基于运动捕捉的持刀砍击距离和砍击所需空间的特征分析
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Characteristics of the Distance and Space Required for Knife Slashing Using a Motion Capture System
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通讯作者: 郝卫亚,男,博士,研究员,主要从事生物力学研究;E-mail:haoweiya@ciss.cn王明直,男,研究员,主要从事现场调查和分析重建研究;E-mail:wang2008mingzhi@163.com
编委: 李正东
收稿日期: 2021-10-09
| 基金资助: |
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Received: 2021-10-09
作者简介 About authors
袁书芳(1993—),女,硕士,主要从事运动生物力学研究;E-mail:m13161579565@163.com
目的 探究作案人性别、被害人体位、砍击部位及人体测量参数与砍击距离和砍击所需空间之间的关系,为判断案发现场与作案活动空间是否相符提供依据。 方法 采用三维运动捕捉系统采集男女性各12名受试者持厨刀砍击站立位和仰卧位假人颈部、站立位假人胸部的运动学数据,分别使用两因素重复测量方差分析和Pearson相关分析确定作案人性别-被害人体位和作案人性别-砍击部位以及人体测量参数与砍击距离和砍击所需空间的关系。 结果 砍击站立位假人颈部的砍击距离绝对值(L)和相对值(l)大于砍击仰卧位假人颈部,持刀侧垂直距离绝对值(LVR)和相对值(lVR)小于砍击仰卧位假人颈部。砍击站立位假人胸部的L和l大于砍击站立位假人颈部,LVR和lVR小于砍击站立位假人颈部。男性持刀侧水平距离绝对值(LHR)和相对值(lHR)大于女性。砍击站立位假人时,身高和臂长与L、LHR和LVR呈正相关。 结论 砍击仰卧位被害人颈部或站立位被害人颈部时,砍击距离较小,砍击高度较大。此外,砍击距离和砍击所需空间与人体测量参数相关。
关键词:
Objective To investigate the relationship between the perpetrator’s sex, victim’s position and slashing location as well as anthropometric parameters on distance and space required for slashing, to provide the theoretical basis for the judgment of whether the crime scene was consistent with the criminal activity space. Methods The kinematics data of 12 male and 12 female subjects slashing the neck of standing and supine mannequins as well as the chest of the standing mannequins with a kitchen knife were obtained by using a 3D motion capture system. The relationship between the perpetrator’s sex-victim’s position, the perpetrator’s sex-slashing location, and anthropometric parameters and the distance and space required for the slashing were analyzed by two-factor repeated measures ANOVA and Pearson correlation analysis respectively. Results Compared with slashing the neck of supine mannequins, the distance (L) and normalized L (l) of slashing the neck of standing mannequins were greater, while vertical distance (LVR) and normalized LVR (lVR) of the knife side were smaller. Compared with slashing the neck of standing mannequins, the L and l slashing the chest of standing mannequins were greater, while LVR and lVR were smaller. Horizontal distance (LHR) and normalized LHR (lHR) of the knife side in males were greater than that in females. Height and arm length were positively correlated with L, LHR, and LVR when striking the standing mannequins. Conclusion When slashing the neck of supine or standing victims, the slashing distance is shorter and the slashing height is greater. Furthermore, the distance and space required for slashing are correlate with anthropometric parameters.
Keywords:
本文引用格式
袁书芳, 李上校, 杨超朋, 倪彬, 郭文霞, 石屹, 王冬梅, 潘嘉慧, 王明直, 郝卫亚.
YUAN Shu-fang, LI Shang-xiao, YANG Chao-peng, NI Bin, GUO Wen-xia, SHI Yi, WANG Dong-mei, PAN Jia-hui, WANG Ming-zhi, HAO Wei-ya.
由于砍器方便易得,便于挥动,且挥动速度快、力量大,导致砍击的伤害性和威胁性较强[1],是暴力伤人、杀人案件中最常见的方式之一。
1 对象与方法
1.1 实验对象
随机选取青年男女各12名为实验对象,受试者均为右利手,身体状况良好且心理素质稳定。男性年龄(24.2±1.1)岁,身高(173.9±3.0) cm,体质量(73.2±9.1) kg;女性年龄(23.6±1.2)岁,身高(162.6±3.1) cm,体质量(55.0±5.5) kg。本研究由国家体育总局体育科学研究所伦理委员会审批(审批文号:20210709),在实验开始前受试者均签署知情同意书。
1.2 数据采集
依据Qualisys PAF Running模型在受试者身上粘贴反光标志点[16],根据实际需要在假人头部、肩部、胸部、髋部以及刀具远端、近端粘贴反光标志点。
使用8镜头Oqus700三维运动捕捉系统(瑞典Qualisys公司)采集砍击动作的运动学数据,采样频率为250 Hz,配套反光标志点直径为14 mm。每个砍击动作采集3次有效数据,取数据点采集最全的1次进行4阶巴特沃斯低通滤波去噪声处理,截断频率为25 Hz。
1.3 数据处理
砍击过程界定为受试者挥刀开始到刀具接触假人瞬时的动作阶段。挥刀开始时刻为刀尖反光标志点(图1中A点)坐标轴Z轴方向速度大于零的瞬时,刀具接触假人时刻为假人胸骨反光标志点速度大于零的瞬时。反光标志点的坐标、速度和受试者的身高、臂长、腿长人体测量参数从三维运动捕捉系统的分析软件Qualisys Track Manager(QTM)中获得。砍击距离和砍击所需空间界定如下:
图1
图1
砍击所需空间示意图
A点为刀尖反光标志点,B点为非持刀侧第二掌指关节点,LHL和LVL分别为非持刀侧水平距离和垂直距离,LHR和LVR分别为持刀侧水平距离和垂直距离。
Fig. 1
Schematic diagram of space required for slashing
(1)砍击距离(L):作案人和被害人之间的水平距离能直观地反映两者之间的位置关系,因此砍击距离界定为刀具接触假人瞬时受试者与假人双侧髂前上棘连线中点间的水平距离(图2)。为排除受试者身高对砍击距离的影响,将砍击距离除以受试者身高作为相对砍击距离(l)。
图2
图2
砍击距离示意图
O点和P点为受试者和假人双侧髂前上棘的中点,L为受试者与假人之间的水平距离。
Fig. 2
Schematic diagram of slashing distance
①受试者双侧髂前上棘的水平面坐标分别为[Xl,Yl]、[Xr,Yr],假人双侧髂前上棘的水平面坐标分别为[xl,yl]、[xr,yr]。[Xc,Yc]和[xc,yc]分别为刀具接触假人瞬时受试者和假人双侧髂前上棘中点的坐标,计算公式为:
②刀具接触假人瞬时受试者和假人之间的砍击距离(L)为:
(2)砍击所需空间:对受试者实施砍击行为时非持刀侧和持刀侧的最大水平半径(LH)和最大垂直距离(LV)进行界定(图1)。非持刀侧水平距离(LHL)为非持刀侧(第二掌指关节点B)的运动轨迹围绕受试者双侧髂前上棘中点在水平面上的最大转动半径,除以受试者身高标准化为相对水平距离(lHL);非持刀侧垂直距离(LVL)为非持刀侧(第二掌指关节点B)的运动轨迹在垂直方向上的最大距离,除以受试者身高标准化为相对垂直距离(lVL);持刀侧水平距离(LHR)为持刀侧(刀尖A)的运动轨迹围绕受试者双侧髂前上棘中点在水平面上的最大转动半径,除以受试者身高标准化为相对水平距离(lHR);持刀侧垂直距离(LVR)为持刀侧(刀尖A)的运动轨迹在垂直方向上的最大距离,除以受试者身高标准化为相对垂直距离(lVR)。
①受试者双侧髂前上棘的动态水平坐标分别为[Xl(t),Yl(t)]、[Xr(t),Yr(t)],[Xc(t),Yc(t)]为受试者双侧髂前上棘中点的动态坐标,计算公式为:
②[Xk(t),Yk(t),Zk(t)]为刀尖A或非持刀侧第二掌指关节点B在X、Y和Z轴方向上的动态坐标,刀尖A或非持刀侧第二掌指关节点B运动轨迹围绕受试者双侧髂前上棘中点运动半径的动态变化值[LH(t)]为:
③水平距离LH为
1.4 统计分析
采用Shapiro-Wilk检验法对数据进行正态分布检验,采用两因素重复测量方差分析(2×2)分别对作案人性别-被害人体位(站立位和仰卧位假人的颈部)、作案人性别-砍击部位(站立位假人的颈部和胸部)的砍击距离及砍击所需空间的绝对值和相对值进行统计检验。使用Pearson相关分析对人体测量参数(身高、臂长和腿长)与砍击距离和砍击所需空间的绝对值进行检验。数据用
2 结 果
2.1 砍击不同体位的比较
本研究中男女性的砍击距离和砍击所需空间均符合正态分布。两因素重复测量方差分析结果显示,性别和体位对砍击距离、砍击所需空间均无交互作用(P>0.05,表1)。
表1
砍击不同体位假人的砍击距离和砍击所需空间 (n=12,
Tab. 1
| 指标 | 男性 | 女性 | ||
|---|---|---|---|---|
| 站立位 | 仰卧位 | 站立位 | 仰卧位 | |
| 砍击距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.66±0.06 | 0.55±0.101) | 0.59±0.07 | 0.54±0.081) |
| 相对值 | 0.38±0.03 | 0.32±0.061) | 0.36±0.04 | 0.33±0.051) |
| 非持刀侧水平距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.51±0.09 | 0.48±0.12 | 0.43±0.12 | 0.44±0.11 |
| 相对值 | 0.29±0.05 | 0.28±0.07 | 0.26±0.08 | 0.27±0.06 |
| 非持刀侧垂直距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.98±0.08 | 0.91±0.10 | 0.91±0.14 | 0.96±0.25 |
| 相对值 | 0.57±0.05 | 0.52±0.05 | 0.56±0.08 | 0.59±0.14 |
| 持刀侧水平距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.87±0.05 | 0.87±0.07 | 0.77±0.062) | 0.82±0.062) |
| 相对值 | 0.50±0.03 | 0.50±0.04 | 0.47±0.03 | 0.51±0.04 |
| 持刀侧垂直距离 | ||||
| 绝对值/m | 1.82±0.13 | 1.86±0.161) | 1.71±0.082) | 1.78±0.111)2) |
| 相对值 | 1.05±0.07 | 1.07±0.091) | 1.05±0.05 | 1.09±0.071) |
在砍击距离方面,性别对砍击距离绝对值和相对值的影响无统计学意义(P>0.05);体位对砍击距离绝对值和相对值的影响有统计学意义,砍击站立位假人的砍击距离大于砍击仰卧位假人(P<0.05)。详见表1。
在砍击所需空间方面,性别对持刀侧水平距离绝对值和垂直距离绝对值的影响有统计学意义,男性大于女性(P<0.05),男女性间非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧水平距离相对值和垂直距离相对值差异的均无统计学意义(P>0.05);体位对持刀侧垂直距离的绝对值和相对值的影响有统计学意义,仰卧位大于站立位(P<0.05),站立位和仰卧位间非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧水平距离的绝对值和相对值差异均无统计学意义(P>0.05)。详见表1。
2.2 砍击不同部位的比较
两因素重复测量方差分析结果显示,性别和部位对砍击距离、砍击所需空间的交互作用均无统计学意义(P>0.05,表2)。
表2
砍击站立位假人不同部位的砍击距离和砍击所需空间 (n=12,
Tab. 2
| 指标 | 男性 | 女性 | ||
|---|---|---|---|---|
| 假人颈部 | 假人胸部 | 假人颈部 | 假人胸部 | |
| 砍击距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.66±0.06 | 0.74±0.041) | 0.59±0.072) | 0.66±0.081)2) |
| 相对值 | 0.38±0.03 | 0.43±0.021) | 0.36±0.04 | 0.40±0.051) |
| 非持刀侧水平距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.51±0.09 | 0.48±0.08 | 0.43±0.12 | 0.43±0.13 |
| 相对值 | 0.29±0.05 | 0.25±0.09 | 0.26±0.08 | 0.27±0.08 |
| 非持刀侧垂直距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.98±0.08 | 1.00±0.15 | 0.91±0.14 | 0.91±0.14 |
| 相对值 | 0.57±0.05 | 0.58±0.08 | 0.56±0.08 | 0.56±0.08 |
| 持刀侧水平距离 | ||||
| 绝对值/m | 0.87±0.05 | 0.86±0.05 | 0.77±0.062) | 0.75±0.082) |
| 相对值 | 0.50±0.03 | 0.49±0.03 | 0.47±0.032) | 0.46±0.052) |
| 持刀侧垂直距离 | ||||
| 绝对值/m | 1.82±0.13 | 1.80±0.141) | 1.71±0.082) | 1.63±0.131)2) |
| 相对值 | 1.05±0.07 | 1.03±0.071) | 1.05±0.05 | 1.00±0.081) |
在砍击距离方面,性别对砍击距离绝对值有影响,男性大于女性(P<0.05),男女性间砍击距离相对值的差异无统计学意义(P>0.05);砍击部位对砍击距离的绝对值和相对值有影响,砍击胸部大于砍击颈部(P<0.05)。详见表2。
在砍击所需空间方面,性别对持刀侧水平距离的绝对值和相对值、持刀侧垂直距离绝对值的影响有统计学意义,男性大于女性(P<0.05),男女性间非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧垂直距离相对值的差异均无统计学意义(P>0.05);砍击部位对持刀侧垂直距离的绝对值和相对值有影响,砍击颈部大于砍击胸部(P<0.05),砍击胸部和颈部非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧水平距离绝对值和相对值的差异均无统计学意义(P>0.05)。详见表2。
2.3 人体测量参数与砍击距离和砍击所需空间的相关性
Pearson相关分析结果(表3)显示:砍击站立位假人颈部时,身高与砍击距离、持刀侧水平距离和持刀侧垂直距离呈正相关,臂长与砍击距离和持刀侧水平距离呈正相关;砍击站立位假人胸部时,身高与砍击距离、持刀侧水平距离和持刀侧垂直距离呈正相关,臂长和腿长与持刀侧垂直距离呈正相关;砍击仰卧位假人颈部时,身高和臂长与持刀侧水平距离呈正相关。
表3 人体测量参数与砍击距离和砍击所需空间的相关系数 (n=24)
Tab. 3
| 砍击方式 | 参数 | 砍击距离 | 非持刀侧水平距离 | 非持刀侧垂直距离 | 持刀侧水平距离 | 持刀侧垂直距离 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 站立位颈部 | 身高 | 0.4381) | 0.252 | 0.302 | 0.7001) | 0.5001) |
| 臂长 | 0.4531) | 0.218 | 0.117 | 0.6251) | 0.382 | |
| 腿长 | 0.070 | 0.147 | 0.170 | 0.343 | 0.309 | |
| 站立位胸部 | 身高 | 0.4651) | 0.176 | 0.361 | 0.6101) | 0.6201) |
| 臂长 | 0.292 | 0.123 | 0.254 | 0.354 | 0.5251) | |
| 腿长 | 0.227 | 0.157 | 0.223 | 0.366 | 0.4251) | |
| 仰卧位颈部 | 身高 | 0.074 | 0.270 | 0.125 | 0.4391) | 0.392 |
| 臂长 | 0.015 | 0.277 | 0.149 | 0.5131) | 0.344 | |
| 腿长 | 0.287 | 0.238 | 0.307 | 0.360 | 0.311 |
3 讨 论
本研究结果显示,砍击站立位假人颈部的砍击距离大于砍击仰卧位假人颈部,砍击所需空间小于砍击仰卧位假人颈部。被害人处于仰卧位时,砍击距离较小,持刀侧垂直距离较大,其原因可能是砍击站立位被害人颈部时,砍击部位在受试者前方,受试者主要向后方引臂挥刀,增加了砍击距离。砍击仰卧位被害人时,砍击部位低于受试者,受试者呈站立位向后上方引臂挥刀,增加了挥刀的高度,使持刀侧垂直距离增大。相对于站立位,砍击仰卧位被害人具有更大的砍击势能,造成的伤害有可能更加严重。通常来说,被害人在站立位受到砍击伤害大多是临时起意的激情伤人或者杀人,被害人在仰卧位受到砍击伤害多为预谋犯罪[19]。本研究结果可为判断作案人犯罪行为(激情犯罪或预谋犯罪)提供辅助线索。
本研究结果发现,砍击站立位假人颈部的砍击距离小于砍击站立位假人胸部,所需空间大于砍击站立位假人胸部。颈部和胸部是锐器伤害案件中最常被攻击的部位[20],颈部有气管和重要血管,无骨组织和衣物保护,受到砍击伤害会造成呼吸困难或者急性失血性休克,因此,颈部受到砍击伤害更加致命。本研究结果显示,砍击部位为站立位颈部时,作案人和被害人距离较近,垂直距离较大。
本研究结果表明,不同性别间的砍击距离、持刀侧水平距离和持刀侧垂直距离差异具有统计学意义,男性砍击距离和砍击所需空间大于女性,但将指标相对身高标准化后,仅发现砍击站立位被害人颈部和胸部时男性持刀侧相对水平距离大于女性,即性别对砍击距离和持刀侧垂直距离的影响主要由身高造成,而造成不同性别间持刀侧水平距离差异的原因可能与其他因素有关。推测性别间持刀侧水平距离的差异可能来自力量的差异,男性上肢力量大于女性,导致性别间的砍击动作模式有所不同,男性上肢肘关节和腕关节伸展更加充分,增加了砍击时的旋转水平半径。因此,对持刀侧水平距离的研究还需要后续进一步探讨。
另外,本研究结果显示,人体测量参数身高和臂长与砍击距离和砍击所需空间呈正相关,而腿长对砍击距离和砍击所需空间影响不大。即随着身高和臂长的增加,砍击距离和砍击所需空间会不断增加,提示作案活动所需距离和空间与作案人身高和臂长等个体特征相关。因此,在推断案发现场和砍击所需距离和空间是否相符时还应考虑作案人的体格特征。
本研究中男女性受试者使用相同刀具进行测试,并未根据身高、体质量进行刀具长度和质量的标准化,可能对受试者砍击动作产生一定影响。此外,本研究中男性受试者平均身高高于假人,而女性平均身高低于假人,也可能会影响砍击时肘关节和腕关节的伸展角度,提示作案人与被害人的身高差可能会影响砍击动作模式。当作案人的身高高于被害人时,砍击的水平空间范围可能较大,反之,作案人的身高低于被害人时,砍击所需的水平空间可能较小。因此,分析作案人砍击的水平空间范围是否与现场空间相符,还应结合作案人和被害人的身高差距进行推定。
本研究中砍击所需空间是在实验室不受限制的空间环境下完成砍击的最小空间范围,即作案人尽全力完成砍击动作所需的最小空间值。若空间范围受限,受试者的砍击动作模式可能发生较大改变,如上臂不能充分外展、后伸,所造成的砍击伤害可能会有较大差异。空间环境大于砍击所需空间的,该处有可能是案发现场;若空间环境小于砍击所需空间,不能直接排除案发现场的可能,还需结合空间中是否存在砍器挥动痕迹进一步判断是否为案发现场。
本研究基于案件研判的实际需求,获得砍击伤害所需距离和空间的定量指标,为案件研判和法庭庭审提供了新的支撑依据。但由于条件的限制,实验设计未能选取砍击案件中其他常见的伤害部位和体位进行研究。此外,实际案件中还常伴有被害人躲闪、抵抗等行为,而本研究中的假人为静态对象,不能完全模拟动态砍击伤害过程,在后续的研究中可增加相关内容。
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