0 引言

    人機(jī)交互技術(shù)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)協(xié)作機(jī)器人人機(jī)共融智能的主要研究方向，其中基于肌電信號(hào)的手勢(shì)識(shí)別是人機(jī)交互領(lǐng)域中重要組成部分，是國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室研究的熱點(diǎn)項(xiàng)目之一^[1]。表面肌電信號(hào)(sEMG)是一種肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的生物電信號(hào)^[2]，能夠直接反映出肌肉活動(dòng)的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)sEMG進(jìn)行分析可以準(zhǔn)確地識(shí)別出手勢(shì)動(dòng)作，而且sEMG具有信息容量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)^[3]，在智能假肢^[4]、上肢康復(fù)外骨骼^[5]、機(jī)械臂控制等人機(jī)交互中有很好的前景。

    正確識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作的關(guān)鍵技術(shù)之一在于有效特征的提取。常用的sEMG特征是提取一系列時(shí)域特征、頻域特征、聯(lián)合時(shí)頻分布特征、非線性特征^[6-7]以及一些參數(shù)模型特征。PHUKPATTARANONT P等^[8]針對(duì)sEMG使用了主成分分析、線性判別分析和譜回歸極限學(xué)習(xí)機(jī)等6種特征提取技術(shù)，并對(duì)比了6種特征提取算法的性能。此外，稀疏編碼技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，并成功應(yīng)用到圖片識(shí)別、壓縮感知和信號(hào)去噪等領(lǐng)域中。WHITAKER B M等^[9]將稀疏編碼引入心音分類中，利用快速傅里葉變換將心音信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域，忽略頻譜的負(fù)頻率和相位，然后根據(jù)稀疏字典得到統(tǒng)計(jì)學(xué)上重要的稀疏系數(shù)特征，將稀疏系數(shù)取平均數(shù)的同時(shí)融合時(shí)域特征進(jìn)行綜合分類，可得到比單一的稀疏特征更好的分類效果。此外，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)雞鳴啼的聲音信號(hào)進(jìn)行分析^[10]，采集健康與患有支氣管炎的兩類雞鳴聲音信號(hào)樣本，將雞鳴音頻文件轉(zhuǎn)化為頻譜圖，利用稀疏編碼得到每個(gè)譜圖列分解為字典元素的稀疏組合，對(duì)兩類雞鳴信號(hào)有97.85%的識(shí)別率。DING S等^[11]采用局部時(shí)態(tài)稀疏貝葉斯算法作為新的學(xué)習(xí)工具，利用壓縮感知理論將sEMG映射到低維空間，提取sEMG的稀疏特征，十個(gè)手勢(shì)動(dòng)作可獲得89.4%的準(zhǔn)確率。

    為了提高基于sEMG手勢(shì)識(shí)別的數(shù)目和識(shí)別精度，本文提出一種融合稀疏表示特征和時(shí)域特征的多手勢(shì)識(shí)別方法。其中sEMG由4個(gè)通道的設(shè)備采集得到，手勢(shì)共包含16種動(dòng)作，使用KSVD算法提取sEMG的稀疏特征，將稀疏特征與時(shí)域特征融合后使用SVM算法進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別分類。相比單一稀疏特征用作SVM訓(xùn)練分類，融合時(shí)域特征增加了手勢(shì)的識(shí)別精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)多種手勢(shì)有較高的識(shí)別率。

1 方法

    本文提出的方法主要包含三個(gè)步驟：sEMG動(dòng)作單元端點(diǎn)檢測(cè)、樣本的稀疏表示和SVM識(shí)別分類。動(dòng)作單元端點(diǎn)檢測(cè)利用雙閾值算法^[12]，根據(jù)短時(shí)能量和過(guò)零率檢測(cè)出sEMG中手勢(shì)動(dòng)作的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)從而提取有效的用于稀疏表示和識(shí)別分類的活動(dòng)段。樣本的稀疏表示包括學(xué)習(xí)字典的初始化、利用KSVD算法更新字典^[13-14]和OMP算法^[15]計(jì)算稀疏系數(shù)。最后，融合稀疏特征與時(shí)域特征，訓(xùn)練SVM并進(jìn)行分類^[16-17]。

1.1 動(dòng)作單元端點(diǎn)檢測(cè)

    動(dòng)作單元端點(diǎn)檢測(cè)也稱為信號(hào)的活動(dòng)段檢測(cè)，就是檢測(cè)手勢(shì)動(dòng)作的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，分割出優(yōu)質(zhì)的活動(dòng)段有助于提取更為有效的動(dòng)作特征和提高分類識(shí)別。雙閾值算法是基于短時(shí)平均能量和短時(shí)過(guò)零率進(jìn)行檢測(cè)的，原理是當(dāng)無(wú)手勢(shì)動(dòng)作時(shí)短時(shí)平均能量很小，動(dòng)作越大則能量越大；同時(shí)當(dāng)活動(dòng)頻率越高則短時(shí)過(guò)零率越大，結(jié)合兩者特征可以用來(lái)找到信號(hào)的活動(dòng)區(qū)域。

    首先利用滑動(dòng)窗口對(duì)sEMG樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀。計(jì)算每一幀的能量和過(guò)零率，短時(shí)平均能量計(jì)算公式為：

其中，X(N)表示某幀的信號(hào)序列，L表示幀長(zhǎng)，N表示幀內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的序列號(hào)。

    對(duì)短時(shí)平均能量設(shè)置高低兩個(gè)閾值TE₁和TE₂，短時(shí)過(guò)零率設(shè)置一個(gè)閾值Tz，將計(jì)算的每幀能量E和過(guò)零率與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，若某時(shí)間幀F(xiàn)₁的短時(shí)平均能量和過(guò)零率同時(shí)大于TE₂和Tz，并且F₁幀之后的一段連續(xù)時(shí)間序列中能量值E持續(xù)大于高閾值TE₁，則認(rèn)為幀F(xiàn)₁為動(dòng)作單元的開(kāi)始，直到某時(shí)間幀F(xiàn)₂的短時(shí)平均能量和過(guò)零率同時(shí)小于TE₁和Tz，則幀F(xiàn)₂為動(dòng)作單元的結(jié)束。

    圖1為使用雙閾值算法針對(duì)手勢(shì)“NUM1”信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)示例圖。其中，圖1(a)中4幅子圖為手勢(shì)動(dòng)作“NUM1”的4個(gè)通道的原始信號(hào)波形圖。圖1(b)為動(dòng)作“NUM1”的端點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果圖。從圖1(a)可以看出，波形圖中幅值持續(xù)變大和過(guò)零次數(shù)變多時(shí)，代表有手勢(shì)動(dòng)作，當(dāng)手勢(shì)動(dòng)作結(jié)束時(shí)幅值和過(guò)零次數(shù)將變得很小。對(duì)比原始信號(hào)波形圖（圖1(a)）和端點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果圖（圖1(b)），使用雙閾值算法可以有效地檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)單元的起始端點(diǎn)，將sEMG中的運(yùn)動(dòng)單元分割出來(lái)。

1.2 字典學(xué)習(xí)和稀疏表示

    稀疏表示又稱為稀疏編碼，是指利用給定的過(guò)完備字典(冗余字典)作為基函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，并根據(jù)表示系數(shù)選擇盡可能少的原子對(duì)信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，也就是用盡量少的基函數(shù)原子對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行線性表示。其中，過(guò)完備字典(冗余字典)是由個(gè)數(shù)超過(guò)原始信號(hào)維數(shù)的原子組合而成的。

    設(shè)數(shù)據(jù)集Y(M×N)，其中列數(shù)N代表信號(hào)樣本的數(shù)目，行數(shù)M代表樣本的維度。一般而言，該矩陣是稠密的，即大多數(shù)元素不為零。 稀疏表示的含義是，尋找一個(gè)系數(shù)矩陣X(K×N)以及一個(gè)字典矩陣D(M×K)，使得X×D盡可能地還原Y，且X盡可能地稀疏,也就是每一列系數(shù)中只有少部分元素不為零，那么系數(shù)矩陣X便是信號(hào)Y的稀疏表示。

    稀疏表示模型如式(2)所示：

    這里，存在兩個(gè)優(yōu)化變量D和X，要想得到信號(hào)Y的稀疏系數(shù)必須構(gòu)造過(guò)完備字典D和根據(jù)字典D求解稀疏系數(shù)X。對(duì)于冗余字典D和稀疏系數(shù)X的優(yōu)化求解，一般來(lái)說(shuō)，不斷固定其中一個(gè)變量更新另外一個(gè)變量，交替迭代更新字典D和稀疏X。本文求解稀疏系數(shù)用的是貪婪算法中的正交匹配追蹤(OMP)算法，構(gòu)造過(guò)完備字典使用基于KSVD算法的學(xué)習(xí)字典方法，學(xué)習(xí)字典優(yōu)點(diǎn)是字典不局限于某一類信號(hào)上，能夠適應(yīng)大部分的稀疏域模型。

    KSVD算法是一種逐列更新字典的字典學(xué)習(xí)算法，若將多信號(hào)中每一個(gè)樣本只用一個(gè)原子表示時(shí)，則可轉(zhuǎn)化為K-means算法，在固定稀疏系數(shù)X時(shí)，目標(biāo)函數(shù)為：

其中，x_k代表系數(shù)矩陣X的第k行。

    優(yōu)化計(jì)算字典D和稀疏系數(shù)X的算法過(guò)程列在算法1中：

    算法1：優(yōu)化字典D和稀疏系數(shù)X

    (1)初始化：從原始信號(hào)Y(M×N)中隨機(jī)挑選k個(gè)樣本組成字典D∈R^M×k，并歸一化每一列；初始化稀疏編碼矩陣X為0矩陣。

    (2)稀疏編碼階段：固定字典D，用正交匹配追蹤(OMP)算法來(lái)計(jì)算原始信號(hào)Y的最優(yōu)稀疏系數(shù)矩陣X(x_i列的L0范數(shù)以確定的T0為界），編碼過(guò)程如式(4)所示：

    (3)更新字典階段：根據(jù)KSVD算法逐列更新第k列的字典原子Dk，k=1，2，…，K，并且同時(shí)更新稀疏編碼Xk，k=1，2，…，K。

    重復(fù)步驟(2)和步驟(3)，直到滿足優(yōu)化要求，此時(shí)即找到了最優(yōu)過(guò)完備字典D和最優(yōu)稀疏系數(shù)矩陣X。

1.3 SVM分類

    在本方法中，使用SVM算法對(duì)16種手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行分類。SVM是一種二值邊緣分類模型，其學(xué)習(xí)策略是間隔最大化，即是用一個(gè)超平面將不同類別數(shù)據(jù)點(diǎn)分開(kāi)，并且這個(gè)超平面兩邊的數(shù)據(jù)的間隔最大，它是目前最好的邊緣性分類器，在小樣本分類中有很好的效果。當(dāng)SVM對(duì)多分類問(wèn)題進(jìn)行分類時(shí)，有多類排序方法(Multiclass Ranking SVM)、“一對(duì)多”方法(One Versus Rest SVM)和“一對(duì)一”方法(One Versus One SVM)等方法。

    本文使用“一對(duì)多”方法，其中每個(gè)類都有一個(gè)分類器，該方法是將多分類任務(wù)轉(zhuǎn)為多個(gè)兩分類任務(wù)。在訓(xùn)練集中，將某一類別記作i，并將其標(biāo)簽標(biāo)記為+1，剩余類別都標(biāo)記為-1，如此標(biāo)記規(guī)則下則得到一個(gè)兩分類SVM模型，然后對(duì)類別i（+1）與剩余類別（-1）的兩分類進(jìn)行訓(xùn)練，得到使分類平面為最優(yōu)超平面訓(xùn)練模型參數(shù)Modeli，其中最優(yōu)解w和b包含在模型參數(shù)Modeli中。根據(jù)“一對(duì)多”方法的思想，對(duì)于n分類問(wèn)題，將得到n個(gè)訓(xùn)練模型參數(shù)：

    當(dāng)測(cè)試集中類別i進(jìn)行測(cè)試時(shí)，把測(cè)試向量i分別利用n個(gè)模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到n個(gè)測(cè)試結(jié)果f_n，這里，f_n=(f₁，f₂，…，f_n)。最終，測(cè)試向量i的分類結(jié)果為測(cè)試結(jié)果f_n中最大的值所在的類別，即：

2 實(shí)驗(yàn)

    本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)集分類兩個(gè)部分：訓(xùn)練集X_train和測(cè)試集X_test，訓(xùn)練集和測(cè)試集對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽為y_train和y_test。根據(jù)算法1計(jì)算出訓(xùn)練樣本的最優(yōu)過(guò)完備字典D和最優(yōu)稀疏系數(shù)矩陣X。這里，訓(xùn)練得到最優(yōu)稀疏系數(shù)矩陣X為X_train，然后使用正交匹配追蹤(OMP)算法來(lái)計(jì)算測(cè)試集樣本Y_test的最優(yōu)稀疏系數(shù)矩陣X_test。

    采集16種手勢(shì)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的表面sEMG，手勢(shì)動(dòng)作名稱為“NUM1”，“NUM7”，“NUM3”，“NUM2”，“伸掌旋轉(zhuǎn)”，“伸展手掌”，“NUM8”，“NUM6”，“垂直壓手腕”，“打響指”，“招手”，“握拳旋轉(zhuǎn)”，“緊握拳”，“握拳畫圈”，“水平壓手腕”，“旋轉(zhuǎn)手腕”。將16種手勢(shì)數(shù)據(jù)集中60%的數(shù)據(jù)用作訓(xùn)練，其余的40%數(shù)據(jù)用作測(cè)試。首先對(duì)于訓(xùn)練樣本，利用KSVD和OMP算法訓(xùn)練過(guò)完備字典D，根據(jù)過(guò)完備字典D計(jì)算出訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的稀疏系數(shù)。然后計(jì)算訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的時(shí)域特征，與稀疏系數(shù)特征進(jìn)行融合。最后使用SVM分類模型對(duì)訓(xùn)練樣本特征進(jìn)行訓(xùn)練得到模型參數(shù)，用測(cè)試樣本特征測(cè)試本方法對(duì)于多種手勢(shì)動(dòng)作的識(shí)別精度。

    首先將16種手勢(shì)信號(hào)進(jìn)行活動(dòng)段檢測(cè)并分割，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣率為1 000 Hz，所以設(shè)置幀長(zhǎng)為200 ms，幀移為80 ms。在圖2中，圖2(a)是16種手勢(shì)中第一種手勢(shì)“NUM1”經(jīng)過(guò)活動(dòng)段分割后的原始信號(hào)。為了檢測(cè)訓(xùn)練的過(guò)完備字典和稀疏系數(shù)是否有用，信號(hào)重構(gòu)是一個(gè)很好的方法。將手勢(shì)“NUM1”的稀疏系數(shù)X和過(guò)完備字典D根據(jù)公式Y(jié)=DX計(jì)算手勢(shì)“NUM1”的重構(gòu)信號(hào)Y，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2(b)所示。圖2(b)中有4幅子圖，從左到右、從上至下依次為手勢(shì)“NUM1”4個(gè)通道的重構(gòu)信號(hào)，其中實(shí)線為手勢(shì)“NUM1”經(jīng)預(yù)處理后的信號(hào)，虛線為手勢(shì)“NUM1”重構(gòu)信號(hào)。從圖2(b)可以看出，手勢(shì)“NUM1”原始信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)相似度很高，經(jīng)計(jì)算4個(gè)通道原始波形和重構(gòu)后波形相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.91、0.97和0.95。稀疏系數(shù)X是原始信號(hào)Y在過(guò)完備字典D上的投影系數(shù)，當(dāng)利用稀疏系數(shù)X和過(guò)完備字典D重構(gòu)圖形能夠很好地再現(xiàn)原始信號(hào)時(shí)，稀疏系數(shù)是有效的，可以代表原始信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的識(shí)別分類。

    BENALCAZAR M E等^[18]在歐洲信號(hào)處理會(huì)議中，使用動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整和人工前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法識(shí)別5個(gè)手勢(shì)，識(shí)別準(zhǔn)確率為90.1％。在本文中，BENALCAZAR M E使用的數(shù)據(jù)通過(guò)融合稀疏特征和時(shí)域特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表1、表2和表3是不同訓(xùn)練比率下數(shù)據(jù)集的結(jié)果。其中SR是稀疏表示特征，Time-domain是時(shí)間特征，F(xiàn)NN是前反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

    如表1～表3所示，稀疏特征比BENALCAZAR M E使用的動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整特征準(zhǔn)確率要高，同時(shí)增加時(shí)域信號(hào)可以比單一稀疏特征有更高的手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確度。此外，隨著訓(xùn)練樣本比例的增加，識(shí)別準(zhǔn)確率大大提高。當(dāng)樣本比例為25％時(shí)，Time-domain+ SVM的識(shí)別率僅為87.6％。當(dāng)樣本比例增加到50％時(shí)，Time-domain+SVM的識(shí)別率增加到96.93％。當(dāng)樣本比例進(jìn)一步增加到75％時(shí)，Time-domain+ SVM的識(shí)別率為98.46％。

    表4和圖3是16種手勢(shì)識(shí)別的結(jié)果，圖3給出了16種手勢(shì)動(dòng)作識(shí)別結(jié)果的混淆矩陣，由圖可知，融合稀疏特征和時(shí)域特征的方法總體分類正確率是98.4%。其中11種手勢(shì)識(shí)別率100%，而手勢(shì)6“伸展手掌”和手勢(shì)9“垂直壓手腕”識(shí)別率相對(duì)較差，為92.9%。手勢(shì)6和手勢(shì)9都包含張開(kāi)手掌這個(gè)動(dòng)作，不同之處為手勢(shì)9需要壓手腕，因此手勢(shì)6和手勢(shì)9識(shí)別率相對(duì)較差。

3 結(jié)論

    本文提出一種融合稀疏表示特征和時(shí)域特征的多手勢(shì)識(shí)別方法。使用稀疏表示算法提取表面sEMG，融合時(shí)域特征利用SVM算法進(jìn)行16類手勢(shì)動(dòng)作的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)16類手勢(shì)動(dòng)作可有98.4%的平均識(shí)別精度，該方法能夠有效對(duì)16種手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別分類。

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作者信息:

李趙春1，顧  權(quán)1，2，王玉成2

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子與工程學(xué)院，江蘇 南京210037；

2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州213000)