本發(fā)明涉及啄木鳥關(guān)節(jié)點定位領(lǐng)域，特別是涉及一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法。

背景技術(shù)：

啄木鳥是一種常見的鳥類，它靠又尖又硬的喙啄開樹皮并鑿出樹洞進行捕食或筑巢。有研究表明，啄木鳥體積雖小，但啄擊最大加速度可達2000g以上，而且又能快速傳遞啄擊所產(chǎn)生的非常大的沖擊力，進行連續(xù)精確啄擊。因此，對啄木鳥的啄木行為的研究對醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)和機械學(xué)科有著重要的理論研究和工程應(yīng)用價值。

早期的對啄木鳥的研究主要集中在對啄木鳥頭部抗沖擊機制的研究，但在研究中逐步發(fā)現(xiàn)，啄木鳥的抗沖擊機制和高頻高速啄擊動作的產(chǎn)生機制需依賴于對啄木鳥整體的運動學(xué)和動力學(xué)研究?，F(xiàn)有的對啄木鳥整體的研究主要包括啄木鳥全身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波傳播和能量流動的研究和啄木鳥啄擊動作運動學(xué)和動力學(xué)研究，但由于缺乏對啄木鳥生物本源的研究，導(dǎo)致理論模型與實際生物結(jié)構(gòu)差別較大，進而影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性與應(yīng)用性。所以，仍需基于啄木鳥的整體結(jié)構(gòu)和運動特性對啄木鳥的運動學(xué)和動力學(xué)進行深入研究。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)逐步應(yīng)用到了動物與人體的運動捕獲中。圖像處理方法不受動物或人體動作部位大小的限制，通過對特征點的捕獲，實現(xiàn)對動作數(shù)據(jù)的測定，包括位置、速度、加速度、運動軌跡等。因為動物或人體的運動姿態(tài)主要由骨骼和關(guān)節(jié)構(gòu)成，所以在動物或人體的運動捕捉技術(shù)的研究中，通常需要先捕獲運動對象的主要關(guān)節(jié)點，目前主要采用人工標(biāo)記法和無標(biāo)記法。人工標(biāo)記法是指人工對動物或人體的關(guān)節(jié)點進行特殊標(biāo)記，在圖像處理中便于識別，但此方法要求關(guān)節(jié)點標(biāo)記盡可能精確，否則會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確；無標(biāo)記法指的是利用圖像處理的方法進行關(guān)節(jié)點識別，此方法需精確提取運動對象的輪廓，相比人工標(biāo)記法圖像處理過程非常復(fù)雜，并且對研究對象有一定的局限性。

啄木鳥體積小、身體羽毛圖案復(fù)雜，在啄木動作中運動行程小、身體和尾部動作較小，很難利用無標(biāo)記點法在啄木動作圖像序列中精確識別啄木鳥的關(guān)節(jié)點，并且誤差很大。所以采用人工標(biāo)記法，但是由于啄木鳥體積小、結(jié)構(gòu)簡單，其關(guān)節(jié)點基本均由羽毛和肌肉包覆很難找到關(guān)節(jié)點所在，并且在啄木鳥運動過程中羽毛和肌肉運動幅度較大，影響標(biāo)記關(guān)節(jié)點的正確性。所以，現(xiàn)有的關(guān)節(jié)點定位方法達不到對啄木鳥啄擊運動研究的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法，能夠在啄木鳥啄擊動作的圖像序列中較為精確地定位啄木鳥的關(guān)節(jié)點，同時該方法具有運算簡單、精度較高和易推廣等特點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法，包括如下步驟：

步驟1：在啄木鳥關(guān)節(jié)點近似位置設(shè)置標(biāo)記關(guān)節(jié)點；

步驟2：采集并篩選啄木鳥啄擊動作的圖像序列；

步驟3：對各幀圖像進行預(yù)處理，得到標(biāo)記關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)；

步驟4：建立假設(shè)關(guān)節(jié)點，并對假設(shè)關(guān)節(jié)點進行位置優(yōu)化，得到最優(yōu)關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)。

述標(biāo)記關(guān)節(jié)點為用不同顏色的圓形標(biāo)記點對活體啄木鳥的喙、頸、胸、臀、尾部位進行標(biāo)記。

所述對各幀圖像進行預(yù)處理包括以下過程：

步驟1：根據(jù)各幀圖像中標(biāo)記關(guān)節(jié)點顏色的灰度值篩選出標(biāo)記關(guān)節(jié)點，并將圖像中除標(biāo)記關(guān)節(jié)點以外的部分設(shè)置為黑色背景；

步驟2：設(shè)置喙、頸、胸、臀、尾部位標(biāo)記點的灰度值范圍，將圖像中標(biāo)記關(guān)節(jié)點的灰度值與喙、頸、胸、臀、尾部位標(biāo)記點的灰度值范圍進行匹配，并按照喙、頸、胸、臀、尾的順序?qū)?biāo)記關(guān)節(jié)點進行編號；

步驟3：對圖像中的標(biāo)記關(guān)節(jié)點進行腐蝕處理，得到標(biāo)記關(guān)節(jié)點對應(yīng)的單像素點；

步驟4：以圖像左上角為原點，水平上邊界為x軸，豎直左邊界為y軸建立圖像的直角坐標(biāo)系，得到單像素點的位置坐標(biāo)，作為標(biāo)記關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)。

建立假設(shè)關(guān)節(jié)點的過程為：

求所有幀圖像上相鄰編號的標(biāo)記關(guān)節(jié)點間距的平均值，并將該平均值作為近似骨骼長度；

與標(biāo)記關(guān)節(jié)點對應(yīng)設(shè)置假設(shè)關(guān)節(jié)點，使相鄰編號的假設(shè)關(guān)節(jié)點間距等于對應(yīng)的近似骨骼長度。

所述對假設(shè)關(guān)節(jié)點進行位置優(yōu)化過程為：

步驟1：建立同編號假設(shè)關(guān)節(jié)點和標(biāo)記關(guān)節(jié)點位置間的距離求和函數(shù)，作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

步驟2：當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)取最小值時，得到的假設(shè)關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)為最優(yōu)關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)。

所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

其中，xi為優(yōu)化變量，xi＝(xi1,yi1,xi2,yi2,xi3,yi3,xi4,yi4,xi5,yi5)；xij,yij分別為標(biāo)記關(guān)節(jié)點的位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，i為有效幀的編號，i＝1,2,3,···,n；j為標(biāo)記關(guān)節(jié)點編號，j＝1,2,3,4,5；aij,bij分別為假設(shè)關(guān)節(jié)點的位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點：

本發(fā)明能夠在啄木鳥啄擊動作的圖像序列中較為精確地定位啄木鳥的關(guān)節(jié)點，同時該方法具有運算簡單、精度較高和易推廣等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖；

圖2是本發(fā)明啄木鳥的標(biāo)記關(guān)節(jié)點位置示意圖；其中1為喙、2為頸、3為胸、4為臀、5為尾；

圖3是本發(fā)明假設(shè)關(guān)節(jié)點與標(biāo)記關(guān)節(jié)點對應(yīng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及其附圖進一步敘述本發(fā)明：

包括以下步驟：首先在啄木鳥關(guān)節(jié)點近似位置做標(biāo)記點，采集啄木鳥啄擊行為的視頻圖像序列；對各有效幀圖像進行預(yù)處理，得到各標(biāo)記關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)；利用優(yōu)化算法，對關(guān)節(jié)點位置進行優(yōu)化，設(shè)與標(biāo)記關(guān)節(jié)點編號對應(yīng)的假設(shè)關(guān)節(jié)點，建立同一幀中同編號假設(shè)關(guān)節(jié)點和標(biāo)記關(guān)節(jié)點的間距求和函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并進行最優(yōu)化求解。將所有有效幀的最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)表示在同一坐標(biāo)系中，獲取運動數(shù)據(jù)。

首先在啄木鳥身體上標(biāo)記近似關(guān)節(jié)點，并進行運動數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過對啄木鳥的觀察和對骨骼結(jié)構(gòu)的研究，初步確定啄木鳥啄取動作中的五個關(guān)鍵關(guān)節(jié)點，分別為：喙、頸、胸、臀、尾。分別用不同顏色的圓形標(biāo)記點對活體啄木鳥的上述五個關(guān)鍵關(guān)節(jié)點進行標(biāo)記，為了便于在圖像處理中識別標(biāo)記點，五種顏色應(yīng)盡量避開啄木鳥羽毛顏色和背景顏色，所以五個標(biāo)記點對應(yīng)的顏色依次是：綠色、黃色、藍(lán)色、紫色、橙色。然后布置好高速攝像機錄制啄木鳥啄木的視頻，錄制好后篩選出包含一次完整啄擊動作有效幀，以此作為研究樣本。

然后對有效幀的圖像進行預(yù)處理，并建立坐標(biāo)系獲得標(biāo)記關(guān)節(jié)點坐標(biāo)。在數(shù)字圖像的處理中，是將圖像用一個數(shù)組或矩陣表示，每一個元素即為對應(yīng)像素點的灰度值。在本發(fā)明中，利用圖片中顏色的灰度值，篩選出五個標(biāo)記關(guān)節(jié)點，其余均為黑色背景。然后根據(jù)顏色不同進行編號。由于標(biāo)記點較大，且在運動過程中形狀發(fā)生改變不是圓形，所以對圖像進行腐蝕處理，使標(biāo)記關(guān)節(jié)點盡可能縮小至單像素。最后以圖像左下角為原點建立坐標(biāo)系，得到各標(biāo)記關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)。

最后設(shè)置與標(biāo)記關(guān)節(jié)點對應(yīng)的假設(shè)標(biāo)記點，通過優(yōu)化算法對關(guān)節(jié)點位置進行優(yōu)化。因為人工標(biāo)記的關(guān)節(jié)點存在誤差，導(dǎo)致兩相鄰關(guān)節(jié)點的間距在運動圖像中發(fā)生改變，然而在實際中兩關(guān)節(jié)間應(yīng)為骨骼，在運動過程中骨骼的長度是不發(fā)生變化的，所以通過計算機計算所有有效幀中相鄰編號標(biāo)記關(guān)節(jié)點的間距的平均值，作為近似骨骼長度。在圖像范圍內(nèi)假設(shè)與標(biāo)記關(guān)節(jié)點一一對應(yīng)的假設(shè)關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)，用上述的近似骨骼長度約束相鄰編號假設(shè)關(guān)節(jié)點的間距，建立同編號假設(shè)關(guān)節(jié)點和標(biāo)記關(guān)節(jié)點間距求和函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，最終求取假設(shè)關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)的最優(yōu)解，定義其為最優(yōu)關(guān)節(jié)點。

如圖1是本發(fā)明的方法流程圖。

一種基于運動圖像序列的啄木鳥關(guān)節(jié)點定位方法包括如下步驟：

s1：在啄木鳥關(guān)節(jié)點近似位置做標(biāo)記點：

如圖2所示為啄木鳥的標(biāo)記關(guān)節(jié)點位置示意圖，在啄木鳥啄取動作的主要關(guān)節(jié)處做近似標(biāo)記點，標(biāo)記點均為直徑6mm的圓形標(biāo)記點，因為大斑啄木鳥羽毛顏色主要是黑、白、紅，所以用綠色標(biāo)記點標(biāo)記喙，黃色標(biāo)記點標(biāo)記頸，藍(lán)色標(biāo)記點標(biāo)記胸，紫色標(biāo)記點標(biāo)記臀，橙色標(biāo)記點標(biāo)記尾。標(biāo)記點標(biāo)記好后使用高速攝像機對啄木鳥啄木行為進行錄制，錄制后對視頻進行剪輯，保留啄木鳥完整一次啄擊動作的視頻片段，并進行解幀處理，將有效幀由1至n重新按順序編號，n為有效幀總數(shù)。

s2：對各有效幀圖像進行預(yù)處理，得到各標(biāo)記關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)。

因為各關(guān)節(jié)點顏色與背景不同，所以可依據(jù)標(biāo)記點的灰度值進行篩選，僅保留五個標(biāo)志點的灰度值不變，其余均變?yōu)楹谏Ｈ缓蟾鶕?jù)五個標(biāo)志點的灰度值，判斷關(guān)節(jié)點顏色，對其進行編號：綠色為1，黃色為2，藍(lán)色為3，紫色為4，橙色為5。對圖像進行腐蝕處理，將標(biāo)記關(guān)節(jié)點縮小為單像素點。以圖像左上角為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，得到各記關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)，記為aij(aij,bij)，其中i為有效幀的編號，i＝1,2,3,···,n；j為標(biāo)記關(guān)節(jié)點編號，j＝1,2,3,4,5。

s3：利用優(yōu)化算法，對關(guān)節(jié)點位置進行優(yōu)化。

設(shè)兩個相鄰編號標(biāo)志關(guān)節(jié)點間距為lij＝[(aij+1-aij)²+(bij+1-bij)²]^0.5，進而得到在有效幀中兩個相鄰編號的標(biāo)志關(guān)節(jié)點平均間距所以求得關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的間距為l1，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3間距為l2，關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4間距為l3，關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)5間距為l4。

s4：設(shè)與標(biāo)記關(guān)節(jié)點編號對應(yīng)的假設(shè)關(guān)節(jié)點。

如圖3所示為本發(fā)明假設(shè)關(guān)節(jié)點與標(biāo)記關(guān)節(jié)點對應(yīng)示意圖；

設(shè)與標(biāo)記關(guān)節(jié)點編號對應(yīng)的假設(shè)關(guān)節(jié)點位置坐標(biāo)為bij(xij,yij),約束同一幀中兩個相鄰編號的假設(shè)關(guān)節(jié)點間距為標(biāo)志關(guān)節(jié)點平均間距，即lij＝[(xij+1-xij)²+(yij+1-yij)²]^0.5＝lj。

s5：建立同一幀中同編號假設(shè)關(guān)節(jié)點和標(biāo)記關(guān)節(jié)點的間距求和函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并進行最優(yōu)化求解。

建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為xi＝(xi1,yi1,xi2,yi2,xi3,yi3,xi4,yi4,xi5,yi5)，求mind(xi)。等價于求解最終求得每一張有效幀上的最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)。

s6：根據(jù)所有幀中的最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)，采集運動數(shù)據(jù)。

因為所有有效幀的坐標(biāo)系原點和方向相同，所以將各幀最優(yōu)關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系中表示?？梢缘玫阶哪绝B啄擊時整體的運動狀態(tài)和各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)?？蓪⒆顑?yōu)關(guān)節(jié)點按編號進行分類篩選，擬合關(guān)節(jié)點的運動曲線，并且根據(jù)各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)可對關(guān)節(jié)點的位移、速度、加速度進行計算。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的一種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為本發(fā)明專利范圍的限制。上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出若干變形和改進，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。