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高速摄像系统在三维运动康复中的应用案例

rocketech  发表于 2015/6/18 14:59:13      496 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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项目背景

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。如图1所示为运动康复模拟实验:

                                图1:运动康复模拟实验

 

光学式方法利用计算机视觉原理,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

 

技术难点

    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1是MV-D1024E-160-CL-12在不同分辨率下的拍摄速度:

 

分辨率

帧速(fps)

2048×1088

85

1024×1024

180

800×600

306

640×480

381

480×640(rotated VGA)

570

512×512

709

128×128

2645

表1: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SiliconSoftwaremicroEnableIV–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。

综上所述,我们推荐如下解决方案,,设备摆放示意图如图2所示,具体明细如表2所示:

 


2:设备摆放示意图

 


型号

数目

推荐理由

相机

瑞士Photonfocus

DR1-D2048×1088-G2-192-8

8

l  灵活的ROI设置,可以极大提高拍摄速度

l  像素矩阵2048*1088

l  图像深度8bit

l  全分辨率下85fps

l  内置图像校正算法

l  千兆以太网接口

采集卡

德国Silicon  Software

microEnable IVGigE图像采集卡

2

l  每块板卡支持4台相机超过100 MBytes/s的输入数据带宽

l  FPGA设计,PCI-E接口,拥有完美的性能

l  Photonfocus相机配合,可高速传输ROI图像

高速存储系统

AcutEye高速存储系统

1

l  可支持千兆以太网接口的相机

l  实时无损存储,可支持200M字节/秒的存储速度

l  存储容量可根据客户需求扩展

PC


1

需要两个PCI-E×4插槽

2:解决方案




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