Video-based analysis of Gait pathologies

Abstract

L’analyse de la marche a émergé comme l’un des domaines médicaux le plus im- portants récemment. Les systèmes à base de marqueurs sont les méthodes les plus fa- vorisées par l’évaluation du mouvement humain et l’analyse de la marche, cependant, ces systèmes nécessitent des équipements et de l’expertise spécifiques et sont lourds, coûteux et difficiles à utiliser. De nombreuses approches récentes basées sur la vision par ordinateur ont été développées pour réduire le coût des systèmes de capture de mou- vement tout en assurant un résultat de haute précision. Dans cette thèse, nous présentons notre nouveau système d’analyse de la démarche à faible coût, qui est composé de deux caméras vidéo monoculaire placées sur le côté gauche et droit d’un tapis roulant. Chaque modèle 2D de la moitié du squelette humain est reconstruit à partir de chaque vue sur la base de la segmentation dynamique de la couleur, l’analyse de la marche est alors effectuée sur ces deux modèles. La validation avec l’état de l’art basée sur la vision du système de capture de mouvement (en utilisant le Microsoft Kinect) et la réalité du ter- rain (avec des marqueurs) a été faite pour démontrer la robustesse et l’efficacité de notre système. L’erreur moyenne de l’estimation du modèle de squelette humain par rapport à la réalité du terrain entre notre méthode vs Kinect est très prometteur: les joints des angles de cuisses (6,29◦ contre 9,68◦), jambes (7,68◦ contre 11,47◦), pieds (6,14◦ contre 13,63◦), la longueur de la foulée (6.14cm rapport de 13.63cm) sont meilleurs et plus stables que ceux de la Kinect, alors que le système peut maintenir une précision assez proche de la Kinect pour les bras (7,29◦ contre 6,12◦), les bras inférieurs (8,33◦ contre 8,04◦), et le torse (8,69◦contre 6,47◦). Basé sur le modèle de squelette obtenu par chaque méthode, nous avons réalisé une étude de symétrie sur différentes articulations (coude, genou et cheville) en utilisant chaque méthode sur trois sujets différents pour voir quelle méthode permet de distinguer plus efficacement la caractéristique symétrie / asymétrie de la marche. Dans notre test, notre système a un angle de genou au maximum de 8,97◦ et 13,86◦ pour des promenades normale et asymétrique respectivement, tandis que la Kinect a donné 10,58◦et 11,94◦. Par rapport à la réalité de terrain, 7,64◦et 14,34◦, notre système a montré une plus grande précision et pouvoir discriminant entre les deux cas.

Gait analysis has emerged as one of the most important medical field recently due to its wide range of applications. Marker-based systems are the most favoured methods of human motion assessment and gait analysis, however, these systems require specific equipment and expertise, and are cumbersome, costly and difficult to use. Many re- cent computer-vision-based approaches have been developed to reduce the cost of the expensive motion capture systems while ensuring high accuracy result. In this thesis, we introduce our new low-cost gait analysis system that is composed of two low-cost monocular cameras (camcorders) placed on the left and right sides of a treadmill. Each 2D left or right human skeleton model is reconstructed from each view based on dy- namic color segmentation, the gait analysis is then performed on these two models. The validation with one state-of-the-art vision-based motion capture system (using the Mi- crosoft Kinect v.1) and one ground-truth (with markers) was done to demonstrate the robustness and efficiency of our system. The average error in human skeleton model estimation compared to ground-truth between our method vs. Kinect are very promis- ing: the joints angles of upper legs (6.29◦ vs. 9.68◦), lower legs (7.68◦ vs. 11.47◦), feet (6.14◦ vs. 13.63◦), stride lengths (6.14cm vs. 13.63cm) were better and more stable than those from the Kinect, while the system could maintain a reasonably close accu- racy to the Kinect for upper arms (7.29◦ vs. 6.12◦), lower arms (8.33◦ vs. 8.04◦), and torso (8.69◦ vs. 6.47◦). Based on the skeleton model obtained by each method, we per- formed a symmetry study on various joints (elbow, knee and ankle) using each method on two different subjects to see which method can distinguish more efficiently the sym- metry/asymmetry characteristic of gaits. In our test, our system reported a maximum knee angle of 8.97◦ and 13.86◦ for normal and asymmetric walks respectively, while the Kinect gave 10.58◦ and 11.94◦. Compared to the ground-truth, 7.64◦ and 14.34◦, our system showed more accuracy and discriminative power between the two cases.