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基于多特征学习融合级联分类的跌倒识别

张涵 欧阳俊斌 郑荣佳 蔡杰泉 高宇

张涵, 欧阳俊斌, 郑荣佳, 蔡杰泉, 高宇. 基于多特征学习融合级联分类的跌倒识别[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2023, 55(3): 110-118. doi: 10.6054/j.jscnun.2023042
引用本文: 张涵, 欧阳俊斌, 郑荣佳, 蔡杰泉, 高宇. 基于多特征学习融合级联分类的跌倒识别[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2023, 55(3): 110-118. doi: 10.6054/j.jscnun.2023042
ZHANG Han, OUYANG Junbin, ZHENG Rongjia, CAI Jiequan, GAO Yu. Fall Recognition Based on Multi-feature Learning Fusion Cascade Classification[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2023, 55(3): 110-118. doi: 10.6054/j.jscnun.2023042
Citation: ZHANG Han, OUYANG Junbin, ZHENG Rongjia, CAI Jiequan, GAO Yu. Fall Recognition Based on Multi-feature Learning Fusion Cascade Classification[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2023, 55(3): 110-118. doi: 10.6054/j.jscnun.2023042

基于多特征学习融合级联分类的跌倒识别

doi: 10.6054/j.jscnun.2023042
基金项目: 

广东省自然科学基金项目 2022A1515010104

广州市科技计划项目 202206010127

广州市科技计划项目 202201010084

广州市科技计划项目 2023B03J1341

广东省大学生创新训练项目 S202110574099

详细信息
    通讯作者:

    张涵,Email: zhanghan@scnu.edu.cn

  • 中图分类号: TP391

Fall Recognition Based on Multi-feature Learning Fusion Cascade Classification

  • 摘要: 为解决不同跌倒方式的训练误差无法充分收敛而导致分类效果欠佳的问题,在提取穿戴式设备加速度、角速度及合加速度三维特征的基础上,提出了一种级联分类的跌倒识别(Cascade Fall Recognition,CFR)方案;同时为降低级联串行运算的复杂度,进一步提出了基于经验特征维度降维的低复杂度级联分类跌倒识别(Low-complexity Cascade Fall Recognition,LCFR)方案。最后,面向SisFall数据集,分别使用单个多分类器方案、CFR方案和LCFR方案进行四分类任务(日常行为,向前跌倒,横向跌倒,向后跌倒),对F1-Score和训练时间复杂度进行对比。实验结果表明:CFR方案在四分类跌倒任务时的F1-Score达98.56%;在接近无损F1-Score的前提下,LCFR方案的训练时间复杂度比CFR方案降低了61.11%,且该方案的F1-Score高于同类跌倒识别方案。
  • 图  1  特征提取滑动窗设计

    Figure  1.  Design of sliding window for feature extraction

    图  2  日常行为与跌倒行为的加速度图

    Figure  2.  The acceleration of daily behavior and fall behavior

    图  3  CFR方案的分类架构图

    Figure  3.  Architecture of CFR program's classification

    图  4  特征重要性降维处理

    Figure  4.  The feature importance dimensionality reduction

    图  5  常规的跌倒识别方案输出的混淆矩阵图

    Figure  5.  Confusion matrix diagram of the output of conventional fall recognition scheme

    图  6  CFR方案输出的混淆矩阵图

    Figure  6.  Confusion matrix diagram of the output of CFR scheme

    图  7  分类器损失值变化

    Figure  7.  The changes of classifier loss value

    图  8  第一级分类器的特征重要性

    Figure  8.  Feature importance of the first level classifier

    表  1  融合后的跌倒类型

    Table  1.   Types of falls after fusion

    跌倒行为 跌倒类型
    F1、F4、F5、F6、F8、F10、F13 向前跌倒
    F2、F11、F14 向后跌倒
    F3、F7、F9、F12、F15 横向跌倒
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    表  2  窗口特征量提取表

    Table  2.   The feature extraction in a window

    特征量 数学表示 维度
    加速度最大值 max ai (i=x, y, z, sum) 1×4
    加速度最小值 min ai (i=x, y, z, sum) 1×4
    加速度平均值 ${\bar a_i} = \frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{a_i}} [k]\quad (i = x, y, z, {\rm{sum}})$ 1×4
    加速度标准差 ${\sigma _{{a_ - }i}} = \sqrt {\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{{\left( {{a_i}[k] - {{\bar a}_i}} \right)}^2}} } \quad (i = x, y, z, {\rm{ sum }})$ 1×4
    加速度峰度 ${K_{a\_i}} = \frac{{\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{{\left( {{a_i}[k] - {{\bar a}_i}} \right)}^4}} }}{{{\sigma _{a\_i}}}} - 3\quad (i = x, y, z)$ 1×3
    加速度偏度 ${S_{{a_ - }i}} = \frac{{\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{{\left( {{a_i}[k] - {{\bar a}_i}} \right)}^3}} }}{{\sigma _{{a_ - }i}^3}}\quad (i = x, y, z)$ 1×3
    加速度最大差值 $\Delta {a_i} = \max {a_i} - \min {a_i}\quad (i = x, y, z)$ 1×3
    加速度最大差值斜率 ${k_{a\_i}} = \frac{{\max {a_i} - \min {a_i}}}{{{t_{\max }} - {t_{\min }}}}\quad (i = x, y, z, {\rm{sum}})$ 1×4
    合加速度累计差值 ${{\mathop{\rm cum}\nolimits} _{\Delta {a_ - }{\rm{sum }}}} = \sum\limits_{k = 1}^{N - 1} {\left( {{a_{{\rm{sum }}}}[k + 1] - {a_{{\rm{sum }}}}[k]} \right)} $ 1×1
    合加速度积分 $f[k] = \int {{a_{{\rm{sum }}}}} {\rm{d}}t$ 1×1
    角速度最大值 $\max {\omega _i}\quad (i = x, y, z)$ 1×3
    角速度标准差 ${\sigma _{\omega \_i}} = \sqrt {\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{{\left( {{\omega _i}[k] - {{\bar \omega }_i}} \right)}^2}} } \quad (i = x, y, z)$ 1×3
    角度最大差值 $\Delta {\varphi _i} = \max {\varphi _i} - \min {\varphi _i}\quad (i = x, y, z)$ 1×3
    角度最大差值斜率 ${k_{{\varphi _ - }i}} = \frac{{\max {\varphi _i} - \min {\varphi _i}}}{{{t_{\max }} - {t_{\min }}}}\quad (i = x, y, z)$ 1×3
    注:${a_{{\rm{sum}}}} = \sqrt {a_x^2 + a_y^2 + a_z^2} $;ai[k]、ωi[k]分别表示滑窗内第k个采集点的加速度、角速度;${\bar \omega _i} = \frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{\omega _i}} [k]\quad (i = x, y, z)$;${\varphi _i} = \int {{\omega _i}} {\rm{d}}t(i = x, y, z)$;N为在2.5 s滑窗内采集的数据个数。
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    表  3  常规的跌倒识别方案测试结果

    Table  3.   Test results of conventional fall recognition scheme %

    行为 F1-Score Precision Recall
    日常行为 99.85 99.94 99.75
    向前跌倒 93.43 90.32 96.76
    向后跌倒 96.76 96.04 97.49
    横向跌倒 89.05 92.15 85.83
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    表  4  三层级分类器的准确率

    Table  4.   The accuracy of three-level classifier %

    层级 SVM KNN RF
    第一级 99.31 99.60 99.67
    第二级 97.67 97.77 98.45
    第三级 89.96 89.48 95.04
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    表  5  CFR方案的测试结果

    Table  5.   Test results of CFR Scheme %

    行为 F1-Score Precision Recall
    日常行为 99.89 98.80 99.98
    向前跌倒 98.58 99.38 97.78
    向后跌倒 98.75 100.00 97.52
    横向跌倒 97.02 96.45 97.60
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    表  6  各层级分类器的训练数据集及目标分类

    Table  6.   The training data set and target classification for each level of classifier

    层级 分类任务 样本类型 目标分类
    第一级 二分类 日常行为与跌倒行为 日常行为与跌倒行为
    四分类 日常行为与跌倒行为 日常行为、向后跌倒、向前跌倒、横向跌倒
    第二级 二分类 跌倒行为 向后跌倒与其他跌倒(向前跌倒、横向跌倒)
    四分类 跌倒行为 向后跌倒、向前跌倒、横向跌倒
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    表  7  第一级分类器不同累计特征贡献度的准确率与训练时长

    Table  7.   The accuracy and training time for different cumulative feature contributions of the first level classifier

    累计特征贡献度/% F1-Score/% 训练时长/ms
    60 99.59 1 486
    70 99.62 2 337
    80 99.67 2 446
    100 99.76 5 663
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    表  8  3个方案的分类器训练时长与F1-Score

    Table  8.   The training time and F1-Score of three schemes

    方案 F1-Score/% 训练时长/ms
    常规的跌倒识别方案 94.77 6 684
    CFR 98.56 6 835
    LCFR 98.48 2 658
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    表  9  跌倒识别研究结果对比

    Table  9.   The comparison of other research results for fall recognition

    方案 分类任务 F1-Score/%
    SVM方案 三分类 92.46
    DT方案 三分类 82.53
    RFC方案 三分类 90.77
    XGBoost方案 三分类 90.16
    LCFR方案 四分类 98.48
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-19
  • 网络出版日期:  2023-08-26
  • 刊出日期:  2023-06-25

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