史勇民，樓順天，安盼盼

（1.中電?？导瘓F(tuán)有限公司，浙江 杭州 311100；2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

引言

傳感器的記憶追蹤在實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用價值，尤其是在中醫(yī)診斷中具有重要的應(yīng)用價值。中醫(yī)診斷理論已經(jīng)越來越得到人們的認(rèn)可，在緩解病人痛苦、疾病預(yù)防與治愈等方面具有獨(dú)特的作用[1-2]。傳統(tǒng)的望聞問切與現(xiàn)代電子測量的結(jié)合，通過檢測穴位異常表現(xiàn)，可以提高患者寒熱虛實(shí)癥狀的診斷率，使中醫(yī)診斷治療發(fā)揮更大的作用。由西安電子科技大學(xué)專門研制的穴位檢測傳感器，可以一次性獲得患者128個經(jīng)絡(luò)穴位的異常表現(xiàn)測量結(jié)果，在穴位傳感器移走后，如何指示出實(shí)際的測量位置，對干預(yù)治療的效果具有至關(guān)重要的作用。

對傳感器的記憶追蹤的研究鮮有報(bào)道，相關(guān)的研究主要表現(xiàn)在遮擋目標(biāo)的跟蹤算法，用于解決目標(biāo)短時或長時被遮擋時的跟蹤問題。Comaniciu D.等專家提出了一種Mean-shift（均值漂移）算法[3-4]，利用區(qū)域加權(quán)的方法解決了目標(biāo)遮擋時的跟蹤問題；Maggio E.、Wang F.等專家提出了基于子塊匹配的目標(biāo)跟蹤算法[5-7]，通過將目標(biāo)區(qū)域分成若干子塊，分別進(jìn)行獨(dú)立跟蹤，這樣就可以對未全部遮擋的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；對于目標(biāo)完全遮擋的目標(biāo)，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行軌跡預(yù)測[8-9]，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤；但對非線性、非高斯的動態(tài)系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤問題，卡爾曼濾波已經(jīng)不再適用，Gordon N.J.、Doucet A.和Isard M.研究了貝葉斯理論下的粒子濾波跟蹤算法[10-12]，解決了目標(biāo)部分遮擋、短時間全部遮擋以及相似物干擾情況下目標(biāo)的跟蹤問題。雖然研究工作可以解決因攝像頭視角不佳所導(dǎo)致的短時間目標(biāo)遮擋問題，但針對已經(jīng)完全消失目標(biāo)的追蹤問題，這些算法幾乎無能為力。

密歇根大學(xué)Olson E.教授及其團(tuán)隊(duì)在2011年提出了一種標(biāo)記識別算法[13]，將AprilTag（一個類似于二維碼的視覺基準(zhǔn)庫標(biāo)簽）粘貼于目標(biāo)物體上，基于視覺系統(tǒng)通過標(biāo)記識別算法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤；2016年對AprilTag標(biāo)準(zhǔn)庫及其識別算法進(jìn)行了改進(jìn)[14]。Tang D.等專家研究了基于AprilTag的多傳感器外部校準(zhǔn)的方法[15]；何浩楠等探討了AprilTag在小車定位追蹤中的應(yīng)用[16]，能夠?qū)崿F(xiàn)自動泊車和行駛追蹤的功能；焦傳佳等專家將AprilTag應(yīng)用于移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)[17]，使實(shí)時定位誤差控制在1 cm～2 cm。這些成功應(yīng)用示例說明基于視覺的AprilTag檢測算法可望在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在穴位傳感器測量患者的經(jīng)絡(luò)穴位時，穴位傳感器與患者之間就形成了一種固定的相對位置關(guān)系，這種固定關(guān)系為傳感器位置的記憶追蹤提供了基礎(chǔ)。由于每次傳感器測量時，并沒有一個固定的測量位置，必須在測量過程中才能形成傳感器與被測對象之間相對固定的關(guān)系，因此，精確測定它們之間的位置關(guān)系是記憶追蹤的關(guān)鍵。論文采用2個不同的AprilTag分別粘貼于穴位傳感器和患者身體上，在測量過程中，穴位傳感器與患者之間形成了固定的位置關(guān)系，這時通過視覺系統(tǒng)檢測出這2個AprilTag，并計(jì)算出它們之間的位置關(guān)系；在穴位傳感器移走后就可以利用患者身體上的AprilTag追蹤到穴位傳感器的測量位置，實(shí)現(xiàn)穴位位置的精確指示。

1 AprilTag標(biāo)簽檢測算法

AprilTag是一種特定的二維碼[13-14]，根據(jù)其組成維度和漢明距離可以分成3類：Tag36h11、Tag25h9和Tag16h5，分別表示由6×6、5×5和4×4像素構(gòu)成的二維碼標(biāo)簽。Tag36h11標(biāo)簽示例如圖1所示。

圖1 Tag36h11標(biāo)簽示例Fig.1 Schematic diagram of Tag36h11 label

采用AprilTag標(biāo)簽檢測算法對攝像頭獲取的圖片進(jìn)行處理，可以檢測出AprilTag標(biāo)簽。

1）計(jì)算每個有效像素梯度的強(qiáng)度和方向，通過聚類方法檢測出線段；

2）按逆時針方向檢測線段，在給定的閾值范圍內(nèi)，根據(jù)一條邊的末端點(diǎn)檢測閉環(huán)圖形的下一條邊，當(dāng)再次檢測到第一條邊時，就構(gòu)成了封閉的圖形，包含該圖形的四邊形就是候選的二維碼標(biāo)簽圖像；

3）將四邊形的4個頂點(diǎn)（x(k),y(k),k=1,2,3,4）映射到基準(zhǔn)四邊形的4個頂點(diǎn)（x0(k),y0(k),k=1,2,3,4 ，即 (?1,1),(1,1),(1,?1),(?1,?1)），可以得到單應(yīng)性矩陣H：

4）四邊形圖像通過單應(yīng)性矩陣H映射到圖像平面，得到一組編碼字串；

5）如果在Tag36h11庫中搜索到該編碼字串，就表示該四邊形包含一個有效的AprilTag標(biāo)簽。

在檢測Tag36h11標(biāo)簽的同時，還可以估計(jì)出標(biāo)簽與攝像頭之間的距離。

2 傳感器位置記憶追蹤算法

通過在穴位傳感器和患者身體上粘貼AprilTag，記作為TagA和TagB，在測量經(jīng)絡(luò)穴位時，利用攝像頭獲取同時包括TagA和TagB的圖片，確定這2個Tag之間的關(guān)系；當(dāng)傳感器移走后，可以通過TagB的位置追蹤出傳感器的測量位置。

2.1 AprilTag之間的位置關(guān)系

通過AprilTag標(biāo)簽檢測算法對攝像頭獲取的圖片進(jìn)行處理，可以獲取2個AprilTag中心點(diǎn)的3D位置信息（ TagA:(xA,yA,dA),TagB:(xB,yB,dB)），如圖2所示，xoy為視覺坐標(biāo)系。

圖2 AprilTag之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between two AprilTag

設(shè)TagB的頂點(diǎn)A和B的平面位置分別為TagA的頂點(diǎn)E和F的平面位置分別為則TagA和TagB的傾角γ、α為

用TagB的頂點(diǎn)A與TagA的中心點(diǎn)來表示這2個AprilTag之間的位置關(guān)系：

式中： β、θ 參見圖2所示；R表示TagA中心點(diǎn)與TagB的頂點(diǎn)A之間的距離。

2.2 傳感器位置記憶追蹤原理

圖3給出了由TagB（k）追蹤TagA（k）的示意圖，灰色的TagA和TagA（k）分別表示原穴位傳感器所在的位置，由于在穴位傳感器移走后TagB（k）位置發(fā)生了些許變化，使要求追蹤的傳感器的位置也發(fā)生了相應(yīng)的變化。當(dāng)穴位傳感器移走后，通過攝像頭圖片只能檢測出TagB的位置TagB(k):(xB(k),yB(k),dB(k))，其頂點(diǎn)A和B的平面位置分別為通過這2個點(diǎn)可以計(jì)算出當(dāng)前視頻幀中TagB（k）的傾角 α(k)：

圖3 由TagB（k）追蹤TagA（k）的示意圖Fig.3 Schematic diagram of TagA(k) tracked by TagB(k)

由于TagA與TagB的位置保持不變，則 β(k)為

由于當(dāng)前視頻幀中TagB（k）與攝像頭的距離dB(k)≠dB，也會導(dǎo)致2個AprilTag標(biāo)簽之間的距離發(fā)生變化：

由此可以計(jì)算出標(biāo)簽TagA（k）中心點(diǎn)的位置為

標(biāo)簽TagA（k）的傾角 γ (k)計(jì)算公式為

這樣，通過當(dāng)前視頻幀中TagB（k）的位置信息，就可以追蹤出TagA（k）所處的位置，實(shí)現(xiàn)了穴位傳感器（TagA）位置的追蹤。

2.3 傳感器位置記憶追蹤算法

在實(shí)際操作過程中，在開始穴位測量操作時，主控系統(tǒng)會給穴位傳感器位置追蹤系統(tǒng)發(fā)出測量命令；在測量結(jié)束后，穴位傳感器移出視覺場景，這時主控系統(tǒng)發(fā)出跟蹤命令。

在穴位傳感器位置追蹤系統(tǒng)中，當(dāng)接收到主控系統(tǒng)的測量命令時，系統(tǒng)通過攝像頭獲取圖像，并采用AprilTag標(biāo)簽檢測算法檢測出TagA和TagB，標(biāo)簽類型為Tag36h11，計(jì)算TagA和TagB之間的位置關(guān)系；當(dāng)接收到主控系統(tǒng)的追蹤命令時，系統(tǒng)通過攝像頭獲取圖像，只能檢測到TagB標(biāo)簽，通過穴位傳感器位置追蹤算法計(jì)算出TagA（穴位傳感器）位置和傾角。傳感器位置記憶追蹤算法的流程框圖如圖4所示。

圖4 傳感器位置記憶追蹤算法流程圖Fig.4 Flow chart of memory tracking method of sensor location

在測量命令的作用下，采用AprilTag標(biāo)簽檢測算法檢測出圖像中的2個AprilTag標(biāo)簽，并根據(jù)編碼值識別出TagA和TagB；當(dāng)檢測到的2個標(biāo)簽具有穩(wěn)定的位置關(guān)系時，表示測量過程正常完成，可以作為后續(xù)追蹤命令的依據(jù)；在接收到主控系統(tǒng)的追蹤命令時，系統(tǒng)通過AprilTag標(biāo)簽檢測算法只能檢測出圖像中的一個AprilTag標(biāo)簽（TagB），根據(jù)測量過程中得到的2個標(biāo)簽之間的位置關(guān)系，可以追蹤到TagA的位置和傾角，實(shí)現(xiàn)穴位傳感器（TagA）位置記憶追蹤的目的。

3 算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證論文的傳感器位置記憶追蹤算法的有效性，在與攝像頭平行的鄰近位置上放置高清晰度投影機(jī)，主控系統(tǒng)發(fā)出測量命令后的3 s 內(nèi)，投影出具有固定位置關(guān)系的TagA和TagB；然后主控系統(tǒng)發(fā)出追蹤命令，之后投影機(jī)只投影出TagB，并緩慢改變TagB的位置，本系統(tǒng)通過穴位傳感器位置記憶追蹤算法由TagB追蹤到TagA的位置。

在跟蹤階段，主控系統(tǒng)控制投影機(jī)投射出僅改變位置的TagB（角度不變），探索TagB位置變化對傳感器位置記憶追蹤的影響。2個Tag之間的位置關(guān)系和TagA位置記憶追蹤誤差如圖5所示，攝像頭距離投影平面2 m，TagB按照圓形軌跡移動。從圖5中可以看出，在傳感器（TagA）移除后，被測對象的平移動作會影響TagA位置的追蹤精度，追蹤位置的均方誤差為（0.360 mm，0.364 mm），可以滿足實(shí)際要求。

圖5 Tag位置關(guān)系與TagA位置記憶追蹤誤差曲線Fig.5 Tag position relationships and error curves of TagA memory tracking of location

在跟蹤階段，主控系統(tǒng)控制投影機(jī)投射出僅改變角度的TagB（位置不變），探索TagB角度變化對傳感器位置記憶追蹤的影響。2個Tag之間的位置關(guān)系和TagA位置追蹤誤差如圖6所示，TagB繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，位置固定不變。從圖6中可以看出，在傳感器（TagA）移除后，被測對象的轉(zhuǎn)動動作也會影響TagA位置的追蹤精度，追蹤位置的均方誤差為（0.745 mm，0.737 mm），追蹤精度在1 mm以內(nèi)。

圖6 Tag位置關(guān)系與TagA位置記憶追蹤誤差曲線Fig.6 Tag position relationships and error curves of TagA memory tracking of location

在跟蹤階段，主控系統(tǒng)控制投影機(jī)投射出位置和角度緩慢變化的TagB，探究TagA追蹤位置的誤差，TagB的運(yùn)動軌跡和TagA位置記憶追蹤誤差曲線如圖7所示，從圖7中可以看出，論文算法可以得到較小的TagA位置追蹤誤差，其均方誤差為（0.959 mm，0.674 mm），能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

圖7 TagB運(yùn)動軌跡與TagA位置記憶追蹤誤差曲線Fig.7 TagB motion trails and error curves of TagA memory tracking of location

4 結(jié)論

在中醫(yī)診斷治療中，通過穴位傳感器可以同時獲得128個穴位的測量結(jié)果，通常情況下只能將測量結(jié)果顯示在屏幕上，醫(yī)護(hù)人員很難準(zhǔn)確找到實(shí)際的異常表現(xiàn)的穴位位置。論文采用2個不同的AprilTag分別粘貼于穴位傳感器和患者身體上，在測量過程中，穴位傳感器與患者之間形成了固定的位置關(guān)系，這時通過視覺系統(tǒng)檢測出這2個AprilTag，計(jì)算出它們之間的位置關(guān)系；在穴位傳感器移走后，即使患者做出輕微的移動或轉(zhuǎn)動，論文算法仍可以利用患者身體上的AprilTag追蹤到穴位傳感器的測量位置，實(shí)現(xiàn)穴位位置的精確指示。如果將本文的傳感器位置記憶追蹤算法與投影設(shè)備配合，還可以直接將測量結(jié)果投射到患者身體上，清晰顯示出具有異常表現(xiàn)的穴位位置，為治療與干預(yù)提供了良好的參考。本文方法已經(jīng)為多家醫(yī)院臨床試驗(yàn)所采用，受到用戶的一致好評。