第３３卷第０６期 计算机仿真 ２０１６年６月 文章编号：１００６—９３４８（２０１６）０６—０３２１—０４
人体足底压力分布特征的建模与仿真
刘细阳 （海南大学信息科学技术学院，海南海口５７０２２８）
摘要：人体足底压力特征与步态特征高度相关，脚步中形态的变化会对足部承压产生较大的影响。由于特殊人群一例如残 疾人的行走规则不符合对称性原则，导致当前的承载力计算模型没有考虑这种非对称性对足底压力特征带来的影响，导致 准确性不高。提出采用支持向量机的足底压力特征的计算方法。利用压力测试板采集特殊人群的足底压力特征图像，进行 预处理，并提取关键特征作为足底压力特征计算的依据，引人支持向量机（ＳＶＭ）的“一对一”分类模式对足底压力特征图像 进行训练和计算，完成对足底压力特征的准确计算。仿真结果表明，利用改进算法进行特殊人群人体足底压力特征计算，能 够提高计算率，为人体足底压力分析提供了科学依据。 关键词：特殊人群；足底压力；特征计算 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｐｌａｎｔａｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ＬＩＵ Ｘｉ—ｙａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｉｋｏｕ Ｈａｉｎａｎ ５７０２２８，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｔａｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｅｓｔ ｂｏａｒｄ ｉｓ ｕｓｅｄ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｔａｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｔａｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｐｌａｎｔａｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｓ ｔｒａｉｎｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ”ｏｎｅ ｔｏ ｏｎｅ”ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅ（ＳＶＭ），ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔａｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｐｒｏ－ ｖｉｄｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｌａｎｔａｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｓｐｅｃｉａｌ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓ；Ｐｌａｎｔａｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
１ 引言 人体的足底压力特征可分为正常足底压力特征和异常 足底压力特征…。异常足底压力特征通常是由腿、脚疾病或 者缺陷引起的 ｊ。在我国有很多的腿、脚存在疾病或者缺陷 的特殊人群。对这些特殊人群的足底压力特征进行准确计 算，能够为他们提供准确的保健和康复的建议，并为腿、脚疾 病的治疗提供准准确的依据 ｊ。因此，特殊人群人体足底压 力特征的计算方法，已经成为医学领域中的一个研究热点， 受到了越来越多人们的关注 。 目前，针对特殊人群足底压力特征的研究，大都采用图
基金项目：海南省科技厅项目（２Ｏ１５ｓＯ３） 收稿１３期：２０１５一ｔＯ一２９修回日期：２０１５—１１一ｌＯ
像处理和模式计算的相关技术，并已取得了比较理想的效 果 Ｊ。当前阶段，主要的特殊人群人体足底压力特征计算的 方法主要包括基于奇异值分解算法的足底压力特征计算方 法 Ｊ、基于小波变换算法的足底压力特征计算方法 和基于 纹理特征提取的足底压力特征计算方法 Ｊ。其中，最常用的 是基于纹理特征提取的足底压力特征计算方法。由于特殊 人群人体足底压力特征计算方法在腿脚疾病治疗和减轻腿 脚疾病特殊人群痛苦方面发挥着重要的作用 ，因此，该课 题拥有广阔的发展前景，并成为很多专家学者研究的重点 课题 。。。
由于特殊人群人体足底压力特征的信息会受到走路姿 势、路面状况和穿着的鞋型等因素的影响，会呈现出非线性 和无序的变化。直接利用上述传统算法进行特殊人群人体 足底压力特征计算，难以获得准确的足底压力特征，并且获
．．．．——３２１．．．．—— 得的特征的实用性较低。 针对上述产生的问题，提出基于支持向量机的足底压力 特征的计算方法。利用压力测试板采集特殊人群的足底压 力特征图像，进行预处理，并提取关键特征作为足底压力特 征计算的依据，引入支持向量机（ＳＶＭ）的“一对一”分类模 式对足底压力特征图像进行训练和计算，实现足底压力特征 的准确计算。 ２足底压力特征原理 在进行特殊人群人体足底压力特征计算的过程中，需要 采集特殊人群人体足底的压力特征图像，并将该样本图像作 为研究对象进行压力特征计算。设置采集到的足底压力特 征图像样本为－厂，利用Ｂｒｕｓｈｌｅｔ分解的方法将图像分解为ｚ 层，可以得到实 和虚 这两部分，每部分都包含４ 个 子带，用来描述对应分解方向上的信息。图像的能量主要集 中在纹理部分，利用模值的均值和标准差描述子带的能量 信息。 １）提取压力特征图像，为进行压力特征计算提供依据。 由于Ｂｒｕｓｈｌｅｔ为复值函数，因此可以通过分层后的实部和虚 部相对应的特征，获得压力特征图像。设置实部和虚部的第 ｎ个特征分别为 和 ，ｎ＝１，２，…４ ，则利用下述公式能够 提取出压力特征图像为 １ Ｒ Ｃ ３ｎ ， ）ｌ １ Ｃ ［（ （ ， ）） ＋（ （ ， ））。］ （１） ２）对压力特征进行计算，为获取相角提供依据，其压力 特征计算表达式为 ６ ＝ ／． Ｒ Ｃ √ （１］ｏ（ｉ， ）ｌ－ （２） 其中√＝１，２，…Ｒ，ｋ＝１，２，…Ｃ，Ｒ与Ｃ分别为每个特征的行 和列的数目。因此，足底压力特征图像＿厂Ｉ 能量特征能用向 量Ｆ ＝［ ｌ， 。， ２， ２，…］进行描述。 ３）均值和标准差的确定。由于相位能够描述足底压力 特征的有关信息，此处可利用相角的分布描述相角信息。利 用下述公式能够计算相角 日＝６ ａｒｃｔａｎ（ｆ／，ｒ） （３） 其中， 的取值范围为【０，２叮Ｔ】。设置第ｎ个特征的相角值构 成的矩阵为 ，则其均值和标准差能够用下述公式进行 计算 ． Ｒ Ｃ ＝ ∑∑Ｍ～ （４）ｎ 丽刍刍ｎ Ｊ ＿－ （５） 脚底压力特征图像／的相位特征能够用向量Ｆｅ＝ ［ ｌ， ｌ， ２， ２，…】进行描述。 ４）压力特征之间距离的确定，完成对足底压力特征的计 ．－－——３２２－－－—— 算。由于脚底压力特征图像的能量特征和相位特征的取值 范围相差较大，因此，在进行足底压力特征计算的过程中不 能直接叠加，需要赋予对能量特征和相角特征各赋予一定的 权值。设置ａ．为待计算的足底压力特征图像，ａ：为足底压 力特征图像库中的足底压力特征图像，则这两幅图像的压力 特征之间的距离能够用下述公式进行计算
ｄ（ｏ ，。２）＝ ｄ （Ⅱ。，ｏ ） （６） ｄ （ａｌ￣ａ２ ＝ｌ ｌ＋ｌ ｌ
＋： ：： ：二 ： ：：：：ｌ＋ｌ ： ：： 二 ： ：：：：ｊ（７） ｌ Ｏ／ （ ） ｌ ｛ Ｏ／ （ ） ｌ一 其中，ｄ （ａ。，ａ ）能够描述这两幅图像中第ｎ个子带之间的 距离，０［（ ）、 （（ｊｒ ）、０【（ ）和ｄ（ ）能够描述足底压力特 征的标准差值，用来对不同类型的足底压力特征进行规范。 具体的足底压力特征计算的过程如下所述： １）利用Ｂｒｕｓｈｌｅｔ分解的方法将足底压力特征图像样本 分解为３层； ２）求解分解后与实部和虚部相对应的 和 ，用复合 特征Ｆ：【Ｆ ，Ｆ 】描述足底压力特征的纹理信息； ３）计算待计算图像与数据库中图像之间的距离； ４）将计算结果作为足底压力特征图像计算的依据进行 准确计算。 根据上面阐述的方法，能够对足底压力特征图像进行计 算，从而为腿、脚缺陷或者疾病病人的治疗与康复提供准确 依据。但是仍然存在一定的计算误差，影响计算效果，需要 进行进一步的改进。
３支持向量机的足底压力特征计算方法 传统算法没有考虑特殊人群人体足底压力特征的信息 会受到走路姿势、路面状况和穿着的鞋型等因素的影响，会 呈现出非线性和无序的变化，导致足底压力特征计算的准确 性降低的问题。提出基于支持向量机的特殊人群人体足底 压力特征计算的方法。 ３．１足底压力特征图像的采集与特征提取 ３．１．１ 足底压力特征图像的采集 在进行人体足底压力特征计算的过程中，首先需要采集 足底压力特征图像。改进算法采用的是微软公司研制的压 力测试板，压力测试板的面积为６０ｃｍ Ｘ ４０ｃｍ，采样频率为 ８０Ｈｚ，对腿、脚特殊人群文进行足底压力特征进行采集，可以 得到ＣＳＶ格式的文件。从中提取足底压力特征矩阵，并保存 为ｔｘｔ格式的件，一个ｔｘｔ格式对应一副足底压力特征图像。 得到的足底压力特征矩阵能够用图１进行描述。 为了保证足底压力特征的稳定性和完整性，从保存的足 底压力特征图像中选取人体站立静止稳定后的１５帧图像作 为足底压力特征图像计算的关键帧图像。由于同一人的足 底压力特征信息具有特定性和稳定性，因此，不同人的足底