基于可变形模型的婴儿头颅三维测量方法与流程

本发明涉及一种基于可变形模型的婴儿头颅三维测量方法，用于感知接口，医学分析和虚拟现实等应用领域，在医学图像、生物医学、人头识别、视频会议、视频游戏、材料变形、图像压缩等方面都有实际应用价值。属于计算机视觉和计算机图形学领域。

背景技术：

明日之星激光扫描测量仪(starscanner)是在2001年7月3日经美国食品药物管理局(fda)核准上市的一种激光数据采集系统(laserdataacquisitionsystem)。其用途在快速，精确地取得幼儿头形的数据。依此来评估头形成长的状况，协助临床诊断,进而以此数据，利用cad/cam技术(电脑设计/制造)定制矫正头盔。在欧,美等国，已有数以百万计的婴幼儿成功地利用此高科技早发现,早诊断颅骨方面的疾病,早诊治,疗效确定,目前已普及到欧美发达国家和韩国,新加坡,台湾等地区社区医疗中心层面。

国内各高校做了许多基础研究,发表了多篇论文。李海岩等利用活体人头颅ct图像，通过自编程序对图像进行分割与二值化、边缘修补、去除干扰、图像纠偏及边缘提取等处理后，确定测量参考点，实现对前额骨、顶骨和枕骨厚度的准确测量。该方法既可实现对一幅颅骨ct图像中不同位置的测量，也可实现对多幅图像中同一位置的自动测量。李海岩等提出两种颅骨对称性评价算法，利用活体人头颅ct图像，通过自编程序对图像进行分割与二值化、图像纠偏、边缘提取等处理后，实现颅骨对称性的定量测量。谢中华等针对jpeg和dicom两种格式活体人头颅的ct图像，采用自编matlab程序对前额骨、顶骨和枕骨厚度以及头宽、头长、头围和颅围等颅骨几何特征进行大批量精确测量。周志尊等介绍了在对颅骨进行测量时所采用的几种方法，详细阐述了每种方法的试验原理和测量技术手段，并对几种测量方法进行了比较。提供了一套快速、便捷、准确的人体器官空间参量的科学采集手段和matlab三维成像技术。刘筱菁等根据患者头颅ct扫描数据，利用快速成形技术，构建三维头颅模型，评价基于头颅模型的模型外科在颅颌面畸形诊断治疗中的应用价值。杜芳芳等采用ct图像三维重建的mc算法实现了头颅骨表面皮肤的重建。柯涛以摄影测量理论为基础，介绍了利用数字摄影测量的理论和结构光立体序列影像对人体颅骨进行三维重建的方法。研究内容包括：相机标定、纹理缺乏目标的特征点对应、利用相对定向直接解进行立体像对的相对定向、模型的分块构网和连接、基于约束条件的delaunay三角网的构建、纹理映射等。郭富强以颅骨模型为研究对象，采用编码结构光获取数据，先投射一组竖直条纹，再投射一组与其正交的条纹，利用两部摄像机获取调制图像，根据双目立体视觉原理，实现空间点的重建。刘桂珍获取颅骨图像的三维坐标值，采用面绘制算法对二维颅骨切片进行表面重建，采用小波变换提取重要信息，选择一种合适的分类识别方法对颅骨特征进行识别。曲德伟建立一套正常人颅骨的三维立体图像与显示系统并可以不同角度观察和测量各结构的各种界限值，以便量化颅骨诸结构。包括：图像坐标校正(对位)、二维图像的处理、对拟立体重建结构边缘的提取、对拟建结构的边界进行双参数样条插值、计算重建结构边缘轮廓线凸包、采用“盖瓦片”的方法连接相邻断面结构边缘轮廓线、重建结构的三维立体显示等。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对婴儿头颅三维测量中模型参数过多的不足，提出一种采用可变形二维曲线在图像中测量婴儿头颅三维参数的方法，该方法只需要一个摄像头就可以进行婴儿头颅三维测量，降低婴儿头颅测量成本，适用于各种目标的测量。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，搭建系统硬件平台，采用一个摄像头放置在婴儿头颅的正上方垂直向下对婴儿头颅进行拍摄，采集每帧彩色图像，采用可变形二维曲线拟合图像上婴儿头颅的轮廓，根据二维曲线的参数和曲线上关键点之间距离进行三维尺寸的测量。首先采用摄像头、视频线、视频采集卡、计算机搭建系统硬件平台，采用一个摄像头放置在婴儿头颅的正上方垂直向下对婴儿头颅进行拍摄，采集每帧彩色图像，根据采集当前帧图像的r,g,b分量值提取人头，采用图像分割技术检测当前帧图像上的婴儿头颅边缘轮廓。然后采用曲线拟合技术使用可变形二维曲线拟合当前帧图像上婴儿头颅的边缘轮廓，求出各个二维曲线的参数和中心坐标，选择二维曲线上一些关键点，根据这些关键点位置计算头部宽度、长度、对角线长度。最后计算求出头围和头部比例。

本发明的婴儿头颅三维测量方法具体包括以下几个步骤：

1.婴儿头颅三维测量系统的硬件和软件设计

采用摄像头、视频线、视频采集卡、计算机搭建婴儿头颅三维测量系统的硬件平台，制作软件界面，该界面能显示婴儿头颅的图像。也可采用摄像头、视频线、dsp视频开发板搭建婴儿头颅三维测量系统的硬件平台。按婴儿头颅三维测量系统流程图采用步骤2-5的方法进行软件编程。

2.采用图像分割技术检测当前帧图像上的婴儿头颅边缘轮廓

采用一个摄像头放置在婴儿头颅的正上方垂直向下对婴儿头颅进行拍摄，采集每帧彩色图像，采集的当前帧图像i(x,y,i)的r、g、b分量分别为ir(x,y,i)，ig(x,y,i),ib(x,y,i),将r、g、b三分量值都小于60并且三分量相互相减的绝对值都小于25的像素提取得到人头图像til，采用形态学运算(如腐蚀与膨胀)消除人头图像til中的孤立点和部分小目标区域。

3.采用可变形二维曲线拟合当前帧图像上头颅的轮廓

采用图像分割技术(如canny边缘算子)检测当前帧图像上婴儿头颅的边缘轮廓，采用曲线拟合技术使用可变形二维曲线拟合当前帧图像上婴儿头颅的边缘轮廓，求出二维曲线的参数k、a、b，将不符合人头参数尺寸的曲线及其所在的目标区域消除。求出二维曲线中心坐标(x0,y0)。

4.根据二维曲线数据计算头部宽度、长度、对角线长度

计算二维曲线与x轴相交的两交点之间的距离，该距离为头部的长度。计算二维曲线与y轴相交的两交点之间的距离，该距离为头部的宽度。计算二维曲线与经过原点并且斜率为45度的直线相交的两交点之间的距离，该距离为头部对角线长度。计算二维曲线与经过原点并且斜率为135度的直线相交的两交点之间的距离，该距离为头部对角线长度。

5.计算头围和头部比例

计算二维曲线的周长，该周长为头围。计算头部宽度、长度和对角线长度之间的比例，该比例为头部比例。

本发明方法简单，实现容易。建立的二维曲线能准确地反映婴儿头颅的形状。本发明方法适合于各种形状的目标检测。实验采用便宜、容易安装的视频摄像头采集数据，不需要附加设备，提取、计算婴儿头颅参数的方法简单，具有实时性、非接触等优点。

附图说明

图1为摄像头拍摄婴儿头颅的场景示意图。

图1中，一个摄像头放置在婴儿头颅的正上方，朝向下拍摄婴儿头颅。

图2为本发明婴儿头颅三维测量系统的流程图。

图2中，系统运行经过图像采集、头颅检测、边缘检测、可变形二维曲线拟合、计算头部宽度长度和对角线长度、计算头围头部比例6个步骤。

图3为图像中头颅检测、头颅轮廓提取、曲线拟合的实验结果。

图3中，(a)是婴儿头颅正上方摄像头拍摄的图像，(b)是与(a)图像对应的头颅检测结果，(c)是与(b)图像对应的头颅边缘轮廓检测结果，(d)是对应于(c)的可变形二维曲线拟合结果。

图4为可变形二维曲线。

图4中，该曲线由五个参数确定：中心位置坐标(x0,y0)、k、a、b。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步的详细描述。实施例具体针对附图2、3、4进行婴儿头颅三维测量过程的描述。

1.婴儿头颅三维测量系统的硬件和软件设计

采用摄像头、视频线、视频采集卡、计算机搭建婴儿头颅三维测量系统的硬件平台，拍摄场景如图1所示。也可采用摄像头、视频线、dsp视频开发板(如dm6437cpu板)搭建婴儿头颅三维测量系统的硬件平台。按图2中婴儿头颅三维测量系统流程采用步骤2-5的方法进行软件编程。

2.采用一个摄像头放置在婴儿头颅的正上方垂直向下对婴儿头颅进行拍摄，采集每帧彩色图像，采集当前帧图像i(x,y,i)的r、g、b分量分别为ir(x,y,i)，ig(x,y,i),ib(x,y,i),将r、g、b三分量值都小于60并且三分量相互相减的绝对值都小于25的像素提取得到头颅图像til：

头颅图像til检测结果如图3(b)所示。采用形态学运算(如腐蚀与膨胀)消除人头图像til中的孤立点和部分小目标区域。

3.采用图像分割技术(如canny边缘算子)提取当前帧图像上婴儿头颅的边缘轮廓，得到与图3(b)对应的边缘检测结果，如图3(c)所示。

可变形二维曲线方程为：其中|k|＜1，如图4所示。采用曲线拟合技术使用满足上述方程的可变形二维曲线拟合当前帧图像上婴儿头颅的边缘轮廓，如图4所示。求出二维曲线的参数k、a、b，将不符合婴儿头颅参数尺寸的二维曲线及其所在的目标区域消除。二维曲线中心坐标表达式为：

通过上述表达式求出二维曲线中心坐标(x0,y0)。

4.计算二维曲线与x轴相交的两交点之间距离d1的计算公式为：

d1＝2a/(1-k²)

通过上述计算公式求出头部的长度d1。

二维曲线与y轴相交的两交点之间距离d2的计算公式为：

d2＝2b

通过上述计算公式求出头部的宽度d2。

将k、a、b、x＝r1cos45°、y＝r1sin45°、x＝r2cos225°、y＝r2sin225°分别代入二维曲线方程求出r1、r2，求出头颅的一个对角线长度d3＝r1+r2。

将k、a、b、x＝r3cos135°、y＝r3sin135°、x＝r4cos315°、y＝r4sin315°分别代入二维曲线方程求出r3、r4，求出头颅的另一个对角线长度d4＝r3+r4。

5.计算二维曲线的周长d，该周长为头围。

头部宽度、长度和对角线长度之间的比例的计算公式为：

l1＝d1/d2l2＝d1/d3l3＝d2/d3l4＝d1/d4l5＝d2/d4

比例l1、l2、l3、l4、l5为头部比例参数。