[發明專利]一種人體運動學參數的提取方法

有效

• 申請號: 201310030489.2
• 申請日: 2013-01-25
• 公開（公告）號: CN103099623A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 賈立好;喬紅;鄭碎武
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于信息技術中的多攝像頭視覺測量領域，尤其涉及一種人體運動學參數的提取方法。

背景技術

目前，為捕捉人體運動并獲取三維步態信息，已有基于標記點或無標記點運動捕捉技術的三維步態分析方法。而非接觸式無標記人體運動捕捉技術被認為是最有前途且最有效的三維步態定量分析方法，但目前仍然面臨著許多挑戰，離實際應用還有一段距離，具體分析如下：

(1)基于標記點運動捕捉技術的三維步態分析方法，需要在人體上標注標記點，然后得到標記點的三維位置，最終獲得人體的運動姿態信息。一般來說，基于標記點運動捕捉的三維步態分析系統較昂貴；對操作人員要求較多；步態分析數據易受遮擋影響。而且研究結果也表明，在實驗室等特定環境下基于標記點運動捕捉或壓力板的三維步態分析方法，較難獲取到人體的真實步態信息，其原因為：數據采集時，標記點位置本身可能存在誤差；人體受實驗室環境影響，可能存在恐懼心理，以致無法呈現其真實的步態模式；要求人體按照恒定行走速度行走或踩踏壓力板，均影響到病人的正常行走。

(2)基于無標記點運動捕捉技術的三維步態分析方法，直接從圖像序列中提取人體運動信息，大致可分為基于模型的方法和無模型方法兩大類，這種非接觸式觀測方法有助于人體真實步態信息的呈現。雖然這種方法已進行了較深入研究，但目前仍面臨著巨大的挑戰，如高維人體運動狀態參數帶來的計算復雜性，人體遮擋與自遮擋，初始幀人體的參數確定等問題。因此，這種方法在短時間內還無法有效應用到醫學三維步態分析中。

目前國內醫學機構使用的步態分析系統大多是基于標記點運動捕捉技術的三維步態分析系統，價格昂貴，操作復雜，無法普及應用；同時，還有些醫療機構仍在使用二維步態分析系統，這些均大大阻礙了人體運動學測量領域的發展。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供了一種人體運動學參數提取方法，其包括：

步驟1：標定多視角相機的內部參數和鏡頭畸變系數，標定多視角相機之間的空間位置關系，以建立多視角系統中三維世界坐標系與二維圖像坐標系之間的映射關系；

步驟2：根據人體運動初始圖像定位人體頭頂點的初始位置；

步驟3：通過跟蹤人體頭頂點在人體運動圖像中的運動軌跡，根據多視角系統中三維世界坐標系與二維圖像坐標系之間的映射關系，獲得人體頭頂點在三維空間下的三維運動軌跡；

步驟4：對所述人體頭頂點的三維運動軌跡進行規范化預處理，獲得人體運動時的身高波動信息和搖擺運動信息；

步驟5：從所述身高波動信息和搖擺運動信息提取人體運動學參數。

本發明采用多攝像頭視覺測量技術：(1)根據應用場景和視野范圍選定合適的攝像頭和鏡頭，搭建多攝像頭視覺系統，并對各相機分別進行標定，獲得各相機的內部參數，根據地面上的世界坐標系，獲得各相機的外部參數，再進行立體標定，進一步獲得各相機之間的空間位置關系；(2)在人體初始運動各圖像幀，基于多攝像頭多視角信息融合技術，精確定位人體在各圖像中的頭頂點位置，并作為頭頂點的初始位置；(3)人體后續運動各圖像幀，分別跟蹤頭頂點初始位置，并利用多攝像頭測量技術，獲取到頭頂點的三維坐標，從而獲得頭頂點的三維運動軌跡；(4)人在行走過程中，人體側視平面上的運動變化最大，呈現的信息最多，其次是俯視平面，為提取人體側視平面上的身高波動信息和人體俯視平面上的搖擺運動信息，對頭頂點三維運動軌跡進行規范化預處理，得到身高波動曲線和搖擺運動曲線，用于表征人體運動信息；(5)最終，從身高波動曲線和搖擺運動曲線中提取出人體運動學參數。本發明提出的人體運動學參數提取方法，有助于臨床康復醫學中病理步態的障礙診斷、康復治療方案的制定和療效評定等，方法簡單、易行、有效，據此搭建的病理步態視覺分析系統成本低廉、便于操作。

附圖說明

圖1是本發明中人體運動學參數提取方法的總框圖；

圖2是本發明中相機成像模型及物理成像和歸一化成像坐標系；

圖3是本發明中多相機立體標定示意圖；

圖4是本發明中頭頂點初始定位方法流程圖；

圖5是本發明中頭頂點三維運動軌跡生成流程圖及軌跡圖；

圖6是本發明中解剖學人體運動機理示意圖；

圖7是本發明中人體運動坐標系及局部運動方向示意圖；

圖8是本發明中規范化頭頂點三維運動軌跡圖；

圖9是本發明中人體運動學參數與步態信息的對應關系圖。

具體實施方式