一種面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對舌體的動態(tài)信息采集及三維重建。本發(fā)明包括球形箱體、頜托、升降臺、相機遮光罩、臉型遮光罩、多光源系統(tǒng)（由8個LED光源、8個光源支架及底座組成）、圖像采集系統(tǒng)（由高速攝像機、圖像采集卡組成）、同步控制電路以及計算機。球形箱體的左右半球上各開一個孔，一個是安裝圖像采集裝置的攝像孔，另一個是受試舌體伸進孔。箱體上以球心為圓心的豎直圓周上均勻設(shè)置八個光源，每個光源都面向舌體照射在舌體中心，每個光源的方向均可調(diào)。同步控制電路產(chǎn)生兩組信號，一組信號控制八個光源循環(huán)點亮，另一組觸發(fā)相機快門，實現(xiàn)每一個方向下的光源點亮，相機拍攝一幀圖像，完成同步采集。
【專利說明】一種面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對舌體的動態(tài)Ih息米集及二維重建。
【背景技術(shù)】
[0002]舌診是中醫(yī)診斷中非常重要的方法之一，傳統(tǒng)的中醫(yī)舌診一般是醫(yī)生根據(jù)自己的經(jīng)驗，知識對患者的舌體進行觀察并做出診斷，這種方式的診斷結(jié)果主觀上與醫(yī)生的知識水平，經(jīng)驗技巧，甚至診斷時的心理狀態(tài)有關(guān)，客觀上受診室光線，溫度的影響。診察過程采用傳統(tǒng)的肉眼觀察和文字描述，沒有相應(yīng)的舌圖像資料記錄和分析，給臨床、教學(xué)、科研帶來了諸多不便，制約了中醫(yī)學(xué)的發(fā)展和推廣。
[0003]近幾十年來，舌診的客觀化研究受到普遍重視，有了長足的進步，一些單位對舌象儀的研究工作，取得了一定的成果。然而這些研究是以二維舌圖像作為結(jié)果，缺乏對舌體表面形態(tài)及細節(jié)的準確描述。因此，對舌體進行三維重建，對于舌診的客觀化研究具有重要意義。
[0004]光度立體技術(shù)是一種通過光照變化對物體表面進行三維重建的方法。其基本原理是保持待重建物體和攝像機的位置固定不變，在多個不同光源方向下分別拍攝物體，利用拍攝得到圖像的光強來計算物體表面的法向量，并計算表面深度值進而得到物體的三維重建圖。相對于目前基于二維圖像的舌診客觀化的研究，三維舌象增加了其表面的深度信息，可形象的表達舌體形態(tài)以及裂紋的深淺多少、舌體粗糙度、舌乳頭尺寸等特征，提高了舌象表面的現(xiàn)實感和逼真感。
[0005]本發(fā)明采用光度立體技術(shù)對舌體進行動態(tài)三維重建，由高速攝像機和圖像采集卡完成對舌體動態(tài)信息的采集。通過同步控制電路產(chǎn)生的兩組信號，控制光源的循環(huán)點亮和攝像機拍攝的同步。由光度立體重建得到的舌體模型，經(jīng)過動態(tài)重建算法進行三維動態(tài)顯示。這種動態(tài)三維重建的方法更有助于對舌體的客觀化分析，為中醫(yī)辨證論治提供更有利的依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對舌體的動態(tài)彳目息米集和二維重建。
[0007]一種面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)包括一個球形箱體，一個頜托,一個升降臺，一個臉型遮光罩，一個相機遮光罩，一個多光源系統(tǒng)，一個圖像米集系統(tǒng)，一個同步控制系統(tǒng)及一臺計算機；所述多光源系統(tǒng)包括8個LED光源、8個光源支架、底座及延長桿，所述圖像采集系統(tǒng)包括一個高速攝像機和一個圖像采集卡，高速攝像機取像速度在50FPS以上；球形箱體通過球形箱體底座置于升降臺上，箱體內(nèi)壁涂黑，球形箱體上只開兩個孔，一個是用于安裝圖像采集裝置的攝像孔，另一個是受試舌體伸進孔；兩個孔分別位于球形箱體的左右半球面上，且兩個孔的中心在同一水平線上；在攝像孔外面安裝有相機遮光罩，在受試舌體伸進孔的外面安裝有臉型遮光罩，在臉型遮光罩的外面有一頜托；舌體距高速攝像機20-30厘米；圖像采集卡插入計算機內(nèi)，通過數(shù)據(jù)傳輸線與高速攝像機相連；同步控制系統(tǒng)一方面控制光源的循環(huán)點亮，另一方面和圖像采集卡相連用于觸發(fā)高速攝像機快門，達到同步拍攝的目的。
[0008]( I)舌體的動態(tài)信息采集
[0009]采用光度立體技術(shù)在保持待重建舌體和高速攝像機的位置固定不變的情形下，在多個不同光源方向下分別對舌體進行拍攝，利用圖像的光強來計算舌體表面的法向，進而計算出舌體表面的深度信息以供三維重建使用。實驗表明，采用更多的圖像，獲得的舌體表面的信息更加豐富，重建的精度也會進一步提高，然而過多的圖像又會增加算法的計算復(fù)雜度。本系統(tǒng)采用八個光源，可獲得較好的重建效果。箱體上以球心為圓心的豎直圓周上均勻設(shè)置八個光源支架底座，每隔45度放置一個。光源支架底座上固定有延長桿，該延長桿采用可彎曲定型的金屬軟管制成，延長桿另一端是光源支架，將光源固定在光源支架上，每個光源的角度都可通過延長桿進行調(diào)節(jié)，使八個光源射出的光線集中在舌體中心點上，即八條光線都是以舌體中心點為頂點的同一個圓錐的母線。箱體可左右半球?qū)﹂_，用于對箱體內(nèi)部的光源等部件進行檢修。
[0010]光度立體技術(shù)要求拍攝環(huán)境為密閉的暗室，相機遮光罩，臉型遮光罩和球形箱體共同組成了封閉的采集環(huán)境，阻擋了外界光線進入拍攝箱體。另外，為了得到單一光源照射方向下的圖像，對箱體內(nèi)壁進行涂黑處理。
[0011]自然狀態(tài)下舌體伸出時呈現(xiàn)表面為弧形的向下傾斜狀態(tài)，與水平方向夾角在40度到60度的范圍內(nèi)，尺寸約為5X4X2厘米。由舌體的這一特點，當舌體距離相機過近時，將不能采集到舌體的整個形狀，當舌體距離相機過遠時，采集到的圖像分辨率不足，不便于觀察到舌體表面的精細特征。根據(jù)一般高速攝像機的焦距值，當舌體在距離攝像機正前方20-30厘米的位置時，可以使整個舌體較清晰的出現(xiàn)在拍攝畫面中。高速攝像機幀頻較高，即曝光時間短，需要較強的光照亮度，調(diào)節(jié)光圈至最大值處，使圖像獲得足夠的亮度。
[0012]光源采用色溫5000-6000開爾文，顯色指數(shù)在90以上的發(fā)光二極管。
[0013]由于正常人的舌體伸出時的狀態(tài)為動態(tài)，以每秒約10-20次的頻率顫抖，患有甲亢、腦血管病病人的舌體的顫抖頻率會更高，中醫(yī)上稱之為顫動舌。為了精細的捕捉到舌體伸出時的運動狀態(tài)，采用幀頻在50FPS以上的高速攝像機，用外部信號觸發(fā)的方式觸發(fā)相機快門。圖像采集卡直接插入計算機PCI插槽中，將模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機，供計算機做處理、存儲和傳輸。圖像采集卡配備一個外部信號連接帶，可接入外部信號以觸發(fā)高速攝像機快門。高速攝像機通過數(shù)據(jù)傳輸線與圖像采集卡相連。
[0014]同步控制電路基于單片機實現(xiàn)光源的循環(huán)點亮和相機拍攝的同步。通過同步控制電路產(chǎn)生兩組信號，一組是周期為10毫秒的TTL信號，此信號低電平使光源點亮，高電平使光源熄滅，用于控制八個光源的循環(huán)點亮，另一組是和此信號相比在相位上延時I毫秒的TTL信號，其下降沿觸發(fā)相機快門。在每一個光源開始點亮之后I毫秒，攝像機拍攝一幀圖像，完成同步采集。
[0015](2)舌體的動態(tài)三維重建
[0016]針對舌體的運動頻率，設(shè)置攝像機幀頻為100FPS，拍攝時間為4秒。對拍攝得到的400幀圖像，前八幀為一組取出，之后的圖像每隔八幀取出八幀，得到一共25組圖像。對每一組圖像，由光度立體算法，計算出舌體表面的法向信息，進而計算出舌體表面深度信息。利用深度信息重建出三維舌模型。
[0017].X文件是DirectX提供的模型和動畫數(shù)據(jù)的存儲格式，它存儲了三維模型的頂點坐標、顏色、法向量、紋理坐標以及動畫幀等信息。分別將這25組三維模型的信息保存為.X文件。
[0018]由于舌體為柔性物體，伸出狀態(tài)中舌體上的每個頂點都在運動，所以采用關(guān)鍵幀漸變動畫的方法通過改變頂點的位置，對舌體進行動態(tài)三維重建，基于DirectX進行顯示。加載保存的舌體的.X文件，在相鄰的關(guān)鍵幀之間對頂點進行線性插值得到任意時刻的中間幀，添加紋理貼圖和光照，形成連續(xù)的動畫并渲染輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖
[0020]圖2為光源支架結(jié)構(gòu)示意圖
[0021]圖3為關(guān)鍵幀漸變動畫示意圖
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0023]圖1為面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示,本實施例主體采用球形結(jié)構(gòu)，包括球形箱體I，頜托3，升降臺10，相機遮光罩8，臉型遮光罩2，多光源系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)，同步控制系統(tǒng)及計算機；所述多光源系統(tǒng)由八個LED光源6、八個光源支架及底座5組成；所述圖像采集系統(tǒng)由一個高速攝像機、一個圖像采集卡組成；球形箱體I通過球形箱體底座4置于升降臺10上。在球形箱體的左半球球心處開一個攝像孔7，攝像孔略大于高速攝像機鏡頭尺寸，用于安裝攝像機。攝像孔外面安裝有相機遮光罩
8。在攝像孔對面的右半球球心處也有開孔，該孔用于伸入舌體，稱為舌體伸進孔9，兩個孔在同一水平線上。校準高速攝像機的位置，使高速攝像機距離舌體20-30厘米，此時舌體清晰的出現(xiàn)在顯示屏幕中，調(diào)節(jié)光圈至最大值處，使圖像有足夠的亮度。
[0024]圖2為光源支架結(jié)構(gòu)示意圖，箱體上以球心為圓心的豎直圓周上均勻設(shè)置八個光源支架底座11，每隔45度放置一個，光源支架上有延長桿12，采用可彎曲定型的金屬軟管制成，可360度調(diào)節(jié)方向。該延長桿通過旋鈕一 13固定在支架底座11上。延長桿12的另一端是光源支架14,將光源15固定在光源支架14上,每個光源15的角度都可通過延長桿12進行調(diào)節(jié)，使八個光源射出的光線集中在舌體中心點上，即八條光線都是以舌體中心點為頂點的同一個圓錐的母線。
[0025]把圖像采集卡插入計算機內(nèi)，通過數(shù)據(jù)傳輸線與高速攝像機相連。八個光源分別接入同步控制電路板的八個控制端。在單片機控制程序中，設(shè)置八組光源初始狀態(tài)為高電平，即滅狀態(tài)，采用單片機的定時器功能在程序中設(shè)置每隔10毫秒進入一次定時中斷，每進入一次中斷，把當前光源的狀態(tài)置為低電平，八組循環(huán)，即可實現(xiàn)光源的依次點亮，每個光源點亮的時間為5毫秒。另一方面，將此高低電平信號，設(shè)置I毫秒的延時，在單片機I/O口輸出，至此便得到了比控制光源的電平延時I毫秒的TTL信號。將此TTL信號接到圖像采集卡外部信號連接帶的輸入端，用于觸發(fā)高速攝像機的快門。由這兩組信號的時序關(guān)系可知在每個光源點売之后的I暈秒處，聞速攝像機快門被觸發(fā)，實現(xiàn)了同步拍攝。在聞速攝像機參數(shù)設(shè)置界面中設(shè)置高速攝像機的幀頻、快門模式、曝光時間以及增益等參數(shù)。由于舌體伸出的狀態(tài)是運動的，為了精細的捕捉到舌體運動的狀態(tài)，設(shè)置高速攝像機幀頻為100FPS，拍攝時間為4秒，設(shè)置完成后，利用高速攝像機控制軟件對拍攝界面進行設(shè)置，設(shè)置高速攝像機觸發(fā)方式為外部觸發(fā)，輸出圖像大小為640*480。
[0026]開始拍照并保存圖像數(shù)據(jù)，對拍攝得到的400幀圖像，前八幀作為一組取出，之后的圖像每隔八幀取出八幀，得到一共25組圖像。對每一組圖像，由光度立體算法，計算出舌體表面的法向信息，進而計算出舌體表面深度信息。利用深度信息重建出三維舌體。分別將這25組三維舌體的頂點坐標、法向量、紋理坐標等信息保存為DirectX所支持的.X文件模型的格式。
[0027]載入.X文件生成網(wǎng)格模型，通過關(guān)鍵幀漸變動畫算法基于DirectX實現(xiàn)25組模型之間的動態(tài)效果顯示。圖3為關(guān)鍵幀漸變動畫示意圖。漸變動畫由一系列漸變網(wǎng)格模型組成，在動畫序列的關(guān)鍵幀中記錄著組成網(wǎng)格的各個頂點的新位置，通過在相鄰關(guān)鍵幀之間插值來直接改變網(wǎng)格模型中各個頂點的位置實現(xiàn)動畫效果。令第一個網(wǎng)格模型為源網(wǎng)格模型，頂點坐標存儲在Vl里，第二個網(wǎng)格模型為目標網(wǎng)格模型，頂點坐標存儲在v2里，記錄從源網(wǎng)格模型的坐標到目標網(wǎng)格模型的坐標的頂點運動，通過一個標尺(范圍從0-1)來測量所需的時間段，標尺量存儲在Scalar里。任何從0_1之間的標尺值,就代表把頂點放在源網(wǎng)格模型到目標網(wǎng)格模型坐標之間的某個地方。頂點在漸變動畫期間的坐標為:
[0028]v=vl*(l.0-Scalar)+v2*Scalar,
[0029]標尺值計算公式如下:
[0030]Scalar=Time/Length,其中，Length為動畫的長度；Time為坐標取樣的時間。
[0031]定義一個動畫，包含了 25個動畫關(guān)鍵點、每一個關(guān)鍵點的時間以及此時所使用的網(wǎng)格模型。根據(jù)播放時間進行插值得到任意時刻的中間幀，從而形成連續(xù)的動畫并渲染輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，包括一個球形箱體，一個頜托，一個升降臺，一個相機遮光罩，一個臉型遮光罩，一個多光源系統(tǒng)，一個圖像米集系統(tǒng)，一個同步控制系統(tǒng)及一臺計算機；所述多光源系統(tǒng)包括8個LED光源、8個光源支架、底座及延長桿，所述圖像采集系統(tǒng)包括一個高速攝像機和一個圖像采集卡，高速攝像機取像速度在50FPS以上；球形箱體通過球形箱體底座置于升降臺上，球形箱體上只開兩個孔，一個是用于安裝圖像采集裝置的攝像孔，另一個是受試舌體伸進孔；兩個孔分別位于球形箱體的左右半球面上，且兩個孔的中心在同一水平線上；在攝像孔外面安裝有相機遮光罩，在受試舌體伸進孔的外面安裝有臉型遮光罩，在臉型遮光罩的外面有一頜托；圖像采集卡插入計算機內(nèi)，通過數(shù)據(jù)傳輸線與高速攝像機相連；同步控制系統(tǒng)一方面控制光源的循環(huán)點亮，另一方面和圖像采集卡相連用于觸發(fā)高速攝像機快門，達到同步拍攝的目的；八個光源均勻分布在以球心為圓心的豎直平面上，每隔45度設(shè)置一個，光源方向可通過延長桿進行360度調(diào)節(jié)，八個光源射出的光線集中在舌體中心點上，即八條光線都是以舌體中心點為頂點的同一個圓錐的母線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，其特征在于:延長桿采用可彎曲定型的金屬軟管制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，其特征在于:舌體距離高速攝像機20-30厘米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，其特征在于:為獲取單一方向光源照明下的圖像，對箱體內(nèi)壁進行涂黑處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，其特征在于:同步控制系統(tǒng)通過同步控制電路產(chǎn)生兩組信號控制各個方向光源點亮和高速攝像機拍攝的同止/J/ O
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向中醫(yī)舌診的舌體動態(tài)三維重建系統(tǒng)，其特征在于:所述光源采用色溫5000-6000開爾文，顯色指數(shù)在90以上的發(fā)光二極管。
【文檔編號】G06T17/00GK103729881SQ201310741761
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月28日
【發(fā)明者】蔡軼珩, 張琳琳, 王立娜, 林沙沙, 郭松, 張新峰 申請人:北京工業(yè)大學(xué)