雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度分析

張愛華，劉公才，林冬梅，牛萬才，王敬陽

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院 甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)試驗(yàn)室 蘭州理工大學(xué)電氣與控制工程國家級(jí)試驗(yàn)教學(xué)示范中心，蘭州 730050）

脈搏是反映人體生理、病理情況的重要窗口[1]。脈搏信息檢測(cè)及表征方法的研究對(duì)于揭示中醫(yī)脈診機(jī)理具有重要的意義[2]。中醫(yī)通過觸診判斷疾病，脈診結(jié)果較依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)技能，影響診斷準(zhǔn)確性[3]。因此，實(shí)現(xiàn)脈診客觀化具有重要的研究意義[4]。

課題組設(shè)計(jì)制作了雙目視覺脈搏圖像采集裝置，基于視覺測(cè)量原理獲得脈搏信號(hào)。視覺測(cè)量方法存在多種誤差[5]，其在水平方向的脈搏位移容易獲得，為分析縱向位移精度，引入激光位移傳感器。通過對(duì)同步采集的脈搏幅值對(duì)比分析，得到系統(tǒng)的測(cè)量誤差，對(duì)脈搏信號(hào)的量化研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了分析雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的精度，需引入可精確測(cè)量跳動(dòng)幅度在毫米級(jí)別的人體脈搏信號(hào)的試驗(yàn)設(shè)備。在此選用一臺(tái)KEYENCE S065激光位移傳感器。激光發(fā)射器發(fā)出一束平行光，經(jīng)會(huì)聚透鏡聚焦在被測(cè)物體表面，產(chǎn)生漫反射光線，部分光線通過接收透鏡成像在CCD光敏面上。當(dāng)被測(cè)物體沿著光束的入射方向移動(dòng)時(shí)，物體表面的散射光斑相對(duì)于成像物鏡的位置發(fā)生了改變，相應(yīng)地在光敏器件上的像點(diǎn)位置也發(fā)生了變化。精確地測(cè)量像點(diǎn)在CCD光敏面上的位移，可得到被測(cè)物體的位移變化量[6]。該激光位移傳感器的測(cè)量范圍在55 mm～65 mm時(shí)，線性度F.S.為0.05%，在此測(cè)量范圍內(nèi)精度可以滿足測(cè)量要求，根據(jù)這一指標(biāo)，設(shè)計(jì)探頭的高度為60 mm，在探頭內(nèi)壓增大后激光接收點(diǎn)距離測(cè)試點(diǎn)的高度約為63 mm，此時(shí)激光位移傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量人體脈搏信號(hào)。為便于數(shù)據(jù)傳輸及光干擾去除，接入了IL-1000多功能放大器，該放大器具備消除干擾光、可選擇性模擬量輸出形式等功能，將采集的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行保存。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

雙目視覺脈搏圖像采集部分由2部Basler acA1300-30gm高速工業(yè)相機(jī)，配備Computer M0814-MP定焦鏡頭，以及雙目同步采集模塊構(gòu)成。圖1所示為雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度分析試驗(yàn)圖。

圖1 雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度分析試驗(yàn)Fig.1 Accuracy analysis experiment of binocular vision pulse image acquisition system

采用MP425數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出同步信號(hào)[7]，觸發(fā)2部相機(jī)同步采集圖像，采集的圖像數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)進(jìn)行高速轉(zhuǎn)存[8]。利用MP425的A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。

激光信號(hào)采集部分采用S065激光位移傳感器和IL-1000多功能放大器對(duì)脈搏跳動(dòng)的縱向位移進(jìn)行精確測(cè)量。

1.2 同步觸發(fā)系統(tǒng)

進(jìn)行試驗(yàn)的前提是保證雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)與激光位移傳感器采集系統(tǒng)的同步性，即同步采集。雙目相機(jī)的同步通過MP425產(chǎn)生同步信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)控制。采用LabVIEW設(shè)計(jì)了脈搏信號(hào)與脈搏圖像同步采集控制系統(tǒng)，使得2個(gè)采集系統(tǒng)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 基于圖像的傳感器薄膜探頭上各特征點(diǎn)縱向動(dòng)態(tài)位移檢測(cè)

脈搏波形的獲取是精度分析的前提。激光位移傳感器采集的信號(hào)含有工頻干擾、高頻噪聲等，需要進(jìn)行濾波、平滑處理等得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的脈搏信號(hào)，作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在立體視覺中，雙目相機(jī)采集的初始圖像數(shù)據(jù)無法直接進(jìn)行二維場(chǎng)景到三維場(chǎng)景的恢復(fù)，通常需要提取一些能代表圖像全局特性的特征點(diǎn)，通過立體視覺算法利用這些代表性的點(diǎn)進(jìn)行三維信息的計(jì)算，從而獲得待分析的脈搏波形?；诿}搏圖像的脈搏波提取流程如圖2所示。

圖2 脈搏波提取流程Fig.2 Pulse wave extraction flow chart

在脈搏圖像采集時(shí)，相機(jī)采樣幀率越高，采集到的脈搏信息越多。因此，在保證左右相機(jī)同步采集的情況下提高采集幀率，通過試驗(yàn)對(duì)比，當(dāng)雙目相機(jī)的采樣幀率大于14幀/s時(shí)，在長時(shí)間進(jìn)行采集時(shí)會(huì)出現(xiàn)丟幀的現(xiàn)象，為保證同步穩(wěn)定地采集圖像，將相機(jī)采樣幀率設(shè)置為14幀/s。

圖像濾波，選擇模板為7×7的中值濾波器對(duì)脈搏圖像進(jìn)行平滑處理，可以有效的去除皮膚紋理噪聲。

圖像邊緣特征提取，利用亞像素邊緣檢測(cè)[9]對(duì)去噪后的激光圖像邊緣進(jìn)行特征檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)無法獲得完整的圖像邊緣，從而不能獲得唯一準(zhǔn)確的激光圖像質(zhì)心。結(jié)合激光圖像邊緣特征引入Canny算子進(jìn)行圖像邊緣信息的提取。Canny算法主要包含以下幾個(gè)部分[10]：對(duì)采集的圖像進(jìn)行平滑濾波，濾波完成后計(jì)算去噪之后圖像的梯度幅值、方向以及非極大值抑制，通過設(shè)定出高低閾值來去除虛假的邊緣從而連接真正的圖像邊緣。檢測(cè)出激光圖像邊緣并定位重心如圖3所示。

圖3 Canny算子邊緣檢測(cè)法重心定位結(jié)果Fig.3 Centering results by Canny operator edge detection method

相機(jī)標(biāo)定，提取到圖像質(zhì)心的平面坐標(biāo)后，利用張正友標(biāo)定法對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得左右相機(jī)的參數(shù)，基于雙目視覺測(cè)量原理獲得激光圖像特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

獲取脈搏波，對(duì)激光點(diǎn)的連續(xù)100幀圖像進(jìn)行處理，得到橫坐標(biāo)為脈搏波序列，縱坐標(biāo)為脈搏幅值的連續(xù)脈搏波形，如圖4所示。

圖4 雙目視覺采集的脈搏波形Fig.4 Pulse waveforms for binocular vision acquisition

3 基于激光的傳感器探頭薄膜上各特征點(diǎn)縱向動(dòng)態(tài)位移檢測(cè)

在試驗(yàn)過程中，激光位移傳感器容易受到脈搏傳感器探頭內(nèi)壁漫反射光的干擾影響，大大降低激光信號(hào)的準(zhǔn)確性，將采樣周期設(shè)置為2 ms時(shí)，S065接收COMS曝光部分通過設(shè)計(jì)的A與B 2種接收模式，在實(shí)際存在干擾的情況下，通過接收光波的差值處理，可以自動(dòng)去除干擾光的影響，在激光位移傳感器采集的信號(hào)中，含有肌電干擾、工頻噪聲以及隨機(jī)噪聲等高頻干擾。根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)中噪聲干擾的特點(diǎn)，引入了巴特沃斯低通濾波器。先設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器，然后通過雙線性變換得到滿足要求的數(shù)字濾波器。對(duì)于巴特沃斯濾波器，其設(shè)計(jì)指標(biāo)有｛ωp，ωs，ap，as｝，ωp和 ωs分別是通帶截止頻率和阻帶截止頻率，ap是通帶（0～ωp）的最大衰減系數(shù)，as是阻帶ω＞ωs的最小衰減系數(shù)，ap和as一般用dB表示[11]。在給定技術(shù)指標(biāo)｛ωp，ωs，ap，as｝后，目標(biāo)是找到一個(gè)H（jω）或H（s）使之近似地符合給定的技術(shù)指標(biāo)。為了獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)，設(shè)Sk為系統(tǒng)的極點(diǎn)，c為常系數(shù)，N為濾波器的階數(shù)，可以獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

式中：N=8；c=3.75；Sk=｛-0.1951，-0.5556，-0.8315，-0.9808｝，左半平面的極點(diǎn)可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。為數(shù)字化實(shí)現(xiàn)巴特沃斯低通濾波器，需將式（1）經(jīng)過雙線性z變換，變成數(shù)字低通濾波器，可表述為

式中：T為激光位移傳感器的采樣周期，T=5 ms。激光位移傳感器的采樣頻率為200 Hz，因此設(shè)定通帶截止頻率250 Hz，此時(shí)通帶最大衰減為3 dB；高頻噪聲的頻率分布在400 Hz左右，因此設(shè)定阻帶截止頻率為400 Hz，此時(shí)阻帶最小衰減為30 dB；將技術(shù)指標(biāo)｛ωp，ωs，ap，as｝設(shè)置為｛250 Hz，400 Hz，3 dB，30 dB｝代入仿真計(jì)算，得到滿足技術(shù)指標(biāo)的巴特沃斯低通濾波器。如圖5所示。

圖5 巴特沃斯濾波器的幅頻圖與相頻圖Fig.5 Amplitude-frequency and phase-frequency diagrams of Butterworth filter

根據(jù)巴特沃斯低通濾波器的相頻特性，計(jì)算出濾波器延遲時(shí)間為0.025 s，激光位移傳感器的采樣頻率為200 Hz，因此進(jìn)行精度分析時(shí)需將原始脈搏信號(hào)延遲50個(gè)采樣點(diǎn)后進(jìn)行脈搏幅值的對(duì)比，如圖6所示。

圖6 激光位移傳感器信號(hào)Fig.6 Laser displacement sensor signal

4 雙目視覺脈搏圖像傳感器精度分析

為更好地對(duì)雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行精度分析，試驗(yàn)中圍繞脈搏跳動(dòng)最顯著的區(qū)域選擇了3×3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行研究，如圖7所示。

圖7 雙目視覺脈搏圖像傳感器采集的圖像Fig.7 Laser image acquired by binocular vision pulse image sensor

試驗(yàn)中每個(gè)位置采集1 min試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇連續(xù)8 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行幅值分析，記錄激光位移傳感器采集的1個(gè)特征點(diǎn)脈搏幅值，如表1所示。對(duì)于相同的特征點(diǎn)，雙目視覺獲取的脈搏信息處理后得到的脈搏幅值信息記錄如表2所示。將同時(shí)刻在相同采樣點(diǎn)采集的連續(xù)10組脈搏波進(jìn)行脈搏幅值的對(duì)比分析如圖8所示。

在相同時(shí)間相同位置將激光位移傳感器得到的數(shù)據(jù)與雙目相機(jī)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈搏幅值的比較，得到雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的精度如表3所示。

表1 激光位移傳感器測(cè)量脈搏幅值Tab.1 Pulse amplitude measured by laser displacement sensor

表2 雙目視覺測(cè)量脈搏幅值Tab.2 Pulse amplitude by the binocular vision measures

圖8 脈搏差值的比較Fig.8 Comparison of pulse difference

表3 雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的精度Tab.3 Accuracy of binocular vision pulse image acquisition system

利用式 （3）計(jì)算出均方誤差，其均方誤差為0.0013，最大誤差為0.0205。將試驗(yàn)中的9個(gè)采樣點(diǎn)中每個(gè)采樣點(diǎn)的連續(xù)10組脈搏波進(jìn)行幅值對(duì)比，

對(duì)于連續(xù)的時(shí)段脈搏幅值的校準(zhǔn)獲得平均誤差為0.0188。獲得每個(gè)點(diǎn)的誤差指標(biāo)，如表4所示。

表4 各點(diǎn)誤差指標(biāo)Tab.4 Point error indicators

對(duì)脈搏跳動(dòng)明顯的3×3個(gè)點(diǎn)，從表4中可以看出平均誤差在0.0189左右，均方誤差在0.0016左右，證明此雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度高。由于每組的誤差指標(biāo)接近，從而選取了其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。

根據(jù)仿真信號(hào)中誤差的特性，誤差大致可以分為3種：①系統(tǒng)誤差，即在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)于相同的值進(jìn)行多次的試驗(yàn)仿真后，依然保持不變的誤差，一般而言，系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，采取一定的技術(shù)措施可以消除或者減小系統(tǒng)誤差[12]；②隨機(jī)誤差，即在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)于相同的值進(jìn)行多次的試驗(yàn)仿真后，產(chǎn)生的誤差具有不確定性；③粗大誤差，粗大誤差的值一般跟其他誤差值相差甚大，對(duì)于粗大誤差的處理一般是通過一定的處理法則進(jìn)行誤差剔除。本文根據(jù)雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的實(shí)際誤差情況主要針對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行了分析。

對(duì)于課題中的系統(tǒng)誤差，可以通過誤差擬合的方法得到誤差曲線。曲線擬合中經(jīng)常用n次多項(xiàng)式Pn（x）來進(jìn)行擬合，Pn（x）與原函數(shù)的誤差最小的判斷準(zhǔn)則主要有3種：最佳一致擬合、最佳平方擬合和最小二乘擬合[13]。在曲線擬合中，最為常用的是最小二乘多項(xiàng)式擬合，其原理如下：

首先，設(shè)定 n 次多項(xiàng)式 Pn（x）為

可以得到誤差為

為了使誤差 Q 最小，在此需要求取a0，a1，…，an，根據(jù)求極值的方法，需要對(duì) a0，a1，…，an求偏導(dǎo)，再使得偏導(dǎo)數(shù)為零，從而得到：

用矩陣的方式表示式（6）所示的方程組為

通過對(duì)式（7）的方程組進(jìn)行求解，就可以得到使 Q 最小的 a0，a1，…，an，代入就可以得到最小二乘法擬合多項(xiàng)式。

在進(jìn)行試驗(yàn)過程中，可能由于讀錯(cuò)或儀器出現(xiàn)錯(cuò)誤等原因造成異常數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)稱為壞點(diǎn)。將壞點(diǎn)剔除掉后，可以直接采用最小二乘多項(xiàng)式對(duì)誤差曲線進(jìn)行擬合。一般而言，在擬合范圍內(nèi)，擬合的多項(xiàng)式冪級(jí)數(shù)越高，擬合效果越好。在此，為了得到更好的擬合雙目視覺脈搏圖像傳感器的誤差曲線，根據(jù)以往的數(shù)據(jù)擬合及文獻(xiàn)查詢總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將多項(xiàng)式的冪級(jí)數(shù)從2階到8階進(jìn)行試驗(yàn)擬合，得到的擬合曲線表達(dá)式如式（8）所示，各項(xiàng)系數(shù)如表5所示。

表5 不同階數(shù)的各項(xiàng)系數(shù)Tab.5 Coefficients of different orders

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)階數(shù)為4階時(shí)，擬合精度為0.9276，相比較其他值更加接近1，所以采用最小二乘法4階整系數(shù)擬合。擬合得到的表達(dá)式為

式中：x為不同脈搏序列；P為誤差值。

利用剩余誤差來評(píng)價(jià)擬合曲線的效果。剩余誤差定義為原始誤差減去擬合誤差曲線相應(yīng)點(diǎn)的誤差值。圖9給出了連續(xù)10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的原始誤差、誤差擬合曲線和剩余誤差。

圖9 擬合誤差分析圖Fig.9 Fitting error analysis

10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的原始誤差最大值為0.0205，其誤差絕對(duì)值的均值為0.0189，而經(jīng)過對(duì)比分析后，其剩余誤差的絕對(duì)值均不大于0.001?？梢?，對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差處理后，可以獲得誤差的擬合曲線，對(duì)雙目視覺的精度有了深入的分析，推進(jìn)了對(duì)雙目視覺的進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

為了分析雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的測(cè)量精度，引入激光位移傳感器，設(shè)計(jì)了同步采集控制系統(tǒng)，同步觸發(fā)2個(gè)系統(tǒng)對(duì)同一探頭的相同位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移檢測(cè)；對(duì)激光圖像引入Canny算子邊緣檢測(cè)，對(duì)于激光信號(hào)進(jìn)行了降噪濾波，將2個(gè)系統(tǒng)得到的脈搏波形的峰峰值進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了雙目視覺脈搏測(cè)量系統(tǒng)的精度，將雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的誤差進(jìn)行整系數(shù)最小二乘法擬合，根據(jù)不同的階數(shù)擬合精度的不同，得到4階時(shí)擬合效果最好。在獲得雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)誤差的同時(shí)，為后續(xù)人體脈象的進(jìn)一步深入研究提供了理論依據(jù)。

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