基于动作捕捉的手康复训练评估系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及动作捕捉技术及其在评估手功能康复中的应用，具体涉及一种基于动作捕捉的手康复训练评估系统和方法，属于电子信息领域，且特别涉及到医学成像，属于新一代信息技术战略性新兴产业。
【背景技术】
[0002]目前手部运动功能检测的方法是根据手部各指的关节及活动特性进行检测。其中拇指运动包括腕掌关节、掌指关节、指间关节的屈伸、内收外展、旋前旋后活动，而其他四指运动为掌指关节、指间关节的屈伸活动和掌指关节的内收外展活动。国内外现有的检测方法多为手工直接测量距离和手工测量角度，能够直观判断患指屈伸结果，但是对于患指的各个关节运动，以及运动轨迹，均不能进行反应及体现，缺乏连续性和准确性。
[0003]目前光学式运动捕捉是通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。随着计算机软硬件技术的飞速发展和动画制作要求的提高，在发达国家，运动捕捉已经进入了实用化阶段，成功地用于虚拟现实、游戏、人体工程学研宄、模拟训练、生物力学研宄等许多方面。
[0004]本发明的目标是利用光学式运动捕捉技术，解决当前手部运动功能检测方法缺乏连续性和准确性，不能实时追踪患指运动轨迹的缺点。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的问题是利用双目视觉立体成像技术，解决当前手部运动功能检测方法缺乏连续性和准确性，不能实时追踪患指运动轨迹的缺点，提供一种方法简单，成本低廉，可靠性高的基于动作捕捉的手康复训练评估系统和方法。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
一种基于动作捕捉的手康复训练评估系统，包括手部标记设备、摄像平台和计算机系统；所述手部标记设备利用不同颜色的LED灯标记手掌及手指各关节；所述摄像平台为固定了四组双CMOS摄像头的立体框架，摄像头均对准框架中心患者手部；所述摄像平台连接计算机系统，摄像平台输出视频流输入到所述计算机系统，所述计算机系统处理视频流，追踪手部关节点，获取关节点实时空间位置数据保存到数据库，并在显示器上实时显示。
[0007]所述手部标记设备采用LED灯作为标记点，标记了 5个手指末梢，14个指间关节、掌指关节和手腕的位置，再现了各个手指的掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨的位置，5根手指间采用了不同颜色的LED灯以区分。
[0008]所述摄像平台为50cmX50cmX60cm的框架结构，双CMOS摄像头固定位置相对距离为10cm，四组摄像头覆盖了观测区域上、下、前、后四个方向。
[0009]一种基于动作捕捉的手康复训练评估方法，采用上述的基于动作捕捉的手康复训练评估系统，评估方法步骤如下:
A.对所述手部动作捕捉和显示系统进行初始化，包括对所述摄像平台的四组双CMOS摄像头进行标定；
B.所述摄像平台拍摄平台中心患者的手部运动，输出视频流到所述计算机系统，所述计算机系统处理视频流，追踪手部关节点LED标记的中心位置的三维数据并保存到数据库，并在显示器上以手部骨骼结构动画的形式实时显示；
C.所述计算机系统分析处理数据库保存的标记点位置的三维数据，计算出各个手指关节旋转角度，提供给医护人员和患者作为手康复训练的评估依据。
[0010]本发明同现有技术相比具有以下优点及效果:
1.设备简单，成本低廉，便于升级，适用于各级医疗场所。本发明使用的设备主要包括四组双CMOS摄像头和计算机，并且对摄像头型号没有特殊要求，普通网络摄像头便可满足拍摄要求，相比于市场上同类动作捕捉系统价格昂贵，配套设备复杂，具有很大优势。
[0011]2.使用方便，适应性好，系统稳定可靠。本发明所使用的摄像头安装时便已经进行了摄像头标定等校准调试，免去了普通动作捕捉设备使用时需要标定的步骤，方便使用，并对环境变化具有一定的鲁棒性。
[0012]3.可事实显示关节旋转角度参数，方便医护人员评估患者康复程度。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的于动作捕捉的手功能康复训练评估系统的主要结构示意图。
[0014]图2为摄像平台的立体示意图。
[0015]图3为手部标记设备的节点示意图。
【具体实施方式】
[0016]本发明的优选实施例结合附图详述如下:
参见图1和图2，一种基于动作捕捉的手康复训练评估系统，包括手部标记设备1、摄像平台2和计算机系统3 ;所述手部标记设备I利用不同颜色的LED灯标记手掌及手指各关节；所述摄像平台2为固定了四组双CMOS摄像头的立体框架，摄像头均对准框架中心患者手部；所述摄像平台2连接计算机系统3，摄像平台2输出视频流输入到所述计算机系统3，所述计算机系统3处理视频流，追踪手部关节点，获取关节点实时空间位置数据保存到数据库，并在显示器上实时显示。
[0017]所述手部标记设备I采用LED灯作为标记点，标记了 5个手指末梢，14个指间关节、掌指关节和手腕的位置，再现了各个手指的掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨的位置，5根手指间采用了不同颜色的LED灯以区分。
[0018]所述摄像平台2为50cmX50cmX60cm的框架结构，双CMOS摄像头固定位置相对距离为10cm，四组摄像头覆盖了观测区域上、下、前、后四个方向。
[0019]如图2和图3所示，一种基于动作捕捉的手康复训练评估方法，采用上述的基于动作捕捉的手康复训练评估系统，评估方法步骤如下:
A.对所述手部动作捕捉和显示系统进行初始化，包括对所述摄像平台2的四组双CMOS摄像头进行标定；
B.所述摄像平台2拍摄平台中心患者的手部运动，输出视频流到所述计算机系统3，所述计算机系统3处理视频流，追踪手部关节点LED标记的中心位置的三维数据并保存到数据库，并在显示器上以手部骨骼结构动画的形式实时显示；
C.所述计算机系统3分析处理数据库保存的标记点位置的三维数据，计算出各个手指关节旋转角度，提供给医护人员和患者作为手康复训练的评估依据。
【主权项】
1.一种基于动作捕捉的手康复训练评估系统，包括手部标记设备(I )、摄像平台(2)和计算机系统(3);其特征在于:所述手部标记设备(I)利用不同颜色的LED灯标记手掌及手指各关节；所述摄像平台(2)为固定了四组双CMOS摄像头的立体框架，摄像头均对准框架中心患者手部；所述摄像平台(2)连接计算机系统(3)，摄像平台(2)输出视频流输入到所述计算机系统(3)，所述计算机系统(3)处理视频流，追踪手部关节点，获取关节点实时空间位置数据保存到数据库，并在显示器上实时显示。2.根据权利要求1所述的基于动作捕捉的手康复训练评估系统，其特征在于:所述手部标记设备(I)采用LED灯作为标记点，标记了 5个手指末梢，14个指间关节、掌指关节和手腕的位置，再现了各个手指的掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨的位置，5根手指间采用了不同颜色的LED灯以区分。3.根据权利要求1所述的基于动作捕捉的手康复训练评估系统，其特征在于:所述摄像平台(2)为50cmX50cmX60cm的框架结构，双CMOS摄像头固定位置相对距离为10cm，四组摄像头覆盖了观测区域上、下、前、后四个方向。4.一种基于动作捕捉的手康复训练评估方法，采用根据权利要求1所述的基于动作捕捉的手康复训练评估系统，其特征在于:评估方法步骤如下: A.对所述手部动作捕捉和显示系统进行初始化，包括对所述摄像平台(2)的四组双CMOS摄像头进行标定； B.所述摄像平台(2)拍摄平台中心患者的手部运动，输出视频流到所述计算机系统(3)，所述计算机系统(3)处理视频流，追踪手部关节点LED标记的中心位置的三维数据并保存到数据库，并在显示器上以手部骨骼结构动画的形式实时显示； C.所述计算机系统(3)分析处理数据库保存的标记点位置的三维数据，计算出各个手指关节旋转角度，提供给医护人员和患者作为手康复训练的评估依据。
【专利摘要】本发明涉及动作捕捉技术及其在评估手功能康复中的应用，具体涉及一种基于动作捕捉的手康复训练评估系统和方法。其包含：一种低成本的手部动作捕捉和显示系统，包括手部标记设备、摄像平台和计算机系统。本发明利用双目视觉立体成像技术，解决当前手部运动功能检测方法缺乏连续性和准确性，不能实时追踪患指运动轨迹的缺点，提供一种方法简单，成本低廉，可靠性高的手功能康复训练评估系统和方法。
【IPC分类】A61B5/11
【公开号】CN104887238
【申请号】CN201510314534
【发明人】苗鹏, 张天航, 刘颖
【申请人】上海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日