CN1202498C

CN1202498C - 基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法

Info

Publication number: CN1202498C
Application number: CNB021486514A
Authority: CN
Inventors: 高小榕; 高上凯; 杨福生
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: CN1405736A

Abstract

基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法属于三维空间定位技术领域。其特征在于：它是在一个由戴有若干标定点的标定物、与标定物空间位置固定的电极帽、非量测摄影机、图像处理器和计算机构成的系统中，依次通过以下三个步骤来完成电极空间坐标测量的：用图像识别方法(如灰度阈值方法)得出一组图像中的控制点(标定点和待测点)的二维坐标；由若干个标定点已知的图像中的二维坐标及其实际三维坐标用近景摄影测量中的共线方程逆向求解出相机在取景时的参数；由相机参数和图片上测量出的待测点，即电极的特征点的二维坐标计算出待测点的三维坐标。它具有测量精度高、速度快及环境适应性强的优点。

Description

基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法

技术领域

基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法属于三维空间定位技术领域。

背景技术

在检测脑电的过程中，脑电电极的安放是很重要的一个环节。对于不同受试者，由于受试者的头骨形状以及所对应的脑内部解剖位置不同，即使按照国际通行的10-20系统来安放电极，不同人在同一个标称位置上的电极所对应的颅内皮层区域也不相同，由此使得提取出来的脑电信号经常会存在较大的差别。另一方面，同一受试者在测试中，即使电极安放在位置上有较小的偏移，所提取出来的脑电信号也经常有较大的差异。因此，为了充分了解脑电信号，并做出较为准确的分析和解释，就需要了解安放在头皮上的电极所对应的头部的位置，即电极的三维空间坐标信息。得到电极的空间坐标位置信息后再结合头颅内部的解剖信息才有可能对脑电进行较全面的分析。本发明的目的就是高效率地获得电极三维空间位置数据。

已有的用来确定电极空间位置的方法是基于电磁定位系统来实现的。图1所示是荷兰ANT公司所提供的用于测量电极位置的系统。该系统由一个发射器、接收探头和控制器组成。发射器向空中发射电磁波，它的位置处于整个测量系统的坐标原点。接收探头中装有3个互相垂直的线圈。当这三个线圈相对于发射器的位置和方向发生变化时，其中的感应电势也会发生变化。也就是说，根据接收探头中线圈的输出信号就能反推出探头所在的位置。探头的前端做成针尖状。测量时用针尖逐点接触电极的中心位置，就能知道被测量点的空间坐标。

电磁式空间位置测量系统有以下明显的缺陷：(1)运行环境要求高。在被测量的整个环境中不允许有铁磁材料存在。因为铁磁材料的存在会造成发射磁场的畸变，从而影响到测量的精度。(2)测量精度有限，通常平均的位置误差在3～5mm左右。(3)系统比较复杂。(4)当电极的数目比较多时(如128或256个)，逐点测量是相当费时的。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种测量精度高、测量方法对环境适应性强的基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法。

本发明的特征在于：它是一种采用非量测摄影机从不同的角度对戴有电极帽的测试者头部拍摄一组二维照片，再把上述二维照片经图像处理器后形成的多幅图像和拍摄时所用的标定点的坐标一起输入计算机以获得电极特征点的三维坐标的方法，即在一个由带有若干标记点即标定点(已知空间坐标值)的标定物、与标定物之间空间位置固定的作待测物体用的电极帽、非量测摄影机和量测设备组成的系统中，依以下步骤对脑电电极进行空间定位：

第1步：依一定的移动方向、从不同角度用非量测摄影机对戴有电极帽的测试者头部去拍摄一组二维照片；

第2步：把上述照片输入图像处理器，用图像识别方法(如公知的灰度阈值法)得出标定点和待测点的二维坐标；

第3步：由若干标定点利用近景测量方法中共线方程的逆问题方法，求出非量测摄影机拍照时的参数：

其中所述共线方程为：

x - x_{0} = f \frac{a_{1} (X - X_{S}) + b_{1} (Y - Y_{S}) + c_{1} (Z - Z_{S})}{a_{2} (X - X_{S}) + b_{2} (Y - Y_{S}) + c_{2} (Z - Z_{S})}

z - z_{0} = f \frac{a_{3} (X {- X}_{S}) + b_{3} (Y - Y_{S}) + c_{3} (Z - Z_{S})}{a_{2} (X - X_{S}) + b_{2} (Y - Y_{S}) + c_{2} (Z - Z_{S})},

其中设：地面坐标系为D-XYZ，摄影中心S在地面摄影坐标中的坐标是X_s，Y_s，Z_s；相片在该坐标系中的方位由三个角元素、ω、κ确定，像平面坐标系中y方向与焦距方向重合，垂直于x，y平面；成像物理点M(控制点，指上述标定点或待测点)、摄影中心S、成像点m(主点)成直线关系：

在逆问题方法中，M是标定点，它的坐标(x，y)是从相片中测得的，实际坐标(X、Y、Z)已知。把若干个标定点构成方程组后，即可求出摄像机的下述参数：焦距f，相片像主点坐标(x₀，z₀)、角元素、ω、κ的相关参数a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂；

第4步：根据第2步得到的待测点即电极特征点的二维坐标和第3步得到的摄影机参数，利用上述共线方程的正问题方法，即控制点是待测点时，在已知摄影机参数的条件下，利用两张或两张以上的相片相点坐标(x，y)即可求得待测点的三维坐标(X、Y、Z)。

所述的摄影机是专业的量测摄影机时其摄影机参数是已知时待测点的三维坐标是直接从正问题方法中得到的。

所述的摄影机是非专业的量测摄影机时其摄影机参数是未知时标定点和待测点固定连接且在同一相片中，摄像参数从逆问题方法中得到的。

实验证明：它达到了预期目的。

附图说明：

图1：摄影测量坐标系统示意图。

图2：用近景摄影测量方法确定脑电极空间坐标位置的示意图。

图3：本发明提出的方法的处理框图。其步骤如下：

1)用灰度阈值法得出一组图像中控制点即标定点和待测点的二维坐标；

2)由若干标定点已知的图像中二维坐标及其实际三维坐标求得相机在取景时的参数；

3)由相机参数和图片上测量出的待求点即电极特征点二维坐标，计算出待求点三维坐标；

4)给出电极的坐标输出(X、Y、Z)；

图4：三维摄影测量系统校准架的示意图。

具体实施方式：

在图1中，S是摄影中心，坐标是(X_S，Y_S，Z_S)；M是控制点或待测点)，坐标的实际位置是(X、Y、Z)；m是成像主点，坐标是(x、y)在逆问题方法中，它是标定点的像坐标，在正问题方法中，它是相片像点坐标；在求解逆问题时像坐标(x、y)、坐标(X、Y、Z)是已知的，在求解正问题时像坐标(x、y)是已知的，坐标(X、Y、Z)是未已知的。在图中，P是像平面，W是一个垂直于x-z平面又与P平面成K角的。

在图2中，1是标定物，2是标定点，3是待测物即电极，4是待测点，5是非量测设摄影机，标志1～18是摄影机5的不同摄影位置。

图3是计算机执行时用的程序流程框图。

在图4中，3是待测物，其余与图2同。

我们引入的标定控制点系统，即：三维摄影测量系统校准架，如图4所示，包括8个标准的竖直金属架，其中4高，4低，还有4个在水平面上卓为控制点的4个标志点，便于各种大小不同，高低不同的目标物体使用。同时，这种框架控制点系统没有对景物的大的遮挡的问题，使得从各个角度拍摄的照片都有同样的清晰程度，便于取点测量和计算。

在电极帽上的电极末端作为待测电极特征点。

摄像系统为象素点200万的KODAK DC3400数码相机。全方位取景将360度分为5个方位，根据人脑颅石膏像正面面对的方向，分为以下几个方向：正前方，左侧，右侧，左后侧以及右后侧。每个小组由3张照片组成，即平均24度取一张照片。在拍摄过程中要严格保持小于这个角度，因为照片传送到计算机之后，还要进行选择和处理，所以在拍摄时一定要保证一定的冗余度。最终测量的误差小于2毫米，达到脑电电极定位要求，其精度可以进一步提高。

由于系统可以采用一般的数字照相机(200万象素)完成图像采集，拍照时对照相机的位置没有特殊的要求，拍摄照片的数目也十分有限，因此，本方法完全克服了传统电磁式定位系统的弊病，是一种高性能的实用系统。

采用现有技术需要逐个电极测量，当电极数目多时，会耗时很长时间。128导时，将耗时1小时左右。采用我们的摄影测量技术用普通的数字相机几分钟即可完成。这样将极大地提高检测时间和精度。同时测量仪器也较便宜。

Claims

1、基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法，含有近景摄影测量的步骤，其特征在于：它是一种采用非量测摄影机从不同的角度对戴有电极帽的测试者头部拍摄一组二维照片，再把上述二维照片经图像处理器后形成的多幅图像和拍摄时所用的标定点的坐标一起输入计算机以获得电极特征点的三维坐标的方法，在一个由带有若干标记点即已知空间坐标值的标定物、与标定物之间空间位置固定的作待测物体用的电极帽、非量测摄影机和量测设备组成的系统中，依以下步骤对脑电电极进行空间定位：

第2步：把上述照片输入图像处理器，用图像识别方法得出标定点和待测点的二维坐标；

其中所述共线方程为；

x - x_{0} = f \frac{a_{1} (X - X_{S}) + b_{1} (Y - Y_{S}) + c_{1} (Z - Z_{S})}{a_{2} (X - X_{S}) + b_{2} (Y - Y_{S}) + c_{2} (Z - Z_{S})}

z - z_{0} = f \frac{a_{3} (X - X_{S}) + b_{3} (Y - Y_{S}) + c_{3} (Z - Z_{S})}{a_{2} (X - X_{S}) + b_{2} (Y - Y_{S}) + c_{2} (Z - Z_{S})},

其中设：地面坐标系为D-XYZ，摄影中心S在地面摄影坐标中的坐标是X_s，Y_s，Z_s；相片在该坐标系中的方位由三个角元素、ω、κ确定，像平面坐标系中y方向与焦距方向重合，垂直于x，y平面；成像物理点M为控制点，即上述标定点或待测点、摄影中心S、成像点m，即主点，成直线关系：

2、根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法，其特征在于：所述的摄影机是专业的量测摄影机且其摄影机参数是已知时，待测点的三维坐标是直接从正问题方法中得到的。

3、根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的脑电电极空间定位方法，其特征在于：所述的摄影机是非专业的量测摄影机且其摄影机参数未知时，标定点和待测点固定连接且在同一相片中，摄像参数是从逆问题方法中得到的。