本發(fā)明涉及一種基于可變形模型的嬰兒頭顱三維測量方法，用于感知接口，醫(yī)學(xué)分析和虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)圖像、生物醫(yī)學(xué)、人頭識別、視頻會議、視頻游戲、材料變形、圖像壓縮等方面都有實際應(yīng)用價值。屬于計算機視覺和計算機圖形學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

明日之星激光掃描測量儀(starscanner)是在2001年7月3日經(jīng)美國食品藥物管理局(fda)核準(zhǔn)上市的一種激光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(laserdataacquisitionsystem)。其用途在快速，精確地取得幼兒頭形的數(shù)據(jù)。依此來評估頭形成長的狀況，協(xié)助臨床診斷,進(jìn)而以此數(shù)據(jù)，利用cad/cam技術(shù)(電腦設(shè)計/制造)定制矯正頭盔。在歐,美等國，已有數(shù)以百萬計的嬰幼兒成功地利用此高科技早發(fā)現(xiàn),早診斷顱骨方面的疾病,早診治,療效確定,目前已普及到歐美發(fā)達(dá)國家和韓國,新加坡,臺灣等地區(qū)社區(qū)醫(yī)療中心層面。

國內(nèi)各高校做了許多基礎(chǔ)研究,發(fā)表了多篇論文。李海巖等利用活體人頭顱ct圖像，通過自編程序?qū)D像進(jìn)行分割與二值化、邊緣修補、去除干擾、圖像糾偏及邊緣提取等處理后，確定測量參考點，實現(xiàn)對前額骨、頂骨和枕骨厚度的準(zhǔn)確測量。該方法既可實現(xiàn)對一幅顱骨ct圖像中不同位置的測量，也可實現(xiàn)對多幅圖像中同一位置的自動測量。李海巖等提出兩種顱骨對稱性評價算法，利用活體人頭顱ct圖像，通過自編程序?qū)D像進(jìn)行分割與二值化、圖像糾偏、邊緣提取等處理后，實現(xiàn)顱骨對稱性的定量測量。謝中華等針對jpeg和dicom兩種格式活體人頭顱的ct圖像，采用自編matlab程序?qū)η邦~骨、頂骨和枕骨厚度以及頭寬、頭長、頭圍和顱圍等顱骨幾何特征進(jìn)行大批量精確測量。周志尊等介紹了在對顱骨進(jìn)行測量時所采用的幾種方法，詳細(xì)闡述了每種方法的試驗原理和測量技術(shù)手段，并對幾種測量方法進(jìn)行了比較。提供了一套快速、便捷、準(zhǔn)確的人體器官空間參量的科學(xué)采集手段和matlab三維成像技術(shù)。劉筱菁等根據(jù)患者頭顱ct掃描數(shù)據(jù)，利用快速成形技術(shù)，構(gòu)建三維頭顱模型，評價基于頭顱模型的模型外科在顱頜面畸形診斷治療中的應(yīng)用價值。杜芳芳等采用ct圖像三維重建的mc算法實現(xiàn)了頭顱骨表面皮膚的重建?？聺詳z影測量理論為基礎(chǔ)，介紹了利用數(shù)字?jǐn)z影測量的理論和結(jié)構(gòu)光立體序列影像對人體顱骨進(jìn)行三維重建的方法。研究內(nèi)容包括：相機標(biāo)定、紋理缺乏目標(biāo)的特征點對應(yīng)、利用相對定向直接解進(jìn)行立體像對的相對定向、模型的分塊構(gòu)網(wǎng)和連接、基于約束條件的delaunay三角網(wǎng)的構(gòu)建、紋理映射等。郭富強以顱骨模型為研究對象，采用編碼結(jié)構(gòu)光獲取數(shù)據(jù)，先投射一組豎直條紋，再投射一組與其正交的條紋，利用兩部攝像機獲取調(diào)制圖像，根據(jù)雙目立體視覺原理，實現(xiàn)空間點的重建。劉桂珍獲取顱骨圖像的三維坐標(biāo)值，采用面繪制算法對二維顱骨切片進(jìn)行表面重建，采用小波變換提取重要信息，選擇一種合適的分類識別方法對顱骨特征進(jìn)行識別。曲德偉建立一套正常人顱骨的三維立體圖像與顯示系統(tǒng)并可以不同角度觀察和測量各結(jié)構(gòu)的各種界限值，以便量化顱骨諸結(jié)構(gòu)。包括：圖像坐標(biāo)校正(對位)、二維圖像的處理、對擬立體重建結(jié)構(gòu)邊緣的提取、對擬建結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行雙參數(shù)樣條插值、計算重建結(jié)構(gòu)邊緣輪廓線凸包、采用“蓋瓦片”的方法連接相鄰斷面結(jié)構(gòu)邊緣輪廓線、重建結(jié)構(gòu)的三維立體顯示等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對嬰兒頭顱三維測量中模型參數(shù)過多的不足，提出一種采用可變形二維曲線在圖像中測量嬰兒頭顱三維參數(shù)的方法，該方法只需要一個攝像頭就可以進(jìn)行嬰兒頭顱三維測量，降低嬰兒頭顱測量成本，適用于各種目標(biāo)的測量。

為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，搭建系統(tǒng)硬件平臺，采用一個攝像頭放置在嬰兒頭顱的正上方垂直向下對嬰兒頭顱進(jìn)行拍攝，采集每幀彩色圖像，采用可變形二維曲線擬合圖像上嬰兒頭顱的輪廓，根據(jù)二維曲線的參數(shù)和曲線上關(guān)鍵點之間距離進(jìn)行三維尺寸的測量。首先采用攝像頭、視頻線、視頻采集卡、計算機搭建系統(tǒng)硬件平臺，采用一個攝像頭放置在嬰兒頭顱的正上方垂直向下對嬰兒頭顱進(jìn)行拍攝，采集每幀彩色圖像，根據(jù)采集當(dāng)前幀圖像的r,g,b分量值提取人頭，采用圖像分割技術(shù)檢測當(dāng)前幀圖像上的嬰兒頭顱邊緣輪廓。然后采用曲線擬合技術(shù)使用可變形二維曲線擬合當(dāng)前幀圖像上嬰兒頭顱的邊緣輪廓，求出各個二維曲線的參數(shù)和中心坐標(biāo)，選擇二維曲線上一些關(guān)鍵點，根據(jù)這些關(guān)鍵點位置計算頭部寬度、長度、對角線長度。最后計算求出頭圍和頭部比例。

本發(fā)明的嬰兒頭顱三維測量方法具體包括以下幾個步驟：

1.嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計

采用攝像頭、視頻線、視頻采集卡、計算機搭建嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)的硬件平臺，制作軟件界面，該界面能顯示嬰兒頭顱的圖像。也可采用攝像頭、視頻線、dsp視頻開發(fā)板搭建嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)的硬件平臺。按嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)流程圖采用步驟2-5的方法進(jìn)行軟件編程。

2.采用圖像分割技術(shù)檢測當(dāng)前幀圖像上的嬰兒頭顱邊緣輪廓

采用一個攝像頭放置在嬰兒頭顱的正上方垂直向下對嬰兒頭顱進(jìn)行拍攝，采集每幀彩色圖像，采集的當(dāng)前幀圖像i(x,y,i)的r、g、b分量分別為ir(x,y,i)，ig(x,y,i),ib(x,y,i),將r、g、b三分量值都小于60并且三分量相互相減的絕對值都小于25的像素提取得到人頭圖像til，采用形態(tài)學(xué)運算(如腐蝕與膨脹)消除人頭圖像til中的孤立點和部分小目標(biāo)區(qū)域。

3.采用可變形二維曲線擬合當(dāng)前幀圖像上頭顱的輪廓

采用圖像分割技術(shù)(如canny邊緣算子)檢測當(dāng)前幀圖像上嬰兒頭顱的邊緣輪廓，采用曲線擬合技術(shù)使用可變形二維曲線擬合當(dāng)前幀圖像上嬰兒頭顱的邊緣輪廓，求出二維曲線的參數(shù)k、a、b，將不符合人頭參數(shù)尺寸的曲線及其所在的目標(biāo)區(qū)域消除。求出二維曲線中心坐標(biāo)(x0,y0)。

4.根據(jù)二維曲線數(shù)據(jù)計算頭部寬度、長度、對角線長度

計算二維曲線與x軸相交的兩交點之間的距離，該距離為頭部的長度。計算二維曲線與y軸相交的兩交點之間的距離，該距離為頭部的寬度。計算二維曲線與經(jīng)過原點并且斜率為45度的直線相交的兩交點之間的距離，該距離為頭部對角線長度。計算二維曲線與經(jīng)過原點并且斜率為135度的直線相交的兩交點之間的距離，該距離為頭部對角線長度。

5.計算頭圍和頭部比例

計算二維曲線的周長，該周長為頭圍。計算頭部寬度、長度和對角線長度之間的比例，該比例為頭部比例。

本發(fā)明方法簡單，實現(xiàn)容易。建立的二維曲線能準(zhǔn)確地反映嬰兒頭顱的形狀。本發(fā)明方法適合于各種形狀的目標(biāo)檢測。實驗采用便宜、容易安裝的視頻攝像頭采集數(shù)據(jù)，不需要附加設(shè)備，提取、計算嬰兒頭顱參數(shù)的方法簡單，具有實時性、非接觸等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為攝像頭拍攝嬰兒頭顱的場景示意圖。

圖1中，一個攝像頭放置在嬰兒頭顱的正上方，朝向下拍攝嬰兒頭顱。

圖2為本發(fā)明嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)的流程圖。

圖2中，系統(tǒng)運行經(jīng)過圖像采集、頭顱檢測、邊緣檢測、可變形二維曲線擬合、計算頭部寬度長度和對角線長度、計算頭圍頭部比例6個步驟。

圖3為圖像中頭顱檢測、頭顱輪廓提取、曲線擬合的實驗結(jié)果。

圖3中，(a)是嬰兒頭顱正上方攝像頭拍攝的圖像，(b)是與(a)圖像對應(yīng)的頭顱檢測結(jié)果，(c)是與(b)圖像對應(yīng)的頭顱邊緣輪廓檢測結(jié)果，(d)是對應(yīng)于(c)的可變形二維曲線擬合結(jié)果。

圖4為可變形二維曲線。

圖4中，該曲線由五個參數(shù)確定：中心位置坐標(biāo)(x0,y0)、k、a、b。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。實施例具體針對附圖2、3、4進(jìn)行嬰兒頭顱三維測量過程的描述。

1.嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計

采用攝像頭、視頻線、視頻采集卡、計算機搭建嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)的硬件平臺，拍攝場景如圖1所示。也可采用攝像頭、視頻線、dsp視頻開發(fā)板(如dm6437cpu板)搭建嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)的硬件平臺。按圖2中嬰兒頭顱三維測量系統(tǒng)流程采用步驟2-5的方法進(jìn)行軟件編程。

2.采用一個攝像頭放置在嬰兒頭顱的正上方垂直向下對嬰兒頭顱進(jìn)行拍攝，采集每幀彩色圖像，采集當(dāng)前幀圖像i(x,y,i)的r、g、b分量分別為ir(x,y,i)，ig(x,y,i),ib(x,y,i),將r、g、b三分量值都小于60并且三分量相互相減的絕對值都小于25的像素提取得到頭顱圖像til：

頭顱圖像til檢測結(jié)果如圖3(b)所示。采用形態(tài)學(xué)運算(如腐蝕與膨脹)消除人頭圖像til中的孤立點和部分小目標(biāo)區(qū)域。

3.采用圖像分割技術(shù)(如canny邊緣算子)提取當(dāng)前幀圖像上嬰兒頭顱的邊緣輪廓，得到與圖3(b)對應(yīng)的邊緣檢測結(jié)果，如圖3(c)所示。

可變形二維曲線方程為：其中|k|＜1，如圖4所示。采用曲線擬合技術(shù)使用滿足上述方程的可變形二維曲線擬合當(dāng)前幀圖像上嬰兒頭顱的邊緣輪廓，如圖4所示。求出二維曲線的參數(shù)k、a、b，將不符合嬰兒頭顱參數(shù)尺寸的二維曲線及其所在的目標(biāo)區(qū)域消除。二維曲線中心坐標(biāo)表達(dá)式為：

通過上述表達(dá)式求出二維曲線中心坐標(biāo)(x0,y0)。

4.計算二維曲線與x軸相交的兩交點之間距離d1的計算公式為：

d1＝2a/(1-k²)

通過上述計算公式求出頭部的長度d1。

二維曲線與y軸相交的兩交點之間距離d2的計算公式為：

d2＝2b

通過上述計算公式求出頭部的寬度d2。

將k、a、b、x＝r1cos45°、y＝r1sin45°、x＝r2cos225°、y＝r2sin225°分別代入二維曲線方程求出r1、r2，求出頭顱的一個對角線長度d3＝r1+r2。

將k、a、b、x＝r3cos135°、y＝r3sin135°、x＝r4cos315°、y＝r4sin315°分別代入二維曲線方程求出r3、r4，求出頭顱的另一個對角線長度d4＝r3+r4。

5.計算二維曲線的周長d，該周長為頭圍。

頭部寬度、長度和對角線長度之間的比例的計算公式為：

l1＝d1/d2l2＝d1/d3l3＝d2/d3l4＝d1/d4l5＝d2/d4

比例l1、l2、l3、l4、l5為頭部比例參數(shù)。