CN106510626A - 基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置及方法，包括两台红外摄像机、两个滤波片、近红外光源、USB数据线、同步触发模块和计算机；两台红外摄像机平行设置，并分别通过USB数据线与计算机连接；同步触发模块分别与两台红外摄像机、计算机连接；两台红外摄像的镜头均朝下并位于同一水平面上；两个滤波片分别对应设置在两个镜头的入射光线一侧；近红外光源的亮度可调，其设置在两台红外摄像机的下方。本发明解决了由于患者静脉不凸显，导致的临床静脉穿刺中失败率较高的问题。

Description

基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置及方法

技术领域

本发明属于医疗辅助仪器，具体涉及一种基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置及方法。

背景技术

静脉红外成像在医疗辅助及生物特征识别中发挥着重要作用。在医疗方面，静脉成像技术得到了快速的发展。有相关资料表明：正常成人首次进行静脉穿刺的成功率为73%；对儿童进行静脉穿刺时前2次的失败率为58%；对于多数人而言，在静脉穿刺时过程中“漏针”的概率为23-28%，由于人体浅层皮下组织较多，在静脉穿刺过程中会受如：血管深度、脂肪层厚度、皮肤色素含量等诸多因素的影响，使得经验不足乃至经验丰富的医护人员在进行穿刺时易存在成功率较低的现象。在生物身份识别领域中，手背中静脉图像含有较多的可识别特征，因此，相比较于传统的身份识别方式而言，静脉识别具有非接触、唯一性、区分活体等优势，这使得其较于其它识别方式更为安全。所以，人体浅层静脉成像技术能够在上述诸方面发挥重要作用，尤其是在医疗领域中，具有非常宽广的发展前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置及方法，以解决由于患者静脉不凸显，导致的临床静脉穿刺中失败率较高的问题。

本发明所述的基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置，包括两台红外摄像机、两个滤波片、近红外光源、USB数据线、同步触发模块和计算机；

两台红外摄像机平行设置，并分别通过USB数据线与计算机连接；

同步触发模块分别与两台红外摄像机、计算机连接；

两台红外摄像的镜头均朝下并位于同一水平面上；

两个滤波片分别对应设置在两个镜头的入射光线一侧；

近红外光源的亮度可调，其设置在两台红外摄像机的下方。

所述镜头采用6mm固定焦距镜头；

所述近红外光源与镜头之间的距离D1为120mm～180mm。

所述近红外光源采用850nm红外光源；所述滤波片采用850nm滤波片。

本发明所述的一种基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建方法，采用本发明所述的基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置，其方法包括以下步骤：

步骤一、将近红外光源水平放置在工作台上，利用固定架将两台红外摄像机固定，将滤波片安装在镜头内，或通过支架安装在镜头外，采用电子标定板对两台红外摄像机进行标定及定向，所述电子标定板为采用电子屏幕显示标定图案的标定板；

步骤二、将拍摄对象放置于近红外光源的上方，并与光源直接接触，且拍摄对象处于两台红外摄像机的中线位置；

步骤三、利用两台红外摄像机来采集拍摄对象的图像并发送给计算机，在采集图像时，通过同步触发模块控制两台红外摄像机同时触发采集图像；

步骤四、计算机对图像进行处理和三维重建，使用二维图像点坐标索引的方式对三维数据进行提取，具体步骤如下：

（1）对二维图像进行图像增强及自适应阈值二值化处理；

（2）计算双红外摄像机重叠区域内所有像素点三维坐标；

（3）以二维图像提取出的静脉为索引，对三维数据进行空间坐标转换，使其深度方向上的投影与二维图像重合，然后得到静脉的点云数据；

（4）对静脉点云数据进行去除孤立点操作，以去除杂点噪声，然后进行格栅处理；

（5）对三维点云数据使用Delaunay三角剖分算法处理，该处理将点云数据三角化，形成静脉模型，而非以密集点云的形式显示；

步骤五、输出人体浅层静脉的三维图像，并利用不同颜色表示静脉的深度信息，通过计算机对静脉进行三维显示。

本发明的有益效果：

（1）近红外光源与摄像机分别处于采集对象的两侧，有效避免了因皮肤表面结构及纹理对光源的反射影响，能够提高成像质量；

（2）针对的对象为人体浅层静脉区域，应用范围较广；

（3）近红外光源的亮度可调，能够适用于不同人群，避免因脂肪层较厚而无法使用；

（4）利用了电子标定板进行摄像机标定，基于电子设备屏幕显示的电子标定板，相比较于传统纸质标定板，具有灵活性强、精度高、适应性广、成本低的优势。

综上所述，本发明解决了由于患者静脉不凸显，导致的临床静脉穿刺中失败率较高的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图（除计算机及同步触发模块）；

图2为本发明中电子标定板的结构示意图；

图3为本发明中其中一台红外摄像机所采集的图像；

图4为本发明中另一台红外摄像机所采集的图像；

图5为本发明所输出的人体浅层静脉的三维图像；

图中：1、红外摄像机，2、镜头，3、滤波片，4、近红外光源，5、工作台，6、固定架，7、支架，8、电子标定板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置，包括两台红外摄像机1、两个滤波片3、近红外光源4、USB数据线、同步触发模块和计算机。两台红外摄像机1平行设置，并分别通过USB数据线与计算机连接，将所采集的图像传输给计算机。同步触发模块分别与两台红外摄像机1、计算机连接，同步触发模块接收计算机的控制指令，控制两台红外摄像机1同步采集图像数据。两台红外摄像机1的镜头2均朝下并位于同一水平面上。两个滤波片3分别对应设置在两个镜头2的入射光线一侧。近红外光源4的亮度可调，其设置在两台红外摄像机1的下方。

本实施例中，摄像机1配置为：采用安森美的Mt9m001型红外CMOS图像传感器，分辨率为1280*720，帧率为30FPS头，搭配了6mm固定焦段镜头。近红外光源4采用850nm红外光源，即可发射出波长为850nm的红外光。其由12颗2W红外LED灯珠构成，其每颗LED灯珠发光角度为120°，该光源分三档可调，分别为6W、12W和24W。滤波片3采用850nm滤波片，可过滤波长为850nm之外的光波。

如图1至图5所示，利用本发明所述的基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置进行人体浅层静脉三维重建的过程如下：

步骤一、首先将近红外光源4水平放置在工作台5上，然后利用固定架6将两台红外摄像机1固定，将滤波片3安装在镜头2内，或通过支架7安装在镜头2外。当两台红外摄像机1固定好后，需满足如下条件：

（1）两个镜头2均朝下并位于同一水平面上。

（2）两个镜头2的光轴之间的距离D2可根据镜头和相机传感器靶面大小确定，本实施例中，两个镜头2的光轴之间的距离D2为50mm，以满足两台摄像机1有足够的有效重叠区域及视差。

（3）近红外光源4与镜头2之间的距离D1为120mm～180mm。

在上述结构设计上，两红外摄像机1能够在120mm～180mm成像距离中提供约为180mm～200mm的有效重叠区域，具有较广的三维重建区域。

使用电子标定板8对两红外摄像机1进行标定及定向。电子标定板8是由电子屏幕显示标定图案的标定板，在此使用直径为5mm的黑色实心圆，背景为白色的标定图形，相比较棋盘方格标定板，参与角点或圆心计算的像素数更多，精度更高。标定过程是求解标定图像中所有黑色实心圆的圆心坐标，通过3张以上不同角度图像的圆心坐标求解红外摄像机1的内参数及外参数。其中，两红外摄像机1所拍摄图像中各圆心坐标通过SIFT算法进行匹配。本发明采用张氏标定法，标定过程需满足以下条件：

（1）拍摄图片数量至少保证两台红外摄像机同时拍摄有3张不同角度的图像。

（2）两台红外摄像机1各拍摄图像必须包含所有黑色实心圆的圆点。

（3）拍摄位置应尽可能遍布红外摄像机视野内各个位置，以计算出较为准确的畸变值。

（4）拍摄角度应多次旋转，以计算出较为精确的定向数据。

步骤二、将拍摄对象（比如：手掌）放置于近红外光源4的上方，并与光源直接接触，且拍摄对象处于两台摄像机1的中线位置。

步骤三、利用两台红外摄像机1来拍摄图像，并将图像传输给计算机。采集手掌图片时，为避免手掌晃动造成的细微差别，采用硬件触发的形式，对两台红外摄像机1同时触发采像。由于在拍摄对象与镜头之间设有850nm滤波片，能够过滤掉不必要波长的外界光线，从而提高了成像质量。

步骤四、计算机对图像进行处理和三维重建，所获取的数据为重叠区域内所有像素点在世界坐标系下的三维坐标，因此对静脉成像的关键在于解决从所有数据中准确提取出静脉血管的三维坐标，以及对点云数据的处理。在此，使用二维图像点坐标索引的方式对三维数据进行提取。具体步骤如下：

（1）对二维图像进行图像增强及自适应阈值二值化处理。

（2）计算双红外摄像机重叠区域内所有像素点三维坐标。

（3）以二维图像提取出的静脉为索引，对三维数据进行空间坐标转换，使其深度方向上的投影与二维图像重合，然后得到静脉的点云数据。

（4）对静脉点云数据进行去除孤立点操作，以去除杂点噪声，然后进行格栅处理，以解决静脉边界不光滑的问题。

（5）对三维点云数据使用Delaunay三角剖分算法处理。该处理将点云数据三角化，可形成静脉模型，而非以密集点云的形式显示。

步骤五、输出人体浅层静脉的三维图像，并利用不同颜色表示静脉的深度信息，使得图像更为形象，通过计算机对静脉进行三维显示。所得到的静脉三维点云数据信息可作为临床医疗辅助用，也可作为身份认证。

Claims (4)

1.一种基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置，其特征在于：包括两台红外摄像机（1）、两个滤波片（3）、近红外光源（4）、USB数据线、同步触发模块和计算机；

两台红外摄像机（1）平行设置，并分别通过USB数据线与计算机连接；

同步触发模块分别与两台红外摄像机（1）、计算机连接；

两台红外摄像的镜头（2）均朝下并位于同一水平面上；

两个滤波片（3）分别对应设置在两个镜头（2）的入射光线一侧；

近红外光源（4）的亮度可调，其设置在两台红外摄像机（1）的下方。

2.根据权利要求1所述的基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置，其特征在于：所述镜头（2）采用6mm固定焦距镜头；

所述近红外光源（4）与镜头（2）之间的距离D1为120mm～180mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置，其特征在于：所述近红外光源（4）采用850nm红外光源；所述滤波片（3）采用850nm滤波片。

4.一种基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建方法，其特征在于：采用如权利要求1至3任一所述的基于双目立体视觉的人体浅层静脉三维重建装置，其方法包括以下步骤：

步骤一、将近红外光源（4）水平放置在工作台（5）上，利用固定架（6）将两台红外摄像机（1）固定，将滤波片（3）安装在镜头（2）内，或通过支架（7）安装在镜头（2）外，采用电子标定板（8）对两台红外摄像机（1）进行标定及定向，所述电子标定板（8）为采用电子屏幕显示标定图案的标定板；

步骤二、将拍摄对象放置于近红外光源（4）的上方，并与光源直接接触，且拍摄对象处于两台红外摄像机（1）的中线位置；

步骤三、利用两台红外摄像机（1）来采集拍摄对象的图像并发送给计算机，在采集图像时，通过同步触发模块控制两台红外摄像机（1）同时触发采集图像；

步骤四、计算机对图像进行处理和三维重建，使用二维图像点坐标索引的方式对三维数据进行提取，具体步骤如下：

对二维图像进行图像增强及自适应阈值二值化处理；

计算双红外摄像机（1）重叠区域内所有像素点三维坐标；

以二维图像提取出的静脉为索引，对三维数据进行空间坐标转换，使其深度方向上的投影与二维图像重合，然后得到静脉的点云数据；

对静脉点云数据进行去除孤立点操作，以去除杂点噪声，然后进行格栅处理；

对三维点云数据使用Delaunay三角剖分算法处理，该处理将点云数据三角化，形成静脉模型，而非以密集点云的形式显示；

步骤五、输出人体浅层静脉的三维图像，并利用不同颜色表示静脉的深度信息，通过计算机对静脉进行三维显示。