탄성 보행 모델을 이용한 단일 RGB 영상기반 지면반력 추정기법

Abstract

지면반력은 질병 진단에 활용 가능한 지표로 사용되거나 보행의 역학 분석에 사용된다. 지면반력을 측정하는 방법 중 공간의 제약이 해소하고자 개발된 착용형 시스템은 센서의 내구성과 장비 부착을 이유로 다양한 환경에서의 장시간 사용에 한계가 있다. 본 연구에서는 보행 중 하지의 동역학 특성을 반영하는 탄성 보행 모델과 보행 영상을 이용하여 공간의 제약이 적고 보행자의 장비 부착이 필요치 않은 지면반력 추정기법을 제안한다. 단일 RGB 카메라를 이용하여 촬영한 보행 영상에서 보행자의 허리 위치를 수집하고 이로부터 무게중심을 유추하였다. 영상은 트레드밀 위에서 수행되는 보행의 시상면의 촬영을 가정하였다. 영상에서 이미지 영역을 추적하는 방법으로 허리 위치를 수집하고, 무게중심을 유추하기 위해 신체의 보행의 대칭성과 질량분포의 변화를 고려하였다. 이 무게중심 궤적을 재현하는 탄성 보행 모델로부터 지면반력을 추정하였다. 제안하는 지면반력 추정기법의 실험적 검증을 위해, 트레드밀에 내장된 힘판에서 지면반력을 측정하고 추정결과와 비교하였다. 추정된 지면반력은 수직수평에 대해 각각 NRMS 9.26 ± 2.44 %, 10.33 ± 1.39 %의 오차를 보였다. 제안한 방법은 영상에서 보행자 원근의 변화를 고려하지 않았기 때문에 보편적인 평지 보행에 적용되기에 한계가 있다. 제안한 방법의 지면반력은 단일 카메라를 사용하였을 때, 다관절 정보만으론 한계가 있는 보행자의 역학 분석에 활용될 것으로 기대된다. 또한 지면반력의 비대칭성과 같은 질환 보행도 재현할 수 있는 모델이 적용된다면, 진단 지표를 도출할 방법으로써 활용될 수 있다.