高速摄像系统在三维运动康复中的应用案例

                  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：

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。

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：

                 图2：设备摆放示意图

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