一种基于单目视觉的颈椎活动度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单目视觉的颈椎活动度测量系统及方法，相机拍摄被测人员头部转动过程中佩戴在被测人员头部的头盔靶标图像，相机安装于人头部上方，靶标位于头盔顶部；相机将拍摄的头盔靶标的图像传输至计算机，计算机计算被测人员运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系的平移旋转矩阵，进而得到运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ。本发明专利技术采用单目视觉的方式测量头盔坐标系位姿，位姿测量精度高，计算速度快，从而保证颈椎活动度测量精度和速度。

A Measurement System and Method of Cervical Vertebral Motion Based on Monocular Vision

The invention discloses a cervical spondylosis activity measurement system and method based on monocular vision. The camera captures the image of the helmet target worn on the head of the person under test during the head rotation process. The camera is mounted above the head of the person under test, and the target is located on the top of the helmet. The camera transmits the image of the helmet target captured to the computer and calculates the coordinates of the helmet after the person under test moves. The translation rotation matrix of the helmet coordinate system is obtained when the measured person sits at the end, and then the rotation angles of the x, y and Z axes of the helmet coordinate system are obtained when the measured person sits at the end. The invention adopts monocular vision to measure the position and posture of the helmet coordinate system, which has high accuracy and fast calculation speed, thereby ensuring the accuracy and speed of the measurement of cervical spine mobility.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉的颈椎活动度测量系统及方法
本公开涉及颈椎活动度测量
，特别是涉及基于机器视觉的颈椎活动度测量系统及方法。
技术介绍
颈椎活动度是颈椎功能的重要评价指标，对颈椎病早期诊断、颈椎病预测以及颈椎病疗效评价具有重要意义。颈椎活动度包括前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6个角度范围。目前，颈椎活动度测量方法主要有：皮尺测量法、量角器测量法、CROM仪、X射线测量法以及CT三维重建测量法等等。皮尺测量法、量角器测量法和CROM仪测量过程复杂，需要工作人员参与；X射线测量法以及CT三维重建测量法虽然精度较高，但是容易对人体健康造成伤害。现有技术中，公开号CN105816182A，公开了一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，公开了使用传感器获取并传送其视场内的深度数据和彩色数据，然后提起人体面部特征点及骨骼关节点三维坐标，再构建头部及躯干特征向量，计算颈椎活动角度。公开号CN106447733A，公开了颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法、系统及装置，该专利利用双目视觉摄像机拍摄被测人员头部转动过程中佩戴在被测人员头部的检测标志的图像，利用三角量测法确定与检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点，将采样点投影到投影平面内，得到投影点，利用最小二乘拟合法对投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。但是，上述专利技术在测量时，存在的问题是：基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法需要识别人脸关键点和骨骼特征点，精度不高；颈椎水平旋转运动时，角度较大，人脸关键点会出现在Kinect检测盲区，无法识别。且CN106447733A专利测量方法复杂，实时性不高，每次颈椎活动度测量需要拍摄多幅图像。同时在具体实施中，国际象棋盘上的标志点通过最小二乘法拟合圆，误差较大。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于单目视觉的颈椎活动度测量系统及方法，采用单目视觉的方式测量头盔坐标系位姿，位姿测量精高度，从而提高颈椎活动度测量精度。基于单目视觉的颈椎活动度测量系统：包括头盔、相机及计算机；所述头盔的顶部设置有多个靶标，相机安装于被测人员头部上方，相机拍摄靶标图像；所述相机将拍摄的图像传输至计算机，计算机计算被测人员运动后头盔坐标系相对于被测人员端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，其中，β是前屈/后伸活动度，α是左侧屈/右侧屈活动度，γ是左旋转/右旋转活动度。进一步的，所述头盔顶部为平面结构，头盔下部边缘在同一平面且与顶部平面平行，头盔顶部有多个圆形靶标，靶标之间的颜色不同，根据颜色可以将头盔上的靶标和相机图像中的靶标匹配。进一步的，所述头盔顶部的靶标选用4个圆形靶标，呈正方形排列，此正方形四个边与头盔上部四个边缘平行，这4个靶标颜色分别是红、绿、黄、蓝，从头盔前部观察，红色靶标在左上方，绿色靶标在右上方，黄色靶标在右下方，蓝色靶标在左下方，以红色靶标附近的端点为原点，以红蓝靶标附近边缘性为x轴，以红绿靶标附近边缘线为y轴建立头盔坐标系。进一步的，所述头盔前部设置有定位线，对于正方体头盔，定位线两个端点分别是上下边缘中点，定位线结合人脸面部中轴线用于帮助测试者保证头盔佩戴姿势正确，相机用于采集头盔顶部靶标图像。进一步的，所述计算机连接声音模块，声音模块用于提示测量者测量步骤、提醒测量者正确佩戴头盔及测量者做颈部某一方向运动时，若其他方向的运动超过设定值，声音模块提醒减少其他方向的运动量。基于单目视觉的颈椎活动度测量方法，包括：获取相机拍摄的被测人员头部转动过程中佩戴在被测人员头部的检测标志的图像，被测人员头部的检测标志为设置在被测人员头部所佩戴的头盔的顶部的靶标；相机将拍摄的检测标志的图像传输至计算机，根据检测标志的图像所在头盔坐标系中的位置坐标，在计算机中根据被测人员运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系的平移旋转矩阵计算运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，其中，β是前屈/后伸活动度，α是左侧屈/右侧屈活动度，γ是左旋转/右旋转活动度。进一步的，在被测人员进行颈椎活动度测量之前，需要建立头盔坐标系并测量头盔上的靶标圆心在头盔坐标系中的位置坐标。进一步的，在被测人员进行颈椎活动度测量之前，还需要标定单目相机内参数矩阵。进一步的，在被测人员进行颈椎活动度测量时，被测人员端坐，保证头盔4个下边缘处于同一水平面且与被测人员双眉平行，头盔前部的定位线与被测人员人脸中轴线重合。进一步的，相机拍摄被测人员端坐时的头盔图像，计算出头盔坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵H0。进一步的，相机采集被测人员做最大尺度的颈部前屈/后伸运动时的图像，计算出头盔坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵H1，则前屈/后伸运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系的旋转平移矩阵是A1＝H1H0-1，根据A1计算出运动后头盔坐标系到测量者端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，如果α和γ小于设定阈值t，记录β是前屈/后伸活动度，否则，系统提醒测量者减少左右侧屈、左右旋转运动量，重新进行前屈/后伸活动度测量。进一步的，相机采集被测人员做最大尺度的颈部左侧屈/右侧屈运动时的图像，计算出头盔坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵H2，则前屈/后伸运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系的旋转平移矩阵是A2＝H2H0-1，根据A1计算出运动后头盔坐标系到测量者端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，如果β和γ小于设定阈值t，记录α是左侧屈/右侧屈活动度，否则，系统提醒测量者减少前后伸、左右旋转运动量，重新进行左侧屈/右侧屈活动度。进一步的，相机采集被测人员做最大尺度的颈部左旋转/右旋转运动时的图像，计算出头盔坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵H3，则前屈/后伸运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系的旋转平移矩阵是A3＝H3H0-1，根据A1计算出运动后头盔坐标系到测量者端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，如果α和β小于设定阈值t，记录γ是左旋转/右旋转活动度，否则，系统提醒测量者减少前后伸、左右侧屈运动量，重新进行左旋转/右旋转活动度。进一步的，解算头盔坐标系到相机坐标系旋转平移旋转矩阵H，此处的H为H0、H1、H2或H3具体过程如下：相机采集头盔靶标图像；根据颜色和圆形形状识别出靶标连通域，取连通域重心作为靶标圆心；颜色识别：相机采集的图像中靶标颜色T(TR,TG,TB)和对比颜色C(CR,CG,CB)的相似度：设定阈值，当d小于设定阈值则认为靶标颜色是该对比颜色；圆形形状识别：采用圆形度方法、Hough圆变换或最小二乘法；根据颜色将头盔坐标系中靶标圆心和相机坐标系中靶标圆心匹配根据pnp算法计算头盔坐标系中各个靶标在相机坐标系中坐标根据四个靶标特征点在头盔坐标系和相机坐标系的坐标，计算头盔坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵：同一个特征点在相机坐标系中坐标向量c和头盔坐标系中坐标向量m存在以下关系：c＝Rm+T(1)其中，R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵；根据向量法求出头盔坐标系到相机坐标系的旋转矩阵R；将R带入公式(1)求出平移矩阵T,则旋转平移矩阵进一步的，根据被测人员运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系的平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于单目视觉的颈椎活动度测量系统，其特征是，包括头盔、相机及计算机；所述头盔的顶部设置有多个靶标，相机安装于被测人员头部上方，相机拍摄靶标图像；所述相机将拍摄的图像传输至计算机，计算机计算被测人员运动后头盔坐标系相对于被测人员端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，其中，β是前屈/后伸活动度，α是左侧屈/右侧屈活动度，γ是左旋转/右旋转活动度。

【技术特征摘要】
1.基于单目视觉的颈椎活动度测量系统，其特征是，包括头盔、相机及计算机；所述头盔的顶部设置有多个靶标，相机安装于被测人员头部上方，相机拍摄靶标图像；所述相机将拍摄的图像传输至计算机，计算机计算被测人员运动后头盔坐标系相对于被测人员端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，其中，β是前屈/后伸活动度，α是左侧屈/右侧屈活动度，γ是左旋转/右旋转活动度。2.如权利要求1所述的基于单目视觉的颈椎活动度测量系统，其特征是，所述头盔顶部为平面结构，头盔下部边缘在同一平面且与顶部平面平行，头盔顶部有多个圆形靶标，靶标之间的颜色不同，根据颜色可以将头盔上的靶标和相机图像中的靶标匹配。3.如权利要求1所述的基于单目视觉的颈椎活动度测量系统，其特征是，所述头盔顶部的靶标选用4个圆形靶标，呈正方形排列，此正方形四个边与头盔上部四个边缘平行，这4个靶标颜色分别是红、绿、黄、蓝，从头盔前部观察，红色靶标在左上方，绿色靶标在右上方，黄色靶标在右下方，蓝色靶标在左下方，以红色靶标附近的端点为原点，以红蓝靶标附近边缘性为x轴，以红绿靶标附近边缘线为y轴建立头盔坐标系。4.如权利要求1所述的基于单目视觉的颈椎活动度测量系统，其特征是，所述头盔前部设置有定位线，对于正方体头盔，定位线两个端点分别是上下边缘中点，定位线结合人脸面部中轴线用于帮助测试者保证头盔佩戴姿势正确，相机用于采集头盔顶部靶标图像；所述计算机连接声音模块，声音模块用于提示测量者测量步骤、提醒测量者正确佩戴头盔及测量者做颈部某一方向运动时，若其他方向的运动超过设定值，声音模块提醒减少其他方向的运动量。5.基于单目视觉的颈椎活动度测量方法，其特征是，包括：获取相机拍摄的被测人员头部转动过程中佩戴在被测人员头部的检测标志的图像，被测人员头部的检测标志为设置在被测人员头部所佩戴的头盔的顶部的靶标；相机将拍摄的检测标志的图像传输至计算机，根据检测标志的图像所在头盔坐标系中的位置坐标，在计算机中根据被测人员运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系的平移旋转矩阵计算运动后头盔坐标系到被测人员端坐时头盔坐标系x、y、z轴的旋转角度α、β、γ，其中，β是前屈/后伸活动度，α是左侧屈/右侧屈活动度，γ是左旋转/右旋转活动度。6.如权利要求5所述的基于单目视觉的颈椎活动度测量方法，其特征是，在被测人员进行颈椎活动度测量之前，需要建立头盔坐标系并测量头盔上的靶标圆心在头盔坐标系中的位置坐标；在被测人员进行颈椎活动度测量之前，还需要标定单目相机内参数矩阵。7.如权利要求5所述的基于单目视觉的颈椎活动度测量方法，其特征是，在被测人员进行颈椎活动度测量时，被测人员端坐，保证头盔4个下边缘处于同一水平面且与被测人员双眉平行，头盔前部的定位线与被测人员人脸中轴线重合；相机拍摄被测人员端坐时的头盔图像，计算出头盔坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵H0。8.如权利要求7所述的基于单目视觉的颈椎活动度测量方法，其特征是...

【专利技术属性】
技术研发人员：马一凡，蒋奇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37