專利名稱：步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及步態(tài)分析裝置，特別涉及根據(jù)雙路視頻測量步態(tài)參數(shù)的步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，以及其數(shù)據(jù)處理裝置和數(shù)據(jù)處理方法。
背景技術(shù)：
全膝關(guān)節(jié)置換(TKR)是近代逐漸發(fā)展起來的一種治療膝關(guān)節(jié)疾病的新技術(shù)，是用人工關(guān)節(jié)部件替代損壞的關(guān)節(jié)，消除膝關(guān)節(jié)疼痛，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能的一種治療方法。研究者能通過多種方法對其療效進(jìn)行評價，如KSS(美國膝關(guān)節(jié)協(xié)會評分)、HSS(美國特種外科醫(yī)院膝關(guān)節(jié)評分)。但是這些評價方法主要是通過對患者的主客觀感覺、疼痛狀況及臨床輔檢結(jié)果進(jìn)行評價，缺乏定量的指標(biāo)。步態(tài)分析是生物力學(xué)的特殊分支，是對人體行走時的肢體和關(guān)節(jié)活動進(jìn)行運動學(xué)觀察和動力學(xué)分析，提供一系列時間、幾何、力學(xué)等參數(shù)值和曲線。而利用步態(tài)分析系統(tǒng)，通過收集步態(tài)數(shù)據(jù)來分析步態(tài)指標(biāo)，可以對患者的術(shù)后療效進(jìn)行定量分析。步態(tài)分析將全膝關(guān)節(jié)置換康復(fù)治療中沿用已久的定性分析和直觀描述轉(zhuǎn)換為客觀、精確的定量評定。步態(tài)的定量分析是對步態(tài)分析的基礎(chǔ)參數(shù)(步速、步頻、步長)、時相與周期、站立相力矩及下肢關(guān)節(jié)角度等多種步態(tài)指標(biāo)進(jìn)行定量分析，指導(dǎo)步態(tài)訓(xùn)練。主要包括運動學(xué)、動力學(xué)、動態(tài)肌電圖、時間/空間參數(shù)分析?；谶\動學(xué)分析，英國Oxford Metrics的VIC0N，瑞典的SEICOM公司的SELSP0T，英國Charnwood Dynamic的CODA Motion,美國Motion Analysis公司相關(guān)產(chǎn)品都是較為成熟的步態(tài)分析系統(tǒng)。它們基本上都是由紅外攝像系統(tǒng)和專用數(shù)據(jù)處理機以及計算機組成。將紅外標(biāo)記點貼在人體的待測部位上，通過攝像機接收由它發(fā)出并被紅外標(biāo)記點反射回來的紅外線信號，再由專用的數(shù)據(jù)處理機生成人體的運動位置坐標(biāo)，最后將人體運動位置信息輸入計算機，計算相關(guān)的步態(tài)參數(shù)。由于這些成熟的系統(tǒng)使用紅外攝像及專用數(shù)據(jù)處理機，成本很高，而且操作和維護(hù)比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
以上成熟的步態(tài)分析系統(tǒng)是將攝像機采集到的全部視頻序列存儲到某個位置，采集結(jié)束后利用計算機進(jìn)行計算分析，這樣就會占據(jù)很大的存儲空間，而且要采用昂貴的專用數(shù)據(jù)處理機。鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種數(shù)據(jù)處理方法，該數(shù)據(jù)處理方法能夠在數(shù)字信號處理器(DSP)運行，對視頻采集裝置輸出的視頻實時處理獲得被測者的步態(tài)參數(shù)，從而使步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)不必設(shè)置大容量的存儲器來存儲視頻序列，以及不必設(shè)置昂貴的專用的數(shù)據(jù)處理機。本發(fā)明數(shù)據(jù)處理方法，用于對兩個視頻采集裝置輸出的兩路視頻實時處理，獲得被測者的步態(tài)參數(shù)，所述視頻是從腿部設(shè)有標(biāo)記點的被測者正面捕捉的步行場景序列，該數(shù)據(jù)處理方法包括獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置；從所述兩個視頻采集裝置輸出的視頻同步獲取圖像；結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置；根據(jù)雙目成像原理，用標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)；以及用標(biāo)記點的三維坐標(biāo)計算步態(tài)參數(shù)。優(yōu)選地，所述獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置還包括對兩個圖像坐標(biāo)系中的標(biāo)記點進(jìn)行匹配。優(yōu)選地，所述結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置包括根據(jù)上兩幀圖像中標(biāo)記點的位置變化計算該標(biāo)記點的運動矢量；根據(jù)標(biāo)記點在上一幀圖像中的位置及其運動矢量計算該標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的估計位置；以及，在所述估計位置周圍進(jìn)行塊匹配搜索獲取標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的實際位置。
本發(fā)明還提供一種數(shù)據(jù)處理裝置，用于對兩個視頻采集裝置輸出的兩路視頻實時處理，獲得被測者的步態(tài)參數(shù)，所述視頻是從腿部設(shè)有標(biāo)記點的被測者正面捕捉的步行場景序列，該數(shù)據(jù)處理裝置包括第一至第五五個模塊，第一模塊用于獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置；第二模塊用于從所述兩個視頻采集裝置輸出的視頻同步獲取圖像；第三模塊用于結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置；第四模塊用于根據(jù)雙目成像原理，用標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)；第五模塊用于根據(jù)標(biāo)記點的三維坐標(biāo)計算步態(tài)參數(shù)。優(yōu)選地，所述第一模塊還包括對兩個圖像坐標(biāo)系中的標(biāo)記點進(jìn)行匹配，以便于計
算三維坐標(biāo)。優(yōu)選地，所述第三模塊包括第一至第三三個子模塊，第一子模塊用于根據(jù)上兩幀圖像中標(biāo)記點的位置變化計算該標(biāo)記點的運動矢量；第二子模塊用于根據(jù)標(biāo)記點在上一幀圖像中的位置及其運動矢量計算該標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的估計位置；第三子模塊用于在所述估計位置周圍進(jìn)行塊匹配搜索獲取標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的實際位置。優(yōu)選地，所述步態(tài)參數(shù)包括標(biāo)記點處的速度和角度，所述數(shù)據(jù)處理裝置是基于DSP的數(shù)據(jù)處理裝置。本發(fā)明還提供一種步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，它包括上述任意一項的數(shù)據(jù)處理裝置、標(biāo)記點以及兩個視頻采集裝置；標(biāo)記點設(shè)置于被測者的腿部；兩個視頻采集裝置分別與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，用于從被測者正面的兩個不同位置分別捕捉被測者的步行場景并實時傳送給所述數(shù)據(jù)處理裝置，以實時計算被測者的步態(tài)參數(shù)。優(yōu)選地，該步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)還包括加速度傳感器和/或參數(shù)輸出裝置，加速度傳感器設(shè)置于待測者的膝關(guān)節(jié)處，并與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，用于獲取行走時膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動加速度；參數(shù)輸出裝置與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接。優(yōu)選地，所述標(biāo)記點為紅外標(biāo)記點，所述視頻采集裝置設(shè)置有濾光片以濾掉除紅外光以外的有色光，所述加速度傳感器為三軸加速度傳感器。本發(fā)明數(shù)據(jù)處理方法結(jié)合運動估計和塊匹配搜索快速獲取標(biāo)記點在兩路視頻的各幀圖像中的位置，根據(jù)雙目成像原理計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)，進(jìn)而計算步態(tài)參數(shù)，其計算方法簡單，計算用時短，因而能夠?qū)崟r地完成視頻處理，而不必先將全部視頻存儲下來再處理，并且能夠在DSP上實現(xiàn)而不必采用昂貴的專用數(shù)據(jù)處理機。本發(fā)明數(shù)據(jù)處理裝置和系統(tǒng)基于上述數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)，因此能夠有效降低成本和實現(xiàn)步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)的便攜化。


圖I為一個實施例步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)的原理框 圖2為一個實施例中數(shù)據(jù)處理方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖I示出了一個實施例步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)的構(gòu)成。如圖I所示，本步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理裝置I、第一攝像機2和第二攝像機3 (即，兩個視頻采集裝置)、標(biāo)記點4、加速度傳感器5和參數(shù)輸出裝置6。第一攝像機2和第二攝像機3分別與數(shù)據(jù)處理裝置I連接，用于從被測者正面的兩個不同位置分別捕捉被測者的步行場景并實時傳送給數(shù)據(jù)處理裝置1，以實時計算被測者的步態(tài)參數(shù)(如速度、加速度等)。加速度傳感器5與數(shù)據(jù)處理 裝置I連接，用于將感應(yīng)到的加速度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理裝置I。參數(shù)輸出裝置6與數(shù)據(jù)處理裝置I連接，用于將數(shù)據(jù)處理裝置I處理后得到的待測者的步態(tài)參數(shù)輸出，參數(shù)輸出裝置6可以是打印機、顯示屏和數(shù)據(jù)傳輸接口中的至少一種，其中的數(shù)據(jù)傳輸接口可以采用各種常用的數(shù)據(jù)傳輸接口，如USB接口，或者也可以是光碟驅(qū)動器等。 在用本步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)首次進(jìn)行步態(tài)測量前，首先要搭設(shè)環(huán)境，對第一攝像機2和第二攝像機3進(jìn)行定標(biāo)，以及將標(biāo)記點4和加速度傳感器5設(shè)置在被測者的腿部。搭設(shè)環(huán)境是布置一條人行通道(長度可以為2至3米)，將第一攝像機2和第二攝像機3設(shè)置在人行通道盡頭，迎面對著被測者，并且第一攝像機2和第二攝像機3以特定的距離、角度設(shè)置，使得被測者沿著人行通道行走時，行走場景位于第一攝像機2和第二攝像機3的視角范圍，兩個攝像機之間的距離是為了能夠利用雙目成像原理計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)。攝像機定標(biāo)是為了求解攝像機幾何模型參數(shù)，這些參數(shù)決定了空間點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)的相互關(guān)系。可以采用直接線性變換(DLT)原理對兩個攝像機進(jìn)行定標(biāo)，具體通過設(shè)置6個已知空間未知的控制點，每個控制點根據(jù)DLT原理得到兩個11元方程，6個控制點可以得到12個11元方程，利用最小二乘法求解方程組，得到包含攝像機的11個參數(shù)的矩陣?？梢圆捎谜掣椒绞綄?biāo)記點4設(shè)置在被測者的腿部。標(biāo)記點4的數(shù)量可以靈活設(shè)置，但至少要有一個。例如，可以只在一條腿設(shè)置，也可以在兩條腿均設(shè)置，可以只在膝關(guān)節(jié)處設(shè)置一個標(biāo)記點，也可以在膝關(guān)節(jié)處、踝關(guān)節(jié)處、靠近腰處各設(shè)置一個標(biāo)記點。在一個優(yōu)選實施例中，在每條腿的膝關(guān)節(jié)處、踝關(guān)節(jié)處、靠近腰處各設(shè)置一個標(biāo)記點，并且還在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間(即小腿處)設(shè)置一個標(biāo)記點，以及還在腰和膝關(guān)節(jié)之間(即大腿處)設(shè)置一個標(biāo)記點，共十個標(biāo)記點，左右兩條腿的同部位的標(biāo)記點呈對稱分布。數(shù)據(jù)處理裝置I用于對第一攝像機2和第二攝像機3輸出的兩路視頻實時處理，獲得被測者的步態(tài)參數(shù)。圖2示出了一個實施例中數(shù)據(jù)處理方法的流程圖，數(shù)據(jù)處理裝置I采用該數(shù)據(jù)處理方法。下面結(jié)合圖2進(jìn)行說明。在步驟SlOO中，開始該處理流程。在步驟SlOl中，獲取標(biāo)記點在與第一攝像機2和第二攝像機3 (S卩，兩個視頻采集裝置)對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置。該步驟也可以叫做初始化步驟，目的是為了提取靜態(tài)的標(biāo)記點位置，為后面的步驟(如，實時運動跟蹤)提供初始條件?？梢岳玫谝粩z像機2和第二攝像機3拍攝被測者即將行走時的靜態(tài)圖像，設(shè)置數(shù)據(jù)處理裝置I只捕捉并存儲這一幀靜態(tài)圖像，對這幀靜態(tài)圖像進(jìn)行分析處理，提取圖像中的標(biāo)記點位置信息，將該位置信息作為標(biāo)記點在圖像坐標(biāo)系中的初始位置信息。在一些實施例中，標(biāo)記點采用紅外標(biāo)記點，并且在視頻采集裝置的鏡頭前加裝了濾光片，濾光片能夠濾掉除紅外光以外的有色光，這樣在視頻采集裝置采集到的圖像中除了紅外標(biāo)記點的區(qū)域，其余區(qū)域亮度接近0，突出了紅外標(biāo)記點，有利于紅外標(biāo)記點的提取。例如，可以首先經(jīng)過簡單預(yù)處理定位出標(biāo)記點的大致區(qū)域，再利用標(biāo)記點的形狀與大小信息準(zhǔn)確地定位出標(biāo)記點的中心位置信息，以此中心位置作為該圖像中該標(biāo)志點的位置。在一些實施例中，設(shè)置有多個標(biāo)記點，在獲取各標(biāo)記點在與第一攝像機2和第二攝像機3對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置后，還進(jìn)行標(biāo)記點的匹配，也就是將同一標(biāo) 記點在兩個圖像坐標(biāo)系中的位置對應(yīng)起來。標(biāo)記點匹配的目的是為了在后續(xù)步驟中利用雙目成像的原理重建出標(biāo)記點的三維位置信息。由于標(biāo)記點的布置是按一定規(guī)律布置的，而且即使是在步行途中，標(biāo)記點的相對位置也相對不變化，這樣針對兩個攝像機采集到的兩個圖像，只要對得到的標(biāo)記點的坐標(biāo)行、列排序，就能得到各個標(biāo)記點的相對位置，兩個圖像中相對應(yīng)的兩個位置的標(biāo)記點就是匹配的標(biāo)記點?？梢岳斫獾兀谥挥幸粋€標(biāo)記點時，則不需要進(jìn)行標(biāo)記點匹配。在步驟S102中，從第一攝像機2和第二攝像機3輸出的視頻同步獲取圖像。在步驟S103中，結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置。該步驟也可以叫做實時運動跟蹤。在得到了匹配的標(biāo)記點位置后，就可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實時運動跟蹤。因為是實時跟蹤，相鄰幀的運動速度可以看作一致，這樣就可以利用已知的位置信息來估計下一幀的位置。在一些實施例中，通過以下方法確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置，實現(xiàn)實時運動跟蹤對于每個標(biāo)記點而言，首先根據(jù)它在上兩幀圖像(這里用第n-2幀和第η-i幀表示)中的位置變化計算出該標(biāo)記點的運動矢量，再將該標(biāo)記點在上一幀圖像(即第η-i幀)中的位置加上該運動矢量作為該標(biāo)記點在當(dāng)前圖像(即第η幀)中的估計位置，然后在該估計位置周圍進(jìn)行塊匹配搜索獲取標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的實際位置。在一些實施例中，采用塊匹配算法來搜索圖像中對應(yīng)的位置。塊匹配算法的基本思想為將圖像序列的每一幀劃分為若干個相同的子塊，為了在第k+Ι幀中找出第k幀第j個子塊的最佳匹配塊，我們在第k+1幀中某一給定區(qū)域內(nèi)(搜索窗口)，根據(jù)一定的匹配準(zhǔn)則進(jìn)行搜索，比如可以采用目前較常用的平均絕對誤差準(zhǔn)則(MAD)進(jìn)行搜索，進(jìn)而得到對應(yīng)的匹配塊，第j個子塊與其匹配塊之間的相對位移即為該塊的匹配運動向量。塊匹配方法根據(jù)搜索原理的不同分為不同的算法，優(yōu)選采用三步搜索法(TSS)。三步搜索法具體包括 第一步，搜索步長等于或略大于最大搜索范圍的一半，在周圍距離步長的8個點處進(jìn)行塊匹配計算并比較；第二步，將步長減半，中心點移到上一步的最佳匹配點，重新在周圍距離步長的8個點處進(jìn)行塊匹配計算并比較；第三步，在中心及周圍8個點處找出最佳匹配點，若步長為1，搜索結(jié)束，否則重復(fù)第二步。
由于通過本方法能夠?qū)崟r地對第一攝像機2和第二攝像機3輸出的視頻進(jìn)行處理，獲得各標(biāo)記點在圖像中的位置，因此只需要存儲每幀圖像中每個標(biāo)記點的位置，而不需要將整個視頻幀全部保存下來，大大地節(jié)省了存儲空間。在步驟S104中，根據(jù)雙目成像原理，用標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)。該步驟也可以叫做標(biāo)記點的三維坐標(biāo)重建。按照雙目成像的原理，只要一個點在兩個攝像機分別成像，計算出該點在兩個圖像中的位置，就可以得到該點的空間信息。對于每個攝像機，物點、像點、投影中心是位于同一直線上，那么對于每個點而言，都可以得到一直線方程式。兩個攝像機就可以得到兩條直線，顯然，兩條直線的交點就是物點。通過得到的直線方程式，運用最小二乘法求解，可以得到物點的空間坐標(biāo)(即三維坐標(biāo))。在步驟S105中,用標(biāo)記點的三維坐標(biāo)計算步態(tài)參數(shù)。這里的步態(tài)參數(shù)可以是標(biāo)記點處的速度、角度等。例如，對于某個標(biāo)記點，利用相 鄰兩個處理周期得到的兩個空間坐標(biāo)，可以計算出該標(biāo)記點的運動距離和運動方向，再結(jié)合周期還可以得到該標(biāo)記點處的運動速度。對于在膝關(guān)節(jié)、大腿部和小腿部都設(shè)置標(biāo)記點時，利用三個標(biāo)記點的三維坐標(biāo)，即可計算出膝關(guān)節(jié)處的角度。此外，通過設(shè)置在待測者的關(guān)節(jié)處的加速度傳感器5，可以獲得待測者行走時該關(guān)節(jié)點的轉(zhuǎn)動加速度。在一些實施例中，采用三軸加速度傳感器，例如，可以采用FreescaleSemiconductor公司的MMA7260三軸加速度傳感器,可以粘附于膝關(guān)節(jié)處,測量人體行走時膝關(guān)節(jié)處的三個軸向加速度?？梢岳斫獾兀谝恍嵤├?，可以不設(shè)置加速度傳感器。進(jìn)一步還可以利用曲線形式表示待測者行走時各步態(tài)參數(shù)的變化。可以通過顯示屏實時顯示步態(tài)參數(shù)及其變化曲線，或者通過打印機打印出來,也可以存儲于存儲介質(zhì)中，或通過數(shù)據(jù)傳輸接口將它們傳輸?shù)狡渌O(shè)備(如硬盤、電腦等)保存或進(jìn)一步處理。在步驟S106中，判斷是否停止處理。如果“是”，則執(zhí)行步驟S107，本次處理流程結(jié)束。如果“否”，則轉(zhuǎn)到步驟S102，從第一攝像機2和第二攝像機3輸出的視頻同步獲取新的圖像，繼續(xù)執(zhí)行后序步驟。根據(jù)本發(fā)明，數(shù)據(jù)處理裝置用于對兩個視頻采集裝置輸出的兩路視頻實時處理，獲得被測者的步態(tài)參數(shù)，其中的視頻是從腿部設(shè)有標(biāo)記點的被測者正面捕捉的步行場景序列。在一些實施例中，數(shù)據(jù)處理裝置包括第一至第五五個模塊，第一模塊用于獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置；第二模塊用于從所述兩個視頻采集裝置輸出的視頻同步獲取圖像；第三模塊用于結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置；第四模塊用于根據(jù)雙目成像原理，用標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)；第五模塊用于根據(jù)標(biāo)記點的三維坐標(biāo)計算步態(tài)參數(shù)。在另外一些實施例中，第一模塊還包括對兩個圖像坐標(biāo)系中的標(biāo)記點進(jìn)行匹配，以便于計算三維坐標(biāo)。在另外一些實施例中，第三模塊包括第一至第三三個子模塊，第一子模塊用于根據(jù)上兩幀圖像中標(biāo)記點的位置變化計算該標(biāo)記點的運動矢量；第二子模塊用于根據(jù)標(biāo)記點在上一幀圖像中的位置及其運動矢量計算該標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的估計位置；第三子模塊用于在所述估計位置周圍進(jìn)行塊匹配搜索獲取標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的實際位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在模塊的具體實現(xiàn)上，尤其是通過軟件實現(xiàn)各個模塊功能時，可以存在多種可選方案。例如，可以將第一模塊中獲取標(biāo)記點在兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置作為一個單獨的模塊，將第一模塊中的標(biāo)記點匹配作為另一個單獨的模塊，也可以將某兩個或多個模塊合并為一個模塊。在一些實施例中，步態(tài)參數(shù)包括標(biāo)記點處的速度和角度。由于本發(fā)明采用的數(shù)據(jù)處理算法簡單，計算用時 短，能夠在DSP實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理裝置，例如，可以采用與合眾達(dá)公司的SEED-VPM642開發(fā)板功能類似的DSP，SEED-VPM642是專為數(shù)字媒體應(yīng)用的高性能32位定點處理器，可實時地實現(xiàn)多路數(shù)字視頻運算，具有高速數(shù)據(jù)傳輸接口，SEED-VPM642可同時實現(xiàn)3路視頻的輸入，I路視頻輸出。在用DSP實現(xiàn)時，能夠?qū)崿F(xiàn)整個步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)的便攜化和降低系統(tǒng)成本。本發(fā)明一些實施例通過兩個攝像機采集貼有標(biāo)記點的人體行走時的視頻序列，同時結(jié)合設(shè)置于關(guān)節(jié)點處的三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，利用DSP處理視頻序列和傳感器數(shù)據(jù)，對人體步行實時地進(jìn)行三維重建，并實時地計算出人體步行時步態(tài)參數(shù)，是一種獨立于計算機的步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，能夠運用到全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的療效評估，更好地指導(dǎo)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的康復(fù)。具體地，可以將做完TKR手術(shù)的人選做被測者，讓其在搭設(shè)好的環(huán)境中行走，實時得到其步態(tài)參數(shù)。并選同年齡段的正常人做對比，來對比治療的效果。每隔一段時間，可再對此患者進(jìn)行步態(tài)參數(shù)測量，以此來評估康復(fù)的效果，以更好地指導(dǎo)康復(fù)。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)處理方法，用于對兩個視頻采集裝置輸出的兩路視頻實時處理，獲得被測者的步態(tài)參數(shù)，所述視頻是從腿部設(shè)有標(biāo)記點的被測者正面捕捉的步行場景序列，其特征在于包括 獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置； 從所述兩個視頻采集裝置輸出的視頻同步獲取圖像； 結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置； 根據(jù)雙目成像原理，用標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)；以及 用標(biāo)記點的三維坐標(biāo)計算步態(tài)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于所述獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采v集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置還包括對兩個圖像坐標(biāo)系中的標(biāo)記點進(jìn)行匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置包括 根據(jù)上兩幀圖像中標(biāo)記點的位置變化計算該標(biāo)記點的運動矢量； 根據(jù)標(biāo)記點在上一幀圖像中的位置及其運動矢量計算該標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的估計位置；以及 在所述估計位置周圍進(jìn)行塊匹配搜索獲取標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的實際位置。
4.一種數(shù)據(jù)處理裝置，用于對兩個視頻采集裝置輸出的兩路視頻實時處理，獲得被測者的步態(tài)參數(shù)，所述視頻是從腿部設(shè)有標(biāo)記點的被測者正面捕捉的步行場景序列，其特征在于包括 第一模塊，用于獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置； 第二模塊，用于從所述兩個視頻采集裝置輸出的視頻同步獲取圖像； 第三模塊，用于結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置； 第四模塊，用于根據(jù)雙目成像原理，用標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)；以及 第五模塊，用于根據(jù)標(biāo)記點的三維坐標(biāo)計算步態(tài)參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于所述第一模塊還包括對兩個圖像坐標(biāo)系中的標(biāo)記點進(jìn)行匹配，以便于計算三維坐標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，所述第三模塊包括 第一子模塊，用于根據(jù)上兩幀圖像中標(biāo)記點的位置變化計算該標(biāo)記點的運動矢量； 第二子模塊，用于根據(jù)標(biāo)記點在上一幀圖像中的位置及其運動矢量計算該標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的估計位置；以及 第三子模塊，用于在所述估計位置周圍進(jìn)行塊匹配搜索獲取標(biāo)記點在當(dāng)前圖像中的實際位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任意一項所述的數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于所述步態(tài)參數(shù)包括標(biāo)記點處的速度和角度，所述數(shù)據(jù)處理裝置是基于DSP的數(shù)據(jù)處理裝置。
8.一種步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于包括 權(quán)利要求4-7任意一項的數(shù)據(jù)處理裝置； 標(biāo)記點，設(shè)置于被測者的腿部；以及 兩個視頻采集裝置，分別與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，用于從被測者正面的兩個不同位置分別捕捉被測者的步行場景并實時傳送給所述數(shù)據(jù)處理裝置，以實時計算被測者的步態(tài)參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括 加速度傳感器，設(shè)置于待測者的膝關(guān)節(jié)處，并與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，用于獲取行走時膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動加速度；和/或 參數(shù)輸出裝置，與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo)記點為紅外標(biāo)記點，所述視頻采集裝置設(shè)置有濾光片以濾掉除紅外光以外的有色光，所述加速度傳感器為三軸加速度傳感器。
全文摘要
一種步態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理裝置和方法，該方法包括獲取標(biāo)記點在與兩個視頻采集裝置對應(yīng)的兩個圖像坐標(biāo)系中的初始位置；從所述兩個視頻采集裝置輸出的視頻同步獲取圖像；結(jié)合運動估計和塊匹配搜索分別確定標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置；根據(jù)雙目成像原理，用標(biāo)記點在同步獲取的兩個圖像中的位置計算標(biāo)記點的三維坐標(biāo)；以及用標(biāo)記點的三維坐標(biāo)計算步態(tài)參數(shù)。該裝置包括與上述步驟對應(yīng)的五個模塊。該系統(tǒng)包括該數(shù)據(jù)處理裝置、標(biāo)記點以及兩個視頻采集裝置，標(biāo)記點設(shè)置于被測者的腿部，兩個視頻采集裝置分別與該數(shù)據(jù)處理裝置連接，用于從被測者正面的兩個不同位置分別捕捉被測者的步行場景。本系統(tǒng)和裝置成本低，且能夠?qū)崿F(xiàn)便攜化。
文檔編號G01C11/36GK102679964SQ201210191660
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者吳劍, 徐娟娟 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院