本發(fā)明涉及啄木鳥關(guān)節(jié)點定位領域，特別是涉及一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法。

背景技術(shù)：

啄木鳥是一種常見的鳥類，它靠又尖又硬的喙啄開樹皮并鑿出樹洞進行捕食或筑巢。有研究表明，啄木鳥體積雖小，但啄擊最大加速度可達2000g以上，而且又能快速傳遞啄擊所產(chǎn)生的非常大的沖擊力，進行連續(xù)精確啄擊。因此，對啄木鳥的啄木行為的研究對醫(yī)學、電子學、材料學、力學和機械學科有著重要的理論研究和工程應用價值。

早期的對啄木鳥的研究主要集中在對啄木鳥頭部抗沖擊機制的研究，但在研究中逐步發(fā)現(xiàn)，啄木鳥的抗沖擊機制和高頻高速啄擊動作的產(chǎn)生機制需依賴于對啄木鳥整體的運動學和動力學研究?，F(xiàn)有的對啄木鳥整體的研究主要包括啄木鳥全身結(jié)構(gòu)的應力波傳播和能量流動的研究和啄木鳥啄擊動作運動學和動力學研究，但由于缺乏對啄木鳥生物本源的研究，導致理論模型與實際生物結(jié)構(gòu)差別較大，進而影響研究結(jié)果的準確性與應用性。所以，仍需基于啄木鳥的整體結(jié)構(gòu)和運動特性對啄木鳥的運動學和動力學進行深入研究。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)逐步應用到了動物與人體的運動捕獲中。圖像處理方法不受動物或人體動作部位大小的限制，通過對特征點的捕獲，實現(xiàn)對動作數(shù)據(jù)的測定，包括位置、速度、加速度、運動軌跡等。因為動物或人體的運動姿態(tài)主要由骨骼和關(guān)節(jié)構(gòu)成，所以在動物或人體的運動捕捉技術(shù)的研究中，通常需要先捕獲運動對象的主要關(guān)節(jié)點，目前主要采用人工標記法和無標記法。人工標記法是指人工對動物或人體的關(guān)節(jié)點進行特殊標記，在圖像處理中便于識別，但此方法要求關(guān)節(jié)點標記盡可能精確，否則會導致結(jié)果不準確；無標記法指的是利用圖像處理的方法進行關(guān)節(jié)點識別，此方法需精確提取運動對象的輪廓，相比人工標記法圖像處理過程非常復雜，并且對研究對象有一定的局限性。

啄木鳥體積小、身體羽毛圖案復雜，在啄木動作中運動行程小、身體和尾部動作較小，很難利用無標記點法在啄木動作圖像序列中精確識別啄木鳥的關(guān)節(jié)點，并且誤差很大。所以采用人工標記法，但是由于啄木鳥體積小、結(jié)構(gòu)簡單，其關(guān)節(jié)點基本均由羽毛和肌肉包覆很難找到關(guān)節(jié)點所在，并且在啄木鳥運動過程中羽毛和肌肉運動幅度較大，影響標記關(guān)節(jié)點的正確性。所以，現(xiàn)有的關(guān)節(jié)點定位方法達不到對啄木鳥啄擊運動研究的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法，能夠在啄木鳥啄擊動作的圖像序列中較為精確地定位啄木鳥的關(guān)節(jié)點，同時該方法具有運算簡單、精度較高和易推廣等特點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法，包括如下步驟：

步驟1：在啄木鳥關(guān)節(jié)點近似位置設置標記關(guān)節(jié)點；

步驟2：采集并篩選啄木鳥啄擊動作的圖像序列；

步驟3：對各幀圖像進行預處理，得到標記關(guān)節(jié)點的位置坐標；

步驟4：建立假設關(guān)節(jié)點，并對假設關(guān)節(jié)點進行位置優(yōu)化，得到最優(yōu)關(guān)節(jié)點位置坐標。

述標記關(guān)節(jié)點為用不同顏色的圓形標記點對活體啄木鳥的喙、頸、胸、臀、尾部位進行標記。

所述對各幀圖像進行預處理包括以下過程：

步驟1：根據(jù)各幀圖像中標記關(guān)節(jié)點顏色的灰度值篩選出標記關(guān)節(jié)點，并將圖像中除標記關(guān)節(jié)點以外的部分設置為黑色背景；

步驟2：設置喙、頸、胸、臀、尾部位標記點的灰度值范圍，將圖像中標記關(guān)節(jié)點的灰度值與喙、頸、胸、臀、尾部位標記點的灰度值范圍進行匹配，并按照喙、頸、胸、臀、尾的順序?qū)擞涥P(guān)節(jié)點進行編號；

步驟3：對圖像中的標記關(guān)節(jié)點進行腐蝕處理，得到標記關(guān)節(jié)點對應的單像素點；

步驟4：以圖像左上角為原點，水平上邊界為x軸，豎直左邊界為y軸建立圖像的直角坐標系，得到單像素點的位置坐標，作為標記關(guān)節(jié)點的位置坐標。

建立假設關(guān)節(jié)點的過程為：

求所有幀圖像上相鄰編號的標記關(guān)節(jié)點間距的平均值，并將該平均值作為近似骨骼長度；

與標記關(guān)節(jié)點對應設置假設關(guān)節(jié)點，使相鄰編號的假設關(guān)節(jié)點間距等于對應的近似骨骼長度。

所述對假設關(guān)節(jié)點進行位置優(yōu)化過程為：

步驟1：建立同編號假設關(guān)節(jié)點和標記關(guān)節(jié)點位置間的距離求和函數(shù)，作為優(yōu)化目標函數(shù)；

步驟2：當優(yōu)化目標函數(shù)取最小值時，得到的假設關(guān)節(jié)點位置坐標為最優(yōu)關(guān)節(jié)點位置坐標。

所述優(yōu)化目標函數(shù)為：

其中，xi為優(yōu)化變量，xi＝(xi1,yi1,xi2,yi2,xi3,yi3,xi4,yi4,xi5,yi5)；xij,yij分別為標記關(guān)節(jié)點的位置的橫坐標和縱坐標，i為有效幀的編號，i＝1,2,3,···,n；j為標記關(guān)節(jié)點編號，j＝1,2,3,4,5；aij,bij分別為假設關(guān)節(jié)點的位置的橫坐標和縱坐標。

本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點：

本發(fā)明能夠在啄木鳥啄擊動作的圖像序列中較為精確地定位啄木鳥的關(guān)節(jié)點，同時該方法具有運算簡單、精度較高和易推廣等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖；

圖2是本發(fā)明啄木鳥的標記關(guān)節(jié)點位置示意圖；其中1為喙、2為頸、3為胸、4為臀、5為尾；

圖3是本發(fā)明假設關(guān)節(jié)點與標記關(guān)節(jié)點對應示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及其附圖進一步敘述本發(fā)明：

包括以下步驟：首先在啄木鳥關(guān)節(jié)點近似位置做標記點，采集啄木鳥啄擊行為的視頻圖像序列；對各有效幀圖像進行預處理，得到各標記關(guān)節(jié)點的位置坐標；利用優(yōu)化算法，對關(guān)節(jié)點位置進行優(yōu)化，設與標記關(guān)節(jié)點編號對應的假設關(guān)節(jié)點，建立同一幀中同編號假設關(guān)節(jié)點和標記關(guān)節(jié)點的間距求和函數(shù)作為優(yōu)化目標函數(shù)，并進行最優(yōu)化求解。將所有有效幀的最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標表示在同一坐標系中，獲取運動數(shù)據(jù)。

首先在啄木鳥身體上標記近似關(guān)節(jié)點，并進行運動數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過對啄木鳥的觀察和對骨骼結(jié)構(gòu)的研究，初步確定啄木鳥啄取動作中的五個關(guān)鍵關(guān)節(jié)點，分別為：喙、頸、胸、臀、尾。分別用不同顏色的圓形標記點對活體啄木鳥的上述五個關(guān)鍵關(guān)節(jié)點進行標記，為了便于在圖像處理中識別標記點，五種顏色應盡量避開啄木鳥羽毛顏色和背景顏色，所以五個標記點對應的顏色依次是：綠色、黃色、藍色、紫色、橙色。然后布置好高速攝像機錄制啄木鳥啄木的視頻，錄制好后篩選出包含一次完整啄擊動作有效幀，以此作為研究樣本。

然后對有效幀的圖像進行預處理，并建立坐標系獲得標記關(guān)節(jié)點坐標。在數(shù)字圖像的處理中，是將圖像用一個數(shù)組或矩陣表示，每一個元素即為對應像素點的灰度值。在本發(fā)明中，利用圖片中顏色的灰度值，篩選出五個標記關(guān)節(jié)點，其余均為黑色背景。然后根據(jù)顏色不同進行編號。由于標記點較大，且在運動過程中形狀發(fā)生改變不是圓形，所以對圖像進行腐蝕處理，使標記關(guān)節(jié)點盡可能縮小至單像素。最后以圖像左下角為原點建立坐標系，得到各標記關(guān)節(jié)點的位置坐標。

最后設置與標記關(guān)節(jié)點對應的假設標記點，通過優(yōu)化算法對關(guān)節(jié)點位置進行優(yōu)化。因為人工標記的關(guān)節(jié)點存在誤差，導致兩相鄰關(guān)節(jié)點的間距在運動圖像中發(fā)生改變，然而在實際中兩關(guān)節(jié)間應為骨骼，在運動過程中骨骼的長度是不發(fā)生變化的，所以通過計算機計算所有有效幀中相鄰編號標記關(guān)節(jié)點的間距的平均值，作為近似骨骼長度。在圖像范圍內(nèi)假設與標記關(guān)節(jié)點一一對應的假設關(guān)節(jié)點位置坐標，用上述的近似骨骼長度約束相鄰編號假設關(guān)節(jié)點的間距，建立同編號假設關(guān)節(jié)點和標記關(guān)節(jié)點間距求和函數(shù)作為優(yōu)化目標函數(shù)，最終求取假設關(guān)節(jié)點位置坐標的最優(yōu)解，定義其為最優(yōu)關(guān)節(jié)點。

如圖1是本發(fā)明的方法流程圖。

一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法包括如下步驟：

s1：在啄木鳥關(guān)節(jié)點近似位置做標記點：

如圖2所示為啄木鳥的標記關(guān)節(jié)點位置示意圖，在啄木鳥啄取動作的主要關(guān)節(jié)處做近似標記點，標記點均為直徑6mm的圓形標記點，因為大斑啄木鳥羽毛顏色主要是黑、白、紅，所以用綠色標記點標記喙，黃色標記點標記頸，藍色標記點標記胸，紫色標記點標記臀，橙色標記點標記尾。標記點標記好后使用高速攝像機對啄木鳥啄木行為進行錄制，錄制后對視頻進行剪輯，保留啄木鳥完整一次啄擊動作的視頻片段，并進行解幀處理，將有效幀由1至n重新按順序編號，n為有效幀總數(shù)。

s2：對各有效幀圖像進行預處理，得到各標記關(guān)節(jié)點的位置坐標。

因為各關(guān)節(jié)點顏色與背景不同，所以可依據(jù)標記點的灰度值進行篩選，僅保留五個標志點的灰度值不變，其余均變?yōu)楹谏?。然后根?jù)五個標志點的灰度值，判斷關(guān)節(jié)點顏色，對其進行編號：綠色為1，黃色為2，藍色為3，紫色為4，橙色為5。對圖像進行腐蝕處理，將標記關(guān)節(jié)點縮小為單像素點。以圖像左上角為坐標原點建立坐標系，得到各記關(guān)節(jié)點的位置坐標，記為aij(aij,bij)，其中i為有效幀的編號，i＝1,2,3,···,n；j為標記關(guān)節(jié)點編號，j＝1,2,3,4,5。

s3：利用優(yōu)化算法，對關(guān)節(jié)點位置進行優(yōu)化。

設兩個相鄰編號標志關(guān)節(jié)點間距為lij＝[(aij+1-aij)²+(bij+1-bij)²]^0.5，進而得到在有效幀中兩個相鄰編號的標志關(guān)節(jié)點平均間距所以求得關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的間距為l1，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3間距為l2，關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4間距為l3，關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)5間距為l4。

s4：設與標記關(guān)節(jié)點編號對應的假設關(guān)節(jié)點。

如圖3所示為本發(fā)明假設關(guān)節(jié)點與標記關(guān)節(jié)點對應示意圖；

設與標記關(guān)節(jié)點編號對應的假設關(guān)節(jié)點位置坐標為bij(xij,yij),約束同一幀中兩個相鄰編號的假設關(guān)節(jié)點間距為標志關(guān)節(jié)點平均間距，即lij＝[(xij+1-xij)²+(yij+1-yij)²]^0.5＝lj。

s5：建立同一幀中同編號假設關(guān)節(jié)點和標記關(guān)節(jié)點的間距求和函數(shù)作為優(yōu)化目標函數(shù)，并進行最優(yōu)化求解。

建立優(yōu)化目標函數(shù)為xi＝(xi1,yi1,xi2,yi2,xi3,yi3,xi4,yi4,xi5,yi5)，求mind(xi)。等價于求解最終求得每一張有效幀上的最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標。

s6：根據(jù)所有幀中的最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標，采集運動數(shù)據(jù)。

因為所有有效幀的坐標系原點和方向相同，所以將各幀最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標在同一坐標系中表示?？梢缘玫阶哪绝B啄擊時整體的運動狀態(tài)和各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)?？蓪⒆顑?yōu)關(guān)節(jié)點按編號進行分類篩選，擬合關(guān)節(jié)點的運動曲線，并且根據(jù)各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)可對關(guān)節(jié)點的位移、速度、加速度進行計算。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為本發(fā)明專利范圍的限制。上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出若干變形和改進，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。