基于視頻采集系統(tǒng)的肢體運(yùn)動(dòng)模型

摘要 為滿足人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型研究的需要，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的肢體運(yùn)動(dòng)模式采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由PCI-1411視頻采集卡和LabVIEW數(shù)字圖像處理平臺(tái)構(gòu)成。通過(guò)對(duì)采集到的肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)視頻分幀進(jìn)行處理，建立了肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，獲得了較為準(zhǔn)確的肢體運(yùn)動(dòng)參數(shù)。研究結(jié)果表明，采用視頻采集技術(shù)建立的運(yùn)動(dòng)模型較傳感器采集技術(shù)建立的模型有精確度高、處理速度快、系統(tǒng)誤差小、數(shù)據(jù)易分析處理等優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞 視頻采集；LabVIEW；數(shù)字圖像處理；肢體運(yùn)動(dòng)模型

    肢體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究是運(yùn)動(dòng)學(xué)、生命科學(xué)、自動(dòng)控制等學(xué)科的重要研究對(duì)象，最典型的應(yīng)用是機(jī)器人研究，其成果可應(yīng)用于人體假肢的設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。而目前的假肢設(shè)計(jì)技術(shù)，使得產(chǎn)品價(jià)格昂貴、控制復(fù)雜，無(wú)法滿足廣大殘障人士的需求。要改善肢體殘障人士的生存狀況，促進(jìn)假肢設(shè)計(jì)與制作技術(shù)的發(fā)展，研究出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步態(tài)逼真、成本低廉的假肢，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，肢體運(yùn)動(dòng)模型的建立是假肢設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容。
    傳統(tǒng)肢體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究一直沿用各種機(jī)械模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置做模型采集系統(tǒng)，這種系統(tǒng)因大量數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差導(dǎo)致了模型失真較大。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，視頻采集和數(shù)字圖像處理技術(shù)因其采集方便、處理速度快、精度高而被應(yīng)用到各種測(cè)控領(lǐng)域。在眾多的視頻采集處理方案中，美國(guó)國(guó)家儀器公司的視頻采集卡PCI-1411及LabVIEW處理平臺(tái)，具有強(qiáng)大視頻采集和數(shù)據(jù)處理能力。應(yīng)用該開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的視頻采集系統(tǒng)建立肢體運(yùn)動(dòng)模型研究，是以人類下肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程為對(duì)象，在腳尖末梢、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及大腿末端關(guān)節(jié)處安裝LED點(diǎn)光源，可以精確采集到各肢節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而建立完整的肢體運(yùn)動(dòng)過(guò)程模型。其基本原理為通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)采集固定在肢體關(guān)節(jié)處的點(diǎn)光源運(yùn)動(dòng)序列，使用數(shù)字圖像處理技術(shù)和視頻連接技術(shù)，描繪出肢體的運(yùn)動(dòng)軌跡棍狀圖。通過(guò)對(duì)光點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)量化，構(gòu)造出肢體運(yùn)動(dòng)模型。對(duì)運(yùn)動(dòng)模型應(yīng)用數(shù)學(xué)幾何測(cè)量的知識(shí)，獲得肢體運(yùn)動(dòng)的模型參數(shù)，建立出肢體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

1 肢體運(yùn)動(dòng)模型采集系統(tǒng)的構(gòu)建
    應(yīng)用視頻采集的方法構(gòu)建的肢體運(yùn)動(dòng)模型采集系統(tǒng)，由視頻獲取裝置和視頻處理軟件兩部分構(gòu)成。視頻獲取裝置包括點(diǎn)光源、攝像機(jī)、視頻采集卡和PC機(jī)。點(diǎn)光源使用1 W紅色LED，將其固定在肢體關(guān)節(jié)處，攝像機(jī)采用Timber2038型行間變換CCD攝像機(jī)，794 594像素，540線水平分辨率，最大光圈為F1．2時(shí)可拍攝最低照度為0．000 1 Lux，圖像采集最大速率是30幀／s，攝像機(jī)鏡頭為手動(dòng)光圈，焦距3．5～8 mm，視頻采集卡采用NI公司PCI-1411。視頻獲取軟件采用NI公司的IMAQ Vision模塊，該模塊具有圖像采集、系統(tǒng)校準(zhǔn)、圖像處理、幾何量測(cè)量、圖像分割等眾多子函數(shù)庫(kù)，能夠完成圖像的去噪、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征、灰度和二值圖像處理及形狀匹配、斑點(diǎn)分析、統(tǒng)計(jì)、濾波、幾何變換、計(jì)算和測(cè)量等任務(wù)；視頻處理軟件采用G語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW編寫，主要采用數(shù)據(jù)流的驅(qū)動(dòng)方式，編譯后運(yùn)行速度接近于C語(yǔ)言，并能驅(qū)動(dòng)眾多廠家的多種數(shù)據(jù)采集卡，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力和信號(hào)處理功能，能夠直觀高效地表現(xiàn)編程算法。

2 光點(diǎn)檢測(cè)原理
    點(diǎn)光源的安裝位置和檢測(cè)是建立完整精確運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)。模型建立精確性的核心問(wèn)題是完成光點(diǎn)檢測(cè)并使其具有較高的魯棒性。
    由于檢測(cè)的是紅色LED，光斑的R分量占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此文中采用背景消減法，在讀取背景幀和當(dāng)前幀的過(guò)程中只需讀取R分量，提高了運(yùn)算效率。利用式(1)計(jì)算背景圖像bk與當(dāng)前幀圖像fk的差分圖像，從而檢測(cè)出每幀圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域
    Dk(x，y)=|fk(x，y)-bk-1(x，y)|      (1)
    其中，fk(x，y)和bk-1(x，y)分別為當(dāng)前幀和背景幀R分量圖像，Dk(x，y)為背景差分得到的R分量差分圖像。
    檢測(cè)出每一幀圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域，克服了環(huán)境光場(chǎng)不穩(wěn)定因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提高了運(yùn)動(dòng)對(duì)象邊緣的檢測(cè)精度，為后續(xù)有效恢復(fù)連接肢體運(yùn)動(dòng)模型奠定基礎(chǔ)。
    該光點(diǎn)檢測(cè)方法，再通過(guò)對(duì)發(fā)光點(diǎn)特征參數(shù)的濾波、去噪，能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別發(fā)光點(diǎn)位置，進(jìn)而通過(guò)精確的坐標(biāo)系定位，完成對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的測(cè)量，為肢體運(yùn)動(dòng)模型的參數(shù)獲取及肢體特征參數(shù)的測(cè)量提供了完整的實(shí)現(xiàn)依據(jù)。

3 肢體運(yùn)動(dòng)模型的連接恢復(fù)與數(shù)學(xué)模型建立
    光點(diǎn)檢測(cè)獲取的分割圖，能夠完整地識(shí)別與提取出安裝在肢體各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)光點(diǎn)，如圖2(a)所示。應(yīng)用LabVIEW標(biāo)注出各個(gè)光點(diǎn)的坐標(biāo)，采用光點(diǎn)連接技術(shù)，將每一幀圖像上的4個(gè)發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行順次逐一連接，即可獲得代表腳掌、小腿、大腿的靜態(tài)模型，如圖2(b)所示。在每幀靜態(tài)模型中通過(guò)對(duì)像素值的分析和對(duì)比，計(jì)算出每一像素值所代表的實(shí)際長(zhǎng)度，進(jìn)而換算出腳掌長(zhǎng)度、小腿長(zhǎng)度和大腿長(zhǎng)度，這種視頻測(cè)量的方法，要比實(shí)際測(cè)量的方法更為精確，為后續(xù)的模型分析提供了可靠數(shù)據(jù)。同時(shí)通過(guò)對(duì)連接成的模型相對(duì)于豎直位置的角度測(cè)量，能夠測(cè)出腳掌、小腿、大腿相對(duì)于豎直方向的角度變化關(guān)系，記錄各個(gè)相鄰幀的模型相對(duì)豎直角度關(guān)系與時(shí)間的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)如圖2(c)所示，即可獲得各個(gè)角度與時(shí)間的函數(shù)擬合圖，如圖2(d)和圖2(f)所示。再根據(jù)大小腿角度變化與時(shí)間的關(guān)系，可計(jì)算出大小腿角度之間的函數(shù)關(guān)系如圖3(e)所示這樣即可得出3個(gè)代表性的模型如式(2)～式(5)所示。

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    通過(guò)擬合的曲線求得的相關(guān)函數(shù)關(guān)系如下：


4 模型的仿真與結(jié)果驗(yàn)證
    仿真與結(jié)果檢驗(yàn)，是實(shí)現(xiàn)模型的一個(gè)關(guān)鍵步驟，也是實(shí)現(xiàn)假肢設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。仿真目的是模擬一個(gè)角度不斷變化的大腿，通過(guò)檢測(cè)大腿的角度來(lái)利用已建立的函數(shù)模型，控制小腿擺動(dòng)。在該控制過(guò)程中，由于膝關(guān)節(jié)的位置在走動(dòng)時(shí)會(huì)不斷運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致坐標(biāo)系的變換，為更好地實(shí)現(xiàn)和準(zhǔn)確地表示變換后的坐標(biāo)系，將大小腿的長(zhǎng)度引入到坐標(biāo)的變換中，即根據(jù)大小腿長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算小腿將要調(diào)整的角度和踝關(guān)節(jié)所在的坐標(biāo)，坐標(biāo)變換的方程組如下
   

    式中，θ為大腿與豎直方向的夾角；α為模型控制計(jì)算出的小腿與豎直方向的夾角；A為大腿長(zhǎng)度；B為小腿長(zhǎng)度；(X，Y)為以大腿末端作為坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)系中的位置。
    通過(guò)踝關(guān)節(jié)坐標(biāo)變換建立的模型在仿真中可以觀察到大腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)小腿的姿態(tài)進(jìn)行控制。為驗(yàn)證模型的正確性，采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方式在機(jī)器人關(guān)節(jié)上設(shè)計(jì)一個(gè)模仿大腿擺動(dòng)過(guò)程的程序模擬大腿擺動(dòng)，通過(guò)固定在機(jī)器人大腿上的傾角傳感器來(lái)檢測(cè)模擬大腿的角度變化，通過(guò)STC89C52單片機(jī)根據(jù)已建立的大小腿運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系控制安裝在機(jī)器人膝關(guān)節(jié)上的舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)小腿擺動(dòng)。觀察結(jié)果表明，在一定精度范圍內(nèi)模擬小腿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，符合人腿的運(yùn)動(dòng)模式，說(shuō)明通過(guò)人腿模型采集系統(tǒng)建立的運(yùn)動(dòng)模型是可行的，該肢體模型函數(shù)能夠應(yīng)用于假肢的設(shè)計(jì)中。

5 結(jié)束語(yǔ)
    基于視頻采集系統(tǒng)的肢體建模實(shí)現(xiàn)了—種精準(zhǔn)度高，誤差較小的建立肢體運(yùn)動(dòng)模型的方法，為研究肢體運(yùn)動(dòng)提供了方向，也為實(shí)現(xiàn)低成本假肢的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。