雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度分析

張愛華，劉公才，林冬梅，牛萬才，王敬陽

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院 甘肅省工業(yè)過程先進控制重點試驗室 蘭州理工大學電氣與控制工程國家級試驗教學示范中心，蘭州 730050）

脈搏是反映人體生理、病理情況的重要窗口[1]。脈搏信息檢測及表征方法的研究對于揭示中醫(yī)脈診機理具有重要的意義[2]。中醫(yī)通過觸診判斷疾病，脈診結(jié)果較依賴醫(yī)生的經(jīng)驗技能，影響診斷準確性[3]。因此，實現(xiàn)脈診客觀化具有重要的研究意義[4]。

課題組設(shè)計制作了雙目視覺脈搏圖像采集裝置，基于視覺測量原理獲得脈搏信號。視覺測量方法存在多種誤差[5]，其在水平方向的脈搏位移容易獲得，為分析縱向位移精度，引入激光位移傳感器。通過對同步采集的脈搏幅值對比分析，得到系統(tǒng)的測量誤差，對脈搏信號的量化研究具有重要意義。

1 試驗系統(tǒng)

為了分析雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的精度，需引入可精確測量跳動幅度在毫米級別的人體脈搏信號的試驗設(shè)備。在此選用一臺KEYENCE S065激光位移傳感器。激光發(fā)射器發(fā)出一束平行光，經(jīng)會聚透鏡聚焦在被測物體表面，產(chǎn)生漫反射光線，部分光線通過接收透鏡成像在CCD光敏面上。當被測物體沿著光束的入射方向移動時，物體表面的散射光斑相對于成像物鏡的位置發(fā)生了改變，相應地在光敏器件上的像點位置也發(fā)生了變化。精確地測量像點在CCD光敏面上的位移，可得到被測物體的位移變化量[6]。該激光位移傳感器的測量范圍在55 mm～65 mm時，線性度F.S.為0.05%，在此測量范圍內(nèi)精度可以滿足測量要求，根據(jù)這一指標，設(shè)計探頭的高度為60 mm，在探頭內(nèi)壓增大后激光接收點距離測試點的高度約為63 mm，此時激光位移傳感器可以準確測量人體脈搏信號。為便于數(shù)據(jù)傳輸及光干擾去除，接入了IL-1000多功能放大器，該放大器具備消除干擾光、可選擇性模擬量輸出形式等功能，將采集的信號傳輸?shù)接嬎銠C中進行保存。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

雙目視覺脈搏圖像采集部分由2部Basler acA1300-30gm高速工業(yè)相機，配備Computer M0814-MP定焦鏡頭，以及雙目同步采集模塊構(gòu)成。圖1所示為雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度分析試驗圖。

圖1 雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度分析試驗Fig.1 Accuracy analysis experiment of binocular vision pulse image acquisition system

采用MP425數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出同步信號[7]，觸發(fā)2部相機同步采集圖像，采集的圖像數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)進行高速轉(zhuǎn)存[8]。利用MP425的A/D轉(zhuǎn)換模塊對激光信號進行數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行保存。

激光信號采集部分采用S065激光位移傳感器和IL-1000多功能放大器對脈搏跳動的縱向位移進行精確測量。

1.2 同步觸發(fā)系統(tǒng)

進行試驗的前提是保證雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)與激光位移傳感器采集系統(tǒng)的同步性，即同步采集。雙目相機的同步通過MP425產(chǎn)生同步信號進行觸發(fā)控制。采用LabVIEW設(shè)計了脈搏信號與脈搏圖像同步采集控制系統(tǒng)，使得2個采集系統(tǒng)同步進行數(shù)據(jù)采集。

2 基于圖像的傳感器薄膜探頭上各特征點縱向動態(tài)位移檢測

脈搏波形的獲取是精度分析的前提。激光位移傳感器采集的信號含有工頻干擾、高頻噪聲等，需要進行濾波、平滑處理等得到穩(wěn)定準確的脈搏信號，作為標準數(shù)據(jù)。在立體視覺中，雙目相機采集的初始圖像數(shù)據(jù)無法直接進行二維場景到三維場景的恢復，通常需要提取一些能代表圖像全局特性的特征點，通過立體視覺算法利用這些代表性的點進行三維信息的計算，從而獲得待分析的脈搏波形。基于脈搏圖像的脈搏波提取流程如圖2所示。

圖2 脈搏波提取流程Fig.2 Pulse wave extraction flow chart

在脈搏圖像采集時，相機采樣幀率越高，采集到的脈搏信息越多。因此，在保證左右相機同步采集的情況下提高采集幀率，通過試驗對比，當雙目相機的采樣幀率大于14幀/s時，在長時間進行采集時會出現(xiàn)丟幀的現(xiàn)象，為保證同步穩(wěn)定地采集圖像，將相機采樣幀率設(shè)置為14幀/s。

圖像濾波，選擇模板為7×7的中值濾波器對脈搏圖像進行平滑處理，可以有效的去除皮膚紋理噪聲。

圖像邊緣特征提取，利用亞像素邊緣檢測[9]對去噪后的激光圖像邊緣進行特征檢測后發(fā)現(xiàn)無法獲得完整的圖像邊緣，從而不能獲得唯一準確的激光圖像質(zhì)心。結(jié)合激光圖像邊緣特征引入Canny算子進行圖像邊緣信息的提取。Canny算法主要包含以下幾個部分[10]：對采集的圖像進行平滑濾波，濾波完成后計算去噪之后圖像的梯度幅值、方向以及非極大值抑制，通過設(shè)定出高低閾值來去除虛假的邊緣從而連接真正的圖像邊緣。檢測出激光圖像邊緣并定位重心如圖3所示。

圖3 Canny算子邊緣檢測法重心定位結(jié)果Fig.3 Centering results by Canny operator edge detection method

相機標定，提取到圖像質(zhì)心的平面坐標后，利用張正友標定法對雙目相機進行標定，獲得左右相機的參數(shù)，基于雙目視覺測量原理獲得激光圖像特征點的空間坐標。

獲取脈搏波，對激光點的連續(xù)100幀圖像進行處理，得到橫坐標為脈搏波序列，縱坐標為脈搏幅值的連續(xù)脈搏波形，如圖4所示。

圖4 雙目視覺采集的脈搏波形Fig.4 Pulse waveforms for binocular vision acquisition

3 基于激光的傳感器探頭薄膜上各特征點縱向動態(tài)位移檢測

在試驗過程中，激光位移傳感器容易受到脈搏傳感器探頭內(nèi)壁漫反射光的干擾影響，大大降低激光信號的準確性，將采樣周期設(shè)置為2 ms時，S065接收COMS曝光部分通過設(shè)計的A與B 2種接收模式，在實際存在干擾的情況下，通過接收光波的差值處理，可以自動去除干擾光的影響，在激光位移傳感器采集的信號中，含有肌電干擾、工頻噪聲以及隨機噪聲等高頻干擾。根據(jù)試驗采集的數(shù)據(jù)中噪聲干擾的特點，引入了巴特沃斯低通濾波器。先設(shè)計巴特沃斯低通濾波器，然后通過雙線性變換得到滿足要求的數(shù)字濾波器。對于巴特沃斯濾波器，其設(shè)計指標有｛ωp，ωs，ap，as｝，ωp和 ωs分別是通帶截止頻率和阻帶截止頻率，ap是通帶（0～ωp）的最大衰減系數(shù)，as是阻帶ω＞ωs的最小衰減系數(shù)，ap和as一般用dB表示[11]。在給定技術(shù)指標｛ωp，ωs，ap，as｝后，目標是找到一個H（jω）或H（s）使之近似地符合給定的技術(shù)指標。為了獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)，設(shè)Sk為系統(tǒng)的極點，c為常系數(shù)，N為濾波器的階數(shù)，可以獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

式中：N=8；c=3.75；Sk=｛-0.1951，-0.5556，-0.8315，-0.9808｝，左半平面的極點可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。為數(shù)字化實現(xiàn)巴特沃斯低通濾波器，需將式（1）經(jīng)過雙線性z變換，變成數(shù)字低通濾波器，可表述為

式中：T為激光位移傳感器的采樣周期，T=5 ms。激光位移傳感器的采樣頻率為200 Hz，因此設(shè)定通帶截止頻率250 Hz，此時通帶最大衰減為3 dB；高頻噪聲的頻率分布在400 Hz左右，因此設(shè)定阻帶截止頻率為400 Hz，此時阻帶最小衰減為30 dB；將技術(shù)指標｛ωp，ωs，ap，as｝設(shè)置為｛250 Hz，400 Hz，3 dB，30 dB｝代入仿真計算，得到滿足技術(shù)指標的巴特沃斯低通濾波器。如圖5所示。

圖5 巴特沃斯濾波器的幅頻圖與相頻圖Fig.5 Amplitude-frequency and phase-frequency diagrams of Butterworth filter

根據(jù)巴特沃斯低通濾波器的相頻特性，計算出濾波器延遲時間為0.025 s，激光位移傳感器的采樣頻率為200 Hz，因此進行精度分析時需將原始脈搏信號延遲50個采樣點后進行脈搏幅值的對比，如圖6所示。

圖6 激光位移傳感器信號Fig.6 Laser displacement sensor signal

4 雙目視覺脈搏圖像傳感器精度分析

為更好地對雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)進行精度分析，試驗中圍繞脈搏跳動最顯著的區(qū)域選擇了3×3個點進行研究，如圖7所示。

圖7 雙目視覺脈搏圖像傳感器采集的圖像Fig.7 Laser image acquired by binocular vision pulse image sensor

試驗中每個位置采集1 min試驗數(shù)據(jù)，選擇連續(xù)8 s的數(shù)據(jù)進行幅值分析，記錄激光位移傳感器采集的1個特征點脈搏幅值，如表1所示。對于相同的特征點，雙目視覺獲取的脈搏信息處理后得到的脈搏幅值信息記錄如表2所示。將同時刻在相同采樣點采集的連續(xù)10組脈搏波進行脈搏幅值的對比分析如圖8所示。

在相同時間相同位置將激光位移傳感器得到的數(shù)據(jù)與雙目相機采集得到的數(shù)據(jù)進行脈搏幅值的比較，得到雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的精度如表3所示。

表1 激光位移傳感器測量脈搏幅值Tab.1 Pulse amplitude measured by laser displacement sensor

表2 雙目視覺測量脈搏幅值Tab.2 Pulse amplitude by the binocular vision measures

圖8 脈搏差值的比較Fig.8 Comparison of pulse difference

表3 雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的精度Tab.3 Accuracy of binocular vision pulse image acquisition system

利用式 （3）計算出均方誤差，其均方誤差為0.0013，最大誤差為0.0205。將試驗中的9個采樣點中每個采樣點的連續(xù)10組脈搏波進行幅值對比，

對于連續(xù)的時段脈搏幅值的校準獲得平均誤差為0.0188。獲得每個點的誤差指標，如表4所示。

表4 各點誤差指標Tab.4 Point error indicators

對脈搏跳動明顯的3×3個點，從表4中可以看出平均誤差在0.0189左右，均方誤差在0.0016左右，證明此雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)精度高。由于每組的誤差指標接近，從而選取了其中一組數(shù)據(jù)進行誤差分析。

根據(jù)仿真信號中誤差的特性，誤差大致可以分為3種：①系統(tǒng)誤差，即在相同的試驗條件下，對于相同的值進行多次的試驗仿真后，依然保持不變的誤差，一般而言，系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，采取一定的技術(shù)措施可以消除或者減小系統(tǒng)誤差[12]；②隨機誤差，即在相同的試驗條件下，對于相同的值進行多次的試驗仿真后，產(chǎn)生的誤差具有不確定性；③粗大誤差，粗大誤差的值一般跟其他誤差值相差甚大，對于粗大誤差的處理一般是通過一定的處理法則進行誤差剔除。本文根據(jù)雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的實際誤差情況主要針對系統(tǒng)誤差進行了分析。

對于課題中的系統(tǒng)誤差，可以通過誤差擬合的方法得到誤差曲線。曲線擬合中經(jīng)常用n次多項式Pn（x）來進行擬合，Pn（x）與原函數(shù)的誤差最小的判斷準則主要有3種：最佳一致擬合、最佳平方擬合和最小二乘擬合[13]。在曲線擬合中，最為常用的是最小二乘多項式擬合，其原理如下：

首先，設(shè)定 n 次多項式 Pn（x）為

可以得到誤差為

為了使誤差 Q 最小，在此需要求取a0，a1，…，an，根據(jù)求極值的方法，需要對 a0，a1，…，an求偏導，再使得偏導數(shù)為零，從而得到：

用矩陣的方式表示式（6）所示的方程組為

通過對式（7）的方程組進行求解，就可以得到使 Q 最小的 a0，a1，…，an，代入就可以得到最小二乘法擬合多項式。

在進行試驗過程中，可能由于讀錯或儀器出現(xiàn)錯誤等原因造成異常數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)稱為壞點。將壞點剔除掉后，可以直接采用最小二乘多項式對誤差曲線進行擬合。一般而言，在擬合范圍內(nèi)，擬合的多項式冪級數(shù)越高，擬合效果越好。在此，為了得到更好的擬合雙目視覺脈搏圖像傳感器的誤差曲線，根據(jù)以往的數(shù)據(jù)擬合及文獻查詢總結(jié)經(jīng)驗，將多項式的冪級數(shù)從2階到8階進行試驗擬合，得到的擬合曲線表達式如式（8）所示，各項系數(shù)如表5所示。

表5 不同階數(shù)的各項系數(shù)Tab.5 Coefficients of different orders

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，當階數(shù)為4階時，擬合精度為0.9276，相比較其他值更加接近1，所以采用最小二乘法4階整系數(shù)擬合。擬合得到的表達式為

式中：x為不同脈搏序列；P為誤差值。

利用剩余誤差來評價擬合曲線的效果。剩余誤差定義為原始誤差減去擬合誤差曲線相應點的誤差值。圖9給出了連續(xù)10組試驗數(shù)據(jù)的原始誤差、誤差擬合曲線和剩余誤差。

圖9 擬合誤差分析圖Fig.9 Fitting error analysis

10組試驗數(shù)據(jù)的原始誤差最大值為0.0205，其誤差絕對值的均值為0.0189，而經(jīng)過對比分析后，其剩余誤差的絕對值均不大于0.001。可見，對于試驗數(shù)據(jù)進行誤差處理后，可以獲得誤差的擬合曲線，對雙目視覺的精度有了深入的分析，推進了對雙目視覺的進一步研究。

5 結(jié)語

為了分析雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的測量精度，引入激光位移傳感器，設(shè)計了同步采集控制系統(tǒng)，同步觸發(fā)2個系統(tǒng)對同一探頭的相同位置進行動態(tài)位移檢測；對激光圖像引入Canny算子邊緣檢測，對于激光信號進行了降噪濾波，將2個系統(tǒng)得到的脈搏波形的峰峰值進行了對比分析，得到了雙目視覺脈搏測量系統(tǒng)的精度，將雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)的誤差進行整系數(shù)最小二乘法擬合，根據(jù)不同的階數(shù)擬合精度的不同，得到4階時擬合效果最好。在獲得雙目視覺脈搏圖像采集系統(tǒng)誤差的同時，為后續(xù)人體脈象的進一步深入研究提供了理論依據(jù)。

[1]Murray W B，F(xiàn)oster P A.The peripheral pulse wave：information overlooked[J].Journal of Clinical Monitoring，1996，12 （5）：365-377.

[2]費兆馥，江啟中，孫漢鈞.現(xiàn)代中醫(yī)脈診學[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2003.

[3]蔡軼珩，沈蘭蓀.脈象分析儀的研究進展[J].電子測量與儀器學報，2002，16（4）：55-59.

[4]姜鳳岐，郭山河.利用光纖傳感器的脈象儀研究[J].電子科學學刊，1994，16（6）：655-659.

[5]劉佳音，王忠立，賈云得.一種雙目立體視覺系統(tǒng)的誤差分析方法[J].光學技術(shù)，2013，29（3）：354-357.

[6]李兵，孫彬.激光位移傳感器在自由曲面測量中的應用[J].光學精密工程，2015，23（7）：1940-1946.

[7]楊力銘.時空域脈搏信號檢測方法研究[D].甘肅：蘭州理工大學，2016.

[8]林冬梅，張愛華，沈蓉.雙目視覺脈搏測量系統(tǒng)中的相機同步采集方法[J].吉林大學學報，2015，45（6）：2000-2006.

[9]楊莉蘋.基于雙目視覺脈搏圖像的特征點三維檢測[D].甘肅：蘭州理工大學，2016.

[10]孫智鵬，邵仙鶴，王翥.改進的自適應Canny邊緣檢測算法[J].電測與儀表，2016，56（6）：17-21.

[11]鄭勇，黃慶，李學明.基于巴特沃斯濾波器的主變流器監(jiān)控和保護信號處理[J].機車電傳動，2016，14（5）：45-47.

[12]王偉斌，邱長泉.基于最小二乘曲線擬合的信號調(diào)理電路誤差補償方法[J].計算機測量與控制，2009，17（11）：2286-2291.

[13]康高強，李春茂，秦麗娟.一種鋼軌動態(tài)輪廓數(shù)據(jù)校準方法研究[J].傳感技術(shù)學報，2015，28（2）：222-226.