颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法、系统及装置与流程

本发明涉及机器视觉领域，特别是涉及一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法、系统及装置。

背景技术：

精确且快速的测量颈椎活动度，并且获得颈椎活动轴线位置的问题一直是基础医学和临床医学中一个棘手的问题，在确定颈椎活动度的同时获得颈椎活动轴线的位置也很重要。目前所使用的颈椎活动度的测量方法有颈椎活动度测量仪测量、电动测角仪测量、脊椎活动分析仪测量、改良方盘量角仪测量、颈椎动力性摄片测量法、皮尺测量和目测等数十种。然而，目前所使用的测量方法，测量过程繁琐、准确度低，并且不能定位颈椎活动轴线的位置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种过程简单、准确度高，并且能够准确定位颈椎活动轴线位置的颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法、系统及装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法，包括：

获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像组；所述双目视觉摄像机为两台平行设置的摄像机；

利用三角测量法确定与所述检测标志图像组相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点；

计算与所述检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点；

将所述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所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。

可选的，在所述获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像之前，还包括：

对所述双目视觉摄像机进行标定，得到两个摄像机的摄像机参数。

可选的，所述利用三角测量法确定与所述检测标志图像相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点，具体包括：

利用所述摄像机参数对所述检测标志图像组的两幅图片进行矫正；

识别矫正后的所述检测标志图像组中的两幅图片中的检测标志点；

根据每幅图片中各个检测标志点之间的位置关系，对所述两幅图片中相对应的检测标志点进行匹配，得到匹配点组；

建立三维坐标系，确定匹配点组中的匹配点在三维坐标系中的位置，得到三维点。

可选的，在所述将所述采样点投影到投影平面内，得到投影点之前，还包括：

确定被测人员头部转动的转动平面；

选取与所述转动平面平行的一个平面为投影平面。

可选的，所述利用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度，具体包括：

采用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到拟合圆和拟合圆心；所述拟合圆心的位置即为所述颈椎活动轴线位置；

确定初始转动位置所对应的投影点和最终旋转位置所对应的投影点，分别得到初态投影点和末态投影点；

将所述初态投影点和所述末态投影点与所述拟合圆心相连，形成旋转角；

计算所述旋转角的角度，得到颈椎活动度。

本发明还公开了一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定系统，包括：

图像获取模块，用于获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像组；所述双目视觉摄像机为两台平行设置的摄像机；

三维点确定模块，用于利用三角测量法确定与所述检测标志图像组相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点；

采样点确定模块，用于计算与所述检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点；

投影点确定模块，用于将所述采样点投影到投影平面内，得到投影点；

拟合模块，利用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。

可选的，所述确定系统还包括：

标定模块，用于对所述双目视觉摄像机进行标定，得到两个摄像机的摄像机参数。

可选的，所述三维点确定模块具体包括：

矫正单元，用于利用所述摄像机参数对所述检测标志图像组的两幅图片进行矫正；

识别单元，用于识别矫正后的所述检测标志图像组中的两幅图片中的检测标志点；

匹配单元，用于根据每幅图片中各个检测标志点之间的位置关系，对所述两幅图片中的相对应的检测标志点进行匹配，得到匹配点组；

定位单元，用于建立三维坐标系，确定匹配点组中的匹配点在三维坐标系中的位置，得到三维点。

可选的，所述确定系统还包括：

转动平面确定模块，用于确定被测人员头部转动的转动平面；

投影平面确定模块，用于选取与所述转动平面平行的一个平面为投影平面。

可选的，所述拟合模块具体包括：

轴线位置确定单元，用于采用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到拟合圆和拟合圆心；所述拟合圆心的位置即为所述颈椎活动轴线位置；

初末投影点确定单元，用于确定初始转动位置所对应的投影点和最终旋转位置所对应的投影点，分别得到初态投影点和末态投影点；

旋转角确定单元，用于将所述初态投影点和所述末态投影点与所述拟合圆心相连，形成旋转角；

活动度计算单元，用于计算所述旋转角的角度，得到颈椎活动度。

本发明还公开了一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定装置，包括双目视觉摄像机、检测标志和计算机；

所述双目视觉摄像机为两台平行设置的摄像机；

所述检测标志为具有明显特征并且均匀排列的图案的矩形板；所述检测标志佩戴在被测人员的头部；

所述计算机与所述双目视觉摄像机相连，用于获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像组；利用三角测量法确定与所述检测标志图像组相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点；计算与所述检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点；将所述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所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。

可选的，所述双目视觉摄像机选用两个CCD摄像机；所述CCD摄像机的像素为1200万像素。

可选的，所述检测标志的图案选用等间距实心圆阵列图案或国际象棋盘图案。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的测量过程简单，被测人员只需转动头部即可实现测量，可以自行实现测量；通过对自行建立的检测标志进行检测，使检测准确度更高；采用双目视觉摄像机获取图像，实现了被测图像的空间定位，从而能够更加准确地确定颈椎转动过程中检测标志的空间位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法实施例的方法流程图；

图2为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法实施例的三维点确定方法流程图；

图3为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法实施例的拟合圆方法流程图；

图4为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中选用的检测标志的图案结构图；

图5为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中某组检测标志图像组中的各个匹配点组在三维重建后各个三维点空间位置图；

图6为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中所有三维点在三维空间中的主视图；

图7为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中所有三维点在三维空间中的俯视图；

图8为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中所有三维点在三维空间中的左视图；

图9为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中利用最小二乘法对投影点拟合圆的拟合结果图；

图10为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定系统的系统结构图；

图11为本发明一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定装置的装置结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法、系统及装置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法实施例的方法流程图。

参见图1，一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法，包括：

步骤101，获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像组；所述双目视觉摄像机为两台平行设置的摄像机；

步骤102，利用三角测量法确定与所述检测标志图像组相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点；

步骤103，计算与所述检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点；

步骤104，将所述采样点投影到投影平面内，得到投影点；

步骤105，利用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。

可选的，在所述获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像之前，还包括：

对所述双目视觉摄像机进行标定，得到两个摄像机的摄像机参数。

图2为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法实施例的三维点确定方法流程图。

参见图2，所述利用三角测量法确定与所述检测标志图像相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点，具体包括：

步骤201，利用所述摄像机参数对所述检测标志图像组的两幅图片进行矫正；

步骤202，识别矫正后的所述检测标志图像组中的两幅图片中的检测标志点；

步骤203，根据每幅图片中各个检测标志点之间的位置关系，对所述两幅图片中相对应的检测标志点进行匹配，得到匹配点组；

步骤204，建立三维坐标系，确定匹配点组中的匹配点在三维坐标系中的位置，得到三维点。

可选的，在所述将所述采样点投影到投影平面内，得到投影点之前，还包括：

确定被测人员头部转动的转动平面；

选取与所述转动平面平行的一个平面为投影平面。

图3为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法实施例的拟合圆方法流程图。

参见图3，所述利用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度，具体包括：

步骤301，采用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到拟合圆和拟合圆心；所述拟合圆心的位置即为所述颈椎活动轴线位置；

步骤302，确定初始转动位置所对应的投影点和最终旋转位置所对应的投影点，分别得到初态投影点和末态投影点；

步骤303，将所述初态投影点和所述末态投影点与所述拟合圆心相连，形成旋转角；

步骤304，计算所述旋转角的角度，得到颈椎活动度。

本发明的一个具体实施例如下：

双目视觉摄像机选用两台CCD摄像机，像素均为1200万像素，选用最大分辨率为800×600ppi的摄像头。两台CCD摄像机平行设置。双目视觉摄像机在使用之前需要经过计算机进行标定。通过标定，获取两个摄像机的内参矩阵M1、M2，两个摄像机的畸变系数矩阵D1、D2，两个摄像机各自达到平行时所需要的旋转矩阵R1、R2。所述双目视觉摄像机经标定后，固定两台CCD摄像机的相对位置和水平高度。

检测之前，将检测标志佩戴在被测人员的头部，可以采用细绳或皮筋等方式固定在被测人员的头部。然后被测人员坐在指定位置，按照要求转动头部。

测量步骤如下：

步骤A：获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像组；在该步骤A中，检测标志的图像为国际象棋盘图案，其中黑白格子的边长为27mm，将棋盘的黑色格子与白色格子重叠的角点确定为检测标志点。

图4为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中选用的检测标志的图案结构图。

参见图4，该检测标志中，长边对应的检测标志点的数量为9个，短边对应的检测标志点的数量为6个，因此该检测标志中共有54个检测标志点。所述检测标志图像组的组数最少为3组，并且所述检测标志图像组的组数越多，测量结果越准确。每组所述检测标志图像组均由所述双目视觉摄像机的两个摄像机同时拍下。在本发明的该实施例中，所述双目视觉摄像机拍摄的检测标志图像的组数为38组。

步骤B：利用三角测量法确定与所述检测标志图像组相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点；该步骤B具体包括以下几个步骤：

B1：利用所述摄像机参数对所述检测标志图像组的两幅图片进行矫正；

该步骤B1主要利用对摄像机进行标定获取的摄像机参数完成矫正；具体为：首先利用两个摄像机的内参矩阵M1和M2构建一个理想内参矩阵M；其次分别将每组所述检测标志图像组中的两幅图片的像素坐标系通过理想内参矩阵分别转换到对应的两个摄像机的坐标系；再次利用旋转矩阵R1和R2分别对两个摄像机进行旋转得到新的摄像机坐标系；然后利用新的摄像机坐标系和两个摄像机的畸变系数矩阵D1、D2分别对两个摄像机去畸变操作，并分别用两个摄像机的内参矩阵M1和M2将去畸变后的两个摄像机的坐标系重新转换到所述检测标志图像组的两幅图片的像素坐标系，得到两个新的检测标志图像；最后利用原始的每组所述检测标志图像组中的两幅图片的像素值分别对两个新的检测标志图像的像素点进行插值处理。

通过该步骤的矫正处理，使检测标志图像组的两幅图片达到极线平行，便于后续步骤的进行。

B2：识别矫正后的所述检测标志图像组中的两幅图片中检测标志点；

B3：根据每幅图片中各个检测标志点之间的位置关系，对所述两幅图片中的相对应的检测标志点进行匹配，得到匹配点组；

在每组所述检测标志图像组中，每幅图片包括有54个检测标志点；该步骤实际上是针对每组检测标志图像组，根据每幅图片中各个检测标志点在空间上的位置关系，实现其中一幅图片中54个检测标志点与另一幅图片中对应的54个检测标志点的匹配，得到54组匹配点组。该步骤为下一步打下基础，从而能够实现各个匹配点组的空间位置的定位。

B4：建立三维坐标系，确定匹配点组中的匹配点在三维坐标系中的位置，得到三维点。

该步骤B4主要利用三角测量法对各个匹配点组进行三维重建，可以采用世界坐标系或用户自行建立的坐标系。

采用世界坐标系的情况下，三角测量法的测量原理如下：

首先确定三维点在两个摄像机的坐标系下的坐标、两个摄像机的间距、摄像机的焦距、与三维点对应的匹配点组中两个匹配点在各自摄像机坐标系中的坐标，两个摄像机的焦距是相同的；然后根据摄影比例关系建立匹配点坐标与三维点坐标的关系；其次建立世界坐标系与两个摄像机的坐标系的关系；最后根据建立的匹配点坐标与三维点坐标的关系和世界坐标系与两个摄像机的坐标系的关系计算得到三维点在世界坐标系下的坐标。

图5为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中某组检测标志图像组中的各个匹配点组在三维重建后各个三维点空间位置图。

参见图5，可以发现，各个三维点的空间位置清晰，各个三维点的相对位置关系与检测标志中各个检测标志点的相对位置关系吻合。因此，本发明的该三维点确定方法能够准确的获取各个三维点的空间位置。

图6为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中所有三维点在三维空间中的主视图；

图7为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中所有三维点在三维空间中的俯视图；

图8为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中所有三维点在三维空间中的左视图。

参见图6～图8，可见看出，被测人员头部在水平转动过程中，所有三维点大约形成一个弧形，那么可以确定在头部转动过程中，检测标志的运动路线是一个弧形。

步骤C：计算与所述检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点；

该采样的空间位置的计算方法为：

采样点的横坐标为所有三维点横坐标的均值，采样的纵坐标为所有三维点纵坐标的均值，采样点的竖坐标为所有三维点的竖坐标的均值。

该步骤实现了用一个采样点表示检测标志在空间中的位置，避免了将所有点进行投影并进行拟合，从而使算法更加简单。同时选用三维点的中心位置代表检测标志在空间中的位置，从而更加准确的描述了检测标志的空间位置。

步骤D：将所述采样点投影到投影平面内，得到投影点；

在该步骤D之前，还需要确定投影平面。投影平面的确定跟颈椎活动的平面有关。如果被测人员头部水平转动时，颈椎活动的平面与水平面平行，则确定投影平面为水平面；如果被测人员头部进行前后俯仰的转动时，颈椎活动的平面与水平面垂直，即与垂直面平行，则确定投影平面为垂直面，可以选取垂直墙面为投影面。在本发明的该实施例中，以被测人员头部水平转动作为一个具体实时方式进行详细论述。

步骤E：利用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。该步骤E具体包括：

E1：采用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到拟合圆和拟合圆心；所述拟合圆心的位置即为所述颈椎活动轴线位置；

E2：确定初始转动位置所对应的投影点和最终旋转位置所对应的投影点，分别得到初态投影点和末态投影点；

E3：将所述初态投影点和所述末态投影点与所述拟合圆心相连，形成旋转角；

E4：计算所述旋转角的角度，得到颈椎活动度。

图9为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定方法具体实施例中利用最小二乘法对投影点拟合圆的拟合结果图。

参见图9，在本发明的该具体实施例中，确定出拟合圆的圆心O为颈椎活动轴线的位置，A点为初态投影点，B为末态投影点，角度α为颈椎活动度，经过计算，α为115.256°。

图10为本发明颈椎活动度及活动轴线位置的确定系统的系统结构图。

参见图10，一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定系统，包括：

图像获取模块1001，用于获取双目视觉摄像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，得到检测标志图像组；所述双目视觉摄像机为两台平行设置的摄像机；

三维点确定模块1002，用于利用三角测量法确定与所述检测标志图像组相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点；

采样点确定模块1003，用于计算与所述检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点；

投影点确定模块1004，用于将所述采样点投影到投影平面内，得到投影点；

拟合模块1005，利用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。

可选的，所述确定系统还包括：

标定模块1006，用于对所述双目视觉摄像机进行标定，得到两个摄像机的摄像机参数。

可选的，所述三维点确定模块1002具体包括：

矫正单元10021，用于利用所述摄像机参数对所述检测标志图像组的两幅图片进行矫正；

识别单元10022，用于识别矫正后的所述检测标志图像组中的两幅图片中的检测标志点；

匹配单元10023，用于根据每幅图片中各个检测标志点之间的位置关系，对所述两幅图片中相对应的检测标志点进行匹配，得到匹配点组；

定位单元10024，用于建立三维坐标系，确定匹配点组中的匹配点在三维坐标系中的位置，得到三维点。

可选的，所述确定系统还包括：

转动平面确定模块1007，用于确定被测人员头部转动的转动平面；

投影平面确定模块1008，用于选取与所述转动平面平行的一个平面为投影平面。

可选的，所述拟合模块1005具体包括：

轴线位置确定单元10051，用于采用最小二乘拟合法对所述投影点进行拟合，得到拟合圆和拟合圆心；所述拟合圆心的位置即为所述颈椎活动轴线位置；

初末投影点确定单元10052，用于确定初始转动位置所对应的投影点和最终旋转位置所对应的投影点，分别得到初态投影点和末态投影点；

旋转角确定单元10053，用于将所述初态投影点和所述末态投影点与所述拟合圆心相连，形成旋转角；

活动度计算单元10054，用于计算所述旋转角的角度，得到颈椎活动度。

图11为本发明一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定装置的装置结构图。

参见图11，一种颈椎活动度及活动轴线位置的确定装置，包括双目检测标志1101、视觉摄像机1102和计算机(图中未标出)；

所述检测标志1101为具有明显特征并且均匀排列的图案的矩形板；所述检测标志佩戴在被测人员的头部；

所述双目视觉摄像机1102为两台平行设置的摄像机；

所述计算机与所述双目视觉摄像机1102相连，用于获取双目视觉摄像机1102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1101的图像，得到检测标志图像组；利用三角测量法确定与所述检测标志图像组相对应的所述检测标志在三维空间中的位置，得到三维点；计算与所述检测标志图像组相对应的三维点的中心位置，得到采样点；将所述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所述投影点进行拟合，得到颈椎活动轴线位置和颈椎活动度。

可选的，所述双目视觉摄像机1102选用两个CCD摄像机；所述CCD摄像机的像素为1200万像素。

可选的，所述检测标志1101的图案选用等间距实心圆阵列图案或国际象棋盘图案。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。