本發(fā)明涉及視覺三維測量技術(shù)，具體講,涉及成像光線空間追蹤舌面彩色三維成像方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：舌診是通過觀察舌象了解人體生理功能和病理變化的方法，是中醫(yī)望診的一項重要內(nèi)容，在中醫(yī)理論體系與臨床診斷中占有舉足輕重的地位。傳統(tǒng)舌診的分析判斷往往受醫(yī)生的個人經(jīng)驗及患者所處的環(huán)境等因素影響，具有一定的主觀性。自八十年代初期以來，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)合作致力于舌診的客觀化研究，目前，這些研究絕大部分都是基于二維舌圖像進行分析診斷，然而，二維舌圖像并不能提供舌體的三維信息，如舌體的形態(tài)輪廓、舌苔分布情況、舌裂紋長度等，這會直接影響診斷結(jié)果。相對于二維舌圖像，舌體的形態(tài)輪廓及舌苔分布情況等三維信息一方面可以為中醫(yī)提供更全面的診斷信息，另一方面也為中醫(yī)診斷提供客觀量化的依據(jù)。此外，舌色在舌診學中是一種區(qū)分疾病的重要依據(jù)。因此，獲取舌面的彩色三維信息對中醫(yī)舌診的客觀化分析判斷具有十分重要的意義。目前，舌面的三維成像方法主要有磁共振成像或CT成像、多目立體視覺三維成像法及光度立體法。其中，磁共振成像或CT成像由于其高成本及低分辨率的特點而不具有實用性；多目立體視覺三維成像法不能提供舌面的顏色信息；光度立體法利用不同光照和同一視角下的多幅圖像(至少三幅)依次求解舌面的法向量、紋理反射率和深度信息實現(xiàn)三維重建，該方法在舌體邊界區(qū)域的重建精度有待改進。為了實現(xiàn)高精度獲取舌面的彩色三維信息，本設計方案采用線結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)。線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學模型是線結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)的關鍵，直接影響系統(tǒng)的測量精度。目前，常用的數(shù)學模型有三種：小孔成像透視變換模型、解析幾何模型、空間映射模型。其中，小孔成像透視變換模型是根據(jù)攝像機成像原理建立的理想情況，其系統(tǒng)測量精度受限于光學系統(tǒng)調(diào)整誤差、鏡頭畸變及圖像采集誤差等；解析幾何模型需要已知攝像機光軸與光平面之間的夾角等參數(shù)，才能通過空間解析法求解測量點的三維信息，然而實測時系統(tǒng)往往無法提供這些參數(shù)；空間映射模型建立了圖像坐標(u,v)到光平面上空間測量點坐標(Xw,Yw)的映射關系，但不能確定空間測量點(Xw,Yw,Zw)到圖像點(u,v)的坐標映射關系，故很難準確快速地完成顏色渲染。技術(shù)實現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在實現(xiàn)準確快速地獲取舌面的彩色三維點云數(shù)據(jù)，提高中醫(yī)診斷的準確性，實現(xiàn)舌頭上表面及下表面的彩色三維信息的準確獲取。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，成像光線空間追蹤舌面彩色三維成像系統(tǒng)，由彩色CCD攝像機、兩個一字線激光器、高速精密電動升降臺、白色LED環(huán)形光源、計算機及圖像采集卡組成。其中，一字線激光器Ⅰ與彩色CCD攝像機組成的線結(jié)構(gòu)光傳感器Ⅰ完成舌頭上表面的掃描測量；一字線激光器Ⅱ與CCD攝像機組成的線結(jié)構(gòu)光傳感器Ⅱ完成舌頭下表面的掃描測量；在掃描測量的初始位置，由CCD攝像機攝取舌頭上表面的彩色圖像；一字線激光器Ⅰ投射到舌頭上表面產(chǎn)生光條，CCD攝像機拍攝光條圖像，并由采集卡傳輸?shù)接嬎銠C中，利用灰度重心法對光條圖像進行光條中心提取獲得光條的像素坐標，結(jié)合高速精密電動升降臺勻速運動提供的位移信息，即可計算光條的三維信息，并從彩色圖像中提取各點的顏色信息，即可完成舌頭上表面的彩色三維數(shù)據(jù)(x,y,z)-(R,G,B)的獲取，(x,y,z)代表三維坐標，(R,G,B)代表紅、綠、藍三顏色通道；同理可以獲取舌頭下表面的彩色三維信息。成像光線空間追蹤舌面彩色三維成像方法，步驟是，利用一字線激光器Ⅰ與CCD攝像機組成的線結(jié)構(gòu)光傳感器Ⅰ完成舌頭上表面的掃描測量；利用一字線激光器Ⅱ與CCD攝像機組成的線結(jié)構(gòu)光傳感器Ⅱ完成舌頭下表面的掃描測量；在掃描測量的初始位置，由CCD攝像機攝取舌頭上表面的彩色圖像；一字線激光器Ⅰ投射到舌頭上表面產(chǎn)生光條，由CCD攝像機拍攝光條圖像，并利用灰度重心法對光條圖像進行光條中心提取獲得光條的像素坐標，結(jié)合高速精密電動升降臺勻速運動提供的位移信息，即可計算光條的三維信息，并從彩色圖像中提取各點的顏色信息，即可完成舌頭上表面的彩色三維數(shù)據(jù)(x,y,z)-(R,G,B)的獲取，(x,y,z)代表三維坐標，(R,G,B)代表紅、綠、藍三顏色通道，同理可以獲取舌頭下表面的彩色三維信息。光條的三維信息由如下三維測量模型表達式計算得到的：Lxwywzw1=1000010±Δyk0010xwywzw1=xwyw±Δykzw1]]>其中，L為根據(jù)當前升降臺的位置對測量值進行相應的升降變換值，xw,yw,zw為空間測量點坐標，Δyk為當前升降臺位置與初始升降臺位置的位移偏差?？臻g中任意一點與其對應成像點之間一一映射的關系：xw-xlxm-xl=yw-ylym-yl=zw-lm-lxl=Σi=0nΣj=0n-iCijluivjxm=Σi=0nΣj=0n-iCijmuivjyl=Σi=0nΣj=0n-iDijluivjym=Σi=0nΣj=0n-iDijmuivj---(7)]]>式中，(u，v)代表空間點對應的像素坐標，l和m分別代表與攝像機像平面相互映射的兩個空間平面的z坐標，和為成像光線追蹤模型參數(shù)，由系統(tǒng)參數(shù)標定獲得；則系統(tǒng)的顏色渲染模型為：KPe2+(1-K)Pe1＝0(8)式中：K=zw-lm-l,]]>P=1uvuvu2v2...unvn-xw1uvuvu2v2...unvn-yw2×M,]]>e1=C0lC1lC2lC3lC4lC5l...CM-2lCM-1l1D0lD1lD2lD3lD4lD5l...DM-2lCM-1l1T,]]>e2=C0mC1mC2mC3mC4mC5m...CM-2mCM-1m1D0mD1mD2mD3mD4mD5m...DM-2mDM-1m1T,]]>M=Σi=0n(1+i)(n+1-i).]]>則對于空間中任意一點Pw(xw,yw,zw)，利用廣義逆法對顏色渲染模型進行優(yōu)化求解，即求得對應的像素坐標(u,v)，并根據(jù)該像素坐標在已保存的舌頭上表面或下表面的彩色圖像中提取該點對應的(R,G,B)值，那么將其與空間坐標貼合在一起，即獲得對應的三維彩色信息(xw,yw,zw)-(R,G,B)。本發(fā)明的特點及有益效果是：本發(fā)明設計了一種使用成像光線空間追蹤方法的舌面彩色三維成像系統(tǒng)，在成像光線追蹤方法的基礎上，引入光平面約束，以準確確定成像點到空間測量點的映射，結(jié)合兩個線結(jié)構(gòu)光傳感器的掃描測量，分別獲取舌頭上表面及下表面完整的三維信息，并根據(jù)空間測量點到成像點的映射，完成顏色渲染，獲取對應測量空間點的顏色信息。通過本發(fā)明獲取的舌面彩色三維信息，可以準確反映舌體的形態(tài)輪廓，舌苔分布情況，舌下脈絡等三維信息，并且能夠真實完整地顯示舌苔顏色，舌質(zhì)顏色及舌下脈絡的顏色等，這將在很大程度上輔助醫(yī)生進行客觀準確的診斷。因此，本設計方案有較好的技術(shù)優(yōu)勢。附圖說明：圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2成像點與其空間測量點之間的坐標映射。圖3舌面點云數(shù)據(jù)，圖中，(a)舌頭上表面，(b)舌頭下表面。具體實施方式提出了一種使用成像光線追蹤方法的彩色三維成像系統(tǒng)，使用成像光線追蹤方法，引入光平面約束，結(jié)合兩個線結(jié)構(gòu)光傳感器的掃描測量，分別獲取舌頭上表面及下表面完整的三維信息，并通過顏色渲染，獲取對應空間測量點的顏色信息。1.系統(tǒng)測量方案本設計方案采用基于成像光線追蹤的線結(jié)構(gòu)光視覺測量方法分別對舌頭上表面和下表面進行掃描測量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由一臺彩色CCD攝像機、兩個一字線激光器、一臺高速精密電動升降臺、一個白色LED環(huán)形光源及圖像采集卡等組成。其中，激光器Ⅰ與CCD攝像機組成的線結(jié)構(gòu)光傳感器Ⅰ完成舌頭上表面的掃描測量；激光器Ⅱ與CCD攝像機組成的線結(jié)構(gòu)光傳感器Ⅱ完成舌頭下表面的掃描測量。在掃描測量的初始位置，由CCD攝像機攝取舌頭上表面的彩色圖像。激光器Ⅰ投射到舌頭上表面產(chǎn)生光條，由CCD攝像機拍攝光條圖像，并利用灰度重心法進行光條中心提取獲得光條的像素坐標，結(jié)合高速精密電動升降臺勻速運動提供的位移信息，即可計算光條的三維信息，并從彩色圖像中提取各點的顏色信息，即可完成舌頭上表面的彩色三維數(shù)據(jù)(x,y,z)-(R,G,B)的獲取。同理可以獲取舌頭下表面的彩色三維信息。2.三維測量方法使用成像光線追蹤實現(xiàn)三維測量。成像點與其空間測量點之間的坐標映射關系如圖2所示。其中，Ow-XwYwZw為測量坐標系，與攝像機像平面相互映射的空間平面Πl(fā)和Πm的平面方程分別為：Πl:z=lΠm:z=m---(1)]]>對于圖像坐標系O-uv中的任一點Pu(u,v)，可以用n階多項式計算出其對應空間直線lp分別與平面Πl(fā)和平面Πm的兩個交點Pl(xl,yl,l)和Pm(xm,ym,m)，如式(2)所示：xk=Σi=0nΣj=0n-iCijkuivjyk=Σi=0nΣj=0n-iDijkuivj---(2)]]>式中：k為l或m，和為成像光線追蹤模型參數(shù)，由系統(tǒng)參數(shù)標定獲得。則空間直線lp的方程為：x-xlxm-xl=y-ylym-yl=z-lm-l---(3)]]>由成像光線追蹤模型可知，與成像點Pu(u,v)對應的空間測量點Pw(xw,yw,zw)一定是在直線lp上，又由于點Pw位于光平面上，故由光平面與空間直線相交即可求得點Pw的三維坐標。其中，光平面Π1和光平面Π2在測量坐標系下的平面方程分別為：Π1:a1x+b1y+c1z+d1=0Π2:a2x+b2y+c2z+d2=0---(4)]]>式中：a1，b1，c1，d1和a2，b2，c2，d2分別為光平面Π1和光平面Π2方程參數(shù)，可以通過主成分分析法(PCA)進行空間平面擬合得到。則空間測量點Pw的三維坐標可以表示為：zw=al(xm-xl)/(m-l)+bl(ym-yl)/(m-l)-axl-byl-da(xm-xl)/(m-l)+b(ym-yl)/(m-l)+cxw=zw-lm-l(xm-xl)+xlyw=zw-lm-l(ym-yl)+yl---(5)]]>那么，光平面Π1和光平面Π2上的測量點Pw的坐標可以分別用各自的光平面方程參數(shù)代替式(5)的a，b，c，d計算得到。由圖2中系統(tǒng)的升降掃描方式可知，系統(tǒng)測量坐標系Ow-XwYwZw的OwYw軸平行于升降臺的移動方向。由于光平面隨著升降臺移動，故需將光條中心點的測量值統(tǒng)一到測量坐標下，即根據(jù)當前升降臺的位置對測量值進行相應的升降變換L。則三維測量模型表達式：Lxwywzw1=1000010±Δyk0010xwywzw1=xwyw±Δykzw1---(6)]]>3.顏色渲染方法為了準確快速地獲取舌面的顏色信息，要求在對舌頭上表面和下表面進行掃描測量的初始位置，關閉激光器，分別拍攝一幅舌頭上表面和下表面的彩色圖像并保存。在掃描測量得到舌頭上表面或下表面的三維信息后，根據(jù)點Pw(xw,yw,zw)、點Pl(xl,yl,l)及點Pm(xm,ym,m)三點共線的特性，由式(2)及式(3)可得空間中任意一點與其對應成像點之間一一映射的關系：xw-xlxm-xl=yw-ylym-yl=zw-lm-lxl=Σi=0nΣj=0n-iCijluivjxm=Σi=0nΣj=0n-iCijmuivjyl=Σi=0nΣj=0n-iDijluivjym=Σi=0nΣj=0n-iDijmuivj---(7)]]>則系統(tǒng)的顏色渲染模型為：KPe2+(1-K)Pe1＝0(8)式中：K=zw-lm-l,]]>P=1uvuvu2v2...unvn-xw1uvuvu2v2...unvn-yw2×M,]]>e1=C0lC1lC2lC3lC4lC5l...CM-2lCM-1l1D0lD1lD2lD3lD4lD5l...DM-2lCM-1l1T,]]>e2=C0mC1mC2mC3mC4mC5m...CM-2mCM-1m1D0mD1mD2mD3mD4mD5m...DM-2mDM-1m1T,]]>M=Σi=0n(1+i)(n+1-i).]]>則對于空間中任意一點Pw(xw,yw,zw)，利用廣義逆法對顏色渲染模型進行優(yōu)化求解，即可以求得對應的像素坐標(u,v)，并根據(jù)該像素坐標在已保存的舌頭上表面或下表面的彩色圖像中提取該點對應的(R,G,B)值，那么將其與空間坐標貼合在一起，即可獲得對應的三維彩色信息(xw,yw,zw)-(R,G,B)。根據(jù)測量范圍，按照圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建舌面彩色三維成像系統(tǒng)。測量時，通過提取光條特征點，將各點代入公式(6)即可求解出舌面的三維點云數(shù)據(jù)，再將這些三維點云數(shù)據(jù)代入公式(8)即可獲得各個測量點所對應的顏色信息。通過本方案，選取多名舌面特征各不相同的受試者在實驗室環(huán)境中進行實驗，并要求受試者在實驗前進行多次伸舌訓練，確保實驗過程中受試者舌頭盡量伸長，舌體盡量放松，舌面盡量平展，且要求采集獲取舌頭上表面的彩色三維信息時，舌尖向下，采集獲取舌頭下表面的彩色三維信息時，舌尖向上。選取其中舌表面具有較典型特征的一位受試者的實驗結(jié)果進行展示，如圖3所示。由圖3可知，通過本發(fā)明可以準確顯示舌體的形態(tài)輪廓、舌苔分布情況、舌下脈絡和舌苔、舌質(zhì)及舌脈的顏色等信息，可輔助醫(yī)生進行客觀準確的診斷，對舌診客觀化的發(fā)展具有十分重要的意義。當前第1頁1 2 3