醫(yī)院服務(wù)機器人運用計算機視覺定位系統(tǒng)的探討

周 俊

（上海市兒童醫(yī)院，上海 200062）

一般醫(yī)院巡查公共診療區(qū)域、重點區(qū)域（實驗室、水電氣設(shè)備機房等），會通過監(jiān)控室監(jiān)控員對監(jiān)控電視墻上的多個畫面進行人工巡查，監(jiān)控室普遍配置2名監(jiān)控員，每天視頻巡查范圍、精細度有限。安保巡邏以2 h 為周期，存在巡邏空間的局限性。從視頻畫面中發(fā)現(xiàn)可疑物品（如被故意放在公共區(qū)域的背包）、突發(fā)性污染物（如容易導(dǎo)致滑倒摔跤的嘔吐物）、實驗室化學(xué)物品引起化學(xué)反應(yīng)的燃爆風(fēng)險、公共區(qū)域打架斗毆、初期火災(zāi)等事件，較難第一時間由人工發(fā)現(xiàn)并傳送信息進行處置。

醫(yī)院根據(jù)公安技防要求安裝的大量監(jiān)控，只有監(jiān)視作用，沒有自動識別功能，不符合現(xiàn)代醫(yī)療機構(gòu)大型化、人員出入復(fù)雜、醫(yī)療設(shè)施與支持設(shè)備大規(guī)模化的新形勢要求，須引入計算機視覺定位系統(tǒng)與服務(wù)機器人，利用數(shù)字化自動分析各類圖像中的事件，并分類處理，提高巡查處置效率的同時降低人力成本。

文章重點討論監(jiān)控攝像機捕捉識別的目標(biāo)，將攝像機圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為室內(nèi)坐標(biāo)，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)送至服務(wù)機器人并自動導(dǎo)航到目標(biāo)點處置的實現(xiàn)過程，即基于計算機視覺的室內(nèi)定位技術(shù)，對相機標(biāo)定原理、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計算公式、實現(xiàn)方式及難點詳細敘述。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 AI技術(shù)

人工智能AI（全稱Artificial Intelligence）技術(shù)從無到有，從單一功能到深入融合各類行業(yè)，為科技發(fā)展提供了新的思路和途徑。網(wǎng)絡(luò)信息時代的爆炸式發(fā)展使得人工智能產(chǎn)業(yè)豐富。AI 包括虛擬現(xiàn)實VR（全稱Virtual Reality）、增強現(xiàn)實AR（全稱Augmented Reality）技術(shù)，被應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、家用電器、出行、穿戴等生產(chǎn)生活各領(lǐng)域。

醫(yī)療領(lǐng)域中利用AI 對醫(yī)學(xué)圖像處理、分析及診斷提供了新思路，例如，兒童骨齡評估使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對放射影像的分析，病理學(xué)方面基于深度學(xué)習(xí)算法對病理標(biāo)本的輔助診斷系統(tǒng)等。此外，人工智能技術(shù)的更新，逐步實現(xiàn)了機器人領(lǐng)域真正的應(yīng)用價值，產(chǎn)生了極大服務(wù)價值及生產(chǎn)力?？v觀機器人領(lǐng)域的分支中，自導(dǎo)航服務(wù)機器人的發(fā)展速度非常突出。

1.2 計算機視覺

計算機視覺為人工智能的一個應(yīng)用分支，指計算機系統(tǒng)從單幅圖像、連續(xù)幀和其他影像輸入中分析獲取關(guān)注的信息，系統(tǒng)據(jù)此作出反應(yīng)或提供建議。人工智能賦予了計算機分析與決策能力，而計算機視覺是被賦予了感知、探索的能力。

計算機視覺的工作原理為生物仿生技術(shù)的設(shè)計思路，參照人類視覺，不斷訓(xùn)練分辨物體、距離、動態(tài)與否及視覺真實性等能力。計算機視覺訓(xùn)練機器人模仿人類的視覺方式，區(qū)別在于機器人依靠攝像機、數(shù)據(jù)和算法在極短時間內(nèi)完成更精細和復(fù)雜的工作。例如，經(jīng)過訓(xùn)練用于檢驗產(chǎn)品或監(jiān)控生產(chǎn)的系統(tǒng)，每分鐘能分析數(shù)千個產(chǎn)品或流程，能發(fā)現(xiàn)極其細微的缺陷或問題，其能力遠超人類。計算機視覺被廣泛用于許多行業(yè)，例如，能源、公用事業(yè)、制造、醫(yī)療和汽車行業(yè)等，并且市場仍在不斷拓展。

1.3 醫(yī)院服務(wù)機器人

醫(yī)院服務(wù)機器人實際上從屬于通常意義的服務(wù)機器人，應(yīng)用僅限于醫(yī)院和醫(yī)療環(huán)境，細分產(chǎn)品包括導(dǎo)醫(yī)咨詢、醫(yī)療宣教、醫(yī)用AGV 物流（送藥、送餐、送器械、回收被服和醫(yī)療垃圾等）、藥品分揀、靜脈輸液藥配制、消毒殺菌、移送病人、保潔及安防機器人等。

但醫(yī)院環(huán)境與其他很多應(yīng)用環(huán)境存在較大區(qū)別，如對于物流配送，醫(yī)院部分環(huán)境的復(fù)雜程度和動態(tài)程度更高、可預(yù)測性更低，因而具有更大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。文章主要討論利用監(jiān)控攝像機做室內(nèi)定位，聯(lián)動保潔機器人、安防機器人的應(yīng)用模式。

2 基于監(jiān)控相機的室內(nèi)定位

醫(yī)院監(jiān)控攝像機幾乎覆蓋所有公共診療區(qū)域，利用監(jiān)控畫面進行目標(biāo)事件的室內(nèi)立體坐標(biāo)定位，是文章討論的重點。理論上需要應(yīng)用相機標(biāo)定原理及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將攝像機獲得的二維平面圖像，推算出三維空間中物體的幾何坐標(biāo)值，并重建和識別物體。

2.1 概述

二維圖像能提供豐富的環(huán)境信息或空間信息，包括：①圖像像素點的亮度與真實物體表面點反射光強度的關(guān)系；②攝像機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖像像素點在圖像平面位置、物體空間的相對方位映射關(guān)系。利用這些信息，可實現(xiàn)如測距、測量、識別、地圖構(gòu)建、定位、攝像機運動和姿態(tài)估計等工作。

2.2 相機標(biāo)定原理

求解參數(shù)的過程稱為相機標(biāo)定。相機成像的幾何模型決定了空間物體表面一點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點間的關(guān)系，這些幾何模型參數(shù)就是相機參數(shù)。通過試驗與計算，求解參數(shù)（內(nèi)參、外參、畸變參數(shù)）的過程就是相機標(biāo)定。

圖像畸變是鏡頭生產(chǎn)過程中，制造精度及組裝工藝的偏差導(dǎo)致的原始圖像失真。鏡頭的畸變分為徑向畸變和切向畸變兩類。

畸變參數(shù)、內(nèi)參是相機本身的固有特性，一次標(biāo)定即可，外參根據(jù)不同標(biāo)定圖像而不同。成像過程包括：圖像坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系、攝像機坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系。

2.3 4個坐標(biāo)系

（1）圖像坐標(biāo)系：表示三維空間物體在圖像平面上的投影，像素是離散化的，文章使用的是攝像機模型中的針孔模型。該模型在數(shù)學(xué)上是三維空間到二維平面的中心投影。其坐標(biāo)原點在CCD 圖像平面的左上角，u軸平行于CCD。平面水平向右，v軸垂直于u軸向下，坐標(biāo)用（u，v）來表示。

（2）成像平面坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點在CCD 圖像平面的中心，x，y軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的（u，v）軸，坐標(biāo)用（x，y）表示。

（3）攝像機坐標(biāo)系：以攝像機的光心為坐標(biāo)系原點，Xc，Yc軸平行于圖像坐標(biāo)系的x，y軸，攝像機的光軸為Zc軸，坐標(biāo)系滿足右手法則。攝像機的光心可理解為攝像機透鏡的幾何中心。

（4）世界坐標(biāo)系：用于表示空間物體的絕對坐標(biāo)，使用（xw，yw，zw）表示，世界坐標(biāo)系可通過旋轉(zhuǎn)和平移得到攝像機坐標(biāo)系。

2.4 CCD平面（感光元件）

CCD（Charge-coupled Device）即電荷耦合元件。CCD 上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素，畫面分辨率與單位面積內(nèi)像素數(shù)量成正比。CCD 分布排列的感光電容，將影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。例如光學(xué)遙測、頻譜望遠鏡、高速攝影等。

2.5 坐標(biāo)系位置關(guān)系

坐標(biāo)系位置關(guān)系見圖1。

圖1 坐標(biāo)系位置關(guān)系

將攝像機非線性模型表示為：

式中，（xu，yu）為模型圖像點的坐標(biāo)，（xd，yd）為實際圖像點坐標(biāo)，δx（x，y）與δy（x，y）為成像畸變值。

2.6 畸變

一般分為徑向畸變、切向畸變。徑向畸變（桶形畸變和枕形畸變），即光線在遠離透鏡中心部位比接近中心的地方出現(xiàn)明顯彎曲。切向畸變（薄透鏡畸變和離心畸變），來源于制造過程中，透鏡與CCD 平面不平行而產(chǎn)生的畸變。

3 利用物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動醫(yī)院服務(wù)機器人

服務(wù)機器人作為高集成度的新型技術(shù)，具備高感知信息的能力及智能控制。目前，其智能水平隨著相關(guān)研究的投入及多學(xué)科互動，利用物聯(lián)網(wǎng)融合到整個醫(yī)院智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用范圍愈加廣闊。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是借助信息傳感設(shè)備來實現(xiàn)物品和網(wǎng)絡(luò)的連接，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通信協(xié)議來完成通信，實現(xiàn)信息識別、跟蹤與管理的功能。

從技術(shù)角度分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其特點主要包括：①系統(tǒng)化的感知能力。利用各類射頻識別技術(shù)、激光傳感器和紅外感應(yīng)器等技術(shù)來獲得物體信息資料，實現(xiàn)感知和應(yīng)用提取。②穩(wěn)定的傳輸能力。基于互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。③先進的智能化處理技術(shù)。合理篩選與應(yīng)用不同類型的智能化技術(shù)，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的分析、計算及醫(yī)院管理工作的智能化發(fā)展。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層組成基礎(chǔ)架構(gòu)，本質(zhì)是事件驅(qū)動型的體系構(gòu)建，服務(wù)機器人是基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及底層分析技術(shù)、終端執(zhí)行輸出的智能化設(shè)備。不同層級進行交互通信和控制，互相傳遞多樣的信息，應(yīng)用系統(tǒng)識別動靜態(tài)信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比更加先進，實用性更強，直接控制物理設(shè)備，實現(xiàn)服務(wù)效果最大化。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)下視覺定位的應(yīng)用

（1）機器人定位方法。該方法一般分為拓撲地圖直推法、幾何地圖直推法與概推法、馬爾可夫定位算法等，定位技術(shù)包括視覺導(dǎo)航定位技術(shù)（機載攝像機采集分析環(huán)境信息）、GPS 全球定位系統(tǒng)（定位精度受限制，不適用室內(nèi)及多樓層場景）、光反射導(dǎo)航定位技術(shù)（利用激光或紅外傳感器測距，易受背景信噪影響）等。服務(wù)機器人為實現(xiàn)無人控制作業(yè)，配置自動導(dǎo)航系統(tǒng)，具備自主任務(wù)分配、自控電梯門禁、避開障礙物、自主返回充電的智能化功能。

（2）響應(yīng)流程。醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是通過智能終端、云端控制平臺及服務(wù)機器人3個部分共同構(gòu)成。具體應(yīng)用流程為：監(jiān)控相機分析得出事件和定位信息通過物聯(lián)網(wǎng)完成信息發(fā)送；觸發(fā)應(yīng)對處置程序，自動轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的服務(wù)機器人響應(yīng)；事件處置結(jié)果回饋到系統(tǒng)，形成事件處置閉環(huán)。

（3）引導(dǎo)與定位修正。機器人收到監(jiān)控攝像機發(fā)出的事件定位信息，自動導(dǎo)航到達目標(biāo)位置附近，因攝像機、環(huán)境變化、機器人行走均存在參數(shù)誤差并疊加放大，為消除上述定位精度的偏差，通過監(jiān)控攝像機識別機器人真實位置信息，利用物聯(lián)網(wǎng)的橋接作用、PID 控制，輔助機器人不斷修正行進路徑與位姿，最終抵達目標(biāo)位置完成事件處置。

3.4 視覺定位技術(shù)的改進

考慮到目標(biāo)事件包括遺落物、嘔吐物、肢體沖突的人員、初期小火災(zāi)、待消毒物品等，存在物品對象大小形狀多樣、位置動態(tài)變化、發(fā)展趨勢不可預(yù)期等，須將定位公式的算法從一個二維平面坐標(biāo)點拓展為三維立體坐標(biāo)值，提升監(jiān)控攝像機對目標(biāo)描述的真實性，以盡量多的立體坐標(biāo)點來描述目標(biāo)的空間邊界。初期算法可簡化為方形6面體，隨著研究的推進，視覺識別處理硬件性能的提升，描述為更接近真實物體空間邊界的多邊形數(shù)值，進一步協(xié)助系統(tǒng)準(zhǔn)確識別事件并移交服務(wù)機器人處置。

3.5 技術(shù)難點及解決方案

室內(nèi)定位精度要求一般需要控制在厘米級，如±10 cm 的精度，精度偏差來自監(jiān)控攝像機自身性能參數(shù)的限制、真實復(fù)雜環(huán)境的視線遮擋、環(huán)境光影明暗變化，同時需要醫(yī)院管理部門投入大量前期工作，如攝像機參數(shù)標(biāo)定、環(huán)境基準(zhǔn)面數(shù)值創(chuàng)建、基礎(chǔ)路線設(shè)定、機器人特征預(yù)錄入等。一般要求攝像機硬件參數(shù)為分辨率1080P、像素200萬、幀率25幀、星光級夜視功能、低照度自切換紅外夜視、內(nèi)置圖像處理GPU、三主碼流一輔碼流等。機器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)可借助其他室內(nèi)定位技術(shù)如WiFi、定位信標(biāo)等，增強修正定位結(jié)果。

4 結(jié)束語

計算機視覺定位是基礎(chǔ)的圖像識別通過AI 算法進行更新優(yōu)化后的技術(shù)，提供了一種高效可行且能不斷改良的室內(nèi)定位解決方案。廣泛應(yīng)用于醫(yī)院場景的各類服務(wù)機器人，通過物聯(lián)網(wǎng)體系極大提高了反應(yīng)速度，填補了人工巡視的空間不連續(xù)性，因此在當(dāng)前醫(yī)院環(huán)境下，應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展空間巨大。