原创 Photonfocus高速相机在三维运动康复中的应用案例

 2008-8-12 10:11  1851 1 1 分类: EDA/ IP/ 设计与制造

Photonfocus高速相机在三维运动康复中的应用案例<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1. 项目背景

运动康复学是一门独立的学科，它涉及了医学、体育、健康学等多方面的内容。在“全民奥运”精神的鼓舞下，体育在我们生活中所占的比重越来越大。运动康复学的服务对象不仅针对专业运动员，对普通市民也是广泛适用的。

运动康复中所必备的实验仪器之一就是三维图像解析系统。人体信息可以用数值、曲线、图像等多种形式表示，但是图像所包含的信息量远远超过数值和曲线。三维图像解析系统实现方式有四种：光学式、机械式、声学式和电磁式。其中机械式、声学式和电磁式方法或者非常影响被试者行动，或者仪器价格过于昂贵。

光学式方法利用计算机视觉原理，通过对被测者身上特定标志点的监视和跟踪完成图像采集。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。光学式方法的优点是非接触式测量、使用方便、采样速率较高；缺点是三维物体空间位置重构的算法还有待于进一步改善。

光学式方法中可以用普通面阵相机实现和红外摄像头实现。红外摄像头价格比较昂贵，所以很多用户都是选择普通面阵相机替代。相机的主要技术指标有：精度、帧速、图像深度、动态范围等。

2. 技术指标要求

在获取运动康复研究中特性参数的时候，我们要达到的技术指标有：

l 检测距离4~8 m

l 检测精度为2 mm

l 帧速至少在200 fps

l 待测者运动速度在0.5 m/s

3. 技术难点

首先，如何有效识别与跟踪标志点。图像解析的技术核心就在于此。它可以通过人工设置标志点和自动识别跟踪标志点两种途径实现。自动识别跟踪标志点技术难度很大，研发周期很长；传统的人工设置标志点的方法，因为采用黑白两色标识，会造成在动作复杂的情况下，容易发生标识混乱。解决人工设置标志点中出现的问题可以采用彩色面阵相机和彩色标志点、黑白面阵相机两种方法予以解决。

其次，如何对多台相机进行同步控制。单台相机所做的图像解析是二维的，只能分析关节的屈伸状态，无法分析关节的旋转和扭曲、以及非常复杂的动作。要想获得关节的任意状态需要三维图像解析。要实现三维图像解析，必须使用多台相机同步工作，难点在于多台相机间的同步控制问题。

最后，如何解决高速传输和存储大容量数据的问题。医学所用图像解析数据量非常大，一般一天要达到几百G的容量，这就带来数据传输和数据存储的问题。传统的PCI插槽和硬盘存储不能满足需要，而科天健图像公司采用的是PCI-E系列插槽和大容量、高速磁盘阵列方式进行传输和存储，可以很好满足需求。

4. 解决方案

针对以上三个难题和技术指标，我们推荐使用瑞士Photonfocus公司的MV-D1024E-160-CL-12相机。

l 科天健公司解决识别和跟踪标识点问题是利用MV-D1024E-160-CL-12（cmos黑白面阵相机）和彩色标识点。MV-D1024E-160-CL-12相机内置的图像预处理和LUT技术，可以很好识别标识点。

l 解决多台相机同步控制问题是通过同步控制器。相机同步控制的方法，一般是由采集卡的CC1产生同步控制信号，但多个采集卡不能保证完全同步，根据采集卡的技术指标，有jitter。而MV-D1024E-160-CL-12相机带IO外触发接口，可以直接接收同步信号，可以保证多台相机的实时同步。

l 采用图像采集卡，搭配PCI-E插槽的高速磁盘阵列可以很好的解决医疗用图像传输和存储的问题。传统的PCI插槽是共享带宽机制，所以在数据总量很大时，会导致传输速率大大下降。而PCI-E插槽是点到点传输，能够保证传输效率。这样可以用软件的方法存储数据，达到每秒钟160Mbytes的存储速度。

l 根据技术指标要求，可以计算得出：像素矩阵要满足1000*750。而MV-D1024E-160-CL-12相机的分辨率可以达到1024*1024.

l MV-D1024E-160-CL-12在全分辨率下的速度为每秒150帧，但是它有多种方法可以提高帧速，典型有ROI和Decimation技术。当选取图像中的一部分区域（Rigon Of Interest，简称ROI）时，可在横向和纵向两个方向提高图像传输速度，而其他厂商的CMOS相机的ROI技术，只能在纵向上提高传输速度。下表是MV-D1024E-160-CL-12在不同分辨率下的拍摄速度：