基于关节点提取的老年人跌倒检测算法

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基于机器视觉的老年人跌倒检测与报警系统

基于机器视觉的老年人跌倒检测与报警系统

基于机器视觉的老年人跌倒检测与报警系统随着人口老龄化的加剧,老年人的健康问题日益引起关注。

老年人跌倒是一种常见但危险的情况,可能导致严重的身体伤害甚至生命危险。

为了及时发现老年人的跌倒情况并采取救援措施,基于机器视觉的老年人跌倒检测与报警系统应运而生。

机器视觉技术是一种模仿人眼视觉系统的技术,通过摄像头等设备获取图像或视频,并通过图像处理、模式识别等算法分析图像中的信息。

在老年人跌倒检测与报警系统中,机器视觉技术可以通过分析老年人的姿势、动作等特征来判断是否发生了跌倒事件。

首先,系统需要通过摄像头实时获取老年人的图像或视频。

这些图像或视频可以通过无线网络传输到后台服务器进行处理。

为了保护老年人的隐私,系统设计应该充分考虑到数据的安全性和隐私保护。

其次,系统需要对获取到的图像或视频进行处理。

图像处理算法可以用来提取老年人的姿势、动作等特征。

例如,通过检测老年人的身体倾斜角度、脚步的位置和步态等信息,可以判断老年人是否处于跌倒的状态。

此外,还可以通过检测老年人的心率、呼吸等生理指标,进一步判断老年人是否需要紧急救助。

在跌倒事件发生后,系统需要及时发出报警信号。

报警信号可以通过手机应用程序、短信、电话等方式发送给老年人的家人、护理人员或医疗机构。

同时,系统还可以通过语音提示或闪光灯等方式提醒老年人周围的人员,引起他们的注意并提供帮助。

除了跌倒检测与报警功能,基于机器视觉的老年人跌倒检测与报警系统还可以具备其他辅助功能。

例如,系统可以通过分析老年人的步态和姿势,提供日常生活中的姿势纠正和行为建议。

此外,系统还可以通过人脸识别技术,识别老年人的身份并提供个性化的服务。

然而,基于机器视觉的老年人跌倒检测与报警系统还存在一些挑战和问题。

首先,系统的准确性和稳定性是关键。

由于老年人的姿势和动作可能受到多种因素的影响,如摄像头的位置、光线条件等,系统需要具备较高的鲁棒性,以确保检测结果的准确性。

其次,系统需要满足老年人的个性化需求。

一种基于改进的卷积神经网络人体跌倒检测算法

一种基于改进的卷积神经网络人体跌倒检测算法

I G I T C W技术 分析Technology Analysis92DIGITCW2024.04当今世界,人口老龄化愈演愈烈,独居老人易跌倒造成极高的致残率和死亡率。

因此,对跌倒检测的研究受到全世界范围内的重视,相关学者先后研发并提出一些性价比高的算法和可行的解决方案,主要分为基于传感器和基于视觉影响的方法,但设备易受光线、复杂场景干扰等问题导致检测误报率高、准确性不足、体验性缺乏人性化。

为提高跌倒检测能力并解决上述问题,本文提出了基于改进的卷积神经网络跌倒检测算法。

针对公共跌倒数据集较少,导致模型泛化能力较弱、准确率低问题,使用基于模型的迁移学习方法,先在大规模数据集上学习通用的特征,然后在公开的跌倒数据集上学习跌倒特征,从而增强网络的泛化能力,提高准确率,针对网络全连接层参数量过大,收敛速度慢的问题,设计了使用GAP 层替换全连接层方法,并在隐藏层加入BN 操作,优化网络参数,从而提高识别效果。

1 基于迁移学习改进的VGG-16跌倒识别本文主要针对VGG-16网络中存在的问题进行改进实验,在改进的CNN 上进行迁移学习的实验,本文将VGG-16网络模型在ImageNet 等大规模数据集上进行预训练,将训练好后的参数加载到网络中使其具有一定基础识别能力,再次在UCF101数据集上进行预训练并进行微调网络。

使得网络具有能够识别表征人体运动的特征。

1.1 VGG-16网络结构Simonyan 和Zisserman [1]两人在2014年第一次创造性提出VGG 模型,它是当前使用最广、应用最多、最成熟的网络模型之一。

图1是VGG-16的网络结构图,它由13个卷积层、3个全连接层以及5个池化层相互堆叠而成,卷积层采用的是3×3大小的卷积核提取特征,最后面接入全连接层作为分类,relu 函数作为卷积层一种基于改进的卷积神经网络人体跌倒检测算法柯泓明,王梦鸽,昝 超,彭 冰(汉江师范学院,湖北 十堰 442000)摘要:文章针对高质量公开跌倒数据集较少,导致模型泛化能力较弱、检测准确率低、现有网络全连接层参数量过大收敛速度慢的问题,设计了适用于跌倒检测的迁移学习方法,使用GAP (Global Average-Pooling,GAP)层替换全连接层方法,并在隐藏层加入BN (Batch Normalization,BN)操作,优化网络参数,设置了多组对比实验发现改进的网络模型在不同的数据集上训练时间相比于之前有所提升,均取得了不错的效果,使得神经网络既能够在大规模图像数据集上学习通用的特征又能够在公开跌倒数据集上学习跌倒特征,增强了网络的泛化能力。

计算机论文:基于三维人体姿态估计的老人跌倒检测之计算机研究

计算机论文:基于三维人体姿态估计的老人跌倒检测之计算机研究

计算机论文:基于三维人体姿态估计的老人跌倒检测之计算机研究本文是一篇计算机论文,本文设计了一种基于三维人体姿态估计的跌倒检测方法。

首先我们结合二维姿态估计和图像检索提出了一种新的三维姿态估计方法。

使用Human3.6M、HumanEva 和CMU MoCap 数据集建立了一个大规模的二维姿态图像字典集,其中每个二维姿态都对应一个三维姿态。

通过图像描述子来表示一个二维姿态,这样就将难以解决的三维姿态估计问题转化为二维姿态估计和图像匹配查询问题。

在查询得到的三维姿态上考虑人体结构等约束使用一个三维姿态优化算法以得到更贴合实际的三维姿态。

最后本文改进了一种树状LSTM网络结构进行跌倒检测,采用了一种信息双向传递的方法以三维人体姿态作为输入,分别使用两个相似的LSTM 网络结构从根到叶、从叶到根进行信息传递,结合双向的信息传递更有效的利用了视频信息前后帧之间的时间关系和同帧之间关节点之间的联系,提高了跌倒检测的准确性。

1 绪论1.1 研究背景及意义上世纪末我国已经进入老龄化社会,目前我国已经成为了世界上老年人口最多的国家,预计到2020 年六十岁以上的人口数将达到2.48 亿,老龄化程度达到17.17% [1]。

我国老年人口的不断增长带来了诸多挑战和社会问题,其中最为严峻的就是老年人的日常看护问题。

因为我国医疗资源分布不均且总量有限,而我国又是人口大国,有限的医疗资源无法满足大量老年人的日常看护需求,过去以“医院”为核心的老年人健康看护模式势必无法承担这种压力,所以在老人看护这一问题上需要由传统模式向“医院+家庭”的模式进行转变,即以医院为专业技术和知识保障进行疾病的治疗,以家庭作为日常看护方进行疾病的早期预防和简易治疗。

但是“家庭”作为日常看护方也存在一定问题,由于独生子女的比例大幅上升,现代化、城市化脚步的加快,导致很多老人无人看护。

老人无人看护成了社会上越来越普遍、越来越严重的问题。

越来越多的‘空巢’老人因为子女忙于工作疏于照顾、看护屡屡发生意外,其中又以意外跌倒最为普遍与危险。

基于Kinect体感传感器的老年人跌倒自动检测

基于Kinect体感传感器的老年人跌倒自动检测

quickly and ef i ciently,an automatic fall detection method using depth image of human body based on Kinect sensor
is put forward.Using depth image technology,the foreground depth image of human body is obtained to build the
body is blocked pa ̄ly by obstructions,the fall detection and determination are solved by using the fusion algorithm
of occluded obiects.26 kinds of test scenarios are a ̄anged in indoor environment,the rate of false positives in the system iS 2.0% 6.0% ,and the rate of false negatives in the system iS 0~4.0% .Expermental results indicate that the
报率 为 0~4.0%。该方法可 以较为准确地实现人体跌倒 自动检测 。
关 键 词 :传感器应用 ;跌倒检测 ;深度 图像 ;三维包 围盒 ;体感传感器
中 图分 类 号 :TP212.9
文献标 识 码 :A Fra bibliotek文 章编 号 :1004—1699(2016)03—0378—06
老 年人 跌 倒 发 生 率 高 、后 果 严 重 ,是 对 老 年 健 康 乃 至 生命 的 严 重 威 胁 。独 居 老 年 人 如 能 在 倒 事 件 发 生 后 得 到 及 时 的 医 疗 救 助 ,可 有 效 降 低 死 亡 和长 期 治疗 风 险h 。 因此 ,对 独 居 老人 意 外 跌

基于TSAGSVM_的老人跌倒识别算法

基于TSAGSVM_的老人跌倒识别算法

第38卷第2期2024年3月兰州文理学院学报(自然科学版)J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y ofA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l .38N o .2M a r .2024收稿日期:2023G06G10基金项目:安徽高校自然科学研究项目(K J 2020A 0309)作者简介:董明飞(1993G),男,安徽滁州人,在读硕士,研究方向为智能检测.E Gm a i l :1679836093@q q.c o m.㊀∗通信作者:张梅(1979G),女,安徽宿州人,副教授,研究方向为物联网应用㊁智能检测与故障诊断.E Gm a i l :149660072@q q.c o m.㊀㊀文章编号:2095G6991(2024)02G0034G06基于T S A GS VM 的老人跌倒识别算法董明飞,张㊀梅∗(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南232001)摘要:针对老人跌倒检测易受环境影响以及检测不够精确易出现误判的问题,提出了一种基于人体动作传感器的老人跌倒识别检测算法,采用被囊群算法(T S A )优化支持向量机(S VM )模型进行跌倒识别.针对人体动作传感器采集的数据,首先进行特征提取㊁降维等预处理,然后将预处理后的数据输入S VM 模型进行训练,同时利用T S A 算法寻找S VM 最优参数,得到最优的跌倒识别模型,利用该模型即可进行跌倒识别.实验结果表明,本文所提算法的跌倒识别检测正确率可达96%以上,具有一定的优越性.关键词:人体动作传感器;跌倒识别;S VM 模型;T S A 算法中图分类号:T P 181㊀㊀㊀文献标志码:AE l d e r l yF a l lR e c o g n i t i o nA l go r i t h mB a s e do nT S A GS V M D O N G M i n g Gfe i ,Z HA N G M e i ∗(S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n d I nf o r m a t i o nE ng i n e e r i n g,A n h u iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,H u a i n a n232001,A n h u i ,C h i n a )A b s t r a c t :F o r t h e e l d e r l y f a l l d e t e c t i o n i s e a s y t o b e a f f e c t e db yt h e e n v i r o n m e n t a n d t h e d e t e c Gt i o n i sn o t a c c u r a t ee n o u g ht oc a u s em i s j u d g m e n t ,i nt h i s p a p e r ,an e w m e t h o do fd e t e c t i n ga n d i d e n t i f y i n g e l d e r l y f a l l sb a s e do nh u m a n m o t i o ns e n s o r i s p r o p o s e d .T h ea l go r i t h m u s e s t h eT u n i c a t eS w a r m A l g o r i t h m (T S A )S u p p o r tV e c t o rM a c h i n e (S VM )m o d e l f o r f a l l r e c o g Gn i t i o n .F o rh u m a na c t i o ns e n s o rd a t a ,f i r s t l y,f e a t u r ee x t r a c t i o n ,d i m e n s i o nr e d u c t i o na n d o t h e r p r e p r o c e s s i n g a r ec a r r i e do u t ,a n dt h e nt h e p r e p r o c e s s i n g d a t a i s i n p u t i n t ot h eS VM m o d e l f o r t r a i n i n g .A t t h e s a m e t i m e ,T S Aa l g o r i t h mi su s e d t o f i n d t h eo pt i m a l p a r a m e t e r s o f S VMt oo b t a i n t h e o p t i m a l f a l l r e c o g n i t i o n m o d e l ,w h i c hc a nb eu s e d f o r f a l l r e c o g n i t i o n .T h e p r o p o s e da l g o r i t h m sa c c u r a c y s u r p a s s e sc a n96%,ar e m a r k a b l es u p e r i o r i t y,a se v i Gd e n c e db y t h e e x pe r i m e n t a l r e s u l t s .K e y wo r d s :h u m a nm o t i o n s e n s o r ;f a l l r e c o g n i t i o n ;S VM m o d e l ;T S Aa l g o r i t h m 0㊀引言随着社会老龄化问题的日益加深,独居老人的安全问题日趋严重.当老人发生跌倒等意外事件而没有得到及时的救治时,有可能会给老人带来难以挽回的伤害,甚至直接导致死亡.因此,提高对老人的跌倒检测准确率就显得极为重要[1].目前的老人跌倒检测主要分为三大类:①基于视频图像的跌倒检测,根据视频序列中人体姿态㊁人体骨架序列等信息动态检测人体行为[2G3];②基于穿戴式传感器的跌倒检测,通过穿戴在人体身上的传感设备采集人体姿态信息,再根据人工智能算法进行跌倒检测[4G5];③使用视频检测技术来检测老人跌倒,虽然有很高的准确率,但其对环境的要求很高,实验成本昂贵,在推广过程中会受到限制.与传统的视频检测方式相比,可穿戴式跌倒检测技术的设计和制作更加简单㊁成本更加低廉,这使得它在用户中间得到了普遍的认可,并且受到了大力推广.因此,本文对基于可穿戴传感器的老人跌倒检测算法展开研究.跌倒检测即判断人体是否处于跌倒状态,实质上是数据分类问题.S VM (S u p po r tV e c t o rM a Gc h i n e ,S VM )作为一种传统的分类算法,其中的惩罚参量c 和核函数参数g 对模型的精度有重大的影响,但仅仅依靠自身的优化算法,采用手动调节效率太低,因此,需要利用优化算法进行参数寻优.S a t n a m K a u r [6]在2020年提出了一种全新的生物启发式优化算法即被囊群优化算法(T u n i Gc a t eS w a r m A l g o r i t h m ,T S A ),它将喷气推进行为与群体觅食行为相结合,来模拟海洋中被囊动物群体觅食行为,从而使算法变得极易操作,可以快速找到最佳结果,并且不需要考虑任何复杂因素,通过T S A 使分类达到更高精度,大大改善了传统S VM 算法的性能.因此,T S A 已经广泛应用于各种复杂的计算机辅助设计和研究,获得了显著的效果.1㊀算法描述1.1㊀SVM 算法S VM 算法的核心是寻找分类效果最好的分界平面,该平面在确保分类效果的同时,间隔距离也要最优[7].对于线性可分的情况,以二分类为例,设数据样本为(x i ,y i ):x i ɪR ,yi ɪ(-1,1),i =1,2,3, ,n ;设超平面为:w T∗x +b =0,(1)式中:w 为垂直向量;b 为原点到超平面的距离;x 为数据集中的特征集.要获得最好的分类效果,设置超平面的限制条件为:d =y w T ∗x +b ()ȡ1,(2)式中:d 为支持向量到超平面的距离;x 为数据集中的特征集;y 为数据集中的标签集.要使得要求距离d 最大,则:∅m i n =12∗ w 2,(3)式中: w 表示法向量w 的二阶范数.求解线性可分S VM 步骤如下:S t e p1.构建拉格朗日函数为了获得约束条件下最优化平面,需构建拉格朗日函数,令:φw ,b ,r ()= w 22-ðni =1r i yi w x i +b ()-1[],(4)式中:r i ȡ0,i =1,2, ,n ;x i ɪR ,i =1,2,3, ,n .S t e p2.利用强对偶性转化根据式(3)和式(4),引入数学K K T 公式,令w 和b 的偏导为0,得到:m i n w ,bηw ,b ,r ()=ðnj =1r j -12ðni =1ðnj =1r ir j y i y j x i x j ,(5)式中:r i ȡ0,i =1,2, ,n ;r j ȡ0,j =1,2, ,n .S t e p3.求最优解r ∗=r ∗1,r ∗2, ,r ∗n ()T,(6)式中:r ∗表示求得的最优向量解.S t e p4.求参数w 和b w =ðmi =1r i yi x i ,(7)b =y s -w ys ,(8)式中:r i ȡ0,x i 为样本特征集;yi 为样本标签集.S t e p5.构造出最大超平面w T ∗x +b =0,(9)f x ()=si g n w ∗x +b (),(10)式中:由w 和b 构成最优分类平面,该平面能实现样本集的最优分类;s i g n 为符号函数,用于构成样本集的决策函数,实现样本集的分类预测.1.2㊀TSA 算法T u n i c a t e 是一种独特的生物,它们可以通过流体喷射的方式在海洋中自由移动,并且可以从海洋中发现食物来源.然而,在给定的搜索空间中,被膜动物通过喷气推进和群体智能两种行为来寻求食物来源.为了更好地理解喷气推进行为,被膜动物需要满足3个基本要求,即避免种群间的矛盾㊁朝着最优的搜索目标移动和保持与目标的距离.随着时间的推移,群体将不断调整其位置,以满足每个个体的需求,T S A 算法步骤如下53第2期董明飞等:基于T S A GS VM 的老人跌倒识别算法所述.(1)避免搜索位置冲突.为了有效地消除搜索过程中可能存在的位置冲突,我们将向量A ң用于表示新的个体搜索位置,计算公式为:A ң=G ңMң,(11)G ң=c 2+c 3-F ң,(12)F ң=2 c 1,(13)式中:G ң代表重力;F ң代表深海中的水流平流;变量c 1,c 2,c 3表示[0,1]上的随机数.M ң表示个体之间的互相作用力,具体的计算公式为:M ң=P m i n +c 1 P m a x -P m i n ()[],(14)式中:P m i n ,P m a x 分别代表两个个体之间的交互的起点速度和终点速度,通常将它们的值定义为1和4.(2)向最优邻居方向移动.为了避免领域之间的矛盾,我们应该寻找最优的邻居,其计算公式为:P D ң=F S ң-r a n dP p ңx (),(15)式中:P D ң代表食物源和搜索目标之间的距离;F S ң代表食物源的位置;x 代表当前迭代的次数;P p ң(x )代表被捕获的目标位置;r a n d 代表[0,1]之间的随机数.(3)向最优位置靠拢.搜索个体可以保持其朝向最优搜索个体(即食物源)的位置,计算公式为:P p ңx ᶄ()=F S ң+A ңP D ң,r a n d ȡ0.5,F S ң-A ң P D ң,r a n d <0.5.{(16)式中:P p ң(x ᶄ)表示更新后的位置.(4)群体行为.通过数学模拟,我们可以确定被囊动物的群体行为,其中包括两个最佳解,一个是最优搜索,另一个是根据最优搜索结果更新其他搜索个体的位置.被囊动物的群体行为[8]计算公式为:P p ңx +1()=P p ңx ()+P p ңx +1()2+c 1.(17)T S A 算法的基本流程如下[9]:(1)初始化种群P ;(2)初始化种群参数和边界条件;(3)计算每个个体的适应度值;(4)搜索最佳个体的位置;(5)通过观察群体的行为来调整每个成员的位置;(6)重新定位超出预设搜索范围的个体位置;(7)评估群体中每个个体的适应能力,如果表现出良好的改进效果,则进行更新;(8)如果不符合停止条件,则停止算法,并重复执行(5)~(8),若符合条件,则继续执行,直至达到预期的结果;(9)返回最优值.2㊀基于TSA GSVM 的老人跌倒检测算法㊀㊀为了提高老人跌倒的检测准确率,本文提出一种基于T S A GSVM 的老人跌倒检测算法,其算法原理如图1所示.图1㊀T S A GS V M 的老人跌倒检测算法原理㊀㊀根据图1可以看出,在跌倒检测方面,S VM算法的优势在于它的惩罚因子c 以及核函数参数g ,这些都有助于提升算法的准确率.此外,还可以使用被囊群优化算法(T S A )来优化S VM 算法,以获取更优的结果.其中,以训练集为训练对象,验证集的准确率为寻优算法的适应度值,测试集为寻优后的最优参数所得最优模型的诊断对象.基于T S A GS VM 的老人跌倒检测过程如下:(1)读取人体动作信号数据样本;(2)建立特征工程,包括特征提取和数据降维;(3)参数寻优,利用T S A 对S VM 参数寻优;(4)跌倒检测,训练老人跌倒检测模型,并进行测试;(5)输出检测结果.63㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第38卷3㊀实验结果及分析3.1㊀数据预处理本文实验数据来源于U C I 机器学习存储库中的跌倒数据集,数据集通过人体动作传感器采集角速度㊁加速度等人体动作数据.该公开数据集由17名志愿者完成20组跌倒动作和16组日常活动动作,且每组动作重复5次,共收集3060组数据.该数据为数列时域信号,数据量大,无法直接进行模型训练,这里首先进行数据预处理,数据预处理过程包括特征提取和数据降维.3.1.1㊀特征提取针对人体的动作信号,我们通常采用的特征提取方法为时域分析法,这种方法是直接从时域数据中提取特征向量,提取速度快,在嵌入式设备中得到了广泛应用[10].在跌倒检测中主要采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器来采集跌倒信号,所以每个采样点可以采集到6种时域变量,可表示为:X =a x ,a y ,a z ,w x ,w y ,w z (),(18)式中:a x ,a y ,a z 代表物体受到力的作用,其加速度沿着X ,Y ,Z3条轨道运动;w x ,w y ,w z 分别表示其角速度分量在w 的3个轴上的运动.S MV =a 2x +a 2y +a2z 为合成加速度,S V =w 2x +w 2y +w 2z 为合成角速度.文中研究了5种不同的活动方式,包括1种平衡运动和4种摔倒,观察它们的合力和夹角的变化情况,具体情况如图2~6所示.由图2~6可见,与正常行走相比,当跌倒动作发生时,合加速度与合角速度的特征变化非常明显.由于传感器采集到的信号属于高维信号数图2㊀向前走的合加速度合角速度曲线图3㊀向前倒的合加速度合角速度曲线图4㊀向后倒的合加速度合角速度曲线图5㊀向右倒的合加速度合角速度曲线据,需要对数据进行特征量提取来实现降维处理,从而方便在模型中进行训练.时域特征统计量是一种重要的数据来源,它包括均值(A v g)㊁标准差(S t d )㊁最大值(M a x )㊁最小值(M i n )等,如图2中的向前走合加速度合角速度的12种特征值,具体情况如表1所列,从而更好地掌握数据的变化趋势.3.1.2㊀特征向量的降维通过分析12种特征统计量,并结合10种变73第2期董明飞等:基于T S A GS VM 的老人跌倒识别算法量,最终获得了120种特征,组成了初始跌倒特征向量集,由于时域分析法生成的特征向量种类太多,可能导致模型的维度受损,影响跌倒检测分类算法的性能,因此,还需要采用更有成效的方法来降低特征向量的维度.图6㊀向左倒的合加速度合角速度曲线表1㊀图2中参数对应的特征值特征值符号S MVS V最大值M a x 14.19110.9580最小值M i n7.71740.0028均值A v g 9.88800.1821峰峰值P k 6.47380.9553方差V a r 0.87670.0447标准差S t d0.93630.2113峭度K u r 7.54833.3124偏度S k 1.47421.1520波形因子S 1.00451.5310峰值因子C 0.65183.4260脉冲因子I 0.65475.2454裕度因子L0.65617.7409㊀㊀本文采用多维尺寸转换法(M u l t iD i m e n Gs i o n a l S c a l i n g ,M D S )对数据进行有效的降维,并将其转换为更加清晰的三维结构,具体如图7所示.由图7可见,在三维空间里,日常活动和跌倒具有较为明确的界限,有利于模型的训练和检测.3.2㊀跌倒识别结果及分析将预处理后的特征集进行模型训练测试,在实验数据中取525组数据用于模型的训练测试.按7:3的比例对模型进行训练和测试,这里分别利用S V M 模型及其优化模型R S O GS V M ㊁T S A GS V M 进行跌倒识别检测,实验结果如图8~10所示.图7㊀降维后的聚类效果由图8~10可知,T S A GS VM 模型对跌倒的判断具有更高的精确度.图8㊀S V M跌倒识别结果图9㊀T S A GS V M 跌倒识别结果(下转第44页)2022,44(5):76G83.[7]WA N GC Y,B O C H K O V S K I Y A,L I A O H Y M,e t a l.Y O L O v7:t r a i n a b l e b a gGo fGf r e e b i e s s e t s n e ws t a t eGo fGt h eGa r t f o r r e a l t i m eo b j e c td e t e c t o r s[C]//P r o c e e dGi n g so f t h e I E E E/C V FC o n f e r e n c eo nC o m p u t e rV iGs i o na n d P a t t e r n R e c o g n i t i o n.H a w a i i:I E E E,2023:7464G7475.[8]HUJ,S H E NL,A L B A N I ES,e t a l.S q u e e z eGa n dGe x c iGt a t i o n N e t w o r k s[J].I E E E T r a n s a c t i o n so n P a t t e r n A n a l y s i s a n d M a c h i n e I n t e l l i g e n c e,2020,42(8):2011G2023.[9]S A N G H Y U N W,J O N G C HA N P,J O O NGY O U N G L,e t a l.C B AM:c o n v o l u t i o n a l b l o c ka t t e n t i o n m o d u l e [C]//E u r o p e a nC o n f e r e n c e o nC o m p u t e rV i s i o n,M uGn i c h:S p r i n g e r,2018:3G19.[10]史瑞鹏,钱屹,蒋丹妮.一种基于卷积神经网络的疲劳驾驶检测方法[J].计算机应用研究,2020,37(11):3481G3486.[责任编辑:李㊀岚](上接第38页)图10㊀R S OGS V M跌倒识别结果4㊀结语本文提出基于人体动作传感器的老人跌倒识别算法,将T S A与S VM模型相结合,充分发挥了T S A算法的寻优优势,提高了算法的整体识别性能,具有较高的精确度,在生产成本㊁实用性等方面具有一定的优越性.参考文献:[1]MA N E MA N N S M,C HAM B E R L A I N A M,B O Y D C M,e ta l.F a l lr i s ka n do u t c o m e sa m o n gp a t i e n t s h o s p i t a l i z e d w i t hc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei nt h ec o mGm u n i t y[J].C i r c u l a t i o n:C a r d i o v a s c u l a r q u a l i t y a n d o u t c o m e s,2018,11(8):387G396.[2]B E D D I A RDR,O U S S A L A H M,N I N IB.F a l l d e t e cGt i o nu s i n g b o d yg e o m e t r y a n dh u m a n p o s e e s t i m a t i o n i nv i d e o s e q u e n c e s[J].J o u r n a l o fV i s u a l c o mm u n i c aGt i o na n d i m a g e r e p r e s e n t a t i o n,2022,82:1102G1113.[3]MA I W E I J I A N.Af a l l d e t e c t i o na l e r t s y s t e m b a s e d o n l i g h t w e i g h to p e n p o s ea n ds p a t i a lGt e m p o r a l g r a p h c o n v o l u t i o nn e t w o r k[J].J o u r n a lo f p h y s i c s:c o n f e rGe n c e s e r i e s,2021,35(1):534G542.[4]AMA T O F,B A L Z A N O W,C O Z Z O L I N O G.D e s i g n o f a w e a r a b l eh e a l t h c a r ee m e r g e n c y d e t e c t i o nd e v i c e f o r e l d e r p e r s o n s[J].A p p l i e ds c i e n c e s,2022,12(5):68G86.[5]WA R R I N G T O N DJ,S HO R T I SEJ,WH I T T A K E R PJ.A r ew e a r a b l e d e v i c e s e f f e c t i v e f o r p r e v e n t i n g a n d d e t e c t i n g f a l l s:a nu m b r e l l ar e v i e w(ar e v i e wo f s y sGt e m a t i c r e v i e w s)[J].B M C p u b l i c H e a l t h,2021,21(1):769G781.[6]屈迟文,彭小宁.信息共享的记忆被囊群算法[J].模式识别与人工智能,2021,34(7):606G618.[7]黄英双,曹辉.改进人工蜂群算法优化支持向量机及应用[J].计算机应用与软件,2021,38(2):259G263.[8]崔东文,杨琼波.基于T S AGD R N N模型的年径流预测研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2021,42(6):35G41.[9]梁建明,何庆.莱维飞行和反馈策略的自适应被囊群算法[J].小型微型计算机系统,2023,44(1):68G74.[10]李雷,张帆,施化吉,等.穿戴式跌倒检测中特征向量的提取和降维研究[J].计算机应用研究,2019,36(1):103G105.[责任编辑:李㊀岚]。

一种基于统计学判别分析的老人摔倒检测算法的研究

一种基于统计学判别分析的老人摔倒检测算法的研究

c a t i o s n , C h o n g q i n g 4 0 0 0 6 5 , C h i n a ; 2 . C h o n g q i n g J i n o u S c i e n c e &T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t C o . , L t d ・ , C h o n g q i n g 4 0 o o 4 1 , C h i n a )
第3 1卷 第 1期
2 0 1 4年 1月
计 算 机 应 用 研 究
Ao o l i c a t i o n Re s e a r c h o f Co mp u t e r s
Vo l _ 3 1 N o . 1
J a n . 2 0 1 4

种 基 于 统 计 学 判 别 分 析 的 老 人摔 倒 检 测 算 法 的研 究 术
Ol d ma n f a 1 1 d e t e c t i o n a l g o r i t h m r e s e a r c h b a s e d o n

d i s c r i mi n a n t a n a l y s i s o f s t a t i s t i c a l
Ab s t r a C t :I n v i e w o f t h e s h o r t c o mi n g o f t h e o l d ma n f a l l d e t e c t i o n b a s e d o n t h r e s h o l d a l g o i r t h m a n d d e t e c t i o n me t h o d b a s e d

基于Kinect传感器的老人摔倒检测

基于Kinect传感器的老人摔倒检测

基于Kinect传感器的老人摔倒检测作者:鄢然来源:《电子技术与软件工程》2017年第22期当今社会的独居老人越来越多,独居老人的监护已经成为一个社会问题。

为使独居老人在家发生摔倒时能被及时发现并告知其子女,设计和实现了不受可见光影响、保护老人隐私的基于Kinect传感器的老人摔倒检测系统。

使用Kinect传感器获取深度图像和老人的骨骼点信息,通过计算胯骨中心高度以及脊柱中心点的运动速度对老人的动作进行判断。

当检测到可能发生摔倒时,对老人进行语音询问,若得到确认立即给老人子女发送电子邮件进行通知。

实验结果显示,该系统能够准确检测到老人摔倒的发生并发送电子邮件,同时,老人也可根据语音提示做出相应动作将摔倒警报解除,减小系统误差。

【关键词】Kinect 摔倒检测1 引言随着老龄化社会的到来,“空巢老人”的比例不断提高。

当空巢老人发生跌倒时,常因无法快速发送求救信号,导致救助不及时从而造成严重后果。

因此,针对老人的家庭摔倒检测系统的研究与设计具有重要意义。

目前,针对老年人摔倒的检测系统设计主要包括三种方法:(1)通过可穿戴设备对老人的姿态进行监测,进而进行摔倒动作的判断。

这种方法使用的传感器包括速度传感器、陀螺仪传感器等,设计复杂,成本较高,长期穿戴会使设备有一定损耗,并给老人生活造成不便。

(2)环境式摔倒检测方法,在老人活动区域中的不同位置放置传感器,通过监测目标运动时发出的声音以及接触地面时发出的震动对摔倒动作进行检测,环境噪声的干扰将对实验结果造成较大影响。

(3)基于视觉传感器的摔倒检测系统,原理是在检测目标的活动区域内安装图像采集设备,通过对老人动作特征的提取进行摔倒动作的判断。

这种方法可降低环境噪声的干扰,但是老人的生活隐私将被暴露,影响其正常生活。

本文提出的摔倒检测算法利用Kinect传感器采集老人活动的信息和老人的关节点并将采集到的彩色图像转换为深度图像,实现了一种摔倒动作识别系统。

系统可获取老人运动时重心的高度和运动的速度,通过阈值判断老人是否摔倒。

基于SVM_KNN的老人跌倒检测算法

基于SVM_KNN的老人跌倒检测算法

2017年第12期计算机与现代化JISUANJI Y U X IA N D A IH U A总第268期文章编号:1006 -2475 (2017)12 -0049-07基于SVM_KNN的老人跌倒检测算法张舒雅,吴科艳,黄炎子,刘守印(华中师范大学物理科学与技术学院,湖北武汉430079)摘要:跌倒是老年人伤害和死亡的主要诱因之一,我国每年约有4000万65岁以上的老人意外跌倒。

本文基于智能手机的加速度、气压计等传感器提出一种人体跌倒检测算法。

该算法首先采用支持向量机(SV M)对训练集进行训练,得到一个弱二分类器(包含最优超平面和支持向量集),然后计算待测样本到最优超平面的距离。

若该距离大于设定的间隔,直接采用S V M分类;否则,利用支持向量集作为有标签的训练集进行K近邻分类(K N N)。

考虑到特征值的多维性,本文引 入标准化欧氏距离替代传统的欧氏距离。

仿真与实验结果显示,与传统的支持向量机算法相比,该算法能有效提高跌倒检测的准确率,且不受智能手机放置位置的限制。

关键词:跌倒检测;S V M;K N N;SVM—K N N;MatlaY中图分类号:TP18文献标识码:A d o i:10.3969/j.i s s n.1006-2475.2017. 12.010Fall Detection Algorithm Based on SVM_KNNZ H A N G S h u-y a,W U K e-y a n,H U A N G Y a n-z i,L IU S h o u-y in(College of Physical Science and Technology,Central China Normal University,Wuhan 4300A b s tra c t$Falling is one of the main causes of casualties in the elderly,every year aboutaccidentally. To improve the accuracy in human fall detection,a fall detection algoritlim based on acceler ter in a smart phone is proposed,the algoritlim is an improved support vector machine (SVM the training set to obtain a weak 2-classifier (including the optimal hyperplane and distancc from the sample to the optimal hyperplane. I the distance is greater than the givenclassified with SVM. Otherwise,the K-nearest-neighbor classifier (KNN)method will be used. In addition,in the KNNmethod,the distancc between the eigenvectors is calculated using the standard Euclidean distance. Simulwith the non-optimized support vector machine algorithm,this algorithm can effectively improve the fall detection accuracy and smartphones can be placed casually.K e y w o rd s:fall detection;SV M;KNN;SVM_KNN;Matlab<引言随着社会的发展,生活水平和医疗技术不断提 高,人类的平均寿命逐渐延长,许多国家相继出现了 人口老龄化的趋势。

基于机器视觉的老年人摔倒检测系统

基于机器视觉的老年人摔倒检测系统

本实验通过脖子特征点下移量来判断老年人是 否存在摔倒的风险,并通过多组摔倒图像对摔倒检测 系统的可靠性进行测试。随机抽取实验中的 16 组摔 倒图像,如图 8 所示,实验结果如表 1 和表 2 所示。 检测结果表明,本文提出的摔倒检测系统可有效识别 是否摔倒,且具有一定的鲁棒性。
0-鼻子 1-脖子 2-右肩 3-右肘 4-右手掌 5-左肩 6-左肘 7-左手掌 8-右腰 9-右膝 10-右脚 11-左腰 12-左膝 13-左脚
14-右眼 15-左眼 16-右耳 17-左耳
图 5 人体关节特征点示意图
图 6 人体姿态识别示意图
本系统选取脖子特征点作为摔倒检测的参考点。 识别脖子特征点的坐标,并对比前后关键帧中脖子特 征点坐标的变化量。如果该变化量超过系统设置的阈 值 800 mm,则判断存在摔倒的可能,进入语义约束 程序。如式(4)所示,脖子特征点高度下移量△h 为连 续 N 帧图像相比初始帧图像特征点高度差的平均值。
基于机器视觉的老年人摔倒检测系统2019年第40卷第5期自动化与信息工程41表1摔倒实验1图像序号12345678下移量mm9259329279301708931931927是否摔倒是是是是是是是是表2摔倒实验2图像序号910111213141516下移量mm93110021005101016891712948951是否摔倒是是是是是是是是4结语本文研究了基于机器视觉的老年人摔倒检测系统通过摄像头检测场景中老人摔倒的可能性并结合场景语义信息对摔倒检测程序进行语义约束
H
arccos
1 2
R
G
R G2 R
R G
B G
B
(1)
S 1 3min R,G, B
RGB
(2)

基于Lasso-LGB的老人跌倒检测算法研究

基于Lasso-LGB的老人跌倒检测算法研究

中国计量大学学报Journal of China University of Metrology Vol32No1 Mar92021第32卷第1期2021年3月【文章编号】2096-2835(2021)01-0067-07DOI:10.3969/j.issn.20962835.2021.01.010基于Lasso-LGB的老人跌倒检测算法研究段美玲,潘巨龙(中国计量大学信息工程学院,浙江杭州310018)【摘要】目的:为了提高跌倒分类任务的精度,同时保证跌倒检测的实时性(方法:提出了一种融合Lasso 回归和轻量级梯度提升机(Lightweight Gradient Soosting Machine,LightGSM)的跌倒检测算法Lasso-LGS。

该方法首先利用Lasso回归算法选取跌倒数据特征向量中的主要特征;然后用LightGSM算法来检测判别人体的跌倒行为或日常生活行为(结果:通过两个公开的跌倒数据集进行算法验证,表明Lasso-LGS跌倒算法能更准确地检测跌倒行为,使跌倒检测的误报率和漏报率大大降低(结论:提出的Lasso-LGS算法实现了高精度的跌倒行为检测以及准实时的运行时间需求(【关键词】跌倒检测;Lasso回归;机器学习;时域特征;轻量级梯度提升机【中图分类号】TP181【文献标志码】AResearch on elderly fall detection algorithms based on Lasso-LGBDUAN Melng'PANJulong(Co l egeofInformat/onEng/neer/ng'Ch/naJlang Un/vers/ty'Hangzhou310018'Ch/na)[Abstract]Aims:This paper aims to improve the accuracy of fall classification and ensure the real-time performance of fall detection.Methods:A fall detection algorithm(Lasso-LGS)combining Lasso regression and the Lightweight G(adient Soosting Machine(LightGSM)wasp(sso(eg(ession wasusedto select the main features in the feature vectors of fall data.The LightGSM algorithm was used to judge whether 4he human behavior was fa l behavior or daily living ac ivi4y.Results%The algori hm was verified4hrough4wo public fall datasets.The results showed that the Lasso-LGS algorithm could detect fall behavior accurately;and the,alse alarm rate and missing alarm rate were reduced.Conclusions%The proposed,a l detection algorithmachievestherequirementso,high-precisiondetectiono,,a l behaviorandreal-timedetection.[Keywords]fall detection;Lasso regression;machine learning;time-domain features;lightweight gradient boosting machine【收稿日期】2021-01-18《中国计量大学学报》网址:【基金项目】浙江省基础公益研究计划项目(No.LGF21F020017)【通信作者】潘巨龙(1965-),男,教授,博士,主要研究方向为无线传感器网络、移动计算、嵌入式系统、机器学习(E-mail:pjl@68中国计量大学学报第32卷据世界卫生组织报道,近几十年来,全球60岁以上的人口增长迅速,预计到2050年将达到21亿*12],占世界人口的22%老龄化成为全球范围内的主要挑战,跌倒是威胁老年人健康的最危险意外事故之一4,跌倒会导致老年人非致命损伤和致命性伤害。

基于Android的老年人跌倒检测系统研究

基于Android的老年人跌倒检测系统研究

基于Android的老年人跌倒检测系统研究随着老龄化程度的加剧,老年人的健康状况越来越受到关注,其中跌倒已成为老年健康的突出问题。

跌倒后会严重影响老年人的身体和心理健康,甚至导致致命的后果。

因此,如何提高老年人跌倒检测与预防的能力已成为社会关注的热点和难点问题。

本文结合Android技术,设计一种基于Android的老年人跌倒检测系统,旨在实现对老年人跌倒行为的自动检测及预警,提前发现并及时处理,有效预防老年人跌倒。

一、跌倒后果的严重性跌倒是指身体因失去平衡而倒下,是老年人常见的意外伤害之一。

老年人跌倒引发的后果包括:骨折、头部受伤、内外出血、因长时间动弹不得而导致的压疮等,严重的可能导致残疾甚至死亡。

据悉,年龄在65岁以上的老年人,每年有三分之一的人被诊断为跌倒事件。

二、老年人跌倒原因分析导致老年人发生跌倒的原因多种多样,主要包括以下几个方面:1.生理原因:随着年龄的增长,老年人的身体机能逐渐衰退、反应能力下降,视力、听力、平衡、骨骼、肌肉、关节等都会发生变化,从而导致跌倒。

2.外部环境原因:例如路面的不平整、地面的湿滑、光线的不足等,家里的家具布局、地面高低差等也会成为老年人跌倒的障碍。

3.药物或病症的影响:有些疾病、药物会引起头晕、视觉模糊、低血压等症状,增加了跌倒的风险。

4.行为原因:例如老年人走路姿势不正确、过于匆忙、穿着不合适等等,也会引起跌倒。

三、老年人跌倒检测系统实现原理1.硬件设备通过Android智能手机实现跌倒检测。

该系统需要安装在用户的智能手机上,手机的三轴加速度传感器、陀螺仪等传感器将检测到老年人的跌倒行为。

2.数据采集和处理传感器采集到的数据经过预处理后,输出给跌倒检测系统。

传感器信息分析的过程由算法完成。

当老年人发生跌倒时,智能手机会发出警报并展示跌倒时间、位置等附加信息。

4.系统设计和实现基于Android平台和Java语言进行设计和实现。

其中,数据库系统使用SQLite,该系统可对用户的健康数据进行存储和管理。

基于计算机视觉的独居老人摔倒检测方法研究

基于计算机视觉的独居老人摔倒检测方法研究

基于计算机视觉的独居老人摔倒检测方法研究基于计算机视觉的独居老人摔倒检测方法研究摘要:随着我国老龄化进程的加快,越来越多的老年人选择独居,而独居老人摔倒成为一种常见的安全隐患。

针对这一问题,本文研究了基于计算机视觉的独居老人摔倒检测方法,通过对老人行为特征的提取和动作分析,为摔倒检测提供一种新的解决方案。

一、引言伴随着老龄化社会的到来,我国独居老人数量逐渐增加,而独居老人摔倒作为安全隐患成为关注的重点。

传统的摔倒报警装置主要依靠佩戴在老人身上的传感器或手动按钮,存在使用不便、误报率高等问题。

基于计算机视觉的独居老人摔倒检测方法可以通过分析老人行为特征和动作变化,实现自动的摔倒检测和即时的报警,为独居老人提供更有效的安全保障。

二、基于计算机视觉的独居老人摔倒检测方法1. 视频采集对于基于计算机视觉的摔倒检测方法,首先需要在独居老人的居住环境中安装摄像头进行视频采集。

采集到的视频将作为后续分析的数据源。

2. 前景提取通过对视频中的像素进行处理和分析,可以得到前景物体的像素分类结果,即前景提取。

这一步骤旨在过滤掉背景信息,使后续的动作分析更加准确。

3. 行为特征提取通过分析前景物体的运动轨迹、形状变化以及其他特征,可以提取出老人的行为特征。

对于摔倒检测而言,主要关注老人的姿态、身体倾斜度等特征。

4. 动作分类和分析基于行为特征提取的结果,可以建立相应的动作分类模型,将动作进行分类和分析。

通过对动作的时域和空间域特征进行综合分析,可以判断是否发生了摔倒事件。

5. 摔倒检测和报警一旦判断出发生了摔倒事件,可以通过连接互联网和智能手机等设备,实时向相关人员发送报警信息,提供帮助。

三、实验与结果我们在实际的独居老人居住环境中进行了一系列实验,以验证基于计算机视觉的摔倒检测方法的有效性。

通过大量的数据采集和分析,我们取得了以下主要结果:1. 行为特征提取准确性:通过对老人行为特征的提取,我们能够准确地获得姿态、倾斜度等关键信息,为后续的动作分类和分析提供了可靠的数据基础。

基于人体行为模型的跌倒行为检测方法

基于人体行为模型的跌倒行为检测方法

基于人体行为模型的跌倒行为检测方法1. 引言跌倒是老年人及其他易受伤者面临的常见危险。

及时发现和处理跌倒事件对于预防伤害和提供紧急救援至关重要。

基于人体行为模型的跌倒行为检测方法可以通过分析人体动作和姿势,实时监测个体是否发生了跌倒事件。

本文将介绍一种基于人体行为模型的跌倒行为检测方法,包括数据采集、特征提取、模型训练和实时检测等方面。

2. 数据采集在进行跌倒行为检测之前,首先需要收集足够数量的训练数据。

数据采集可以通过佩戴传感器设备来实现,例如加速度计、陀螺仪等。

在采集数据时,需要考虑以下几个方面: - 采样频率:应根据具体需求选择合适的采样频率,以保证数据的准确性。

- 数据标注:对于每个采样点,需要标注其对应的动作类别(例如站立、行走、下楼梯等)以及是否发生了跌倒事件。

- 数据多样性:应尽可能采集具有多样性的数据,包括不同年龄、性别、体型的个体,以提高模型的泛化能力。

3. 特征提取在跌倒行为检测中,特征提取是一个关键步骤。

通过从原始传感器数据中提取有意义的特征,可以更好地描述人体的动作和姿势。

常用的特征提取方法包括: - 时域特征:例如均值、标准差、最大值、最小值等。

- 频域特征:例如傅里叶变换后的频谱能量等。

- 统计特征:例如相关系数、自相关函数等。

在进行特征提取时,需要注意以下几点: - 特征选择:应根据实际需求选择合适的特征子集,以降低计算复杂度和存储需求。

- 归一化:对于不同传感器数据采集到的数值范围不一致情况下,需要进行归一化处理,以消除数值差异对模型训练和检测结果的影响。

4. 模型训练在跌倒行为检测中,常用的机器学习方法包括支持向量机(SVM)、决策树、随机森林等。

这些方法可以通过训练数据集,学习到人体行为模型,并用于后续的跌倒行为检测。

在进行模型训练时,需要注意以下几点: - 数据划分:将采集到的数据集划分为训练集和测试集,以评估模型的性能。

- 参数调优:对于部分机器学习方法,例如SVM,需要对其参数进行调优,以提高模型的泛化能力和检测准确率。

基于特征自动提取的跌倒检测算法

基于特征自动提取的跌倒检测算法

基于特征自动提取的跌倒检测算法胡双杰;秦建邦;郭薇【摘要】跌倒是导致老年人受伤甚至死亡的主要原因.准确及时的跌倒检测系统可以帮助跌倒者获得紧急救援.目前基于传感器的跌倒检测方法主要利用人工设计提取的信号特征来区分跌倒和非跌倒运动,但人工提取的特征往往会限制算法的精确度,增大算法时延.为提高跌倒检测的精确度和实时性,本文提出了一种基于深度学习的跌倒检测算法.该算法可以自动提取数据特征,实现从原始数据到检测结果的端到端的处理.算法模型主要由两层级联的长短期记忆LSTM(Long Short-Term Memory)循环神经网络组成,通过神经网络提取加速度计和陀螺仪数据内部的特征,并判断是否有跌倒状况发生.本文使用两个公开数据集MobiAct和SisFall对算法性能进行评估.实验结果显示,算法在两个数据集都达到了较高的精确度(99.58%以上)和较低的时延(2.2 ms以内).【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2018(031)012【总页数】6页(P1842-1847)【关键词】跌倒检测;自动特征提取;深度学习;长短期记忆【作者】胡双杰;秦建邦;郭薇【作者单位】上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240;上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240;上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TP212.9跌倒是导致老年人受伤甚至死亡的主要原因[1]。

研究表明,在65岁以上的老年人中,有三分之一的人每年至少经历一次跌倒[2],其中4%~15%的跌倒会导致严重的受伤。

而在与受伤相关的老年人死亡案例中,有23%~40%是由跌倒引起的[3]。

虽然我们很难避免跌倒的发生,但如果能准确的检测到跌倒情况,并及时发出求救信号,可以有效降低严重受伤或死亡发生的概率。

随着智能手机、智能腕表等可穿戴设备的快速发展,基于可穿戴传感器的跌倒检测系统吸引了越来越多的关注。

基于YOLOV7的图像分割老人摔倒检测算法

基于YOLOV7的图像分割老人摔倒检测算法

基于YOLOV7的图像分割老人摔倒检测算法摘要:老人摔倒是导致严重伤害和意外事故的常见原因之一,因此,开发一种高效准确的老人摔倒检测系统具有重要意义。

本论文提出了一种基于图像识别和结合YOLOV7目标检测算法的老人摔倒检测方法。

首先,我们收集了大量标注有老人摔倒样本的图像数据集,并进行了数据预处理。

然后,我们使用YOLOV7算法进行目标检测,通过对摔倒行为的特征进行学习,提高了摔倒目标的检测准确率。

实验结果表明,我们的方法在老人摔倒检测任务中取得了良好的性能,具有广泛的应用前景。

引言:目前随着全国老龄化程度的不断提高,针对老人摔倒事故频的问题,如何快速、准确地检测老人摔倒行为,保障老年人安全的研究,图像识别和目标检测算法在解决这一问题上具有巨大潜力,而YOLOV7作为一种先进的目标检测算法,能够有效地应用于老人摔倒检测任务中。

因此,本项目研究将阐述YOLOV7应用于老人摔倒检测任务中,如对YOLOV7模型进行训练,通过迭代优化模型参数和阈值筛选和非极大值抑制等技术,确定是否存在摔倒行为,并对其进行了优化和改进,提高本项目智能化检测报警系统检测的准确率。

1数据集及预处理1.1 数据预处理本项目YOLOv7模型的输入图像需要调整为合适的尺寸大小。

因此,首先需要将原始图像调整为与模型期望的输入尺寸相匹配。

常见的尺寸调整方式包括裁剪(将图像裁剪为固定大小)和缩放(将图像等比例缩放到固定大小),确保图像的长宽比不发生失真。

并且,为了提高模型的鲁棒性和泛化能力,可以应用图像增强技术对图像进行改进。

例如,可以使用随机旋转、缩放、平移、翻转、亮度调整等操作来生成具有多样性的训练样本,增加模型对不同摔倒场景的适应性。

并对于训练数据集较小的情况,数据扩充可以通过对原始图像应用不同的变换和操作来生成更多的训练样本。

例如,可以应用旋转、裁剪、缩放、亮度调整等操作,生成与原始图像有一定变化的新样本,从而增加数据集的多样性和数量。

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收稿日期:2018-11-06 修回日期:2019-03-05 网络出版时间:2019-04-24基金项目:国家自然科学基金(61375021);南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjj20171608)作者简介:袁鹏泰(1994-),男,硕士,CCF 会员(89129G),研究方向为数字图像处理和模式识别;刘宁钟,教授,研究方向为数字图像处理和模式识别㊂网络出版地址: /kcms /detail /61.1450.TP.20190424.1005.018.html基于关节点提取的老年人跌倒检测算法袁鹏泰,刘宁钟(南京航空航天大学计算机科学与技术学院,江苏南京211106)摘 要:随着人口老龄化问题日益严重,老年人的安全问题变得愈加重要,而对老年人安全问题威胁最大的便是老年人的跌倒问题,因此文中提出了一种基于关节点提取以及SVM 分类器的老年人跌倒检测算法㊂首先通过改进的yolo 算法检测出视频帧图像中的人所在的位置,然后将单个人的图像送入openpose 算法中获得这个人的关节信息㊂之后再通过SVM 分类器对获得到的关节点信息进行分类,以得到这个人所处的状态(此处将人可能处于的状态分为4类 正常状态㊁跌倒状态㊁平躺状态以及其他状态)㊂对于整段视频便得到一个状态序列集,之后对这个状态序列集进行分析便能够检测出视频中是否有跌倒事件发生㊂经实验对比,该算法对于单人存在的场景有着98%以上的准确率,并且对于多人存在的场景具有一定的鲁棒性㊂关键词:yolo;openpose;SVM;关节点提取;跌倒检测中图分类号:TP301.6 文献标识码:A 文章编号:1673-629X (2019)09-0200-05doi:10.3969/j.issn.1673-629X.2019.09.038Elderly Fall Detection Algorithm Based on Joint Point ExtractionYUAN Peng -tai ,LIU Ning -zhong(School of Computer Science and Technology ,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,Nanjing 211106,China )Abstract :With the increasingly serious aging of the population ,the safety of the elderly becomes more and more important ,and the biggest threat to the safety of the elderly is the fall of the elderly.Therefore ,we propose a fall detection algorithm for the elderly based on joint point extraction and SVM classifier.First of all ,the location of the person in video frame images is detected by the improved yolo algorithm ,and then the image of an individual is sent to openpose algorithm to obtain the joint information of the person.Then ,the obtained joint point information will be classified by the SVM classifier to get the state of the person (There are four possible states of being –normal ,falling ,lying flat ,and others ).After that ,we will get a state sequence set which is analyzed to detect whether there is a fall event in the video.Through experimental comparison ,the proposed algorithm has an accuracy rate of more than 98%for scenes with single presence and robustness for scenes with multiple presence.Key words :yolo ;openpose ;SVM ;joint point extraction ;fall detection0 引 言在世界范围内人口老龄化问题日益严重,并且预计到2050年,老年人(年龄超过60岁)人口数量将达到大约20亿之众,因此老年人的安全问题变得愈加重要㊂而对老年人的安全问题威胁最大的便是摔倒,导致老年人跌倒有多方面的原因,比如心脏病突发,遭到碰撞㊁地面湿滑等等㊂同时,跌倒也会给老年人带来诸如髋部骨折㊁创伤性脑损伤以及肢体骨折等多种问题,如果不能及时发现,严重的将导致老年人的死亡㊂通过美国的一项调查表明[1],每年有大约250万老年人因跌倒而送入医院急诊科,并且这些送入急诊的老年人中大约有六分之一因送救不及时而死亡㊂因此,提出一种能够实时检测老年人摔倒并且及时预警的检测算法便显得尤为重要㊂1 相关工作近年来关于跌倒检测的论文不在少数㊂根据文献[2],检测算法可以分为基于可穿戴设备的检测算法㊁第29卷 第9期2019年9月 计算机技术与发展COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT Vol.29 No.9Sep. 2019基于环境式的检测算法以及基于计算机视觉的检测算法这三大类㊂基于可穿戴的检测算法,主要依赖于一些可穿戴在身上的传感器,其中应用最为广泛的传感器便是加速计和3轴加速计㊂Mathie等利用一种安装在腰间的加速计系统来检测跌倒现象[3]㊂当在竖直向下方向上的加速度突然增加时,便说明人从一个正常的状态飞速地向倒地状态转变,这样,便检测到了一个跌倒事件㊂Lai等[4]使用多个三轴加速器来感知跌倒时身体易受伤部分的关节点㊂之后这个模型将对分布在身体各部分的传感器所获得的信息进行传递㊂这个系统能够判断出当加速度超出正常加速度范围时,跌倒发生的可能性为多少㊂同时该系统还能够通过比较跌倒时的加速度与正常的加速度来评定此时跌倒伤害的等级㊂由于算法是基于可穿戴设备的,这样便带了几个问题 当人跌倒时穿戴在身上的设备可能会因跌倒而损坏,这样便造成了识别结果的不准确;另一个问题便是,设备需要人时刻穿戴在身上,给用户带来了极大的不便㊂基于环境的检测算法,主要利用了视频㊁音频数据以及震动信息㊂文献[5]中提出了一种利用视频流中的加速度信息检测跌倒的算法㊂人员的移动信息通过一些可穿戴的传感器进行无线传输,之后通过支持向量机(SVM)对获取到的信息进行分类,进而判断出是否有跌倒事件发生㊂Alwan等设计了一种基于地面震动的跌倒检测系统[6]㊂通过监视地板的震动模式来识别跌倒事件,当人跌倒时所产生的震动信号和诸如行走等正常活动所产生的震动信号是不同的㊂他们使用了一个与地板相连的压电式传感器来获取这些震动信号㊂同样是利用地板的震动来进行跌倒检测,但Zigel 等提出了一种全新的利用声音传感器来获取地板震动信息的观念[7]㊂正如前文所介绍,基于环境的检测算法需要在环境中部署相关的传感器,这便对其使用环境有了很大的限制㊂如果环境中出现预期外的东西(如宠物等)也会影响到最终结果的准确性㊂与前两类算法相比,基于计算机视觉的检测算法存在诸多优势 不需要用户时刻携带㊁不受使用环境的限制㊂并且随着当今社会的发展,在很多地方都装有监控摄像头,因此其应用场景也更加广泛㊂Auvinet等利用多摄像头重建了人体3D模型[8],通过对竖直方向上的人体体积分布来判断是否有跌倒事件发生㊂当人体的主要部分在一段时间内异常地接近地面时,便说明此时已经有人跌倒在地了㊂但是该算法对于人主动躺下的情况无法分辨,此种情况下会造成误检㊂Charfi等应用了一个SVM分类器,对从人体轮廓轨迹提取出来的特征进行分类,进而判断出是否有跌倒事件发生[9]㊂这些特征包括人体bouding box的长宽比㊁人体运动轨迹方向以及映射直方图㊂作者同时也应用了傅里叶变换㊁小波变换㊁一阶导数和二阶导数等方法对特征进行变换㊂但是文中对一些特征的提取是基于背景消去法的,如果背景较为复杂,背景消去结果不够理想,则会间接影响到跌倒检测结果㊂以往的跌倒检测算法大部分都是在人为模拟跌倒的数据集中进行训练与测试的,而Debard等[10]构建了基于真实场景下的跌倒数据集,并且针对真实的跌倒数据集进行了算法的训练与测试㊂Fan等将深度卷积网络应用到了跌倒检测领域[11]㊂他们首先将一段视频序列整合为一个动态图,然后将这些动态图送入深度卷积网络进行训练㊂作者将跌倒分成了4个阶段,即站立状态㊁正在跌倒状态㊁已经跌倒状态和不移动状态㊂最后通过检测是否存在一个完整的跌倒流程来判断是否存在跌倒事件㊂2 算法流程在跌倒检测领域,通常人们都会对跌倒阶段进行分类㊂Fan等将跌倒分成了4个阶段 站立阶段㊁正在跌倒阶段㊁已经跌倒状态以及不动状态[11]㊂文中也采用了分阶段的思想,但并不是对跌倒阶段进行的分类,而是对整个视频中人可能存在的状态进行了分类,同样也分4类 正常状态㊁跌倒状态㊁平躺状态以及其他状态㊂之后通过对连续的几帧图像中人所处的状态进行分析,以判断视频中是否有人跌倒㊂通过SVM分类器对前面提取到的特征进行分类,以确定当前图像所处的状态㊂输入到SVM分类器中的特征是通过openpose算法提取出的关节点特征,但是单纯openpose算法存在无人区域也会识别出关节点的问题,因此在将图像信息传入openpose前,提前识别出图像中存在人的位置,将确定单个人的图像再传入到openpose算法中进行关节点特征的提取㊂算法流程如图1所示㊂图1 算法流程2.1 yolo目标检测yolo是由Redmon等提出的目标检测算法[12],其核心思想是利用整张图作为网络的输入,直接在输出层回归边界框(bounding box)位置及其所属类别㊂在yolo中将输入图像分成S×S个网格(grid㊃102㊃ 第9期 袁鹏泰等:基于关节点提取的老年人跌倒检测算法cell),如果某个目标(object)的中心落在这个网格中,则这个网格就负责预测这个目标㊂每个网格负责预测B个边界框,每个边界框不仅要回归自身的位置(x, y,w,h),同时还要预测一个置信度(confidence)㊂其中confidence代表了所预测的bounding box中所包含object的置信度以及这个bounding box预测的有多准这两重信息,其计算公式为:Pr(Object)*IOU truth pred(1)其中,(x,y)为bounding box的左上角坐标,(w,h)为bounding box的宽和高;当object落在grid cell 中,Pr(Object)的值取1,否则取0;IOU truth pred为预测的bounding box与实际的边界框的IOU值,S取7,B 取2㊂因此每一个bounding box预测了5个值,bounding box的位置(x,y,w,h)以及一个confidence,除此之外每一个网格还要预测出一个类别信息㊂最终yolo的损失函数如下: λcoord∑S2i=0∑B j=01obj ij[(x i-x^i)2+(y i-y^i)2]+λcoord∑S2i=0∑B j=01obj ij[(w i-^w i)2+(h i-^h i)2]+ ∑S2i=0∑B j=01obj ij(C i-C^i)2+λnoord∑S2i=0∑B j=01obj ij(C i-C^i)2+S2i=01obji∑c∈classes[p i(c)-p^i(c)]2(2) 其中,1obj i判断目标是否落在网格i中;1obj ij判断第i个网格中的第j个box是否负责这个目标;λcoord和λnoord分别为bounding box包含目标和不包含目标时的权重值㊂在yolov2[13]中引入了anchor box的思想,根据相同尺寸的输出倒推出不同尺寸的输入,这个输入的尺寸就是由anchor box的尺寸决定的㊂在yolov2中anchor box的尺寸大小是由k-means聚类算法所得㊂文中只需要检测图像中人所在的位置,因此不需要通用的全部尺寸的anchor box㊂文中对anchor box的尺寸大小重新进行了选取㊂针对图像中人的bounding box,同样通过k-means 算法进行聚类,参照yolov2,在此处k-means聚类算法并没有使用标准的欧氏距离作为距离度量㊂若用欧氏距离作为距离度量,则box的尺寸较大时其误差也更大,为使误差与box的大小无关,通过IOU定义距离度量公式:d(box,centroid)=1-IOU(box,centroid)(3)其中,box为预选的anchor box;centroid为bounding box的图心㊂经过重新选取anchor box后,训练的模型对图像中人员的检测更具有针对性,并且对人员的检测相对于传统的yolo算法提高了0.2mAP㊂2.2 openpose关节点检测openpose算法[14]是自下而上的人体姿态估计算法,即先得到关节点位置再获得骨架㊂其主体网络结构采用vggNet[15]作为骨架,之后采用两个分支分别回归关节点的位置S以及像素点在骨架中的走向L㊂并且其后续两分支网络结构是多阶段迭代的㊂每一个阶段计算一次损失函数,之后把L和S以及通过vggNet提取的原始图像特征连接后继续下一个阶段的训练㊂其网络结构如图2所示㊂图2 openpose网络结构简图其中F是通过vggNet提取出的原始图像的特征,下标1和2分别表示多阶段迭代中的第一阶段和第二阶段㊂对于整个网络阶段,其过程如下:S t=ρt(F,S t-1,L t-1),∀t≥2L t=φt(F,S t-1,L t-1),∀t≥{2(4)其中,ρt和φt分别表示在阶段t时L和S的卷积神经网络㊂由于openpose算法是自下而上,这就带来了一个问题,即openpose会在没有人存在的地方检测出关节点,进而出现误检的情况㊂这样便降低了依赖于关节点信息进行分类的SVM分类器的准确率㊂因此在openpose算法前先通过改进的yolo算法检测图像中的人所在位置,再将此信息传入到openpose算法,使得oppenpose算法处理的图像是必包含人的图像,因此便有效地解决了上述问题㊂添加yolo后的识别对比如图3所示㊂(a)添加yolo前 (b)添加yolo后图3 结果对比图3(a)在沙发处误识出了关节点,但在添加了yolo后这一误识别被避免了,因此表明该方法是有㊃202㊃ 计算机技术与发展 第29卷效的㊂2.3 SVM 分类在获取到人体关节点信息后,便需要对这些关节点进行分类,以判断出图像中人所处的状态,进而判断出视频中是否存在跌倒现象㊂此处采用SVM 分类器对获取到的关节点信息进行分类㊂SVM 分类器是基于小样本统计理论的,即使在小样本集上也能够学得很不错的结果,而训练样本的不足也正是目前跌倒检测领域存在的一个重要问题,因此采用SVM 分类器可以在一定程度上减轻这一问题㊂此外,通过核函数SVM 可以很好地处理高维数据集,这样对于前面openpose 提取的高维关节点特征,SVM 可以很轻松地处理,而不会降低分类器的准确度与泛化能力㊂此处将视频中人可能处于的状态分成4类,分别是正常状态㊁跌倒状态㊁平躺状态以及其他状态㊂正常状态:人正常直立行走以及正常坐的状态;平躺状态:人全身平躺在地上的状态;跌倒状态:人从正常阶段向平躺阶段的转化的过程;其他状态:除其余3个状态的其他状态,例如坐下状态和起立状态㊂具体如图4所示㊂(a )正常状态 (b )跌倒状态(c )平躺状态 (d )其他状态图4 SVM 分类状态文中SVM 的工作状态如图5所示㊂图5 SVM 分类器文中训练SVM 分类器时选用的核函数为高斯核函数,核函数参数(gamma )为0.07,惩罚参数的值为1㊂经训练后,SVM 分类器对关节点状态分类的准确率达到了97.38%㊂2.4 状态分析为判断出视频中是否有跌倒存在,需进一步对前面SVM 分类出的状态进行分析㊂文中通过4个步骤对前面所得到的状态进行分析,分别是关键状态提取㊁噪声去除㊁状态集简化以及跌倒事件判断㊂2.4.1 关键状态提取文中的目的是检测出一个场景中是否有跌倒事件发生,而不是检测出场景中哪个人跌倒㊂因此,无需对一帧图像内的所有状态进行分析,只需提取出一帧图像中最为关键的状态即可㊂根据各个状态对跌倒检测的重要程度不同,对它们赋予不同的权重值㊂将正常状态表示为p normal ,跌倒状态表示为p falling ,平躺状态表示为p lay ,其他状态表示为p others ㊂各阶段的重要程度如下:p falling >p lay >p others >p normal(5)根据式5所示的重要程度排序,对各阶段赋予如下权重值:ωfalling =4,ωlay =3,ωothers =2,ωnormal =1㊂由此对于每一帧图像,根据所赋予的权重值,取权重值最大的状态为关键状态㊂图6 关节状态提取如图6所示,帧图像中存在两个状态分别为p normal和p lay ,对于一帧图像只提取一个关键状态,由于ωlay >ωnormal ,因此提取p lay 为关键状态,这样对于多人存在的情况便排除了非重要状态(图中的状态p normal )的干扰㊂2.4.2 噪声去除对于一段视频数据,通过前一步的关键状态提取,便得到了一个由每一帧图像中的关键状态所组成的一个状态序列㊂由于前面所采用的SVM 分类器,对人体状态分类的准确率没有达到100%,因此在这一状态序列中必然会存在一些检测错误的状态,即噪声㊂因此,在此处对噪声进行去除㊂由于在视频中帧图像是一个连续的过程,因此在一个连续的同一状态序列下,是不会在其中间突变出另一个状态的,利用这一点可以对噪声点进行过滤㊂噪声去除示例如下:㊃302㊃ 第9期 袁鹏泰等:基于关节点提取的老年人跌倒检测算法{p normal,p normal,p lay,p normal,p normal}⇒{p normal,p normal,p normal,p normal,p normal}(6) 2.4.3 状态集简化通过上一节,得到的状态序列是由多个连续相同的状态所组成,即连续的多帧图像拥有相同的状态,但在最后判断视频中是否存在跌倒事件时不需对每一个相同的状态进行分析㊂因此,在此对状态集进行简化,将多个连续相同的状态抽象成一个状态,其过程如式7所示:{p normal,p normal, ,p normal,p normal}⇒{p normal}(7) 2.4.4 跌倒事件判断经过前几步的处理,此处只需要判断简化后的状态序列中是否存在连续的跌倒状态和平躺状态即可㊂即在状态序列中存在{p falling,p lay}这样的序列对,即可判断出此段视频中有跌倒事件发生,否则没有㊂3 实验结果与分析在跌倒检测领域内应用比较广泛的评判准则主要有两个指标,分别是敏感性(sensitivity)和特异性(spe⁃cificity)㊂sensitivity=TPTP+FN(8)specificity=TNTN+FP(9)其中,TP(真正例)为视频中有跌倒事件发生同时检测出有跌倒事件发生的视频数量;FN(假反例)为实际有跌倒事件发生但没有检测到的视频数量;FP(假正例)为实际上没有跌倒事件发生但却检测为有跌倒发生的视频数量;TN(真反例)为视频中没有跌倒事件发生同时也检测为没有跌倒发生的视频数量㊂分别在两个数据集上进行了实验对比,结果如表1和表2所示㊂其中Lei2fall detection dataset场景较为简单,并且视频中只包含了1个人㊂而High quality fall simulation dataset的场景较为复杂,并且视频中存在多个人㊂由对比结果可见,文中方法在场景中只有一个人时,其表现要略逊色于其他方法,但从sensitivity和specificity的值来看,其准确率还是很可观的㊂在场景中存在多个人时,文中方法的表现要优于其余两种方法,可见该方法对场景中存在多人的情况下具有不错的鲁棒性㊂表1 实验结果对比(Le2i fall detection dataset)%方法sensitivity specificityCharfi et al.[9]99.6198.00 Yaxiang Fan et al[11]98.43100文中方法98.5499.82表2 实验结果对比(High quality fall simulation dataset)%方法sensitivity specificity Debard et al[10]62.241Yaxiang Fan et al[11]74.268.6文中方法76.170.54 结束语文中提出了一种基于关节点提取的老年人跌倒检测算法㊂实验结果表明,该算法对单人存在的场景具有很好的检测准确率,并且对场景中存在多个人的情况有很好的鲁棒性㊂但另一方面,该算法对多人场景下的跌倒检测sen与spc值均在70%左右,因此仍有很大的改进空间,尚需进一步研究㊂参考文献:[1] GRIFFITHS C,ROONEY C,BROCK A.Leading causes ofdeath in England 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