一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法

摘要

一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，先使用Kinect传感器获取并传送其视场内的深度数据和彩色数据，然后提取人体面部特征点及骨骼关节点三维坐标，再构建头部及躯干特征向量，计算颈椎活动角度，然后显示颈椎活动角度，最后记录测量数据，本发明可以快速、精确、远距离测量人体颈椎活动度，具有效率高、操作简单、可靠性好的优点。

主权项

一种基于Kinect传感器的颈椎活动度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、使用Kinect传感器获取并传送其视场内的深度数据和彩色数据：1.1)、Kinect传感器通过自身的红外发射器向Kinect视场内发射激光散斑，通过自身的CMOS红外摄像机记录空间中的激光散斑图案，结合原始散斑图案，对视场内的空间深度进行编码，产生Kinect传感器视场空间的深度数据；通过彩色摄像机记录Kinect传感器视场空间的彩色数据；1.2)、通过Kinect Prime Sense芯片组获取深度数据和彩色数据，并通过USB接口将深度数据和彩色数据传送给计算机；2)、提取人体面部特征点及骨骼关节点三维坐标：计算机调用与Kinect传感器相配套的NUI库中的面部识别和骨骼追踪功能，将步骤1)获得到的深度数据和彩色数据进一步处理，提取到被测量者4个面部特征点及4个骨骼关节点的三维坐标，4个面部特征点分别为左眉梢左侧点、右眉梢右侧点、左下颔点、右下颔点，4个骨骼关节点分别为脊柱点、肩部中心点、左肩点、右肩点，三维坐标分别为X、Y、Z三个方向，其中X是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面水平指向Kinect传感器的左端，Y是指以Kinect传感器中心为原点，平行于Kinect传感器的摄像头平面竖直指向Kinect传感器上方，Z是指以Kinect传感器中心为原点，垂直于Kinect传感器的摄像头平面指向Kinect传感器前方；3)、构建头部及躯干特征向量：3.1)、构建头部特征向量：在头部特征向量构建中，使用Kinect传感器在面部识别中所提取的左眉梢左侧点、右眉梢右侧点、左下颔点、右下颔点四个特征点标构成空间向量其中是由左眉梢左侧点指向右眉梢右侧点的空间向量，是由左下颔点与右下颔点的中点m指向左眉梢左侧点与右眉梢右侧点的中点e的空间向量；3.2)、构建躯干特征向量：在躯干特征向量构建中，使用Kinect传感器在骨骼追踪中所提取的脊柱点、肩部中心、左肩点、右肩点四个关节点构成空间向量其中是由左肩点指向右肩点的空间向量，是由脊柱点指向肩部中点的空间向量；4)、计算颈椎活动角度：定义α为与的夹角，则α用来表示颈椎前屈后伸、左右侧屈两个活动度指标，α的计算公式如下：$\alpha ={\cos }^{-1}\frac{\overrightarrow{me}\overrightarrow{sc}}{\left|\overrightarrow{me}\right|\left|\overrightarrow{sc}\right|}$定义β为与的夹角，β用来表示左右旋活动度指标，β的计算公式如下：$\beta ={\cos }^{-1}\frac{\overrightarrow{lre}\overrightarrow{lrs}}{\left|\overrightarrow{lre}\right|\left|\overrightarrow{lrs}\right|}$5)、显示颈椎活动角度：利用步骤2)提取到的4个头部特征点和4个骨骼关节点的三维坐标进行判定，具体过程如下：5.1)、当e点的Z坐标值小于m点的Z坐标值时，α值表示颈椎的前屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；当e点的Z坐标值大于m点的Z坐标值时，α值表示颈椎的后伸数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；5.2)、当e点的X坐标值小于m点的X坐标值时，α值表示颈椎的左侧屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；当e点的X坐标值大于m点的X坐标值时，α值表示颈椎的右侧屈数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；5.3)、当左眉梢左侧点的Z坐标值大于右眉梢右侧点的Z坐标值时，β值表示颈椎的左旋数值，并在电脑屏幕上显示括瞬时值、峰峰值、平均值；当左眉梢左侧点的Z坐标值小于右眉梢右侧点的Z坐标值时，β值表示颈椎的右旋数值，并在电脑屏幕上显示瞬时值、峰峰值、平均值；6)、记录测量数据：用户根据测量需要选择记录上述步骤5)中的显示的各个测量指标的瞬时值、峰峰值、平均值测量数据。