CN1203809C - 基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现装置与方法。它是由光纤测头，x、y、z方向的直线位移和z轴角度伺服定位装置，载台，照明装置，摄像机，图像采集卡，光谱检测系统和计算机处理系统组成；同时设置有接触压力传感器和温度传感器，和对压力、温度信号的处理及采集装置。方法步骤如下：(1)人体表层或表面纹理特征的图像拾取、匹配和定位；(2)依据图像匹配的结果进行xy平面位移和z轴旋转角度等测量位置的定位；(3)依据测量元件与人体表层或表面纹理所在部位的接触压力进行z方向的定位；(4)在测量元件工作的过程中对人体表层或表面纹理特征采集图像，监测测量部位的运动状态。本发明可用于人体血液参数等人体内成分的无创光谱检测。

Description

基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的 测量条件复现装置与方法

                            技术领域

本发明涉及一种测量装置和方法，特别涉及一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现装置与方法。

                            背景技术

在人体内成分(如：血糖浓度等)的无创的红外光谱检测过程中，由于人体组织结构方面如皮肤的组织与厚度、血管的分布、脂肪的成份与厚度等的差异和外界环境的波动，要求测量条件如测量的部位、接触压力等保持恒定。

在基于红外光谱的检测系统中，即使人体内某待测成分的含量基本恒定，不同人体或同一人体不同部位的光谱测量数据也有可能呈现出较大的差异。因此目前可行的方法是：(1)针对特定个体的特定部位测量出多组红外吸收光谱；(2)用有创的方法测量出每组光谱对应时刻的成分含量；(3)利用以上步骤得到的红外吸收光谱和成分含量的数据建立数学模型；(4)利用该数学模型分析出后续实际测量得到的红外吸收光谱所对应的成分含量。为了保证该数据模型的可重用性及最终测量结果的可靠性，必须对测量部位和条件进行一定的限制，即后续成分含量实际测量的条件与数学模型建立的测量条件保持一致。

为了保持测量条件恒定，目前的实现方法可大致分为两大类：一是采用特定的限位装置，如：手模、指套、限位挡块等，使得被测对象的测量部位基本能够限定在某个区域；二是在测量部位或附近区域作特定的标记，利用图像采集和处理的方法，计算相对位置，并移动测量装置到相应位置。现有技术存在以下问题：

(1)不能自动、有效地识别被测对象是否为同一个体，必须人为干预；

(2)测量位置的复现精度较低，最高只能到像素级；

(3)在测量条件复现时没有考虑测量部位的接触压力；

(4)对测量部位的旋转现象缺乏有效的解决方案；

(5)对测量过程中发生的测量部位移动所造成的测量误差未能进行考虑和解决。

                         发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明建立基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现装置，并提出相应的实现方法。

本发明的方法步骤如下：

(1)在人体测量部位第一次放置时，对人体测量部位的表层或表面纹理进行图像采集，将人体测量部位第一次放置时的图像保存为模板图像，预设一个测量元件与测量部位的接触压力；

(2)人体测量部位重新放置后，首先采集测量部位的表层或表面纹理图像，然后依次应用小波变换及穷尽法、相位相关图像匹配、曲面拟合技术对人体测量部位重新放置后的图像与模板图像进行匹配识别，得到人体测量部位重新放置后的测量部位与模板图像建立时测量部位在x、y轴平面位移和z轴旋转角度的偏移量；应用小波变换及穷尽法进行旋转角度的确定，小波变换减少测量部位纹理图像的数据量，加速旋转角度校正的进程；利用相位相关进行像元精度的位移变化检测，减小图像失真和光照不均匀对图像匹配的影响；利用曲面拟合技术进行亚像元精度的位移变化检测，使得图像匹配的精度达到亚像元级；

(3)依据步骤(2)得到的x、y轴平面位移和z轴旋转角度的偏移量驱动伺服装置使测量元件到达x、y、z轴上的直线位移和角度的位置，然后依据测量元件与测量部位的接触压力与预设接触压力值调整测量元件在z轴方向的位置；

(4)启动测量元件进入工作状态，继续采集测量部位的表层或表面纹理图像，通过图像相减运算得到测量部位的运动状态。

所述的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法，其特征是所述的表面纹理特征是指指纹或掌纹皮肤表面纹路；表层是指皮肤表层附近血管、骨骼及毛孔体现出的纹理特征。

所述的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法，其特征是所述的人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现的方法，包括下列步骤：

根据本发明的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法我们设计了具体的光谱测量装置：如图1所示：它由光纤测头，x、y、z方向的直线位移和z轴角度伺服定位装置，载台，照明装置，摄像机，图像采集卡，光谱检测系统和计算机处理系统组成；测量部位放置在带有孔的载台上，下方安装照明装置，照明装置装置设置有与载台相附的孔，且轴线重合；伺服定位装置由四部分组合而成：x轴直线位移伺服定位装置、y轴直线位移伺服定位装置、z轴直线位移伺服定位装置、z轴角度伺服定位装置，z轴角度伺服定位装置安装在z轴直线位移伺服定位装置上；伺服定位装置中的移动机构由步进电机驱动完成，并由伺服控制器控制，伺服控制器由计算机控制；光纤测头安装在z轴角度伺服定位装置上，并且中心轴与z轴角度伺服定位装置的旋转轴重合；CCD摄像机安装在载台的下方，采用正面直接摄像的方式，用于采集测量部位的图像；当测头与摄像机在同一侧时，将光纤测头安装在z轴角度伺服定位装置的同时，将CCD摄像机安装在z轴直线位移伺服定位装置上；光纤测头的端面上设置有接触压力传感器、温度传感器，接触压力传感器是在光纤测头的顶端固定一环状的气路托架，在托架与光纤测头之间的环形区域内安装具有弹性管，管内部充满空气，并与压力传感器相连，构成一个封闭的气路，依据测头与测量部位的接触压力实现测头在垂直方向z轴的重复定位，温度传感器为薄膜式热敏电阻，粘贴在光纤测头的测量面；图像采集卡在计算机内并接收CCD摄像机的信号，计算机同时对伺服定位装置进行控制，光纤测头的光纤引入到光谱检测系统中。

所述的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法的光谱测量装置，其特征是所述的照明装置为环状发光二极管阵列边缘照明的方式，固定结构材料为有机玻璃，在圆孔的圆周上均匀排布24个凹槽，每一凹槽可嵌入一个发光二极管LED，凹槽的底面为一斜面，靠近中心处较高，保证LED向斜上方照射，中心孔侧面的有机玻璃打磨粗糙，使得LED漫反射照射测量部位。

所述的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法的光谱测量装置，其特征是所述的弹性管为硅胶管。

利用本发明装置完成本发明的的工作包括下列步骤：

(1)建立模板模型，其步骤如图2所示：驱动CCD摄像机到初始位置，采集人体表层或表面的纹理信息，将图像保存到模板图像库，驱动光纤测头到图像中心，驱动光纤测头与测量部位接触，并保持设定的接触压力，测量接触部位的温度；

(2)在步骤(1)的条件下进行光谱测量，并依据光谱数据创建该测量部位特定的光谱测量数学模型；

(3)人体测量部位重新放置后，首先驱动CCD摄像机到初始位置，采集人体测量部位的表层或表面纹理图像，然后判断模板图像是否存在，如果不存在显示错误信息并结束，否则选择相应的模板图像，然后通过图像处理的方法对人体测量部位重新放置后的图像与模板图像进行匹配识别，得到人体测量部位重新放置后的测量部位与模板图像建立时测量部位在x、y轴平面位移和z轴旋转角度的偏移量及最大相关峰的幅值，如果最大相关峰的幅值超过限定值，提示模板图像选择错误并结束，否则继续判断x、y轴平面位移的偏移量是否超出驱动机构的位移量，如果超限，提示超限信息后结束，否则驱动伺服装置使光纤测头到达相应位置，然后依据光纤测头与测量部位的接触压力与预设接触压力值调整测量元件在z轴方向的位置，并测量接触部位的温度，如图3所示；

(4)利用光纤测头和光谱检测系统进行光谱检测，测量出当时测量接触部位的温度，与测量得到的光谱数据与步骤(2)建立的光谱测量数学模型进行数据分析；

(5)在光谱检测的过程中继续采集测量部位的表层或表面纹理图像，通过图像相减运算得到测量部位的运动状态，如果在测量过程中发现测量部位发生移动，终止光谱检测，装置重新进入测量条件复现流程。

本发明具有以下优点：

(1)依据人体表层或表面的纹理特征实现测头在xy平面位移和旋转角度的重复定位；

(2)人体表层或表面纹理特征可以是皮肤表面纹路如指纹和掌纹，也可以是皮肤表层附近血管、骨骼及毛孔等体现出的纹理特征，在一定条件下是固定不变的；

(3)依据光纤测头与测量部位的接触压力实现测头在垂直方向z轴的重复定位；

(4)采集测量部位的温度信息，并将其引入到红外光谱分析过程中；

(5)在红外光谱的采集过程中监测人体测量部位的运动状态，保证光谱测量的正确性；

(6)利用小波变换减少测量部位纹理图像的数据量，加速旋转角度校正的进程；

(7)利用相位相关技术实现图像匹配，减小图像失真和光照不均匀对图像匹配的影响；

(8)利用曲面拟合技术使得图像匹配的精度达到亚像元级；

(9)采用环状边缘照明和正面直接摄像的方式简化纹理图像的采集；

(10)利用伺服系统实现光纤测头的自动定位。

                           附图说明

图1：测量条件复现系统框图；

图2：初始测量条件确定流程；

图3：测量条件复现处理流程；

图4：基于掌纹识别的图像定位系统结构简图；

图5：基于指纹识别的图像定位系统结构简图；

图6a：环状边缘照明装置结构主视图；

图6b：环状边缘照明装置结构侧视图；

图7：两幅图像位置偏移示意图；

图8：图像匹配处理流程；

图9：模板掌纹图像；

图10：人体测量部位重新放置后的采集掌纹图像；

图11：将人体测量部位重新放置后的采集图像旋转校正处理后与模板图像的相位相关结果；

图12：将人体测量部位重新放置后的采集图像经旋转与平移校正后与模板图像的叠合结果；

图13a：光纤测头与测量部位接触压力的检测示意图；

图13b：光纤测头与测量部位接触压力的检测俯视图；

图14：光纤测头与测量部位接触温度的检测示意图；

图15：运动状态判别处理流程；

图16：采用测量条件复现系统前后光谱测量结果CV值比较；

图16-(1)测试对象1；

图16-(2)测试对象2；

图16-(3)测试对象3。

                       具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的论述。

1、测量条件复现系统的结构

带有孔的载台的下方安装照明装置，该装置设置有与载台相附的孔，且轴线重合；伺服定位装置由四部分组合而成：x轴直线位移伺服定位装置、y轴直线位移伺服定位装置、z轴直线位移伺服定位装置、z轴角度伺服定位装置；z轴角度伺服定位装置安装在z轴直线位移伺服定位装置上；光纤测头安装在z轴角度伺服定位装置上，并且中心轴与z轴角度伺服定位装置的旋转轴重合；伺服定位装置中的移动机构由步进电机驱动完成，并由伺服控制器控制，伺服控制器由计算机控制。

在人体表层或表面的纹理特征中，指纹和掌纹的纹理特征比较明显，而且所处的部位便于进行无创的红外光谱检测。依据手指和手掌上测量部位的特点，测量条件复现系统的结构也有所区别。

如图4所示：在基于掌纹识别的图像定位系统中，光纤测头8和CCD摄像机1同处被测部位2如手掌内侧，即图像匹配的信息为掌心区域的纹理，红外光谱的测量位置为手的掌心。载台3被x轴直线位移伺服定位装置4、y轴直线位移伺服定位装置5驱动，x轴直线位移伺服定位装置固定在底板上7，y轴直线位移伺服定位装置与x轴正交固定在x轴直线位移伺服定位装置上，载台固定在y轴直线位移伺服定位装置上。驱动光纤测头8的伺服定位装置由两部分逐级组合而成：即z轴直线位移伺服定位装置6、z轴角度伺服定位装置9。z轴直线位移伺服定位装置通过垂直连接件固定在底板上7，z轴角度伺服定位装置安装在z轴直线位移伺服定位装置上。光纤测头安装在z轴角度伺服定位装置上，并且中心轴与z轴角度伺服定位装置的旋转轴重合。伺服定位装置中的移动机构由步进电机驱动完成，并由伺服控制器控制，伺服控制器由计算机控制。

如图5所示：在基于指纹识别的图像定位系统中，光纤测头8和CCD摄像机1分处被测部位2如手指的两侧，即图像匹配的信息为指纹，红外光谱的测量位置为手指的背面如指甲部位，载台3固定不动。驱动光纤测头的伺服定位装置由四部分逐级组合而成：x轴直线位移伺服定位装置4、y轴直线位移伺服定位装置5、z轴直线位移伺服定位装置6、z轴角度伺服定位装置9。x轴直线位移伺服定位装置与底板7相连，y轴直线位移伺服定位装置与x轴正交固定在x轴直线位移伺服定位装置上，z轴直线位移伺服定位装置通过垂直连接件安装在y轴直线位移伺服定位装置上，z轴角度伺服定位装置安装在z轴直线位移伺服定位装置上。光纤测头8安装在z轴角度伺服定位装置9上，并且中心轴与z轴角度伺服定位装置的旋转轴重合。伺服定位装置中的移动机构由步进电机驱动完成，并由伺服控制器控制，伺服控制器由计算机控制。

在以上两种应用的图像定位系统中，手掌和手指放置在一个载台上，正面朝下，载台上有一通孔10，以便于掌纹或指纹图像的采集。在载台的下方安装了一个环状边缘照明装置11，该装置同样开有一通孔，大小与载台的孔相同，轴线重合。

2、照明的实现

测量部位的照明采用环状边缘照明的方式实现。为了便于掌纹和指纹的图像采集，在手掌和手指的下方有一圆孔10，如图4和图5所示。在手掌和手指承载面的下方固定一个发光二极管LED光源的固定结构，如图6a和图6b所示。该固定结构的材料为有机玻璃，在圆孔10的圆周上均匀排布24个凹槽12，每一凹槽可嵌入一个发光二极管(LED)，凹槽12的底面为一斜面，靠近中心处较高，保证LED向斜上方照射。中心孔侧面的有机玻璃打磨粗糙，使得LED漫反射照射测量部位。

3、图像采集的实现

为了避免因斜成像引起的图像畸变和随之产生的定位误差，CCD摄像机1安装在圆孔中心轴的正下方，如图4和图5所示。

在指纹定位系统中，由于光纤测头在指甲的上方，与CCD摄像机的位置不相冲突，因此CCD摄像机固定安装在指纹正下方的底板上。

在掌纹定位系统中，要求光纤测头在测试状态下应位于手掌的正下方，这与掌纹的正面成像相冲突。为了解决这一矛盾，在将光纤测头安装在z轴角度伺服定位装置的同时，将CCD摄像机安装在z轴直线位移伺服定位装置上。由于伺服定位装置是逐级组合而成，z轴直线位移伺服定位装置可在x轴直线位移伺服定位装置和y轴直线位移伺服定位装置的驱动下平移到不同的位置，即在图像采集阶段将CCD摄像机移动到载台圆孔的正下方，在光谱测量的阶段将光纤测头移动到载台圆孔的正下方。

CCD摄像机输出标准视频信号，输入到计算机系统中的图像采集卡。

4、图像处理流程与算法

在进行光纤测头重复定位之前，需要确定人体测量部位重新放置后的采集图像与模板图像的偏移量。图7为两幅图像偏移量的示意图，图中两个坐标轴的原点分别为两幅图像的中心，可看出两幅图像存在x、y轴的平面位移偏移量和旋转偏移量。图像采集卡采集掌纹和指纹图像后，需要进入图像处理流程，确定两幅图像的位置偏移量，然后以该位置偏移量驱动伺服定位系统，使得光纤测头到相应的位置。图像处理流程分为三个阶段：(1)应用小波变换及穷尽法进行旋转角度的确定；(2)利用相位相关进行像元精度的位移变化检测；(3)利用二次曲面拟合进行亚像元精度的位移变化检测。

图8为图像处理流程图，下面详细描述：

4.1应用小波变换及穷尽法进行旋转角度的确定

在多次测量条件下，人体测量部位难以保证位置的完全一致，其中包括旋转角度和平面位移。由于进行基于相位相关的图像匹配对旋转的角度比较敏感，因此在确定xy平面位移之前需要确定人体测量部位重新放置后的采集图像与模板图像的旋转角度。

为了使得图像定位系统具有较高的精度，采集图像的分辨率为768×582。在手掌和手指的载台上有简单的限位装置，手掌和手指的位移偏移量在一个较小的范围内，使得截取中央分辨率为256×256的图像进行图像匹配就可满足定位的要求。然而，基于相位相关的图像匹配需要进行傅立叶变换，运算量很大，而且穷尽法需要进行多次相位相关运算。图像分辨率即使为256×256，数据量仍很大，直接对该分辨率的图像进行穷尽法的相位相关需要很长的时间。为了减少相位相关图像匹配运算的数据量，在进行穷尽法的旋转角度确定之前对人体测量部位重新放置后的采集图像和模板图像进行小波变换，将图像的分辨率降低到32×32，大大地降低了该图像处理阶段的时间。图像的小波多尺度表示一种金字塔式的结构，这对于进行由粗到细的快速图像匹配是非常有利的。由小波变换的理论，图像经小波变换之后，在尺度空间基本保持图像整体特征，即低频部分，且经抽采后尺度空间部分相对原图数据量明显减少。

采用穷尽法确定两幅图像的旋转角度偏移量的具体步骤如下：(1)假设人体测量部位重新放置后的采集图像相对于模板图像旋转变化的角度A范围为[Amin，Amax]，根据旋转角度测量精度的要求，确定角度穷尽的步长ΔA；(2)将人体测量部位重新放置后的采集图像旋转Amin，求其傅立叶变换，并与模板图像进行相位相关，求得对应的相关峰信噪比，并保存到一个列表中；(3)将人体测量部位重新放置后的采集图像旋转Amin+ΔA，求其傅立叶变换，并与模板图像进行相位相关，求得对应的相关峰信噪比，保存在上面所述的列表中；(4)以步长为ΔA逐渐增加人体测量部位重新放置后的采集图像的旋转角度，直至旋转角度达到Amax，在每一步求其傅立叶变换，并与模板图像进行相位相关，求得对应的相关峰信噪比，同样保存在上面所述的列表中；(5)对列表进行遍历，比较每一旋转角度对应的相关峰信噪比，相关峰信噪比最大值对应的旋转角度为两幅图像的角度偏移量。

4.2利用相位相关进行像元精度的位移变化检测

利用4.1所述的小波变换和穷尽法确定人体测量部位重新放置后的采集图像和模板图像的旋转角度之后，需要再次利用相位相关处理进行图像匹配，确定两幅图像的x、y轴的平面位移偏移量。相位相关是图像一种受几何失真小的匹配算法。因为几何失真对图像的高频分量影响大，而对低频分量影响小，在本装置中采用具有低通滤波器特性、以傅立叶频谱为基础的相位相关算法，可以大大减小几何失真对匹配性能的影响。

下式为相位相关运算的基本公式。

$\frac{F_1(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\·{F_2}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{|F_1(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\·{F_2}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})|}=e^{j2\mathrm{\π}(\mathrm{\ξ}{x}_0+\mathrm{\η}{y}_0)}---\left(1\right)$

其中，F₁和F₂分别为两幅图像(人体测量部位重新放置后的采集图像和模板图像)的傅立叶变换的结果。由(1)式及傅立叶变换的理论可知，该相位谱包含了两幅图像的位置平移信息，而且它是一个频谱幅度在全频域内为1的功率谱。对(1)式进行逆傅立叶变换可知，相位相关函数是一个位于两图位置偏移(x0，y0)处的δ脉冲函数，也称之为相关峰。当两幅图像完全相似时，其值为1，反之为0。因此，在本装置中利用两幅图像的相位相关运算结果确定图像的位移偏移量。

在本装置中，利用相位相关进行图像匹配，从而确定位移偏移量时具有以下特点：(1)较大的位移检测范围。当两幅图像仅存在位移变化时，能够检出xy平面最大的位移偏移量达到图像宽度的一半。(2)尖锐的相关峰。当两幅图像完全相关时，计算得到的δ脉冲函数有非常尖锐的相关峰，可实现两幅图像中心点位置的精确匹配。(3)对图像灰度依赖小。当两幅图像之间存在灰度差时，计算得到的δ脉冲函数的位置不发生变化，只是幅度上有所区别，因此具有很强的抗图像遮挡的能力。(4)两幅图像之间的旋转偏移量对图像匹配的结果影响较大。当两幅图像存在一个旋转角度偏移量时，其傅立叶变换的频谱也随之旋转。当旋转角度偏移量大于5°时，即使两幅图像完全相同，其相关峰值衰减为零，即不能依据相关峰来确定两幅图像在x、y轴的平面位移偏移量。因此在上一步骤通过判断相关峰的大小确定旋转角度，并对图像旋转该角度后进行相位相关，最终得到两幅图像的位置偏移量。

通过上述图像处理过程，可以确定人体测量部位重新放置后的采集图像和模板图像的位置偏移量，该偏移量的最小单位为1个像素。为了进一步精确确定位置偏移量，提高系统的定位精度，采用下述所述的基于二次曲面拟合的亚像元匹配算法。

4.3利用二次曲面拟合进行亚像元精度的位移变化检测

在本系统中，采用曲面拟合方法，该方法具有快速、容易计算的优点，精度能达到亚像元。曲面拟合法的思想是：以像元级上的最佳匹配点为中心，按相似性度量进行曲面拟合，然后通过相应的数学方法计算得到极值点的精确位置。本装置采用相位相关的相关系数作为相似性度量特征，选择二次曲面作为拟合函数，在计算中采用多变量最小二乘回归法确定极值点的精确位置。

二次曲面拟合函数采用公式为：

PC(x，y)＝ax²+by²+cxy+dx+ey+f

其中，PC(x，y)为对应于位置(x，y)的相位相关值。上述函数可以写成如下形式：

AX＝B

式中，

$A=\left[\begin{array}{cccccc}{x_0}^2& {y_0}^2& x_0{y}_0& x_0& y_0& 1\\ {x_1}^2& {y_1}^2& x_1{y}_1& x_1& y_1& 1\\ M& M& M& M& M& M\\ {X_8}^2& {X_8}^2& x_8{y}_8& x_8& y_8& 1\end{array}\right]$ $X=\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\\ e\\ f\end{array}\right]$ $B=\left[\begin{array}{c}P{C}_0\\ P{C}_1\\ M\\ P{C}_8\end{array}\right]$

本装置在拟合计算中采用多变量最小二乘回归法，使得计算简单、准确。在计算过程中，将向量X作为回归系数，并假设随机变量B的取值依赖于矩阵A中的自变量，回归系数的求取即为拟合函数的系数。在求得拟合函数的系数之后，可以利用下式求得亚像元精度的图像偏移的精确位置。

$x=\frac{2\mathrm{db}-\mathrm{ce}}{c^2-4\mathrm{ab}}$ $y=\frac{2\mathrm{ae}-\mathrm{dc}}{c^2-4\mathrm{ab}}$

图9为模板掌纹图像，图10为人体测量部位重新放置后的采集掌纹图像，两幅图像的分辨率为256×256。可看出两幅图像存在明显的角度和位移偏移。将角度增量设置为0.1度，应用小波变换及穷尽法进行旋转角度检测，得到人体测量部位重新放置后的采集掌纹图像相对于模板掌纹图像的旋转角度为逆时针13.9度。将人体测量部位重新放置后的采集掌纹图像逆时针旋转13.9度后，与模板掌纹图像进行相位相关匹配处理，图11为处理得到相关函数的平面分布图，依据最大相关峰的位置得到两幅图像在水平方向的偏移量为-20像素，垂直方向的偏移量为64像素。将人体测量部位重新放置后的采集掌纹图像图逆时针旋转13.9度，并在水平和垂直方向分别平移-20像素和64像素，然后与模板掌纹图像进行叠加。如图12所示，从叠加图像可看出上述利用相位相关的旋转角度和位移偏移量的检测是正确、有效的。在利用相位相关进行像元精度的位移变化检测的基础上，再利用二次曲面拟合进行亚像元精度的位移变化检测，得到两幅图像在水平方向的偏移量为-20.08像素，垂直方向的偏移量为64.20像素。通过进一步评价，测量条件复现装置的旋转检测精度可达到0.1度，平移检测精度可达到1/50像元。

5、接触参数的测量与光纤测头z向位置的调整

图像处理流程完成之后将得到测量部位在x、y轴的平面位移和z轴旋转角度，然后依靠x、y轴平面位移伺服定位装置驱动光纤测头，使测头轴线与测量部位的中心点重合，并通过z轴角度伺服定位装置将光纤测头旋转一定角度，该角度为图像处理流程得到的旋转角度，最后通过z轴直线位移伺服装置驱动光纤测头，使光纤测头与测量部位相接触。

光纤测头与测量部位接触后，压力传感器将输出接触压力信号，并输入到信号采集卡中，计算机将采集到的接触压力信号与预设值相比较，然后调整光纤测头在z轴的相对位置，使得光纤测头与测量部位的接触压力基本保持在预设压力值附近。接触压力的测量如图13所示。在圆柱形光纤测头的顶端固定一圆环状的气路托架13，在托架与光纤测头8之间的环形区域内安装一根硅胶管14，硅胶管内部充满空气，并与一个硅压力传感器相连，构成一个封闭的气路。依据测头与测量部位的接触压力实现测头在垂直方向z轴的重复定位。当人体的测量部位与光纤测头相接触时，由于测量部位压挤充气的硅胶管，引起封闭气路中的压力发生变化，即可得到人体测量部位与光纤测头的接触压力。

光纤测头与测量部位相接触后，计算机能够通过温度传感器和信号采集卡将两者的接触温度采集，并将其数据作为数学模型建立和红外光谱分析的参数。温度传感器15为薄膜式热敏电阻，粘贴在光纤测头的测量面，如图14所示。光纤测头内安装有两束光纤，一束分布在测头的中心区域，另一束分布在测头的一个圆环区域。在两束光纤之间的中间区域均匀贴有4个温度传感器，在光纤束16的外围区域沿圆周均匀贴有10个温度传感器。信号采集卡将14个检测点的温度一起采集到计算机系统中，并进行平均处理，保证温度测量的准确性。

6、运动状态判别

当光纤测头运动到相应位置，并与测量部位相接触后，红外光路检测系统开始工作。在红外光谱检测的过程中，要求测量部位的相对位置基本保持固定。为了达到这一目的，在驱动光纤测头到计算后的位置并启动光谱测量的同时，CCD摄像机采集光纤测头与测量部位接触区域-载台圆孔位置的图像，并将其作为运动状态判别的模板图像；在光谱测量的过程中，计算机每进行5个波长的光谱测量后，采集同一区域的图像，并与运动状态判别的模板图像进行相减运算，依据运算的结果判断在光谱测量的过程中测量部位是否发生了移动。如果在光谱测量过程中两幅图像相减的结果基本为零，表明测量部位的相对位置未发生变化，继续光谱的测量循环，直至光谱测量结束并显示测量结束提示信息，否则表明检测到测量部位的相对位置发生了变化，中止光谱测量，提示测量数据无效，并要求用户重新进入测量条件复现流程，保证了光谱测量的正确性。图15为运动状态判别处理流程。

7、红外光谱测量分析结果

利用上述测量条件复现方法确定光纤测头的相对位置后，可进入光谱测量。为了比较采用测量条件复现系统前后光谱测量的结果，针对掌心部位进行了一系列测试。测试方案有两种：(1)测量条件复现装置不工作时光谱数据的测量：首先将光纤测头的中心轴与载台圆孔的中心轴调整为重合，然后手动调整光纤测头在垂直方向的位置，使得光纤测头与掌心有一定的接触压力，同时z轴角度伺服定位机构复位到零位，被测对象的手掌在每次光谱测量完成后抬起，重新放置到载台时伺服定位装置不工作，即光纤测头的位置固定不变；手掌重复放置到载台10次，每次获得10组光谱数据。(2)测量条件复现装置工作时光谱数据的测量：在第1组光谱数据测量之前确定并保存测量条件如：模板掌纹图像、接触压力，被测对象的手掌在每次光谱测量完成后仍然抬起，但是在每次重新放置后，在进入光谱数据测量之前，利用测量条件复现装置复现第一组光谱数据测量前保存的测量条件，最后进行光谱数据的测量；同样将手掌重复放置到载台10次，共获得10组光谱数据。

利用以上测试方案，对3名不同的人体进行了光谱数据的测量，统计结果如图16-(1)、图16-(2)、图16-(3)所示。统计图的评价指标为10组光谱数据中每个波长点对应光强的最大波动与光强的比值，缩写为CV。图中虚线表示的是测量条件复现装置不工作时光谱数据的统计结果，图中实线表示的是测量条件复现装置工作时光谱数据的统计结果。

通过比较不同人体的CV值，可得出以下结论：(1)测量部位的位置变化对光谱测量有较大的影响，必须采用相应的措施来限定位置的变化；(2)本发明提出的基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现装置能大大减小测量部位位置改变对光谱测量的影响，提高光谱的测量稳定性和重复性。

Claims (5)

1.一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法，其特征是主要包括以下步骤：

(1)在人体测量部位第一次放置时，对人体测量部位的表层或表面纹理进行图像采集，将人体测量部位第一次放置时的图像保存为模板图像，预设一个测量元件与测量部位的接触压力；

(2)人体测量部位重新放置后，首先采集测量部位的表层或表面纹理图像，然后依次应用小波变换及穷尽法、相位相关图像匹配、曲面拟合技术对人体测量部位重新放置后的图像与模板图像进行匹配识别，得到人体测量部位重新放置后的测量部位与模板图像建立时测量部位在x、y轴平面位移和z轴旋转角度的偏移量；应用小波变换及穷尽法进行旋转角度的确定，小波变换减少测量部位纹理图像的数据量，加速旋转角度校正的进程；利用相位相关进行像元精度的位移变化检测，减小图像失真和光照不均匀对图像匹配的影响；利用曲面拟合技术进行亚像元精度的位移变化检测，使得图像匹配的精度达到亚像元级；

(3)依据步骤(2)得到的x、y轴平面位移和z轴旋转角度的偏移量驱动伺服装置使测量元件到达x、y、z轴上的直线位移和角度的位置，然后依据测量元件与测量部位的接触压力与预设接触压力值调整测量元件在z轴方向的位置；

(4)启动测量元件进入工作状态，继续采集测量部位的表层或表面纹理图像，通过图像相减运算得到测量部位的运动状态。

2.如权利要求1所述的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法，其特征是所述的表面纹理特征是指指纹或掌纹皮肤表面纹路；表层是指皮肤表层附近血管、骨骼及毛孔体现出的纹理特征。

3.一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法的光谱测量装置，它是由光纤测头，x、y、z轴直线位移和z轴角度伺服定位装置，载台，照明装置，CCD摄像机，图像采集卡，光谱检测系统和计算机处理系统组成；测量部位放置在带有孔的载台上，下方安装照明装置，照明装置装置设置有与载台相附的孔，且轴线重合；伺服定位装置由四部分组合而成：x轴直线位移伺服定位装置、y轴直线位移伺服定位装置、z轴直线位移伺服定位装置、z轴角度伺服定位装置，z轴角度伺服定位装置安装在z轴直线位移伺服定位装置上；伺服定位装置中的移动机构由步进电机驱动完成，并由伺服控制器控制，伺服控制器由计算机控制；光纤测头安装在z轴角度伺服定位装置上，并且中心轴与z轴角度伺服定位装置的旋转轴重合；CCD摄像机安装在载台的下方，采用正面直接摄像的方式，用于采集测量部位的图像；当测头与摄像机在同一侧时，将光纤测头安装在z轴角度伺服定位装置的同时，将CCD摄像机安装在z轴直线位移伺服定位装置上；光纤测头的端面上设置有接触压力传感器、温度传感器，接触压力传感器是在光纤测头的顶端固定一环状的气路托架，在托架与光纤测头之间的环形区域内安装具有弹性管，管内部充满空气，并与压力传感器相连，构成一个封闭的气路，依据测头与测量部位的接触压力实现测头在垂直方向z轴的重复定位，温度传感器为薄膜式热敏电阻，粘贴在光纤测头的测量面；图像采集卡在计算机内并接收CCD摄像机的信号，计算机同时对伺服定位装置进行控制，光纤测头的光纤引入到光谱检测系统中。

4.如权利要求3所述的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法的光谱测量装置，其特征是所述的照明装置为环状发光二极管阵列边缘照明的方式，固定结构材料为有机玻璃，在圆孔的圆周上均匀排布24个凹槽，每一凹槽可嵌入一个发光二极管LED，凹槽的底面为一斜面，靠近中心处较高，保证LED向斜上方照射，中心孔侧面的有机玻璃打磨粗糙，使得LED漫反射照射测量部位。

5.如权利要求3所述的一种基于人体表层或表面纹理特征和接触压力的测量条件复现方法的光谱测量装置，其特征是所述的弹性管为硅胶管。

Images