基于二重积分技术的形状图形路径映射

© 2014年。出版社：Elsevier B.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 10（2014）51 - 562014未来信息工程基于二重积分技术的形状图形路径映射Ching Yee Yong*，Rubita Sudirman，Nasrul Humaimi Mahmood，Kim MeyChew马来西亚科技大学电机工程学院，81310 Skudai，Johor，Malaysia。摘要本研究进行了初步的路径追踪实验，并开发了一个绘图系统。本研究的人类活动数据收集集中在不同形状的手绘图上。五名受试者被要求根据他们的方便步伐绘制三种形状（圆形，正方形和三角形）。由加速度计、陀螺仪和罗盘组成的传感器通过特殊设计的支架牢固地固定在受试者的手腕上。采用主成分分析和二重积分技术对数据进行处理和分析。利用MATLAB开发的图形用户界面（GUI）对跟踪路径进行了绘制和显示。开发的GUI能够显示从第一个笔划开始直到结束的动画跟踪。该图形用户界面能够准确地跟踪上肢的微小运动，并以图形的形式显示出来。版权所有© 2014作者.出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：人体运动，二重积分，航向，映射1. 介绍人体运动分析特别是路径映射需要大量的数据和计算算法。卡尔曼滤波器是用于跟踪和追踪路径的著名算子之一。该算法将加速度计数据与角矩阵结合，并针对真实世界坐标进行乘法（Ching YeeYong等人，2011年）。* 通讯作者。联系电话：+6-014-913-7896;电子邮件地址：chiyong@fkegraduate.utm.my。2212-6678 © 2014作者出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审52Ching Yee Yong等人/IERI Procedia 10（2014）51提出了双积分技术，通过绘制轨迹图来确定图形从被摄体中的真实路径。传感器的加速度是距离数据的双重积分。陀螺仪数据用于确定以下步骤的航向和方向。所提出的技术旨在调查和跟踪绘图的后果路径。利用MATLAB软件开发了一个跟踪绘图系统。开发了一个用户友好的GUI，以增加该系统对其他类型数据分析的可用性。2. 项目审查2.1. 距离距离或称为远度是一个术语，用来描述两个物体在数值方法中相距多远。在物理学中，距离是指从原点开始的估计长度。在具有x和y轴的2D平面中，使用欧几里得定理计算距离。该公式通过平方根并将x和y坐标的差平方相加而导出（Deza等人，2006; Blumenthal，1953）。2.2. 标题航向或通常称为面向方向是路径映射所需的技术。航向的方向通常写为箭头。例如，向前运动由向上箭头指示，向后运动由向下箭头指示。航向由旋转角度确定和指定（联邦航空管理局，2009; ChingYee Yong等人，2013年a）。2.3. 二重积分数学中的积分及其逆、微分是微积分运算的基本概念。二重积分是区域上两个变量的正函数（Thong等人，2004; Kudryavtsev，2001）。3. 方法在校园内随机抽取五人参加这项步态运动研究。三名男性和两名女性学生，右手作为进行正常生活活动的优势肢体，被要求根据图1所示的圆形，正方形和三角形形状进行步态运动。将一个集成了加速度计、陀螺仪和罗盘的三维传感器贴在受试者的右上肢上进行数据采集。如图2所示，设计了一个特殊的支架，将传感器牢固地固定在皮肤上，以避免震动。Ching Yee Yong等人/IERI Procedia 10（2014）5153Fig. 1.双手画形的方向图二.传感器附着在受试者受试者被要求根据他们的速度用食指在普通纸上画出形状。先用左手完成任务，然后用右手完成。在每个实验开始之前校准传感器以避免零误差。受试者肢体的每一个动作根据本研究的特殊性，开发了一个系统。该系统的布局由三个数据图、一个动画步态图、四个按钮和一个文件列表框组成。该系统易于控制，为用户低，甚至没有MATLAB的经验。用户可以通过列表框添加文件并通过点击步态按钮执行步态来分析任何类型的数据。加速度计、陀螺仪和罗盘的数据在二维视图中分散在数据图中。以动画方式绘制运动步态的2D透视图，显示路径绘制的开始直到结束。用户可以通过右键单击图将所有图保存在较大视图中。此功能对于绘图分析非常有用。本研究采用双重整合的方法，考察并发现被试在绘制图形时的映射路径。从加速度计的加速度数据收集的每一个单一的运动，54Ching Yee Yong等人/IERI Procedia 10（2014）51图纸对速度数据进行积分。然后，再次对数据进行整合以获得距离。主成分分析（PCA），以减少数据变量的复杂性。PCA旨在重新对准加速度计数据、陀螺仪数据和罗盘数据以获得最佳视图，以便进行正确的映射和跟踪（Ching Yee Yong等人，2013年b）。4. 结果对于初步的测试测量，考虑了三种类型的形状进行分析，它们是圆形，方形和三角形。利用MATLAB软件开发了一个步态系统，可以对运动路径进行回溯，并以动画可视化的形式呈现出来。结果示于图3中，3（a）、3（c）和3（e）是通过左手运动的圆形、正方形和三角形形状映射，而3（b）、3（d）和3（f）是针对右手运动。从观察来看，右手画出的形状比左手画出的形状更好，更整洁。研究对象都是右撇子，因此右手的每一个动作都是敏捷而生动的。用于路径映射的跟踪的动画从第一笔划开始呈现直到结束，因此从移动绘制的每个序列或顺序由GUI递送。将实验中的加速度计、陀螺仪和罗盘数据绘制成最佳二维视图。主成分分析（PCA）被用来处理和重新调整的绘图，以最佳的2D视图。PCA能够减少变量的数量，以降低处理的复杂性。(a)（b）第（1）款Ching Yee Yong等人/IERI Procedia 10（2014）5155(c)（d）其他事项(e)（f）第（1）款图三. (a)左手画圆，（b）右手画圆，（c）左手画正方形，（d）右手画正方形，（e）左手画三角形，（f）右手画三角形5. 讨论结果表明，在研究开始时取得了成功。为了加强和提高系统的准确性，应在方法中加入过滤。滤波技术能够减少原始数据的噪声和失真。步态运动分析系统的目的是发现和分析步态和每个动作的运动。该系统能够跟踪从运动开始到最后一次停止的绘画步态的路径。例如，系统可以追溯到一个特定的主题，他的自然习惯是顺时针画一个圆，而不是大多数人的逆时针画。56Ching Yee Yong等人/IERI Procedia 10（2014）516. 结论这项研究仍处于初步研究阶段。然而，来自系统的结果被管理以给运动分析领域带来影响。该系统被提出是有用的康复中心的病人谁正在接受物理治疗。医生可不时记录病人该系统适用于帕金森病（PD）患者。专业医生可能会使用该系统进行PD筛查。鼓励经证实患有PD的患者每天进行测试，以达到制图目的，主要目的是降低疾病的严重性。此外，还鼓励患有阅读障碍的儿童根据该制度接受培训。家长或幼儿园教师能够筛选孩子的听，写和口头表达能力。此外，该系统能够用正确的书写顺序和笔画来训练和锻炼儿童。将来，该系统将升级为无线设备，以获得更好的移动性。应用过滤器和其他技术，以产生更准确和精确的结果。确认作者要感谢马来西亚技术大学在研究型大学补助金（Q.J130000.2523.05H37）和教育部MyPhD奖学金计划下支持和资助这项研究。引用[1] 程义勇，卢比塔·苏迪曼，金美珠。使用四种不同的检测器进行运动检测和分析。计算智能、建模与仿真（CIMSiM），IEEE 2011：46-50。[2] Deza MM，Deza，E.距离字典Elsevier Science; 2006.[3] 布卢门撒尔LM。距离几何。在抽象指标的发展研究。卡尔·门格尔的介绍，密苏里大学研究1953;13（2）。[4] 美国联邦航空管理局。飞行员航空知识手册。出版社：Skyhorse Publishing Inc.，2009。[5] Ching Yee Yong，Rubita Sudirman，Nasrul Humaimi Mahmood和Kim Mey Chew。使用统计表、散点分布和人工分类器比较人类慢跑和步行模式。纳米材料和电子器件的先进技术，先进材料研究，Trans Tech Publication Inc，瑞士2013 a;646：126-133。[6] Thong YK，Woolfson MS，Crowe JA，Hayes-Gill BR，Jones DA.噪声中加速度测量的数值双重积分。测量2004;36（1）：73[7] 库德里亚夫采夫边疆区微分方程解在奇点附近的渐近性。Trudy MatematicheskogoInstituta im. VA Steklova 2001;232：194-217.[8] Ching Yee Yong，Rubita Sudirman，Nasrul Humaimi Mahmood和Kim Mey Chew。使用陀螺仪、加速度计和指南针进行人体和身体部位运动分析。应用力学和材料，Trans Tech Publication Inc，瑞士2013 b;284-287：3120-3125。