CN110327046A - 一种基于摄像系统的消化道内物体测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于摄像系统的消化道内物体测量方法，所述测量方法包括：模拟消化道内环境，进入摄像系统标定阶段；标定完成后进入测量阶段；将摄像系统放入消化道内；拍摄并获得检测图像；分别计算获得目标点P`与板体之间的实际距离并记为深度距离zi；分别获得检测图像上参考点P的预测亮度；通过校正因子均值对检测图像中所有的像素点进行校准以获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体的深度图像z(x,y)；计算检测图像中每一像素点的比例尺r；通过比例尺r计算获得检测图像中每一像素点的实际二维坐标Si`；整合获得每一像素点的实际三维坐标(Si`，z(x,y))；计算或测量图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积。

Description

一种基于摄像系统的消化道内物体测量方法

技术领域

本发明属于图像处理领域，特别是一种基于摄像系统的消化道内物体测量方法。

背景技术

目前，使用胶囊式内窥镜进行消化道检测越来越普及，通过获得消化道内的图像，医生可对被测者进行检查。但是对通常的胶囊式内窥镜而言，当拍摄到含有病灶的图像时，医生仅能通过病灶的形态、颜色、位置等特征进行判断，但是无法获得病灶的尺寸信息，从而也无法给出精确的定量分析结果。

现有的技术中，例如中国专利公开CN107072498A中，提供了一种消化道内测距的方法。在上述方法中，通过在普通的图像传感器中分布了若干测距像素以用于生成物体深度信息的测距数据即深度图像。然后使用已知像素位置的测距数据对图像中没有得到的测距数据的像素位置的深度进行插值。在上述方法中，其计算方式较为繁琐，且对器件的要求很高，测距像素需要均匀地分布于图像传感器中，且需要较多的测量点。而若测量点较多，则会对后续梯度计算具有很大误差，最终造成测量失真。

又例如中国专利公开CN101902961A中，提供了一种用于估算体腔内物体大小的装置、系统及方法。在上述方法中，通过在胶囊式内窥镜中安装一个激光器，利用激光点和图像亮度信息进行距离测量及物体测量。但是，该种方法中忽略了消化道内介质的影响。消化道内环境复杂，空气和消化液均会对激光的光路造成影响，而直接影响到激光测距的结果。并且，距离的测量将始终依赖激光测距的结果，每一次测量均需要进行激光测距，则每一次均需要大量的计算，消耗人力物力。

并且，上述现有技术中，对于尺寸的测量均具有借助额外的设备，如Tof测距芯片等，也无疑增加了系统的成本和复杂度。

因此，必须设计一种新的计算步骤更为方便的消化道内物体测量方法。

发明内容

为解决上述问题之一，本发明提供了一种基于摄像系统的消化道内物体测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

模拟消化道内环境，进入摄像系统标定阶段；

在摄像系统的透明壳体上设置若干标定点Q`；

控制摄像系统的摄像部进行拍摄形成标定图像，所述标定点Q`在标定图像上成像并记为成像点Q；

计算确定标定点Q`相对摄像部光轴的相对角度θ与成像点Q至图像中心的像素距离△q`的关系，并记为：

θ＝f(Δq`) (1)；

计算确定标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系，并记为：

计算确定标定图像上任意像素的比例尺r与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系，比例尺为图像中的单位像素代表的实际长度，并记为：

r＝dz (3)；

标定完成后进入测量阶段；

将摄像系统放入消化道内；

拍摄并获得检测图像；

判断检测图像上消化道与透明壳体相接触的区域，并记为接触区域，在接触区域内设置至少一个参考点P，该参考点的在消化道上的实际位置记为目标点P`；

分别计算参考点P与图像中心的像素距离△p，并带入公式1中获得目标点P`相对摄像部光轴的相对角度θ；

分别计算获得目标点P`与板体之间的实际距离并记为深度距离z_i；

根据公式2和深度距离z_i分别获得检测图像上参考点P的预测亮度g^-1(z_i)；

将参考点P的预测亮度g^-1(z_i)和参考点P的实际像素亮度img(P_i)进行比较获得校正因子k_i，并记为：

获取所有参考点P的校正因子k_i的均值为

通过校正因子均值对检测图像中所有的像素点进行校准以获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体的深度距离，并记为深度图像z(x,y)，其中：

根据公式3和深度图像z(x,y)计算检测图像中每一像素点的比例尺r；

已知检测图像中每一像素点的像素坐标S_i，通过比例尺r计算获得检测图像中每一像素点的实际二维坐标S_i`；

整合获得每一像素点的实际三维坐标(S_i`，z(x,y))；

计算或测量图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积。

作为本发明的进一步改进，步骤“判断检测图像上消化道与透明壳体相接触的区域”包括：

选择检测图像上远离图像中心的边缘部分；

获取边缘部分每一像素点的亮度为T；

将T＞阈值τ的像素点集合记为接触区域。

作为本发明的进一步改进，步骤“选择检测图像上远离图像中心的边缘部分”包括：

在检测图像上以图像中心为圆心划分一个内圆环，该内圆环与图像边缘相靠近且不相交；

以图像中心为圆心划分一个外圆环，该外圆环与图像边缘相交；

以内圆环、外圆环、图像边缘所围设成的部分记为边缘部分。

作为本发明的进一步改进，消化道具有若干个消化道区间，所述摄像系统形成有若干个曝光档位；步骤“获取所有参考点P的校正因子k_i的均值为”后，将校正因子按照不同曝光档位和不同消化道区间进行存储。

作为本发明的进一步改进，在相同曝光档位和消化道区间获得两个或两个以上的校正因子均值后，对上述校正因子均值进行平均计算后再进行存储和更新。

作为本发明的进一步改进，步骤“分别计算获得目标点P`与板体之间的实际距离并记为参考点P的深度距离z_i”包括：

获取透明壳体的前壳的半径R；

分别计算获得目标点P`与前壳球心之间的距离为R cosθ；

获取透明壳体的环状壳的轴向长度H；

分别计算获得目标点P`与板体之间的深度距离z_i为R cosθ+H。

作为本发明的进一步改进，步骤“获得每一像素点距离板体的深度距离”或“整合获得每一像素点的实际三维坐标(S_i`，z(x,y))”还包括：

判断每一像素点的深度距离z的大小；

若t₁≤z≤t₂，则判断该像素点在检测图像的有效区间内；

若z＜t₁或者z＞t₂，则判断该像素点在检测图像的无效区间内。

作为本发明的进一步改进，步骤“计算或测量图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积”之后包括：

可根据用户在有效区间内任意选择的两个像素点的三维坐标计算两个像素点之间的直线距离；或者，

可根据用户在有效区间内任意选择的区域的像素点的三维坐标构建这个区域的三维图像，并可计算用户在该三维图像上选择的任意两个像素点之间的直线距离；或者，

可根据用户在有效区间内任意选择的一个区域的三维坐标计算该区域的面积；或者，

在有效区间内形成刻度尺，刻度尺上的刻度标注为实际长度的刻度；或者，

可自动识别有效区间内的病灶区域并计算该区域的尺寸或面积。

作为本发明的进一步改进，t₁为0，t₂为60mm。

作为本发明的进一步改进，步骤“拍摄并获得检测图像”包括：

控制摄像系统拍摄并获得拍摄图像；

对拍摄图像进行径向畸变矫正并形成检测图像，并记为：

img_out(x,y)＝img_in(x(1+l₁R²+l₂R⁴),y(1+l₁R²+l₂R⁴)) (6)；

其中，表示像素点到图像中心的像素距离，l₁、l₂为相机的畸变参数，x为像素点的横坐标，y为像素点的纵坐标，img_in是输入图像，img_out是矫正后图像。

本发明还提供了一种基于摄像系统的消化道内物体测量系统，所述测量系统包括：

识别模块，用以识别接触区域和确定参考点P；

标定计算模块，用以计算标定点Q`相对摄像部光轴的相对角度θ与成像点Q至图像中心的像素距离△q`的关系并记为公式1，以及计算确定标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像系统之间的深度距离z的关系并记为公式2，以及计算确定标定图像上任意像素的比例尺r与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像系统之间的深度距离z的关系并记为公式3；

亮度检测模块，用以识别标定图像或检测图像上任意或所有像素点的像素亮度；

测量计算模块，用以获取标定计算模块的公式1和参考点P与图像中心的像素距离△p来计算目标点P`相对摄像部光轴的相对角度θ；以及用以计算目标点P`与板体之间的实际距离并记为深度距离z_i；以及用以获取深度距离z_i、标定计算模块的公式2、参考点P的实际像素亮度来计算校正因子k_i；以及用以获取公式2来计算获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体的深度距离z(x,y)；以及用以获取公式3来计算实际二维坐标S_i`，并整合获得每一像素点的实际三维坐标(S<sub>i</sub>`，z(x,y))。

与现有技术相比，发明中的基于摄像系统的消化道内物体测量方法可预先通过对摄像系统的标定阶段来获取一些参数信息，从而方便测量阶段中的计算，并且可防止摄像系统之间的设备差异等引起的计算误差。并且，通过判断接触区域，使得拍摄的图像上的参考点可直接对应到摄像系统的透明壳体上的目标点，从而不需要其他的硬件来进行参考点的计算测量深度距离z_i，使得部件更加简单，计算步骤也更为简洁。

附图说明

图1是本发明中测量方法标定阶段的流程示意图；

图2是本发明中测量方法测量阶段的流程示意图；

图3为本发明中摄像系统的部分结构示意图；

图4为本发明摄像系统拍摄的图像的示意图。

具体实施例

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本发明提供了一种基于摄像系统的消化道内物体测量方法，所述摄像系统可伸入消化道内并对消化道内的物体进行拍摄，并且，摄像系统拍摄的图像上预设有双轴坐标系，从而确定图像上任意像素点的坐标。在本实施方式中，所述摄像系统为胶囊式内窥镜并包括板体104、设置于板体104上的摄像部102及围绕所述摄像部102设置的透明壳体，所述摄像部102可透过透明壳体向外进行拍摄。当然，若所述摄像系统若为其他设备，但是只要包括上述部件，则也可达到本发明的目的。

并且，由于摄像系统特别是本实施方式中的胶囊式内窥镜在消化系统中，通常是透明壳体会与消化道内壁相接触。特别是在食道、大肠中，由于水份不充盈，且腔体空间较小。在结肠蠕动、食道在吞咽过程中，消化道内壁会包裹、挤压胶囊，因此消化道内壁通常会与透明壳体相接触。而在小肠中，由于其弯曲的结构、更小的内径、更频繁的收缩，因此消化道内壁也会与透明壳体相接触。因此，在食道、小肠、大肠这三个区域，可以假设消化道内壁和摄像系统相接触，从而拍摄的图像中有一部分为透明壳体与消化道相接触的部分。

具体的，所述测量方法包括：

模拟消化道内环境，进入摄像系统标定阶段；

在摄像系统的透明壳体上设置若干标定点Q`；

控制摄像系统的摄像部102进行拍摄形成标定图像，所述标定点Q`在标定图像上成像并记为成像点Q；

计算确定标定点Q`相对摄像部102光轴的相对角度θ与成像点Q至图像中心的像素距离△q`的关系，并记为：

θ＝f(Δq`) (1)；

计算确定标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系，并记为：

计算确定标定图像上任意像素的比例尺r与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系，比例尺为图像中的单位像素代表的实际长度，并记为：

r＝dz (3)；

标定完成后进入测量阶段；

将摄像系统放入消化道内；

拍摄并获得检测图像；

判断检测图像上消化道与透明壳体相接触的区域，并记为接触区域，在接触区域内设置至少一个参考点P，该参考点的在消化道上的实际位置记为目标点P`；

分别计算参考点P与图像中心的像素距离△p，并带入公式1中获得目标点P`相对摄像部102光轴的相对角度θ；

分别计算获得目标点P`与板体104之间的实际距离并记为深度距离z_i；

根据公式2和深度距离z_i分别获得检测图像上参考点P的预测亮度g^-1(z_i)；

将参考点P的预测亮度g^-1(z_i)和参考点P的实际像素亮度img(P_i)进行比较获得校正因子k_i，并记为：

获取所有参考点P的校正因子k_i的均值为

通过校正因子均值对检测图像中所有的像素点进行校准以获得每一像素点距离板体104的深度距离，并记为深度图像z(x,y)，其中：

根据公式3和深度图像z(x,y)计算检测图像中每一像素点的比例尺r；

已知检测图像中每一像素点的像素坐标S_i，通过比例尺r计算获得检测图像中每一像素点的实际二维坐标S_i`；

整合获得每一像素点的实际三维坐标(S_i`，z(x,y))；

计算或测量图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积。

在上述方法中，先在标定阶段中进行标定。其一是获得标定点Q`相对摄像部102光轴的相对角度θ与成像点Q至图像中心的像素距离△q`的关系；其二是获得标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系；其三是获得标定图像上任意像素的比例尺r与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系。然后，在实际的测量阶段中，通过在图像上判断消化道和透明壳体相接触的区域，则接触区域上的目标点P`既为透明壳体上的点，又为消化道内的点。从而可通过该目标点P`在检测图像上的参考点P获得上述目标点P`相对摄像部102光轴的相对角度θ；再通过摄像系统本身的结构设置计算出该目标点P`与板体104之间的实际距离，而该实际距离即为深度距离z_i；再计算获得参考点P的预测亮度g^-1(z_i)。进而，通过参考点P的预测亮度g^-1(z_i)和参考点P的实际像素亮度img(P_i)比对获得校正因子k_i。获得校正因子k_i后，就对检测图像中的所有像素点均进行校正以获得每个像素点的预测亮度，从而可获得每一像素点距离摄像系统的深度距离z(x,y)。最后再通过比例尺获得每一像素点的xoy平面上的实际坐标S_i`。对上述信息进行整合获得每一像素点的实际三维坐标(S<sub>i</sub>`，z(x,y))。因而，已知每一像素点的实际三维坐标后，就可计算出图像中任意两个像素点之间的距离或任意范围内的面积。

并且，通过假设透明壳体和消化道相接触，消化道上的目标点P`即为透明壳体上的目标点P`，从而可与摄像系统本身的内部结构相配合，直接可获得拍摄的图像中的像素点的实际坐标。不需要其他的部件结构的配合，整体的摄像系统的结构也较为简单。

其中，参考点P的实际像素亮度img(P_i)为检测图像中P点像素的亮度，由于上述g函数的形式会与物体表面的反射系数、曝光参数、介质环境、LED数量、分布、摄像部102镜头性能及摄像部102图像传感器等响应有关。因此，虽然在标定过程中获得了标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系，但是在后续过程中获得了实际距离z_i及其预测亮度g^-1(z_i)时，还是需要和参考点P的实际像素亮度进行比较以获得校正因子k_i，以对其他像素点的实际像素亮度进行校正以获得其他像素点的深度距离z。

另外，最后的计算过程中，可由人工或系统选择两个像素点或任意区域后，再由系统进行测量；或者，也可由系统提供刻度尺，并由人工进行直接读数或测量。

因此，每一摄像系统均先进入标定阶段，以对摄像系统的不同参数进行测量和确认。从而，即使摄像系统之间有差异，在标定的过程中也可获得摄像系统的不同参数，在后续过程中也需要使用上述参数进行测量和计算，以此可避免由于设备差异引起的误差。

需要说明的是，在本实施方式中，摄像部102进行拍照时，摄像部102的光轴当然位于图像的中心，光轴和图像中心之间的连线记为参照线，即为z轴方向。从而，图像中的参考点P和摄像系统之间的深度距离并不是指两者之间的直线距离，而是指两者在参照线方向的距离。另外，摄像系统拍摄的图像上预设有双轴坐标系记为xoy平面的坐标系，上述每一像素点的像素坐标S_i和实际坐标S_i`均基于xoy平面。再获得深度图像z(x,y)，再将两者结合成三维坐标。

首先，所述摄像系统在标定过程中，需要将摄像系统放入一标定箱中，该标定箱确保不透光，且标定箱内为暗室。所述标定箱包括用以固定摄像系统的固定架、用以让摄像系统进行拍摄的目标板，且标定箱中也充满着模拟介质，该模拟介质可为模拟消化液或空气，摄像系统可在固定架上进行移动。所述摄像系统还包括有LED灯，所述LED灯和摄像部102均设置于胶囊式内窥镜的内板上，且LED灯设置有2至5个，并围绕所述摄像部102分布。从而可通过让摄像系统在不同位置、不同灯光、不同模拟介质、不同目标板的情况下进行拍摄，以获得上述参数信息。所述目标板也可更换，如模拟黏膜表面或仿黏膜颜色的硬板。当使用标定箱做其他标定时，只需更换目标版，如更换成白板、棋盘、线对卡等，从而可以进行白平衡校正、相机参数标定、分辨率测量等标定。LED的光场分布会影响到标定图像上任意像素的亮度的分布，因此必须对各个不同的摄像系统进行分别标定。

并且，在标定过程中，获得每一图像后，均需要对该图像进行径向畸变矫正。这是由于图像的拍摄会受到不同相机的畸变参数的影响，因此，经过畸变矫正后的图像可提高图像上物体的尺寸计算精度，特别是位于图像边缘的物体测量。径向畸变矫正后的图像才可以进行标定以获取参数信息。径向畸变矫正的具体信息在后文中再进行详述。

在测量阶段中，获取校正因子后即可对图像中所有像素点进行校准并获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体104的实际深度距离z(x,y)，而校正因子受到摄像系统拍摄及消化道内位置的不同会产生相应的影响。具体的，消化道具有若干个消化道区间，所述摄像系统根据不同的拍摄环境也形成有不同的曝光档位，上述步骤“获取所有参考点P的校正因子k_i的均值为”后，也要将校正因子均值按照不同的曝光档位和不同的消化道区间进行存储，并更新为校正因子k。在相同的消化道区间且曝光参数相同的时候，校正因子k的差距较小，从而，若后续没有参考点P，则也可通过预测校正因子k来获得每一像素点距离摄像系统的深度距离z(x,y)，从而可提高整个系统算法的抗干扰能力，并且也可以减少形成有参考点P的图像的拍摄，提高了工作效率。

当然，若在相同的曝光档位和消化道区间内获得了两个或两个以上的校正因子k，则对校正因子k进行平均计算后再进行存储和更新。具体的，如表1所示，消化道区间包括食道、小肠、大肠等，曝光档位包括1、2至N，不同曝光档位和消化道区间均对应存储有不同的校正因子k。从而，若没有获得参考点P来计算校正因子k时，也可在下表中通过曝光档位和消化道区间来选择对应的校正因子，以进行计算。

表1

如上文所述，本发明的前提在于假定消化道内壁和透明壳体相接触，并对接触区域的目标点P`进行分析，因此，如何判断检测图像上消化道和透明壳体相接触的区域是难点。所述步骤“判断检测图像上消化道与透明壳体相接触的区域”包括：

选择检测图像上远离图像中心的边缘部分；

获取边缘部分每一像素点的亮度为T；

将T＞阈值τ的像素点集合记为接触区域。

这是由于，显而易见的，由于拍摄系统的LED光线的集中传播以及消化道内壁的光反射，拍摄系统拍摄的图像上有明显的亮度阶梯区分。若目标与透明壳体越近，则相应的图像上该目标的亮度就越大，若目标与透明壳体越远，则相应的图像上该目标的亮度就越低。

因而，可通过前期的仿真实验中，来模拟消化道内的拍摄环境，统计接触区域的亮度分布，从而可计算推导出阈值τ。而所有大于阈值τ的像素点组成的区域即可被认为是接触区域。

另外，通过阈值τ来进行接触区域的判断可能会出现误差。例如，若将一些接触点遗漏造成漏判，或将一些没有接触但是距离较近的误判点视为接触点造成误判。但是漏判基本上不会造成计算的误差。若发生误判，将这些实际未接触的误判点判断为接触点，则会造成误差。但是，上述误差的范围也不会很大，可以忽略不计，主要有以下三点原因。其一是，所述阈值τ可选择相对较大的数值，则在这个阈值τ下，上述的判断更容易造成漏判，而不会误判；其二，即使误判点没有与透明壳体接触，通常误判点与透明壳体之间也非常的相近，上述误差也可忽略不计；其三，上述步骤中，在接触区域可选至少一个参考点P，在实际操作过程中，为了让校正因子的均值准确，会取大量参考点P，从而在经过平均计算后，上述误差也会被进一步缩小。

进一步的，上述步骤中，要选择检测图像上远离图像中心的边缘部分，这是由于消化道内蠕动，摄像系统的透明壳体通常会在其边缘部分与消化道内壁进行接触，因此，也通常会在检测图像的边缘部分形成上述接触区域。具体的，所述步骤“选择检测图像上远离图像中心的边缘部分”包括：

在检测图像上以图像中心为圆心划分一个内圆环，该内圆环与图像边缘相靠近且不相交；

以图像中心为圆心划分一个外圆环，该外圆环与图像边缘相交；

以内圆环、外圆环、图像边缘所围设成的部分记为边缘部分。

从而，所述边缘部分的范围即可确定，该范围也不会过于大，造成对阈值τ的判断难度，也不会过小，造成对参考点P的选择难度。内圆环和外圆环的半径由检测图像的大小决定。

如上述所述，在标定过程中，为了确保图像的精度，获得每一图像后，均需要对该图像进行径向畸变矫正。因而，本发明在具体检测阶段中，也需要对拍摄的图像进行径向畸变矫正。具体的，所述步骤“拍摄并获得检测图像”包括：

控制摄像系统拍摄并获得拍摄图像；

对拍摄图像进行径向畸变矫正并形成检测图像，并记为：

img_out(x,y)＝img_in(x(1+l₁R²+l₂R⁴),y(1+l₁R²+l₂R⁴)) (7)；

其中，表示像素点到图像中心的像素距离，l₁、l₂为相机的畸变参数，x为像素点的横坐标，y为像素点的纵坐标，img_in是输入图像，img_out是矫正后图像。

因此，在对拍摄图像进行径向畸变矫正后，获得检测图像，再在检测图像上选择边缘部分等，以获得接触区域及参考点P。

进一步的，如图3所示，在获得参考点P之后，即可通过上述标定阶段获得该参考点与摄像部102光轴的相对角度θ。具体的，如图3所示，所述透明壳体包括呈半球状的前壳103及连接于前壳103和板体104之间的环状壳106，所述前壳103的顶点位于摄像部102的光轴上。则指定A点为前壳103的顶点，则A点在拍摄图像的成像点A`即为图像中心。目标点P`也在前壳103上，目标点P`在检测图像105上形成参考点P。O点为所述前壳103的球心。已知该前壳103的半径R，环状壳106的轴向长度H，参考点与摄像部102光轴之间的相对角度θ即为参考点与前壳103球心之间的连线与摄像部102光轴之间所形成的锐角。即，θ＝∠AOP`。则步骤“分别计算获得目标点P`与板体104之间的实际距离并记为参考点P的深度距离z_i”包括：

获取透明壳体的前壳的半径R；

分别计算获得目标点P`与前壳103球心之间的深度距离为R cosθ；

获取透明壳体的环状壳的轴向长度H；

分别计算获得目标点P`与板体104之间的深度距离z_i为R cosθ+H。

所述目标点P`在z轴方向上的坐标为R cosθ+H。

进一步的，为了后续计算的方便详细，也可计算所述目标点P`在xoy平面上的实际坐标。具体的，目标点P`与A点在xoy平面上的距离为R sinθ。如图4所示，由于A`点为图像中心，则设置A点为xoy平面的坐标轴原点，并假设目标点P`与原点A之间的角度为α。则，如上述所述，所述目标点P`在xoy平面的实际坐标为：x＝R sinθcosα；y＝R sinθsinα。则，所述目标点P`的实际三维坐标为(R sinθcosα,R sinθsinα,R cosθ+H)。获得目标点P`的实际三维坐标后，即可获得校正因子及后续的其他像素点在消化道上的实际位置距离板体104的深度距离。

但是，即使获得了每一像素点在消化道上的实际位置距离板体104的深度距离，但是若该物体与胶囊的位置太远，则导致拍摄的图像亮度过暗，根据公式2中的图像亮度来计算深度距离z容易造成误差较大；并且，也会造成图像模糊，分辨率降低，噪音也更大，深度距离z的计算误差就更大。因此，必须限定检测图像的有效区间，仅在有效区间内的检测图像才可被用于测量计算。

因此，在获得深度距离或深度图像后，需要比较深度距离z。具体的，“获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体104的深度距离”或“整合获得每一像素点的实际三维坐标(S_i`，z(x,y))”还包括：

判断每一像素点的深度距离z的大小；

若t₁≤z≤t₂，则判断该像素点在检测图像的有效区间内；

若z＜t₁或者z＞t₂，则判断该像素点在检测图像的无效区间内。

其中，t₁为0，t₂为60mm。

从而，上述最终步骤“计算或测量图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积”之后，所取的任意两像素点或任意范围也都是在检测图像的有效区间内。

具体的，第一种交互方式中，可根据用户在有效区间内任意选择的两个像素点的三维坐标计算两个像素点之间的直线距离；或者，

第二种交互方式中，可根据用户在有效区间内任意选择的区域的像素点的三维坐标构建这个区域的三维图像，并可计算用户在该三维图像上选择的任意两个像素点之间的直线距离；或者，

第三种交互方式中，可根据用户在有效区间内任意选择的一个区域的三维坐标计算这个区域的面积；或者，

第四种交互方式中，在有效区间内形成刻度尺，刻度尺上的刻度标注为实际长度的刻度，用户可自行将刻度尺放置于不同位置，而不同位置上的刻度尺的刻度也不相同，用户再自行进行读数测量；或者，

第五种交互方式中，可自动识别有效区间内的病灶区域并计算该区域的尺寸或面积。

上述步骤“计算图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积”中当然不局限于上述五种交互方式，但是计算的方法均是基于已经获得每一像素的实际三维坐标，因此，若有其他的交互方式，也在本发明的保护范围内。

因此，对应的，本发明还提供了一种基于摄像系统的消化道内物体测量系统，所述测量系统包括：

识别模块，用以识别接触区域和确定参考点P；

标定计算模块，用以计算标定点Q`相对摄像部光轴的相对角度θ与成像点Q至图像中心的像素距离△q`的关系并记为公式1，以及计算确定标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像系统之间的深度距离z的关系并记为公式2，以及计算确定标定图像上任意像素的比例尺r与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像系统之间的深度距离z的关系并记为公式3；

亮度检测模块，用以识别标定图像或检测图像上任意或所有像素点的像素亮度；

测量计算模块，用以获取标定计算模块的公式1和参考点P与图像中心的像素距离△p来计算目标点P`相对摄像部102光轴的相对角度θ；以及用以计算目标点P`与板体之间的实际距离并记为深度距离z_i；以及用以获取深度距离z_i、标定计算模块的公式2、参考点P的实际像素亮度来计算校正因子k_i；以及用以获取公式2来计算获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体的深度距离z(x,y)；以及用以获取公式3来计算实际二维坐标S_i`，并整合获得每一像素点的实际三维坐标(S<sub>i</sub>`，z(x,y))。

综上所述，本发明中的基于摄像系统的消化道内物体测量方法可预先通过对摄像系统的标定阶段来获取一些参数信息，从而方便测量阶段中的计算，并且可防止摄像系统之间的设备差异等引起的计算误差。其次，通过对校正因子k_i的储存，从而在k_i的储存量越大且k_i的值越趋于稳定后，后续的拍摄过程中可不需要再对校正因子k_i进行计算，因此也减少第一测距部和第二测距部的使用。最后，通过判断接触区域，使得拍摄的图像上的参考点可直接对应到摄像系统的透明壳体上的目标点，从而不需要其他的硬件来进行参考点的计算测量深度距离z_i，使得部件更加简单，计算步骤也更为简洁。

最后，通过在标定阶段中在不同消化道环境内分别进行测量，从而在测量阶段也可针对不同消化道环境进行不同的处理方法，提高了精确性。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于摄像系统的消化道内物体测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

模拟消化道内环境，进入摄像系统标定阶段；

在摄像系统的透明壳体上设置若干标定点Q`；

控制摄像系统的摄像部进行拍摄形成标定图像，所述标定点Q`在标定图像上成像并记为成像点Q；

计算确定标定点Q`相对摄像部光轴的相对角度θ与成像点Q至图像中心的像素距离△q`的关系，并记为：

θ＝f(Δq`)(1)；

计算确定标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系，并记为：

计算确定标定图像上任意像素的比例尺r与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像部所在的板体之间的深度距离z的关系，比例尺为图像中的单位像素代表的实际长度，并记为：

r＝dz(3)；

标定完成后进入测量阶段；

将摄像系统放入消化道内；

拍摄并获得检测图像；

判断检测图像上消化道与透明壳体相接触的区域，并记为接触区域，在接触区域内设置至少一个参考点P，该参考点的在消化道上的实际位置记为目标点P`；

分别计算参考点P与图像中心的像素距离△p，并带入公式1中获得目标点P`相对摄像部光轴的相对角度θ；

分别计算获得目标点P`与板体之间的实际距离并记为深度距离z_i；

根据公式2和深度距离z_i分别获得检测图像上参考点P的预测亮度g^-1(z_i)；

将参考点P的预测亮度g^-1(z_i)和参考点P的实际像素亮度img(P_i)进行比较获得校正因子k_i，并记为：

获取所有参考点P的校正因子k_i的均值为

通过校正因子均值对检测图像中所有的像素点进行校准以获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体的深度距离，并记为深度图像z(x,y)，其中：

根据公式3和深度图像z(x,y)计算检测图像中每一像素点的比例尺r；

已知检测图像中每一像素点的像素坐标S_i，通过比例尺r计算获得检测图像中每一像素点的实际二维坐标S_i`；

整合获得每一像素点的实际三维坐标(S_i`，z(x,y))；

计算或测量图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤“判断检测图像上消化道与透明壳体相接触的区域”包括：

选择检测图像上远离图像中心的边缘部分；

获取边缘部分每一像素点的亮度为T；

将T＞阈值τ的像素点集合记为接触区域。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤“选择检测图像上远离图像中心的边缘部分”包括：

在检测图像上以图像中心为圆心划分一个内圆环，该内圆环与图像边缘相靠近且不相交；

以图像中心为圆心划分一个外圆环，该外圆环与图像边缘相交；

以内圆环、外圆环、图像边缘所围设成的部分记为边缘部分。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，消化道具有若干个消化道区间，所述摄像系统形成有若干个曝光档位；步骤“获取所有参考点P的校正因子k_i的均值为”后，将校正因子按照不同曝光档位和不同消化道区间进行存储。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在相同曝光档位和消化道区间获得两个或两个以上的校正因子均值后，对上述校正因子均值进行平均计算后再进行存储和更新。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤“分别计算获得目标点P`与板体之间的实际距离并记为参考点P的深度距离z_i”包括：

获取透明壳体的前壳的半径R；

分别计算获得目标点P`与前壳球心之间的距离为Rcosθ；

获取透明壳体的环状壳的轴向长度H；

分别计算获得目标点P`与板体之间的深度距离z_i为Rcosθ+H。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤“获得每一像素点距离板体的深度距离”或“整合获得每一像素点的实际三维坐标(S_i`，z(x,y))”还包括：

判断每一像素点的深度距离z的大小；

若t₁≤z≤t₂，则判断该像素点在检测图像的有效区间内；

若z＜t₁或者z＞t₂，则判断该像素点在检测图像的无效区间内。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，步骤“计算或测量图像中任意两像素点之间的距离或任意范围内的面积”之后包括：

可根据用户在有效区间内任意选择的两个像素点的三维坐标计算两个像素点之间的直线距离；或者，

可根据用户在有效区间内任意选择的区域的像素点的三维坐标构建这个区域的三维图像，并可计算用户在该三维图像上选择的任意两个像素点之间的直线距离；或者，

可根据用户在有效区间内任意选择的一个区域的三维坐标计算该区域的面积；或者，

在有效区间内形成刻度尺，刻度尺上的刻度标注为实际长度的刻度；或者，

可自动识别有效区间内的病灶区域并计算该区域的尺寸或面积。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，t₁为0，t₂为60mm。

10.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤“拍摄并获得检测图像”包括：

控制摄像系统拍摄并获得拍摄图像；

对拍摄图像进行径向畸变矫正并形成检测图像，并记为：

img_out(x,y)＝img_in(x(1+l₁R²+l₂R⁴),y(1+l₁R²+l₂R⁴))(6)；

其中，表示像素点到图像中心的像素距离，l₁、l₂为相机的畸变参数，x为像素点的横坐标，y为像素点的纵坐标，img_in是输入图像，img_out是矫正后图像。

11.一种基于摄像系统的消化道内物体测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

识别模块，用以识别接触区域和确定参考点P；

标定计算模块，用以计算标定点Q`相对摄像部光轴的相对角度θ与成像点Q至图像中心的像素距离△q`的关系并记为公式1，以及计算确定标定图像上任意像素的亮度与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像系统之间的深度距离z的关系并记为公式2，以及计算确定标定图像上任意像素的比例尺r与该像素在模拟消化道内的实际位置到摄像系统之间的深度距离z的关系并记为公式3；

亮度检测模块，用以识别标定图像或检测图像上任意或所有像素点的像素亮度；

测量计算模块，用以获取标定计算模块的公式1和参考点P与图像中心的像素距离△p来计算目标点P`相对摄像部光轴的相对角度θ；以及用以计算目标点P`与板体之间的实际距离并记为深度距离z_i；以及用以获取深度距离z_i、标定计算模块的公式2、参考点P的实际像素亮度来计算校正因子k_i；以及用以获取公式2来计算获得每一像素点在消化道上的实际位置距离板体的深度距离z(x,y)；以及用以获取公式3来计算实际二维坐标S_i`，并整合获得每一像素点的实际三维坐标(S<sub>i</sub>`，z(x,y))。