但可不限於此。

在圖1中，處理裝置20暫以外接於感測裝置10的平板電腦裝置來進行例示性說明，其可具有顯示器22來顯示所需的資訊，但本領域具通常知識者應可了解，其並非用以限定本發明可能的實施方式。

在一實施例中，處理裝置20可基於上述振動計算對應於上述振動的壓力中心點41a、41b、41c、41d、41e、41f，並將前述壓力中心點41a-41f所形成的移動軌跡41表徵為步態（其例如是使用者A右腳的步態）。具體而言，各壓力中心點41a-41f例如是在足部31踩踏過程中的某一時間點時，足部31當下在承載面11上的踩踏面積的中心位置。在此情況下，移動軌跡41則可看成是在足部31的踩踏過程中，各時間點時的踩踏面積中心位置連接而形成的軌跡。

相似地，使用者A可用其足部32來踩踏承載面11，藉以產生移動軌跡42（其例如是使用者A左腳的步態），其細節在此不再贅述。在一實施例中，還可透過顯示器22將移動軌跡41及42顯示以供使用者A確認。

由於不同使用者的走路習慣及足型因人而異，因此不同使用者在承載面11上形成的步態（例如，移動軌跡41及42）也會因人而異，具備獨特性。基此，本發明可藉由使用者A透過足部31及32對承載面11輸入的步態來辨識使用者A是否為合法的使用者。

在一實施例中，處理裝置20可將步態與預設步態比對，其中當上述步態（例如，移動軌跡41及42）匹配於預設步態時，可判定使用者A為合法使用者，反之則判定使用者A為非法使用者。

詳細而言，上述預設步態例如是由上述門禁系統的合法使用者在先前即透過類似於以上教示的方式而輸入於門禁系統內的步態，用以作為認證使用者的依據。亦即，若使用者A係門禁系統的合法使用者，則門禁系統的管理者可在設定階段時預先讓使用者A對感測裝置10進行上述輸入步態的操作，並將所輸入的步態作為預設步態而儲存於相應的步態資料庫中，用以作為日後認證使用者A的依據。

若使用者A本就為合法使用者，則其先前所輸入的預設步態則必然匹配於移動軌跡41及42所表徵的步態。相應地，處理裝置20即可在接收到移動軌跡41及42所表徵的步態後，認證使用者A為合法使用者，進而進行例如解除門禁、開門、開燈、解鎖或其他類似的操作。並且，亦可透過顯示器22顯示歡迎訊息51等，但可不限於此。

相反地，若使用者A不是合法使用者，則上述門禁系統的步態資料庫中相對地不會儲存有任何對應的預設步態。因此，處理裝置20將判斷移動軌跡41及42所表徵的步態未對應於步態資料庫中的任何預設步態。在此情況下，處理裝置20將判定使用者A為非法使用者，進而採取發出警報（例如以顯示器22顯示警告訊息52）、通知管理員、報警或其他類似的防範措施等，但可不限於此。

由上可知，本發明提供的步態辨識系統可偵測使用者的步態並據以認證使用者。由於步態屬於動態的生物特性，因此既可不受遮蔽影響，亦不會被照片模仿。並且，由於實現的機制中不需引入攝影裝置，因此不會讓使用者因被監視而引發相關的心理障礙。再者，由於本發明的步態辨識系統可不用透過影像處理演算法來進行辨識，因此使得實現上的成本較為低廉，接受度較高。另外，由於使用者係利用雙足進行步態的輸入，因此即便在雙手持有物品的情況下亦可輕易地輸入步態，達到較高的便利性。

在其他實施例中，除了基於以上教示來認證使用者是否為合法使用者之外，本發明的步態辨識系統可更藉由整合多個感測裝置來協同偵測使用者的多個步態對應的移動軌跡所形成的整合移動軌跡，並可基於此整合移動軌跡來判斷使用者的活動情況為正常或異常。以下進行詳細說明。

請參照圖2，其是依據本發明之一實施例繪示的步態辨識系統示意圖。在本實施例中，步態辨識系統200例如可布建於某個特定場所（例如設置有多台儀器的廠房）中，用於監測某些使用者在前述特定場所中的活動模式是否正常。

如圖2所示，步態辨識系統200包括多個感測裝置10及處理裝置20，其中圖2中的各感測裝置10的承載面11可協同地形成特定承載面211。

在圖2中，當使用者A以其足部31及32在特定承載面211上行走時，各感測裝置10的感測器12可協同地偵測使用者A連續地施加於特定承載面211上的多個特定踩踏情形。

與圖1實施例相似，上述各特定踩踏情形可表徵為移動軌跡。亦即，每個特定踩踏情形可對應於使用者A以足部31（或足部32）施加於特定承載面211的單次踩踏過程，而在前述踩踏過程中，各感測器12可收集足部31（或足部32）連續地施加於特定承載面211的多個振動，而這些振動可表徵為上述特定踩踏情形之一。

在各感測器12收集足部31在特定承載面211上的各個特定踩踏過程所產生的振動之後，可相應地提供至處理裝置20。接著，處理裝置20可將前述多個特定踩踏情形轉換對應使用者A的多個步態，而這些步態可對應於如同圖1所示的移動軌跡41及42。亦即，每個步態可由足部31（或足部32）在特定承載面211產生的多個壓力中心點連接而成。

之後，處理裝置20可將前述多個特定踩踏情形對應的步態（即，移動軌跡）連接為整合移動軌跡220，並基於整合移動軌跡220辨識使用者A的活動模式。

應了解的是，圖2所示的整合移動軌跡220僅用以舉例，並非用以限制本發明可能的實施方式。在其他實施例中，由於使用者A可能是以足部31及32交替地踩踏於特定承載面211上，因此所形成的整合移動軌跡220可能會呈現以S形前進的態樣，但可不限於此。

在一實施例中，處理裝置20可將整合移動軌跡220與預設活動軌跡比對，其中當整合移動軌跡220匹配於預設活動軌跡時，可判定使用者A的活動模式為正常，反之則判定使用者A的活動模式為異常。

前述預設活動軌跡例如是由上述特定場所的合法使用者A在先前即透過類似於以上教示的方式而輸入於相關活動管理系統的整合移動軌跡，用以作為判斷使用者A的活動模式是否正常的依據。

舉例而言，若上特定場所的合法使用者A的例行性活動模式為依序操作分布於特定場所內的儀器X、Y、Z，則使用者A先前儲存於活動管理系統內的預設活動軌跡將呈現依序經過儀器X、Y、Z的態樣。

在此情況下，若使用者A所形成的整合移動軌跡220匹配於前述預設活動軌跡（即，依序經過儀器X、Y、Z的態樣），則處理裝置20可判斷使用者A的活動模式為正常（因其與使用者A的例行性活動模式一致）。相應地，顯示器22可顯示正常訊息230a，藉以讓相關的管理人員得知使用者A的活動模式為正常。

然而，在其他實施例中，若使用者A所形成的整合移動軌跡220呈現依序經過儀器Z、X、Y的態樣，則處理裝置20可判斷整合移動軌跡220不匹配於前述預設活動軌跡（即，依序經過儀器X、Y、Z的態樣），進而認定使用者A的活動模式為異常（因其與使用者A的例行性活動模式不一致）。相應地，顯示器22可顯示提示訊息230b，藉以讓相關的管理人員得知合法使用者A的活動模式為異常。

此外，如同圖1所示，當使用者A本身即不是上述特定場所的合法使用者時，顯示器22可顯示警告訊息230c，藉以讓相關的管理人員得知使用者A不是合法的使用者。

應了解的是，雖然圖2中係以多個感測裝置10協同偵測使用者的活動模式，但在其他實施例中，亦可採用具有較大承載面的單一感測裝置來實現以上教示的技術手段，而此感測裝置中可藉由設置多個感測器來提升偵測上的精確度，藉以達到更多元化的實施態樣。

請參照圖3，其是依據本發明之一實施例繪示的步態辨識方法流程圖。圖3所示的方法可由圖1的步態辨識系統100實現，以下即搭配圖1的元件來說明本方法的各個步驟。

在步驟S310中，可透過感測裝置10的承載面11承載使用者的足部31；在步驟S320中，透過感測裝置10的感測器12感測足部31施加於承載面11上的步態；在步驟S330中，可透過處理裝置20將踩踏情形轉換為足部31的步態，並基於步態辨識使用者。以上各步驟的細節可參照圖1的相關說明，於此不再贅述。

在其他實施例中，在辨識使用者為合法使用者之後，還可接續透過圖2所示的情境來辨識使用者的活動模式是否正常，並可依據辨識的結果相應地輸出圖2所示的各種訊息。

綜上所述，本發明實施例提出的步態辨識系統及步態辨識方法可偵測使用者的步態並據以認證使用者是否為合法使用者，進而至少可達到以下有利功效：（1）可不受遮蔽影響；（2）不會被照片模仿；（3）不會讓使用者因被監視而引發相關的心理障礙；（4）實現上的成本較為低廉，接受度較高；以及（5）即便在雙手持有物品的情況下亦可輕易地輸入步態，達到較高的便利性。

並且，本發明實施例的步態辨識系統及步態辨識方法還可進一步藉由多個感測裝置所提供的大面積特定承載面來偵測使用者在特定場所中的活動模式，並據以判斷使用者的活動模式是否正常（例如，符合使用者的例行性活動模式），並相應的提供相關的提示訊息以供管理者參考。藉此，可在不需經由攝影裝置監視的情況下達到監控使用者的身份/活動模式的效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200：步態辨識系統 10：感測裝置 11：承載面 12：感測器 20：處理裝置 211：特定承載面 220：整合移動軌跡 22：顯示器 31、32：足部 31a：足尖 31b：足跟 41、42：移動軌跡 41a、41b、41c、41d、41e、41f：壓力中心點 51、52、230a、230b、230c：訊息 S310~S330：步驟

圖1是依據本發明之一實施例繪示的步態辨識系統示意圖。圖2是依據本發明之一實施例繪示的步態辨識系統示意圖。圖3是依據本發明之一實施例繪示的步態辨識方法流程圖。

100：步態辨識系統 10：感測裝置 11：承載面 12：感測器 20：處理裝置 22：顯示器 31、32：足部 31a：足尖 31b：足跟 41、42：移動軌跡 41a、41b、41c、41d、41e、41f：壓力中心點 51、52：訊息

Claims

一種步態辨識系統，包括：一感測裝置，包括：一承載面，其用於承載一使用者的一第一足部；一感測器，其用於感測該第一足部施加於該承載面上的一踩踏情形；一處理裝置，耦接該感測器，將該踩踏情形轉換為該第一足部的一步態，並基於該步態辨識該使用者，其中該步態辨識系統更包括多個該感測裝置，其中各該感測裝置的該感測器耦接於該處理裝置，且各該感測裝置的該承載面協同地形成一特定承載面，其中各該感測裝置的該感測器協同地偵測該使用者的該第一足部及一第二足部連續地施加於該特定承載面上的多個特定踩踏情形；其中各該特定踩踏情形表徵為一移動軌跡，且該處理裝置將各該特定踩踏情形對應的該移動軌跡連接為一整合移動路線，並基於該整合移動路線辨識該使用者的一活動模式；其中該處理裝置將該整合移動路線與該使用者的一預設活動路線比對，其中當該整合移動路線匹配於該預設活動路線時，判定該使用者的該活動模式為正常，反之則判定該使用者的該活動模式為異常，其中該使用者的該預設活動路線為該使用者先前所輸入的另一整合移動路線，用以作為判斷該使用者的該活動模式是否正常的依據。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中在該第一足部踩踏於該承載面的一踩踏過程中，該感測器收集該第一足部連續地施加於該承載面的多個振動，而該些振動表徵為該踩踏情形。
如申請專利範圍第2項所述的系統，其中該處理裝置基於該些振動計算對應於該些振動的多個壓力中心點，並將該些壓力中心點所形成的一移動軌跡表徵為該步態。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該感測器包括加速器、陀螺儀感測器或壓力感測器、慣性感測器。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該處理裝置將該步態與一預設步態比對，其中當該步態匹配於該預設步態時，判定該使用者為一合法使用者，反之則判定該使用者為一非法使用者。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中各該特定步態對應的該移動軌跡為該第一足部或該第二足部在該特定承載面產生的多個壓力中心點連接而成。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該處理裝置整合於該感測裝置中。
一種步態辨識方法，包括：透過一感測裝置的一承載面承載一使用者的一第一足部；透過該感測裝置的一感測器感測該第一足部施加於該承載面上的一踩踏情形；以及透過一處理裝置將該踩踏情形轉換為該第一足部的一步態，並基於該步態辨識該使用者，其中，所述步態辨識方法更包括：透過多個該感測裝置協同地偵測該使用者的該第一足部及一第二足部連續地施加於一特定承載面上的多個特定踩踏情形，其中該特定承載面由各該感測裝置的該承載面協同地形成，各該特定踩踏情形表徵為一移動軌跡；透過該處理裝置將各該特定踩踏情形對應的該移動軌跡連接為一整合移動路線，並基於該整合移動路線辨識該使用者的一活動模式，其中基於該整合移動路線辨識該使用者的該活動模式的步驟包括透過該處理裝置將該整合移動路線與一預設活動路線比對，其中當該整合移動路線匹配於該預設活動路線時，判定該使用者的該活動模式為正常，反之則判定該使用者的該活動模式為異常，其中該使用者的該預設活動路線為該使用者先前所輸入的另一整合移動路線，用以作為判斷該使用者的該活動模式是否正常的依據。
如申請專利範圍第8項所述的方法，其中透過該感測裝置的該感測器感測該第一足部施加於該承載面上的該踩踏情形的步驟包括：在該第一足部踩踏於該承載面的一踩踏過程中，透過該感測器收集該第一足部連續地施加於該承載面的多個振動，該些振動表徵為該踩踏情形。
如申請專利範圍第9項所述的方法，其中透過該處理裝置將該踩踏情形轉換為該第一足部的該步態振動的步驟包括：該處理裝置基於該些振動計算對應於該些振動的多個壓力中心點，並將該些壓力中心點所形成的一移動軌跡表徵為該步態。
如申請專利範圍第8項所述的方法，其中透過該處理裝置基於該步態辨識該使用者的步驟包括：透過該處理裝置將該步態與一預設步態比對，其中當該步態匹配於該預設步態時，判定該使用者為一合法使用者，反之則判定該使用者為一非法使用者。
如申請專利範圍第8項所述的方法，其中各該特定步態對應的該移動軌跡為該第一足部或該第二足部在該特定承載面產生的多個壓力中心點連接而成。