CN109820486B - 基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维运动检测技术领域，尤其为基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，包括永磁定位系统、无线传输模块、运动检测系统、三维呈像系统以及用于检测的装置本体，该基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，通过设置无线传输模块，采用无线通信技术，使被测者的运动更自由，也便于在康复训练中的系统推广，通过绑带绑在装置本体两端，能够将装置本体稳定的固定在测试者的肩关节、肘关节和腕关节处，进而提高测试数据的稳定性，通过调节按钮使得卡片伸缩，使得卡片卡在卡道上，能够对小磁体进行限位，便于定位肩关节、肘关节和腕关节处的方向和坐标。

Description

基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法

技术领域

本发明涉及三维运动检测技术领域，具体为基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法。

背景技术

人是一个统一的有机整体，各个部分的协调运动是使得人类可以完成日常生活中的各种运动。上肢的运动自如是具备较高生活质量的表现之一。正常上肢运动需要中枢神经系统、周围神经系统及骨骼肌肉系统协调工作，肢体残疾、关节疾病和小儿脑瘫等都会导致上肢活动障碍，发现上肢异常的关键点、指导有上肢活动障碍的人群正确完成上肢各种日常动作对患者康复治疗意义重大对人体下肢运动的研究要早于上肢，下肢运动参数的科学测量，通过步态分析等方法进行高精度的三维人体运动检测，使得对下肢运动分析已有可靠结论，而对人体上肢运动的分析研究要滞后于下肢。

但现有的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测检测设备，佩戴于人体的磁传感器与处理电路之间为有线连接，这在一定程度上限制了系统的使用，也对被测者的运动造成一定束缚，同时磁传感器固定不稳定，在运动检测时，磁传感器容易发生偏移，导致定位误差较大，定位精度不够，数据不准确。鉴于此，我们提出基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，以解决上述背景技术中提出的佩戴于人体的磁传感器与处理电路之间为有线连接，这在一定程度上限制了系统的使用，也对被测者的运动造成一定束缚，同时磁传感器固定不稳定，在运动检测时，磁传感器容易发生偏移，导致定位误差较大，定位精度不够，数据不准确的问题。

为实现上述目的，一方面本发明提供一种基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统，包括用于检测的装置本体，所述装置本体的两端分别带有设有夹环，所述夹环的底部设置有绑带，其中一个所述绑带上还设置有卡扣，所述装置本体的顶部两端分别设置有第一安装板和第二安装板，所述第一安装板的外表面安装有三轴磁传感器，所述第二安装板的外表面开设有滑道，所述滑道的内壁两侧分别开设有卡道，所述滑道内设置有固定器，所述固定器的顶部安装有小磁体；

所述固定器的外表面设置有按钮，所述固定器的两侧分别设置有卡片，所述固定器靠近所述按钮一侧开设有第一出口槽，所述第一出口槽和所述按钮滑动配合，所述固定器靠近所述卡片一侧开设有第二出口槽，所述第二出口槽和所述卡片滑动配合，所述固定器的内部设置有连接块，所述按钮和所述连接块之间安装有固定板，所述连接块的两侧分别安装有与所述卡片滑动配合的滑轨，所述连接块的一端安装有多个弹簧。

优选的，所述三轴磁传感器和所述第一安装板紧密粘接。

优选的，所述固定器和所述滑道滑动配合。

优选的，所述卡片和所述卡道卡接配合。

优选的，所述小磁体和所述固定器紧密粘接。

优选的，所述连接块的截面呈梯形。

基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统，还包括有永磁定位系统、无线传输模块、运动检测系统以及三维呈像系统，所述永磁定位系统包括坐标定位模块、磁场定位模块、连续定位模块以及数据处理模块；

所述坐标定位模块用于定位肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向；

所述磁场定位模块用于确定永磁体的空间位置和磁矩矢量；

所述连续定位模块用于在上肢运动过程中，连续对肘关节、腕关节以及手掌进行定位；

所述数据处理模块用于对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向的数据进行整合和输出。

优选的，所述运动检测系统包括图像获取模块、预处理模块、背景差分检测模块、差分图像检测模块以及数据导出模块；

所述图像获取模块用于对采集到的视频流转化成数字YUV视频流；

所述预处理模块用于对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理；

所述背景差分检测模块用于在视频图像经过预处理后，采用背景差分法检测出运动图像；

所述差分图像检测模块用于对没有物体运动时的图像进行处理；

所述数据导出模块用于对物体的运动检测数据进行输出。

优选的，所述三维呈像模块包括立体图像获取模块、呈像模型模块、特征提取模块、立体匹配模块、深度信息确定模块以及后处理模块；

所述立体图像获取模块用于获取立体视觉的立体图像；

所述呈像模型模块用于建立成像模型、确定位置和属性参数，以确定空间坐标系中物体点同它的像点之间的对应关系；

所述特征提取模块用于选择合适的图像特征并进行匹配；

所述立体匹配模块用于根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并由此得到相应的视差图像；

所述深度信息确定模块用于确定深度图像并恢复场景3D信息；

所述后处理模块用于恢复景物可视表面的完整信息。

另一方面，本发明还提供一种基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，包括上述任一所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统，其操作步骤如下：

S1：将装置本体分别套在肩关节、肘关节和腕关节处，并将装置本体上的三轴磁传感器分别对准在肩关节、肘关节和腕关节处；

S2：将装置本体内侧贴在关节处，系上绑带固定，此时绑带呈绷紧状态，并绑在上肢内侧；

S3：通过调整固定器在滑道的位置，能够调节小磁体和三轴磁传感器之间的距离，通过调节按钮调节卡片伸缩，使得卡片卡在卡道上，能够对小磁体进行限位，便于定位肩关节、肘关节和腕关节处的方向和坐标；

S4：通过坐标定位模块定位肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向；通过磁场定位模块确定永磁体的空间位置和磁矩矢量；通过连续定位模块在上肢运动过程中，连续对肘关节、腕关节以及手掌进行定位；通过数据处理模块对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向的数据进行整合和输出；

S5：通过图像获取模块对采集到的视频流转化成数字YUV视频流；通过预处理模块用于对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理；通过背景差分检测模块用于在视频图像经过预处理后；通过采用背景差分法检测出运动图像；通过差分图像检测模块用于对没有物体运动时的图像进行处理；通过数据导出模块用于对物体的运动检测数据进行输出；

S6：通过立体图像获取模块获取立体视觉的立体图像；通过呈像模型模块建立成像模型、确定位置和属性参数，以确定空间坐标系中物体点同它的像点之间的对应关系；通过特征提取模块用于选择合适的图像特征并进行匹配；通过立体匹配模块用于根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并由此得到相应的视差图像；通过深度信息确定模块用于确定深度图像并恢复场景3D信息；通过后处理模块用于恢复景物可视表面的完整信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，通过设置无线传输模块，采用无线通信技术，使被测者的运动更自由，也便于在康复训练中的系统推广。

2、该基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，通过绑带绑在上肢外侧，能够将装置本体稳定的固定在测试者的肩关节、肘关节和腕关节处，进而提高测试数据的稳定性。

3、该基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，通过调节按钮使得卡片伸缩，使得卡片卡在卡道上，能够对小磁体进行限位，便于定位肩关节、肘关节和腕关节处的方向和坐标。

4、该基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，通过设置永磁定位系统，能够连续对肘关节、腕关节以及手掌进行定位，并对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向的数据进行整合和输出。

5、该基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，通过设置运动检测系统，对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理，并对没有物体运动时的图像进行处理，最终将物体的运动检测数据进行输出。

6、该基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统及方法，通过设置三维呈像模块，根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并恢复景物可视表面的完整信息。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的图1中A处结构放大图；

图3为本发明的固定器结构示意图；

图4为本发明的固定器的按钮未按下时结构示意图；

图5为本发明的固定器的按钮按下时结构示意图；

图6为本发明的整体结构模块图；

图7为本发明的无线传输模块电路图；

图8为本发明的永磁定位系统模块图；

图9为本发明的磁场定位模型图；

图10为本发明的LM算法流程图；

图11为本发明的运动检测系统模块图；

图12为本发明的运动检测系统硬件架图；

图13为本发明的三维呈像模块图。

图中：1、装置本体；11、夹环；12、绑带；13、卡扣；14、第一安装板；15、第二安装板；16、三轴磁传感器；17、滑道；18、固定器；181、按钮；182、卡片；183、第一出口槽；184、第二出口槽；185、固定板；186、连接块；187、滑轨；188、弹簧；19、小磁体；110、卡道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

一方面，本发明提供一种基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统，如图1-5所示，包括用于检测的装置本体1，装置本体的两端分别带有设有夹环11，夹环11的底部设置有绑带12，其中一个绑带12上还设置有卡扣13，装置本体1的顶部两端分别设置有第一安装板14和第二安装板15，第一安装板14的外表面安装有三轴磁传感器16，第二安装板15的外表面开设有滑道17，滑道17的内壁两侧分别开设有卡道110，滑道17内设置有固定器18，固定器18的顶部安装有小磁体19，固定器18的外表面设置有按钮181，固定器18的两侧分别设置有卡片182，固定器18靠近按钮181一侧开设有第一出口槽183，第一出口槽183和按钮181滑动配合，固定器18靠近卡片182一侧开设有第二出口槽184，第二出口槽184和卡片182滑动配合，固定器18的内部设置有连接块186，按钮181和连接块186之间安装有固定板185，连接块186的两侧分别安装有与卡片182滑动配合的滑轨187，连接块186的一端安装有多个弹簧188，三轴磁传感器16和第一安装板14紧密粘接，固定器18和滑道17滑动配合，卡片182和卡道110卡接配合，小磁体19和固定器18紧密粘接，连接块186的截面呈梯形。

本实施例中，绑带12采用弹性布材质制成，其材质具有良好的韧性，便于通过绑带12将上肢绑紧固定在装置本体1内。

具体的，小磁体19呈圆柱形，且直径为5mm，厚度为10mm，使得小磁体19的磁矩最大，磁感应强度变化范围广。

本实施例的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统中的装置本体1在使用时，将装置本体1分别套在肩关节、肘关节和腕关节处，并将装置本体上的三轴磁传感器16分别对准在肩关节、肘关节和腕关节处，将装置本体1内侧贴在关节处，系上绑带12固定，此时绑带12呈绷紧状态，并绑在上肢内侧，能够将装置本体1稳定的固定在测试者的肩关节、肘关节和腕关节处，进而提高测试数据的稳定性，通过调整固定器18在滑道17的位置，能够调节小磁体19和三轴磁传感器16之间的距离，平时状态下，按钮181受到弹簧188的弹性188，将按钮181顶出第一出口槽183使，通过连接板186挡在第一出口槽183一侧，防止按钮181脱落，此时卡片184滑动至滑轨187的顶部位置，具体如图4所示，使得卡片184卡在卡道110上，能够对小磁体19进行限位，便于定位肩关节、肘关节和腕关节处的方向和坐标，当按下按钮181时，按钮181通过连接块186挤压弹簧188使其压缩，使得连接块186整体向固定器18内部运动，此时卡片184滑动至滑轨187的底部位置，具体如图5所示，使得卡片184离开卡道110，便于固定器18的移动。

实施例2

作为本发明的第二种实施例，为了便于对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向进行定位，本发明人员设置永磁定位系统，作为一种优选实施例，如图6和图8所示，基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统，还包括有永磁定位系统、无线传输模块、运动检测系统以及三维呈像系统，永磁定位系统包括坐标定位模块、磁场定位模块、连续定位模块以及数据处理模块，坐标定位模块用于定位肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向，磁场定位模块用于确定永磁体的空间位置和磁矩矢量连续定位模块用于在上肢运动过程中，连续对肘关节、腕关节以及手掌进行定位，数据处理模块用于对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向的数据进行整合和输出。

本实施例中，坐标定位模块中，设三个三轴磁传感器16为S、U、V，且分别放置在肩关节、肘关节和腕关节处，分别对小磁体19A、B、C进行空间定位，已知A小磁体19与肘关节处三轴磁传感器16U之间距离为h₀，B小磁体19与腕关节处的三轴磁传感器16V之间距离为h₁，C小磁体与足尖之间距离为h₂，以S为坐标原点，求解出肘关节U、腕关节V、手掌P点的坐标和方向即可重构出三维上肢运动姿态，三轴磁传感器16S、U、V分别定位小磁体19A、B、C的坐标和方向为：

小磁体A的坐标为(a₀,b₀,c₀)，方向为(a₀,b₀,c₀)。

小磁体B的坐标为(a₁,b₁,c₁)，方向为(α₁,β₁,γ₁)。

小磁体C的坐标为(a₂,b₂,c₂)，方向为(α₂,β₂,γ₂)。

A与S距离为

B与U距离为

C与V距离为

肘关节相对于肩关节的坐标为：方向为(α₀,β₀,γ₀)。

α₀、β₀、γ₀分别为肘关节与x轴、y轴、z轴的夹角。

同理，通过坐标变换得，腕关节相对于肩关节的坐标为：

腕关节相对于肩关节的方向为三轴磁传感器16U检测的小磁体19B的方向(α₁,β₁,γ₁)与三轴磁传感器16U坐标系旋转的角度(α₀,β₀,γ₀)之和：

(α₀+α₁,β₀+β₁,γ₀+γ₁)

手掌相对于肩关节的坐标为：

方向为：

(α₀+α₁+α₂,β₀+β₁+β₂,γ₀+γ₁+γ₂)

进一步的，磁场定位模块如图9所示，为永磁体的位置，为永磁体磁矩。根据磁偶极子模型，空间中观测点A(x,y,z)处的磁感应强度为：

式中，

具体的，连续定位模块采用LM算法，代码如下设定：

cal_func(x,t,y,func)；//f＝y-f(x,t)

cal_jacob(x,t,jacob)；//j＝f’(x,t)

cal_hessian(jacob,hessian)；//A＝j(T)*j

cal_grad(jacob,func,grad)；//g＝j(T)*f

bFound＝(cal_max(grad)<＝e1)；//结束标志一般初值为0除非初始解为最优化解

miu＝cal_max2(hessian)*1e-6；//下降长度的初值

for(n＝0；n<500&&！bFound；n++)

{

cal_hess_miu(hessian,miu,hess_miu)；//A’＝A+miu*I

gauss_jordan(hess_miu,grad,h_lm)；//h_lm＝h^-1*grad

if(cal_norm(h_lm)<＝e2*(e2+cal_norm(x)))

bFound＝true；

else

{

for(i＝0；i<N；i++)

x_new[i]＝x[i]+h_lm[i]；//x_new＝x+h_lm

objFi＝cal_objFi(func)；//φ＝∑f^2

cal_func(x_new,t,y,fun_new)；//f_new＝y-f(x_new,t)

objFi_new＝cal_objFi(fun_new)；//φ_new＝∑f_new^2

rou＝(objFi-objFi_new)/cal_l(h_lm,grad,miu)；

if(rou>0)

{

for(i＝0；i<N；i++)

x[i]＝x_new[i]；

cal_func(x,t,y,func)；//f＝y-f(x,t)

cal_jacob(x,t,jacob)；//j＝f’(x,t)

cal_hessian(jacob,hessian)；//A＝j(T)*j

cal_grad(jacob,func,grad)；//g＝j(T)*f

bFound＝cal_max(grad)<＝e1；

miu*＝(1.0f/3.0f)>(1-pow(2*rou-1,3))？(1.0f/3.0f):(1-pow(2*rou-1,3))；

v＝2；

cout<<n<<"\t"<<miu<<"\t"<<cal_max(grad)<<"\t"<<objFi<<endl；

}

else

{

miu*＝v；

v*＝2；

cout<<n<<"\t"<<miu<<"\t"<<cal_max(grad)<<"\t"<<objFi<<endl；

}

}

}

进一步的，LM算法流程如图10所示，步骤如下：

(1)、定义函数给定初始值x⁽⁰⁾，设定误差限ε，迭代参数μ，缩放因子β，最大迭代次数k_max，当前迭代次数k＝1。

(2)、计算步长h，计算x^(k+1)＝x^(k)+h，计算

(3)、更新μ。若F(x^(k+1))>F(x^(k))，则表明最近的一个解离最优解较远，这时增大μ值，μ＝μβ，使算法更接近最快速下降法，保证全局收敛性；若F(x^(k+1))<F(x^(k))，则表明最近的一个解距离最优解较近，这时减小μ值，使算法更接近Gauss-Newton法，加快收敛速度。

(4)、当k＝k_max或时，算法终止；否则，k＝k+1，返回步骤2。

值得说明的是，永磁定位系统通过无线传输模块和运动检测系统实现数据交互，如图7所示，无线传输模块由STC12C5A60S2单片机与nRF24L01无线收发芯片构成的发送端和接收端组成，发送端通过单片机进行A/D变换和无线传输，接收端通过nRF24L01接收数据，再送至STC12C5A60S2单片机进行显示与分析，无线模块nRF24L01所有配置工作都是通过SPI完成，共有30B的配置字，一般采用EnhancedShockBurstTM收发模式，这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，EnhancedShockBurstTM的配置字使nRF24L01能够处理射频协议，配置完成后，在nRF24L01工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容就可以实现接收模式和发送模式之间的切换。

实施例3

作为本发明的第三种实施例，为了便于对上肢运动进行运动检测，本发明人员设置运动检测系统，作为一种优选实施例，如图11所示，作为一种优选实施例，运动检测系统包括图像获取模块、预处理模块、背景差分检测模块、差分图像检测模块以及数据导出模块，图像获取模块用于对采集到的视频流转化成数字YUV视频流，预处理模块用于对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理，背景差分检测模块用于在视频图像经过预处理后，采用背景差分法检测出运动图像，差分图像检测模块用于对没有物体运动时的图像进行处理，数据导出模块用于对物体的运动检测数据进行输出。

本实施例中，如图12所示，运动检测系统硬件平台采用TMS320DM642作为CPU，该芯片主频600MHz，视频编解码芯片采用SAA7115H和SAA7105H，另外采用了两片SDRAM(共4M×64bi-t)芯片作为存储介质，用于图像的暂时存储，同时还采用一片FLASH用于实现自启动，此硬件平台从数据接收模块获取模拟图像，经过SAA7115解码得到标准的BT.656格式的YUV4：2：2数字图像码流，然后通过DM642的EDMA功能将码流暂存到SDRAM，再用算法进行处理后，然后通过DM642的EDMA功能送入到SAA7105进行解码，经过CVBS引脚输出，这样系统的处理结果就可以在显示器上实时地显示。

进一步的，运动检测系统的软件在TI提供的集成开发环境CCS完成，编程用C语言和汇编语言实现，软件采用TI推荐的RF-5架构，采用了三个线程tsk_inpu-t、tsk_process、tsk_output，软件的执行流程如下：

(1)、TMS320DM642的初始化。包括初始化BIOS、CSL、设置CACKE；

(2)、初始化RF-5模块。用CHAN_init，ICC_init，SCOM_init分别初始化CHAN模块、ICC模块、SCOM模块；

(3)、DSP/BIOS根据操作系统的调度规则环调度执行tsk_input、tsk_process、tsk_output三个线程。其中tsk_inpufi通过按照顺序调用FVID_create、FVID_control、FVID_aUoc函数实现对FVID驱动的调用，打开输入通道，实现得到SAA7ll5获取的BT.656格式的YUV422数字视频码流。tsk_process负责对tsk_input线程获取的数字图像进行运动图像检测算法的处理，其中要调用到上一节所述的算法函数，经过处理，运动目标被分割出来。tsk-output负责调用FVID_create、FVID_control、FVID_alloc函数，打开输出通道实现对已经分割处理的数字视频流通过SAA7105输出，在显示器上予以显示。这三个线程在DSP/BIOS的调度下循环并行运行，三个线程之间的数据交换通过SCOM模块实现。

上述程序中，核心程序为tsk_process线程，其主要代码如下：

While(1)

{……

Background()：//获取背景并根据条件更新

Diff_picture()：//背景与当前图像差分

Otsu_binary()：//由改进的大津法进行阀值分割并二值化

Filter_obitct()：//对二值化图像进行滤波得到运动的物体，即为检测的结果。

……

}

具体的，背景差分检测模块步骤如下：

(1)、获取一帧图像作为初始的背景Bg(x,y,tk)；

(2)、间隔4帧再次获取下一幅图像，作为当前图像Curr(x,y,tk)；

(3)、按照背景差分法得到差分图像Sub(x,y,tk)＝|Curr(x,y,tk,)-Bg(x,y,tk)；

(4)统计所有和值

公式为：∑_x,ySub(x、y、t_k)

与设定的阀值FF相比较，如果小于阀值FF，按下式进行背景更新Bg(x,y,tk)＝α*Curr(x,y,tk)+(1-α)*Bg(x,y,tk-1)；

(5)重复前面(2)到(3)的步骤。

此外，差分图像检测模块按照下式二值化：

式中的阀值TR采用大津法获取，在实际测试时发现，直接采用大津法获取的阀值TR对差分图像二值化进行处理时，如果没有物体运动，那么二值化得到的图像为噪声的二值化图像，这样直接处理得到的二值化噪声图像在后续的形态学滤波中很难完全消除，通过分析差分图像的直方图，发现当没有物体运动时，差分图像的直方图主要分布在0～10间，此时大津法获取的阀值为1～6之间；当有物体运动时，差分图像的直方图分布在0～255之间，此时大津法获取的阀值为20以上。

基于以上的分析，本文采用改进的方法，如果大津法获取的阀值小于10，则说明没有物体运动，否则说明有物体运动，当阀值小于10时，按照下式进行二值化处理

f(x，y，tk)＝0当TR<10

即当没有物体运动时，获取的二值化图像应为全黑，这样后续的形态学处理只需对有物体运动时的二值化图像进行处理即可。图2分别为无物体运动时直接二值化和采用改进方法二值化后的结果。其中a)为直接采用大津法获取的阀值分割没有物体运动时的差分图像的结果，可以看出图中布满噪声；b)为对大津法获取的阀值进行判断后，没有物体运动时的差分图像分割的结果，可以看出此时图像为全黑，也即没有运动物体，这与实际情况相符，简化了后续的形态学处理。

本实施例的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统中的运动检测系统在使用时，通过图像获取模块对采集到的视频流转化成数字YUV视频流；通过预处理模块用于对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理；通过背景差分检测模块用于在视频图像经过预处理后；通过采用背景差分法检测出运动图像；通过差分图像检测模块用于对没有物体运动时的图像进行处理；通过数据导出模块用于对物体的运动检测数据进行输出。

实施例4

作为本发明的第四种实施例，为了对检测到的上肢运动进行三维呈像，本发明人员设置三维呈像模块，作为一种优选实施例，如图13所示，三维呈像模块包括立体图像获取模块、呈像模型模块、特征提取模块、立体匹配模块、深度信息确定模块以及后处理模块，立体图像获取模块用于获取立体视觉的立体图像，呈像模型模块用于建立成像模型、确定位置和属性参数，以确定空间坐标系中物体点同它的像点之间的对应关系，特征提取模块用于选择合适的图像特征并进行匹配，立体匹配模块用于根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并由此得到相应的视差图像，深度信息确定模块用于确定深度图像并恢复场景3D信息，后处理模块用于恢复景物可视表面的完整信息。

本实施例中，三维呈像模块基于开放源代码的计算机视觉类库OpenCV设计，OpenCV中的摄像机标定模块为用户提供了良好的接口，同时支持Windows、Linux平台，有效地提高了开发效率，并且执行速度快，具有良好的跨平台移植性。

进一步的，呈像模型模块的定标过程中将用到的三个坐标系：图像坐标系，摄像机坐标系和世界坐标系，通过坐标系之间的变换可以通过下面的公式把图像坐标系的点和世界坐标系，公式如下：

本实施例的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统中的三维呈像模块使用时，通过立体图像获取模块获取立体视觉的立体图像；通过呈像模型模块建立成像模型、确定位置和属性参数，以确定空间坐标系中物体点同它的像点之间的对应关系；通过特征提取模块用于选择合适的图像特征并进行匹配；通过立体匹配模块用于根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并由此得到相应的视差图像；通过深度信息确定模块用于确定深度图像并恢复场景3D信息；通过后处理模块用于恢复景物可视表面的完整信息。

另一方面，本发明还提供一种基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，包括上述任一的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测系统，其操作步骤如下：

S1：将装置本体分别套在肩关节、肘关节和腕关节处，并将装置本体1上的三轴磁传感器16分别对准在肩关节、肘关节和腕关节处；

S2：将装置本体1内侧贴在关节处，系上绑带12固定，此时绑带12呈绷紧状态，并绑在上肢内侧；

S3：通过调整固定器18在滑道17的位置，能够调节小磁体19和三轴磁传感器16之间的距离，通过调节按钮181调节卡片182伸缩，使得卡片182卡在卡道110上，能够对小磁体19进行限位，便于定位肩关节、肘关节和腕关节处的方向和坐标；

S4：通过坐标定位模块定位肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向；通过磁场定位模块确定永磁体的空间位置和磁矩矢量；通过连续定位模块在上肢运动过程中，连续对肘关节、腕关节以及手掌进行定位；通过数据处理模块对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向的数据进行整合和输出；

S5：通过图像获取模块对采集到的视频流转化成数字YUV视频流；通过预处理模块用于对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理；通过背景差分检测模块用于在视频图像经过预处理后；通过采用背景差分法检测出运动图像；通过差分图像检测模块用于对没有物体运动时的图像进行处理；通过数据导出模块用于对物体的运动检测数据进行输出；

S6：通过立体图像获取模块获取立体视觉的立体图像；通过呈像模型模块建立成像模型、确定位置和属性参数，以确定空间坐标系中物体点同它的像点之间的对应关系；通过特征提取模块用于选择合适的图像特征并进行匹配；通过立体匹配模块用于根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并由此得到相应的视差图像；通过深度信息确定模块用于确定深度图像并恢复场景3D信息；通过后处理模块用于恢复景物可视表面的完整信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，包括用于检测的装置本体(1)，其特征在于：所述装置本体的两端分别带有设有夹环(11)，所述夹环(11)的底部设置有绑带(12)，其中一个所述绑带(12)上还设置有卡扣(13)，所述装置本体(1)的顶部两端分别设置有第一安装板 (14)和第二安装板 (15)，所述第一安装板 (14)的外表面安装有三轴磁传感器(16)，所述第二安装板(15)的外表面开设有滑道(17)，所述滑道(17)的内壁两侧分别开设有卡道(110)，所述滑道(17)内设置有固定器(18)，所述固定器(18)的顶部安装有小磁体(19)；

所述固定器(18)的外表面设置有按钮(181)，所述固定器(18)的两侧分别设置有卡片(182)，所述固定器(18)靠近所述按钮(181)一侧开设有第一出口槽(183)，所述第一出口槽(183)和所述按钮(181)滑动配合，所述固定器(18)靠近所述卡片(182)一侧开设有第二出口槽(184)，所述第二出口槽(184)和所述卡片(182)滑动配合，所述固定器(18)的内部设置有连接块(186)，所述按钮(181)和所述连接块(186)之间安装有固定板(185)，所述连接块(186)的两侧分别安装有与所述卡片(182)滑动配合的滑轨(187)，所述连接块(186)的一端安装有多个弹簧(188)；

其操作步骤如下：

S1：将装置本体分别套在肩关节、肘关节和腕关节处，并将装置本体(1)上的三轴磁传感器(16)分别对准在肩关节、肘关节和腕关节处；

S2：将装置本体(1)内侧贴在关节处，系上绑带(12)固定，此时绑带(12)呈绷紧状态，并绑在上肢内侧；

S3：通过调整固定器(18)在滑道(17)的位置，能够调节小磁体(19)和三轴磁传感器(16)之间的距离，通过调节按钮(181)调节卡片(182)伸缩，使得卡片(182)卡在卡道(110)上，能够对小磁体(19)进行限位，便于定位肩关节、肘关节和腕关节处的方向和坐标；

S4：通过坐标定位模块定位肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向；通过磁场定位模块确定永磁体的空间位置和磁矩矢量；通过连续定位模块在上肢运动过程中，连续对肘关节、腕关节以及手掌进行定位；通过数据处理模块对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向的数据进行整合和输出；

S5：通过图像获取模块对采集到的视频流转化成数字YUV视频流；通过预处理模块用于对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理；通过背景差分检测模块用于在视频图像经过预处理后；通过采用背景差分法检测出运动图像；通过差分图像检测模块用于对没有物体运动时的图像进行处理；通过数据导出模块用于对物体的运动检测数据进行输出；

S6：通过立体图像获取模块获取立体视觉的立体图像；通过呈像模型模块建立成像模型、确定位置和属性参数，以确定空间坐标系中物体点同它的像点之间的对应关系；通过特征提取模块用于选择合适的图像特征并进行匹配；通过立体匹配模块用于根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并由此得到相应的视差图像；通过深度信息确定模块用于确定深度图像并恢复场景3-D信息；通过后处理模块用于恢复景物可视表面的完整信息。

2.根据权利要求1所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，其特征在于：所述三轴磁传感器(16)和所述第一安装板(14)紧密粘接。

3.根据权利要求1所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，其特征在于：所述固定器(18)和所述滑道(17)滑动配合。

4.根据权利要求1所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，其特征在于：所述卡片(182)和所述卡道(110)卡接配合。

5.根据权利要求1所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，其特征在于：所述小磁体(19)和所述固定器(18)紧密粘接。

6.根据权利要求1所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，其特征在于：所述连接块(186)的截面呈梯形。

7.根据权利要求1所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，还包括有永磁定位系统、无线传输模块、运动检测系统以及三维呈像系统，其特征在于：所述永磁定位系统包括坐标定位模块、磁场定位模块、连续定位模块以及数据处理模块；

所述坐标定位模块用于定位肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向；

所述磁场定位模块用于确定永磁体的空间位置和磁矩矢量；

所述连续定位模块用于在上肢运动过程中，连续对肘关节、腕关节以及手掌进行定位；

所述数据处理模块用于对肘关节、腕关节以及手掌的坐标和方向的数据进行整合和输出。

8.根据权利要求7所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，其特征在于：所述运动检测系统包括图像获取模块、预处理模块、背景差分检测模块、差分图像检测模块以及数据导出模块；

所述图像获取模块用于对采集到的视频流转化成数字YUV视频流；

所述预处理模块用于对所得到的YUV视频信息进行高斯滤波处理；

所述背景差分检测模块用于在视频图像经过预处理后，采用背景差分法检测出运动图像；

所述差分图像检测模块用于对没有物体运动时的图像进行处理；

所述数据导出模块用于对物体的运动检测数据进行输出。

9.根据权利要求7所述的基于永磁定位技术的三维上肢运动检测方法，其特征在于：所述三维呈像系统包括立体图像获取模块、呈像模型模块、特征提取模块、立体匹配模块、深度信息确定模块以及后处理模块；

所述立体图像获取模块用于获取立体视觉的立体图像；

所述呈像模型模块用于建立成像模型、确定位置和属性参数，以确定空间坐标系中物体点同它的像点之间的对应关系；

所述特征提取模块用于选择合适的图像特征并进行匹配；

所述立体匹配模块用于根据对所选特征的计算，建立特征间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的映像点对应起来，并由此得到相应的视差图像；

所述深度信息确定模块用于确定深度图像并恢复场景3D信息；

所述后处理模块用于恢复景物可视表面的完整信息。