CN112022343A - 一种智能激光去斑系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能激光去斑系统，包括机器人、去斑自动控制单元、激光发生器；去斑轨迹规划单元用于采集人脸图像，建立人脸三维形状与颜色信息，规划激光发生器发射端运行轨迹；激光发生器用于产生激光，并通过激光发射端发送；机器人根据激光发射端运行轨迹、运行参数，执行去斑动作。本申请通过采集人脸图像，建立人脸三维形状与颜色信息，规划激光发生器发射端运行轨迹，经过坐标变换，将发射端运行轨迹转换为机器人机械臂各关节的运行轨迹，控制机器人机械臂末端运行，进行激光扫描，保证了去斑面积的全覆盖，提高去斑效率，缩短去斑医疗时间。

Description

一种智能激光去斑系统
技术领域
本发明涉及激光去斑技术领域，尤其是涉及一种智能激光去斑系统。
背景技术
爱美之心人皆有之，越来越多的人们开始注重起自己的仪容，对于面部有色斑的爱美人士，必去之而后快。现在的去斑手法越来越多，激光去斑在其中占主要地位。目前激光去斑是由人工进行的，由医生将激光发射端对准色斑位置，持续一个时间，发射一束激光脉冲，进行去斑。这种方法，存在诸多不方便，一个是对准色斑的精度、距离不高，二是激光光斑比较小，当色斑面积相对比较大时，逐点的扫描会产生漏点或重点的情况，有的地方漏掉未去斑，而有的地方会多次去斑，无法得到有效的去斑效果，效率低下。
因此，如何实现对斑点精确地实现激光扫描，提高去斑效率，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能激光去斑系统，采集人脸图像，建立人脸三维形状与颜色信息，规划激光发生器发射端运行轨迹，经过坐标变换，将发射端运行轨迹转换为机器人机械臂各关节的运行轨迹，控制机器人机械臂末端运行，进行激光扫描，保证了去斑面积的全覆盖，提高效率。
本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种智能激光去斑系统，包括机器人、去斑自动控制单元、激光发生器；去斑轨迹规划单元用于采集人脸图像，建立人脸三维形状与颜色信息，规划激光发生器发射端运行轨迹；激光发生器用于产生激光，并通过激光发射端发送；机器人根据激光发射端运行轨迹、运行参数，执行去斑动作。
本发明进一步设置为：去斑自动控制单元包括至少二个摄像头、轨迹规划中心、人机会话界面；各摄像头用于从不同方向采集人脸图像，人机会话界面用于设置去斑参数，轨迹规划中心用于根据人脸图像信息、去斑参数规划激光发生器发射端运行轨迹。
本发明进一步设置为：机器人包括机械臂、双目摄像机；双目摄像机、激光发射端分别固定设置在机械臂末端。
本发明进一步设置为：轨迹规划中心根据双目摄像机位置，标定双目摄像机坐标系与机械臂末端坐标系的变换矩阵，标定激光发射端、激光轴线在机械臂末端坐标系中的位置。
本发明进一步设置为：轨迹规划中心根据双目摄像头拍摄的图像信息，进行视差图匹配，根据相机参数进行人脸三维重建，计算人脸表面各点的法向量，得到人脸三维形状、颜色信息、人脸表面各点的法向量信息。
本发明进一步设置为：轨迹规划中心接收从人机会话界面输入的去斑参数，包括去斑区域、发光点距离、脉冲频率、发射持续时间、光斑尺寸，获得治疗方案。
本发明进一步设置为：轨迹规划中心计算去斑区域的特征向量和特征值，以特征值大小顺序沿特征向量方向生成光斑扫描线。
本发明进一步设置为：基于光斑尺寸、人脸表面各点法向量，在光斑扫描线上采样，结合激光发光点与人脸表面的距离，生成激光发射端运行轨迹。
本发明进一步设置为：将激光发射端运行轨迹转换到机器人笛卡尔空间，结合机器人运动学模型，将笛卡尔空间的轨迹转换为关节空间变量与时间的关系，获得关节空间运动轨迹。
本发明进一步设置为：机器人根据关节空间运动轨迹，结合机器人动力学模型、伺服反馈算法，计算机器人各关节的驱动力矩，驱动机器人各关节运行。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
1.本申请经过采集有脸图像，建立人脸三维形状与颜色信息，规划激光发射端的运行轨迹，保证了激光发射端与人脸的距离恒定，保证激光去斑效果的一致性，同时也保证了每个去斑区域的完整扫描，提高去斑效果；
2.进一步地，本申请经过坐标变换，把激光发射端的轨迹转换为机器人机械臂各关节的运行轨迹，实现了机器人控制激光发射端按照设定的轨迹运行，提高去斑效率。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的自动控制流程示意图；
图2是本发明的一个具体实施例的去斑系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例一
本发明的一种智能激光去斑自动控制系统，包括依次连接的人脸图像采集子系统、建立人脸三维形状子系统、规划轨迹子系统、控制子系统；人脸图像采集子系统用于采集人脸图像；根据采集到的人脸图像信息，建立人脸三维形状与颜色信息；规划轨迹子系统根据人脸三维形状与颜色信息，规划激光发光点运行轨迹；控制子系统根据激光发光点运行轨迹、运行参数，控制激光发光点运行。
自动控制系统的工作，如图1所示，包括以下步骤：
S1、采集人脸图像信息；
S2、建立人脸三维形状与颜色信息；
S3、基于人脸三维形状与颜色信息，制定去斑区域；
S4、设定激光发光点与人脸的工作距离；
S5、在去斑区域生成光斑运行路径；
S6、根据激光光斑大小，对光斑运行路径进行采样，计算每个光斑采样点的法向量；
S7、依据各光斑采样点的法向量，设置激光发光点运行轨迹。
具体地，人脸图像采集子系统包括采用双目摄像头，从二个不同角度对人脸进行拍摄，获得人脸图像信息，保证定位的精确。
建立人脸三维形状子系统，根据人脸图像采集子系统的人脸图像信息，获得人脸像素深度信息，建立人脸三维形状与颜色信息。
规划轨迹子系统，根据人脸三维形状与颜色信息，制定去斑区域，计算去斑区域各点的特征向量和特征值，以特征值顺序排列特征向量，沿直线或螺旋线排列特征向量，生成光斑运行路径。
根据光斑运行轨迹上各点法向量，结合激光光斑大小，设置光斑采样点，规划激光发光点运行轨迹。
沿光斑采样点法向量，偏移激光发光点与表面设定工作距离的点，即为激光器发光点的工作点位置，将所有工作点位置，以直线方式或相邻采样点距离最短方式进行连线，生成激光发光点运行轨迹。
控制子系统根据激光发光点运行轨迹、运行参数，控制激光发光点运行，包括以下步骤：
A1、设置激光脉冲频率，计算光斑运行轨迹中相邻光斑间的运行时间；
A2、设置激光光束方向与采样点法向量一致；
A3、控制激光发光点沿轨迹运行，在各光斑采样点，以设定脉冲频率发射激光，并持续设定发射持续时间后，沿激光发光点沿运行轨迹移动到下一光斑采样点。
具体实施例二
本发明的一种智能激光去斑系统，如图2所示，包括机器人、去斑自动控制单元、激光发生器；激光发生器的发射端设置在机器人机械臂末端，由机械臂控制发射端运行。激光发生器产生激光束，在发射端以一定频率进行发射，发射端的端点即激光发光点。去斑自动控制单元采用激光去斑自动控制系统进行控制。
去斑自动控制单元包括双目摄像头、轨迹规划中心、人机会话界面；双摄像头用于从不同方向采集人脸图像，人机会话界面用于设置去斑参数，轨迹规划中心用于根据人脸图像信息，建立人脸三维形状与颜色信息，选择去斑区域，根据去斑参数，规划激光发生器发射端运行轨迹。
机器人进行坐标转换，将激光发射端运行轨迹转换到机器人笛卡尔空间，结合机器人运动学模型，将笛卡尔空间的轨迹转换为关节空间变量与时间的关系，获得关节空间运动轨迹，据关节空间运动轨迹，结合机器人动力学模型、伺服反馈算法，计算机器人各关节的驱动力矩，驱动机器人各关节运行。
机器人包括机械臂，双目摄像机固定设置在机械臂末端，通过机器人手眼标定，得到摄像机坐标系和机器人机械臂末端之间的坐标变换矩阵。
激光发射端卡接或活动连接或固定连接在机械臂末端，通过激光跟踪仪标定激光发射端出光点和光束轴线在机械臂末端坐标系中的位置。
双目摄像机也能够用深度摄像机替代。
双目摄像机能够从二个角度对人脸上的任意一点进行精确定位，获得患者的位置，调整患者位置，使患者位于双目摄像机、机器人机械臂的运行范围内。
将患者固定到位后，双目摄像机进行人脸扫描，采集人脸图像信息，对双目中的其中一目采集的人脸图像与另一目采集的人脸图像进行视差匹配，结合摄像机参数，进行人脸表面的三维重建，对重建好的三维图像的形状点云进行去噪、滤波、背景去除，得到人脸的三维形状、颜色信息，对人脸上的任意一点进行法向量计算，得到人脸表面任意一点的法向量信息。
将人脸三维形状、颜色进行可视化转换，基于去斑自动控制单元应用程序，从用户界面进行去斑区域、去斑参数的设置，设定激光发光点到皮肤表面的距离，根据颜色深浅，制定激光脉冲发射持续时间、激光光斑尺寸、发光点距离、脉冲频率，发光点距离就是激光发光点与人脸上一点的距离。
基于去斑区域，采用PCA（principal component analysis）主元分析算法，计算去斑区域的三个正交特征向量和特征值，按照特征值的大小顺序，以倒序方式，从特征值最大的特征向量方向开始进行行扫描，一行扫描结束后沿特征值次大的特征向量方向前进一步，再往回走扫描下一行，然后按此方式不断进行扫描。以此“之”字型走行方式设置激光光斑的扫描轨迹，激光光斑的扫描轨迹覆盖整个去斑区域。
对于多个去斑区域的情况，对每个去斑区域采用相同方法，规则各去斑区域的光斑扫描轨迹，得到患者全部的去斑区域及各去斑区域的扫描轨迹。
以激光光斑的大小为采样间隔，对光斑扫描轨迹重新采样，在每个光斑采样点上，采用插值算法计算该点的法向量，沿着法向量偏移一发光点距离，保证激光发光点与人脸表面的距离一致，将各发光点整合，得到激光发光点轨迹。
根据激光脉冲参数，确定相邻激光发光点之间的运动时间，基于运动时间与发光点轨迹，确定机器人机械臂末端的运行轨迹。在各发光点上，设置激光的光束轴线与各光斑采样点的法向量重合。
机械臂末端的运行轨迹是在视觉空间中进行的，根据机器人手眼标定得到的摄像机坐标系和机器人机械臂末端之间的坐标变换矩阵，机器人将机械臂末端的运行轨迹转换到机器人笛卡尔空间的运行轨迹。再通过机器人运动学模型，将机器人笛卡尔空间的运行轨迹再转换为机械臂关节空间变量与时间的关系，得到机械臂各关节空间运行轨迹。
机器人根据关节空间运动轨迹，结合机器人动力学模型、伺服反馈算法，计算机器人各关节的驱动力矩，发出力矩指令，驱动机器人各关节运行，使机械臂末端走出相应轨迹，在每个光斑采样点，按照设计好的频率、持续时间发出激光，实现对人脸上每个去斑区域的扫描式去斑，快速、精确的完成去斑手术，提高去斑效果。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能激光去斑系统，其特征在于：包括机器人、去斑自动控制单元、激光发生器；去斑轨迹规划单元用于采集人脸图像，建立人脸三维形状与颜色信息，规划激光发生器发射端运行轨迹；激光发生器用于产生激光，并通过激光发射端发送；机器人根据激光发射端运行轨迹、运行参数，执行去斑动作。
2.根据权利要求1所述激光去斑系统，其特征在于：去斑自动控制单元包括至少二个摄像头、轨迹规划中心、人机会话界面；各摄像头用于从不同方向采集人脸图像，人机会话界面用于设置去斑参数，轨迹规划中心用于根据人脸图像信息、去斑参数规划激光发生器发射端运行轨迹。
3.根据权利要求2所述激光去斑系统，其特征在于：机器人包括机械臂、双目摄像机；双目摄像机、激光发射端分别固定设置在机械臂末端。
4.根据权利要求3所述激光去斑系统，其特征在于：轨迹规划中心根据双目摄像机位置，标定双目摄像机坐标系与机械臂末端坐标系的变换矩阵，标定激光发射端、激光轴线在机械臂末端坐标系中的位置。
5.根据权利要求3所述激光去斑系统，其特征在于：轨迹规划中心根据双目摄像头拍摄的图像信息，进行视差图匹配，根据相机参数进行人脸三维重建，计算人脸表面各点的法向量，得到人脸三维形状、颜色信息、人脸表面各点的法向量信息。
6.根据权利要求2所述激光去斑系统，其特征在于：轨迹规划中心接收从人机会话界面输入的去斑参数，包括去斑区域、发光点距离、脉冲频率、发射持续时间、光斑尺寸，获得治疗方案。
7.根据权利要求6所述激光去斑系统，其特征在于：轨迹规划中心计算去斑区域的特征向量和特征值，以特征值大小顺序沿特征向量方向生成光斑扫描线。
8.根据权利要求7所述激光去斑系统，其特征在于：基于光斑尺寸、人脸表面各点法向量，在光斑扫描线上采样，结合激光发光点与人脸表面的距离，生成激光发射端运行轨迹。
9.根据权利要求8所述激光去斑系统，其特征在于：将激光发射端运行轨迹转换到机器人笛卡尔空间，结合机器人运动学模型，将笛卡尔空间的轨迹转换为关节空间变量与时间的关系，获得关节空间运动轨迹。
10.根据权利要求9所述激光去斑系统，其特征在于：机器人根据关节空间运动轨迹，结合机器人动力学模型、伺服反馈算法，计算机器人各关节的驱动力矩，驱动机器人各关节运行。
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