高速相机在三维运动康复中的应用案例

背景需求

    运动康复学是一门独立的学科，它涉及了医学、体育、健康学等多方面的内容。在“全民奥运”精神的鼓舞下，体育在我们生活中所占的比重越来越大。运动康复学的服务对象不仅针对专业运动员，对普通市民也是广泛适用的。
    运动康复中所必备的实验仪器之一就是三维图像解析系统。尽管人体信息可以用数值、曲线、图像等多种形式表示，但是图像所包含的信息量远远超过数值和曲线。三维图像解析系统实现方式有四种：光学式、机械式、声学式和电磁式。其中机械式、声学式和电磁式方法或者非常影响被试者行动，或者仪器价格过于昂贵。
    光学式方法利用计算机视觉原理，湖南科天健采用高速相机通过对被测者身上特定标志点的监视和跟踪完成图像采集。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当高速相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。光学式方法的优点是非接触式测量、使用方便、采样速率较高。

技术指标要求

    在获取运动康复研究中特性参数的时候，我们要达到的技术指标有：

    （1）检测距离4~8 m

    （2）检测精度为2 mm

    （3）帧速至少在200 fps

    （4）待测者运动速度在0.5 m/s

    首先，如何有效识别与跟踪标志点。这是光学式方法进行三维重建的基础，它可以通过人工设置标志点和自动识别跟踪标志点两种途径实现。
    其次，如何对多台相机进行同步控制。单台相机所做的图像解析是二维的，只能分析关节的屈伸状态，无法分析关节的旋转和扭曲、以及非常复杂的动作。要想获得关节的任意状态需要三维图像解析。要实现三维图像解析，必须使用多台相机同步工作，难点在于多台相机间的同步控制问题。
    最后，如何解决高速传输和存储大容量数据的问题。医学所用图像解析数据量非常大，一般一天要达到几百G的容量，这就带来数据传输和数据存储的问题。传统的PCI插槽和硬盘存储不能满足需要。

解决方案

    湖南科天健光电技术有限公司针对以上三个难题和技术指标，推荐使用瑞士Photonfocus公司的DR1-D2048×1088-G2-192-8相机。
    （1）公司解决识别和跟踪标识点问题是利用DR1-D2048×1088-G2-192-8（cmos黑白面阵相机）和彩色标识点。DR1-D2048×1088-G2-192-8相机内置的图像预处理和LUT技术，可以很好识别标识点。
    （2）公司通过采用专门的同步控制器，解决了多台相机同步控制问题。DR1-D2048×1088-G2-192-8相机带IO外触发接口，可以直接接收同步信号，保证多台相机的实时同步。
    （3）采用图像采集卡，搭配PCI-E插槽的高速磁盘阵列可以很好的解决医疗用图像传输和存储的问题。传统的PCI插槽是共享带宽机制，所以在数据总量很大时，会导致传输速率大大下降。而PCI-E插槽是高速串行传输，能够保证传输效率。这样可以使存储速率达到每秒钟660MBytes以上。
    （4）根据技术指标要求，可以计算得出：像素矩阵要满足1000*750。而DR1-D2048×1088-G2-192-8相机的分辨率可以达到2048*1088，在480*640分辨率下可以达到570 fps，满足应用要求。
    （5）DR1-D2048×1088-G2-192-8在全分辨率下的速度为每秒85帧，但是它有多种方法可以提高帧速，典型有ROI和Decimation技术。当选取图像中的一部分区域（Rigon Of Interest，简称ROI）时，可在横向和纵向两个方向提高图像传输速度，而其他厂商的CMOS相机的ROI技术，只能在纵向上提高传输速度。下表是MV-D1024E-160-CL-12在不同分辨率下的拍摄速度：
 

    （6）图像采集卡我们推荐Silicon Software的microEnable IV–GigE采集卡。Photonfocus的DR1-D2048×1088-G2-192-8相机和Silicon Software的microEnable IV–GigE采集卡结合，可获得很高的性能。microEnable IV–GigE采集卡采用全FPGA设计，板上自带高速内存，能保证图像数据传输的流畅性。