本發(fā)明屬于計算機視覺，尤其涉及一種基于計算機視覺的腳踝靈活度自動檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、腳踝是人體實現(xiàn)走、跑、跳躍等運動不可或缺的重要關(guān)節(jié)，其靈活性、穩(wěn)定性是踝關(guān)節(jié)功能評定的基本而重要的指標。腳踝靈活度測量儀主要實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)活動度的測量，包括關(guān)節(jié)運動時構(gòu)成關(guān)節(jié)的環(huán)節(jié)所通過的運動?。ㄜ壽E）或環(huán)節(jié)繞某一關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動的角度。踝關(guān)節(jié)活動度測量一般包括足背屈、跖屈、內(nèi)翻、外翻等角度，其中足背靠近小腿、足，與小腿夾角減小的過程叫做背屈，相反，足背遠離小腿，足與小腿的夾角增大的過程稱作跖屈；在跖屈時，足可做一定范圍的側(cè)方運動，足底朝內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)為內(nèi)翻，足底朝外側(cè)翻轉(zhuǎn)為外翻。

2、國內(nèi)目前測量腳踝靈活度的方法主要包括以下幾種：1、角度計測量法：如量角器測量法、使用量角器直接測量踝關(guān)節(jié)背屈、跖屈、內(nèi)翻、外翻等動作的最大角度，以此評估腳踝的靈活度。這種方法簡單易行，但測量精度受操作者經(jīng)驗影響較大，重復測量一致性較差。2、目測法：通過肉眼觀察腳踝運動情況，評估腳踝的靈活度。這種方法主觀性強，測量結(jié)果受觀察者的經(jīng)驗和技術(shù)水平的影響較大。3、電子儀器測量法：使用電子儀器（如腳踝靈活度測量儀）進行測量，準確度高、客觀性強、可重復性好，但價格較高，操作和維護成本也較高。4、影像學檢查法：通過x線、ct或mri等影像學檢查手段，觀察踝關(guān)節(jié)間隙、關(guān)節(jié)面及周圍軟組織的情況，從而間接評估踝關(guān)節(jié)的活動度。能夠提供關(guān)節(jié)內(nèi)部的詳細結(jié)構(gòu)信息，為評估提供依據(jù)。但成本較高，且需專業(yè)影像解讀能力。此外，影像學檢查通常只能反映靜態(tài)下的關(guān)節(jié)情況，無法直接測量動態(tài)活動度。5、三維攝像測量系統(tǒng)：利用三維攝像技術(shù)捕捉踝關(guān)節(jié)在運動過程中的動態(tài)變化，并通過計算機分析得出關(guān)節(jié)活動度的數(shù)據(jù)。測量精度高，能夠直觀地展示關(guān)節(jié)的運動軌跡和范圍。但設(shè)備昂貴、需專業(yè)人員進行操作和分析。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于計算機視覺的腳踝靈活度自動檢測方法及裝置，以解決上述的技術(shù)問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于計算機視覺的腳踝靈活度自動檢測方法及裝置的具體技術(shù)方案如下：

3、一種基于計算機視覺的腳踝靈活度自動檢測方法，包括如下步驟：

4、步驟1：拍攝被測者的踝關(guān)節(jié)背屈和跖屈運動，提取第一跖骨、腳踝的位置圖像并進行圖像預處理；

5、步驟2：提取被測者踝關(guān)節(jié)的背屈和跖屈角度；

6、步驟3：通過計算得到的被測者的最大背屈角度和跖屈角度判斷被測者的腳踝靈活度；

7、步驟4：拍攝被測者的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和外翻運動，提取腳掌平面的位置圖像并進行圖像預處理；

8、步驟5：提取被測者踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻和外翻角度；

9、步驟6：通過計算得到的被測者踝關(guān)節(jié)的最大外翻角度和最大內(nèi)翻角度判斷被測者的腳踝靈活度。

10、進一步的，所述步驟1包括如下具體步驟：

11、步驟1.1：生成腳踝側(cè)面檢測樣本圖像；

12、被測者轉(zhuǎn)動踝關(guān)節(jié)，進行踝關(guān)節(jié)背屈和跖屈運動，拍攝被測者的腳踝側(cè)面，獲取被測者的踝關(guān)節(jié)背屈和跖屈運動視頻，選取幀率f，以1/f為時間間隔提取視頻中的圖像流，第 n個圖像用a( n)表示，序列a(1)，a(2)，…，a( n)形成腳踝側(cè)面檢測樣本，用于后續(xù)第一跖骨、踝關(guān)節(jié)位置的提取和分析；

13、步驟1.2：對腳踝側(cè)面檢測樣本圖像進行預處理，得到預處理后的黑白圖像。

14、進一步的，所述步驟2包括如下具體步驟：

15、步驟2.1：提取被測者第一跖骨和踝關(guān)節(jié)的位置坐標；

16、對步驟1預處理后的黑白圖像的第一行開始，計算每一行中像素值為0的像素點的個數(shù)，當像素點個數(shù)到達設(shè)定的第一跖骨像素點閾值時，判定此時的行數(shù)為第一跖骨的縱坐標 y m，再在第一跖骨的縱坐標下對像素值為0的像素點的橫坐標取平均值，此時的平均值為第一跖骨的橫坐標 x m；在確認了第一跖骨的坐標后，繼續(xù)按行為單位向下讀取計算，當像素值為0的像素點個數(shù)到達設(shè)定的踝關(guān)節(jié)像素點閾值時，判定此時的行數(shù)為踝關(guān)節(jié)的縱坐標 y a，再在踝關(guān)節(jié)的縱坐標下對像素值為0的像素點的橫坐標取平均值，此時的平均值為踝關(guān)節(jié)的橫坐標 x a；

17、步驟2.2：提取第一跖骨和踝關(guān)節(jié)的連線相對于垂直方向上的夾角，并判斷是屬于背屈角度還是跖屈角度；

18、對第一跖骨和踝關(guān)節(jié)的坐標作 atan變換，得到兩者連線相對于垂直方向上的夾角：θ= atan()，，根據(jù)圖像上被測者足底在左、足背在右的腳踝放置方向，當θ>0，表示踝關(guān)節(jié)做跖屈運動，輸出跖屈角度，當θ<0，表示踝關(guān)節(jié)做背屈運動，輸出背屈角度，當θ=0，表示圖像上的第一跖骨在踝關(guān)節(jié)豎直上方。

19、進一步的，所述步驟3包括如下具體步驟：

20、在計算出被測者踝關(guān)節(jié)的背屈和跖屈角度后，將所有踝關(guān)節(jié)的背屈角度 α（ n）和跖屈角度 β（ n）進行比較，其中 n表示第 n個檢測樣本圖像；得到被測者踝關(guān)節(jié)的最大背屈角度 α max和最大跖屈角度 β max，若15°≤ α max≤20°，得出被測者踝關(guān)節(jié)背屈靈活度正常，若 α max＜15°，得出被測者踝關(guān)節(jié)背屈靈活度不足，若 α max＞20°，得出被測者踝關(guān)節(jié)背屈靈活度超常；若40°≤ β max≤50°，得出被測者踝關(guān)節(jié)跖屈靈活度正常，若 β max＜40°，得出被測者踝關(guān)節(jié)跖屈靈活度不足，若 β max＞50°，得出被測者踝關(guān)節(jié)跖屈靈活度超常。

21、進一步的，所述步驟4包括如下具體步驟：

22、步驟4.1：生成足尖的頂面檢測樣本圖像；

23、被測者進行踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和外翻運動，拍攝被測者的足尖頂面，獲取被測者的踝關(guān)節(jié)背屈和跖屈運動視頻，選取幀率f，以1/f為時間間隔提取視頻中的圖像流，第 n個圖像用a( n)表示，序列a(1)，a(2)，…，a( n)形成足尖頂面檢測樣本，用于后續(xù)腳掌平面位置的提取和分析；

24、步驟4.2：對足尖頂面檢測樣本圖像進行預處理，得到預處理后的黑白圖像。

25、進一步的，所述步驟5包括如下具體步驟：

26、步驟5.1：提取被測者腳掌兩側(cè)的位置坐標；

27、對步驟4預處理后的黑白圖像的第一行開始，計算每一列中像素值為0的像素點的個數(shù)，當像素點個數(shù)到達設(shè)定的腳尖像素點閾值時，判定此時的列數(shù)為足尖的橫坐標 x t，再在腳尖的橫坐標下對像素值為0的像素點的縱坐標取平均值，此時的平均值為足尖的縱坐標 y t；

28、在足尖的橫坐標為（ x t+5）的列中，從 y t開始向上檢索像素值，當b( x t+5， y t?- i)=0，且b( x t+5， y t?-（ i+1）)=255時，得到坐標（ x t+5， y t?- i），其中 i=1,2，…；同時從 y t開始向下檢索像素值，當b( x t+5， y t+ k)=0，且b( x t+5， y t+（ k+1）)=255時，提取坐標（ x t+5， y t+ k），其中 k=1,2，…；重復在（ x t+5 n）的列中做如上操作，其中 n=1,2，…，得到腳掌邊緣坐標，并將每個坐標與前一個坐標進行對比，得到腳掌邊緣的縱坐標的變化量，直至該縱坐標變化量的變化超過我們設(shè)定的閾值，則停止上述檢索和坐標的提取，并將該坐標舍棄；

29、提取得到向上檢索的最大橫坐標及其對應(yīng)的縱坐標，和向下檢索的最大橫坐標及其對應(yīng)的縱坐標，計算（ x t， y t）、兩個坐標點的距離，計算（ x t， y t）、兩個坐標點的距離，將 m1和 m2的值與我們設(shè)定的腳掌寬度閾值范圍進行比較，落在閾值范圍內(nèi)的則為被測者的腳掌位置，最后確定腳掌兩側(cè)的位置坐標，記為（ x t， y t）、；

30、步驟5.2：提取腳掌位置相對于垂直方向上的夾角，并判斷是屬于內(nèi)翻角度還是外翻角度；

31、對腳掌的兩側(cè)位置坐標作 atan變換，得到兩者連線相對于垂直方向上的夾角：θ= atan()，，根據(jù)圖像上被測者足底在左、足背在右的腳踝放置方向，當θ>0，若是左腳，表示踝關(guān)節(jié)做外翻運動，若是右腳，則表示踝關(guān)節(jié)做內(nèi)翻運動；當θ<0，若是左腳，則表示踝關(guān)節(jié)做內(nèi)翻運動，若是右腳，則表示踝關(guān)節(jié)做外翻運動；

32、定義一個參數(shù)d，當測量足為左足時，d=1，當測量足為右足時，d=-1；則時，表示踝關(guān)節(jié)做外翻運動，輸出外翻角度，時，表示踝關(guān)節(jié)做內(nèi)翻運動，輸出內(nèi)翻角度。

33、進一步的，所述步驟6包括如下具體步驟：

34、在計算得到踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻和外翻角度后，將所有踝關(guān)節(jié)的外翻角度和內(nèi)翻角度進行比較，其中 n表示第 n個檢測樣本圖像；得到被測者踝關(guān)節(jié)的最大外翻角度和最大內(nèi)翻角度，若，得出被測者踝關(guān)節(jié)外翻靈活度正常，若，得出被測者踝關(guān)節(jié)外翻靈活度不足，若，得出被測者踝關(guān)節(jié)外翻靈活度超常；若，得出被測者踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻靈活度正常，若，得出被測者踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻靈活度不足，若，得出被測者踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻靈活度超常。

35、進一步的，所述步驟1.2包括如下具體步驟：

36、步驟1.2.1：對腳踝側(cè)面檢測樣本a( n)進行灰度化處理，生成腳踝側(cè)面檢測樣本的灰度圖像；

37、提取檢測樣本圖像a( n)中像素r，g，b三個分量的數(shù)值，按不同權(quán)值進行加權(quán)平均：，（ x， y）表示原圖像上任意像素點的坐標， r（ x， y）、 g（ x， y）、 b（ x， y）分別表示該像素點的顏色紅、綠、藍三個分量值，最后生成相應(yīng)的灰度圖像；

38、步驟1.2.2：對腳踝側(cè)面檢測樣本的灰度圖像進行二維中值濾波；

39、設(shè)置 b* b的正方形模板在檢測樣本的灰度圖像中漫游，并將模板中心依次與圖像中每個像素位置重合；讀取模板下各對應(yīng)像素的灰度值；將這些灰度值從小到大進行排序；提取灰度值中排在中間的值；將這個中間值賦給對應(yīng)模板中心位置的像素，作為輸出結(jié)果；二維中值濾波器的輸出寫為， n（ x， y）表示當前像素點的鄰域，即 b* b模板覆蓋區(qū)域，， gray（ s， t）表示鄰域內(nèi)各像素點的原灰度值，其輸出值為當前鄰域內(nèi)各點灰度值的中位數(shù)，并被賦給當前像素點，記為 g median（ x， y），對于一個所用模板尺寸大小為 b* b的中值濾波器，其輸出值為 b* b個灰度值的中位數(shù)，圖像中尺寸小于模板尺寸一半的突變區(qū)域在濾波后被清除掉，以處理被測樣本圖像中的隨機的、孤立的噪聲點；

40、步驟1.2.3：對二維中值濾波后的腳踝側(cè)面檢測樣本圖像進行灰度變換；

41、提取二維中值濾波后的檢測樣本圖像中的像素灰度值 g，通過變換函數(shù)t將灰度值 g映射為灰度值 r，， c和 a為該圖像條件下對應(yīng)的系數(shù)，使原圖像得到增強；

42、步驟1.2.4：對灰度變換后的腳踝側(cè)面檢測樣本圖像進行二值化處理；

43、將灰度變換后的檢測樣本圖像的直方圖定義為 h( r k) =n k； r k是第 k級的灰度值， n k是圖像中灰度為 r k的像素的個數(shù)， k=0，1，2，…， l-1，這里 l是灰度級數(shù)；通過枚舉尋找合適的閾值，對灰度變換后的檢測樣本圖像進行二值化處理；當灰度值大于閾值時，令 b( x,y)=255，當灰度值小于閾值時，令 b( x,y)=0，其中 b( x,y)代表圖像上一個像素點的像素值，圖像在二值化處理后得到黑白圖像，更加凸顯腳部的特征信息。

44、進一步的，所述步驟4.2的預處理步驟與步驟1.2相同。

45、本發(fā)明還公開了一種基于計算機視覺的腳踝靈活度自動檢測裝置，所述裝置用于實現(xiàn)所述方法的步驟，所述裝置包括監(jiān)測裝置、單片機和計算機，三者相互連接，所述監(jiān)測裝置內(nèi)具有攝像頭，用于拍攝被測對象位置信息并發(fā)送給單片機，所述單片機包括聲光提示模塊，用于在接收到監(jiān)測裝置采集的被測者位置信息后發(fā)出聲光提示，提示被測者的腳踝到達指定的攝像頭視頻捕捉位置，所述計算機用于采集監(jiān)測裝置拍攝的圖像并進行圖像處理。

46、本發(fā)明的一種基于計算機視覺的腳踝靈活度自動檢測方法及裝置具有以下優(yōu)點：本發(fā)明的基于計算機視覺的腳踝靈活度自動檢測方法及裝置，面向腳踝背屈和跖屈的最大角度以及內(nèi)翻和外翻的最大角度的兩個測試，通過快速提取第一跖骨、腳踝和腳掌平面的位置，來實時檢測角度和位置的變化，可以降低測評人員工作量，降低設(shè)備成本，提高測評效率，提高測試結(jié)果穩(wěn)定性和準確性。