一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统技术方案

本发明专利技术公开一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统，包括拍摄装置、智能终端及由所述智能终端执行的程序模块的计算机程序，所述拍摄装置包括双目相机及将所述双目相机固定在能将人头完全纳入拍摄范围内的固定装置；所述智能终端由所述计算机程序的程序模块来驱动执行；所述计算机程序的程序模块包括：相机标定模块；立体匹配模块；人脸检测模块；位姿估计模块。本发明专利技术基于机器视觉技术，结合相机和计算机完成人头姿态的测量及跟踪。

A Head Posture Tracking System for Transcranial Magnetic Stimulation Diagnosis and Treatment

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统
本专利技术涉及计算机视觉、人脸识别等
，具体涉及一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统。
技术介绍
从80年代末至今，计算机视觉在不断增加的实际应用需求推动下早已成为计算机行业中一个极其重要的研究领域，同时实际应用和理论研究的互相推动使该领域在各行各业中的应用也取得了巨大的进步。双目立体视觉是计算机视觉领域里被广泛研究和应用的一个重要分支，该系统是对类视觉系统原理的模拟，它主要采用双相机对同一场景从不同的角度获取两幅数字图像，然后利用立体匹配算法求出两幅图像对应像点间的视差，结合视差图像与相机标定所得参数求出场景内被测物体各点的三维坐标，进而重建出场景的三维结构信息并获得相应点的深度值，此深度值即为相机和被测物体之间的实际距离。头部姿态参数测量是人机交互的一个重要部分，在计算机视觉、人脸识别和驾驶员疲劳检测等领域有很高的应用价值。目前人体头部姿态参数获得方法有基于传器感和基于图像两种。基于传感器的方法是在头部附着传感器直接输出对应的姿态数据，但由于附着传感器会给患者行动带来不变以及传感器自身价格高、经济实用性差等原因，使得这种方法只适合于高精度的测量，不适合于广泛应用；基于图像的方法则是利用计算机对获取的图像进行处理来得到姿态参数，这种方法对设备性能要求较低，只需要配备相机和计算机就可完成测量，是目前较为实用的测量方法。如公开号CN103558910B的中国专利“一种自动跟踪头部姿态的智能显示器系统”、公开号CN104106262B的中国专利“使用深度相机的头部姿态跟踪”等。经过国内外科研人员的多年精心研究，现在已经出现了多种基于机器视觉的头部姿态信息测量方法，即，结合相机和计算机完成头部姿态测量的方法。根据不同的分类标准，我们可以将基于机器视觉的头部姿态信息测量技术进行分类。目前较为常见的方法包括了基于统计学习的方法以及基于注册跟踪的方法。前者假设在人体头部姿态与人脸部图像的某些特征之间存在着特定的对应关系，只是这种对应关系不能够使用传统的数学方法来精确描述。使用基于统计学习的方法需要采集大量的位于不同姿态的人脸部图像来进行学习，进而建立人体头部姿态与人脸部图像特征的对应关系。MIT的D.J.Beymer提出了基于模板匹配的人体头部姿态识别算法。使用该算法时，便需要提取多幅位于不同姿态的人体头部图像作为样本。但在具体运行时，仅需输入一幅人体头部图像，便可以进行头部姿态的分析和判断，采用基于模板匹配的方法计算出输入图像中的头部姿态信息。通常情况下，该方法在实现时需要数量巨大的训练样本。如果样本数量有限，则还需要使用插值操作来计算人体头部姿态信息。这样将不仅会导致巨大的计算量，而且计算结果的准确性还无法得到保障。根据在头部姿态信息测量过程中采用的相机数量，还可以将基于视觉的头部姿态信息测量技术分为：基于立体视觉的方法和基于单目视觉的方法。R.G.Yang等人提出了一种鲁棒性较好的基于模型的立体视觉头部姿态跟踪方法。该方法可以在普通电脑上实时运行，它使用了个性化的三维头部模型，加上立体图像对的极线约束，极大地提高了头部跟踪的鲁棒性。该方法可以跟踪刚体头部的六自由度运动，可以应用于人机交互领域以及视频会议中的视线修正等领域。K.Terada提出了一种基于立体摄像的人体头部跟踪系统，对从立体相机采集到的序列深度图像使用了粒子滤波算法。使用深度图像的优点是对背景杂波和光照变化不敏感。基于单目视觉的头部姿态信息测量方法，多采用常见的几何结构，如平面、圆柱或椭球等模型来近似模拟人体头部。针对每种几何结构的独特特点，可以建立其与人体头部图像之间的对应关系，然后通过几何推导的方法便可以计算人体头部的多种空间姿态信息参数。Q.Ji提出了一种用来估计和跟踪人脸三维姿态的方法，该方法假设三维人脸近似成椭圆并且椭圆纵横比已知。在此方法中，两个眼睛的瞳孔被用来约束脸部椭圆。但是对于存在噪声的图像，角度估计的误差会比较大。S.Birchfield提出了一种跟踪人头部的算法，人头部在成像平面上的投影被建模为一个二维椭圆。头部的位置通过彩色直方图或图像梯度获得。这种方法的优势在于处理速度快，可以实现实时性。然而光照的变化和肤色的不同会导致跟踪的失败。这种方法的另一个缺点是不能够提供头部的姿态。R.Wooju等人提出了一种快速三维头部跟踪方法，使用了三维圆柱头部模型，可以工作在如快速姿态的变化等的各种复杂状态下。此方法还可以识别头部的姿势，如点头、摇头、眨眼等。但是由于圆柱仅是大概近似于头部几何，所以这个方法在旋转估计时精度不高。而且在人体头部距离相机比较远的时候，无法区分小的旋转运动和平移运动。曹万鹏研究了基于立体视觉的三维运动测量，提出了一种基于离散特征标记杆的立体视觉三维刚体运动及自旋转中心测量方法，解决了基于立体视觉的三维刚体运动目标建模与运动参数计算，运动序列图像中特征目标边缘检测与提取，立体序列图像间对应特征匹配以及圆形特征目标圆心提取等关键问题。北京大学梁国远提出一种在只用一部相机的情况下计算头部姿态参数的方法，这是一种基于模型的方法，它的核心思想是利用三维扫描仪来建立三维头部模型，利用这个三维模型完成对单目图像序列的头部姿态参数测量。对于连续的两帧图像利用仿射变换来计算前一帧图像的姿态参数，将其作为基准姿态，对后一帧图像利用生成的模型信息附加一定的约束条件来获取当前的姿态参数，这种方法可以较好的完成头部姿态参数测量，但是由于其算法复杂及对设备的要求较高，不适用于实际测量。清华大学刘坤等人提出一种基于图像的方法，它利用图像的梯度直方图和主成分分析来得到姿态特征，对图像的特征进行分类处理，利用SVM分类方法对获取的图像进行识别，近似的得到头部姿态参数。这种方法对光照变化具有很好的鲁棒性，但是得到的姿态参数误差较大。中国科学院马丙鹏等人提出了一种利用图像表观特征的方法来获取头部姿态参数，使用一维Gabor滤波器进行特征提取，对提取到的特征进行分析判别来获取姿态参数，这种方法运算速度较快，但是当姿态变化较大时就不能很好的进行姿态估计。经颅磁刺激(TranscranialMagneticStimulation,TMS)作用原理是通过时变磁场诱发出感应电场，具体实现体现为一个快速电流脉冲通过刺激线圈，产生强大瞬间磁场，该磁场穿过颅骨，引起临近神经组织产生继发电流，使局部神经元发生去极化，从而产生生理效应。其产生的生物学效应可以持续到刺激停止后的一段时间，且具有无创、无痛苦的特点。它是一种利用时变磁场产生感应电流，影响大脑皮层神经元动作电位、血流量、新陈代谢的生物刺激技术，目前已应用于精神分裂症的临床治疗。现阶段在进行经颅磁治疗时需要医护人员将线圈设备固定在患者头部的待治疗区域。为了获得更好的疗效，治疗期间患者应当保持头部姿态不变。但由于患者长期保持同一姿势造成的颈肩不适易使患者改变头部姿势，医护人员需要时刻关注治疗仪和患者头部是否对齐。该方法成本高、耗时长、误差大，因此医护人员需要一种速度快、精度高的人体头部姿态跟踪系统，该系统能够真实的反馈人体头部姿态变化。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统，基于机器视觉技术，结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统，其特征在于，包括拍摄装置、智能终端及由所述智能终端执行的程序模块的计算机程序，所述拍摄装置包括双目相机及将所述双目相机固定在能将人头完全纳入拍摄范围内的固定装置；所述智能终端由所述计算机程序的程序模块来驱动执行；所述计算机程序的程序模块包括：对双目相机进行标定，以获取各相机内外参数以及相机之间关系参数的相机标定模块；依据双目相机对同一场景从不同角度获取的两幅图像，利用立体匹配算法计算得到两幅图像对应像点间的视差图的立体匹配模块；用于剔除输入图像中的非面部区域的人脸检测模块；通过视差图与相机内外参数还原人脸面部在双目相机坐标系下三维空间坐标，并利用迭代最近点算法计算得到人头姿态的位姿估计模块。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统，其特征在于，包括拍摄装置、智能终端及由所述智能终端执行的程序模块的计算机程序，所述拍摄装置包括双目相机及将所述双目相机固定在能将人头完全纳入拍摄范围内的固定装置；所述智能终端由所述计算机程序的程序模块来驱动执行；所述计算机程序的程序模块包括：对双目相机进行标定，以获取各相机内外参数以及相机之间关系参数的相机标定模块；依据双目相机对同一场景从不同角度获取的两幅图像，利用立体匹配算法计算得到两幅图像对应像点间的视差图的立体匹配模块；用于剔除输入图像中的非面部区域的人脸检测模块；通过视差图与相机内外参数还原人脸面部在双目相机坐标系下三维空间坐标，并利用迭代最近点算法计算得到人头姿态的位姿估计模块。2.根据权利要求1所述的一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统，其特征在于，所述相机标定模块包括用于以下操作的子模块：建立基准坐标系，基于所述基准坐标系建立双目视觉系统中相机与目标之间的相对位姿；建立成像模型，使场景中的目标与相机获得图像具有线性联系；建立双目视觉测量模型；计算得到双目相机的内参以及双目相机的旋转矩阵和平移矢量；采用Bouguet算法进行双目视觉的立体校正。3.根据权利要求1所述的一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统，其特征在于，所述立体匹配模块采用基于极线距离变换的跨尺度代价聚合立体匹配算法得到视差图。4.根据权利要求3所述的一种用于经颅磁刺激诊疗的人头姿态跟踪系统，其特征在于，所述立体匹配模块包括用于以下操作的子模块:进行匹配...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙聪，王波，蔡胜安，
申请(专利权)人：武汉资联虹康科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42