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基于Kinect的自主康復系統的設計與實(shí)現
摘要：為了使患者能夠在家中自主進(jìn)行康復訓練并能與醫院進(jìn)行信息交互，本文設計了一套基于Kinect的自主康復系統。系統使用Kinect開(kāi)發(fā)完成，患者按康復計劃規定的康復訓練動(dòng)作進(jìn)行訓練，并使用Kinect傳感器獲取人體骨骼關(guān)節點(diǎn)的空間坐標并捕捉節點(diǎn)運動(dòng)軌跡，計算獲取關(guān)節點(diǎn)的相對角度變化值判定患者動(dòng)作是否完成并給出文字提示，醫生可調用系統數據庫數據查看患者康復情況并更新康復訓練內容。實(shí)驗證明，該系統能準確識別關(guān)節點(diǎn)的運動(dòng)，能較為直觀(guān)逼真地顯示用戶(hù)康復訓練情況，實(shí)時(shí)性、準確性達到設計需求，具有較好的應用價(jià)值。本文網(wǎng)絡(luò )版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/277709.htm
關(guān)鍵詞：自主康復系統;Kinect;骨骼關(guān)節點(diǎn);運動(dòng)軌跡;信息交互
引言
Kinect體感傳感器是微軟公司于2010年發(fā)布的新興體感交互式傳感器，它打破了傳統的人機交互方式，更加生動(dòng)有效地展示了人機交互的理念和方式，因此在各行各業(yè)迅速得到應用推廣。隨著(zhù)中國社會(huì )老齡化程度不斷加深，老年人群比例逐年增大，老年病和慢性病成為社區醫療服務(wù)的重點(diǎn)關(guān)注疾病，老年癡呆、腦卒中、高血壓等易發(fā)疾病不僅需要藥物治療，還需持久的康復訓練，目前醫療資源較為緊張，將治療后期用以增加肌體功能的康復訓練轉移到社區或家庭中進(jìn)行能緩解老年疾病護理和醫療資源的需求供給矛盾，還能提高康復訓練的信息化，有利于康復數據收集和研究。本文結合Kin ect和軟件及數據庫技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套自主康復系統，患者登錄系統獲取康復訓練計劃，按計劃要求的動(dòng)作進(jìn)行康復訓練，系統使用Kinect傳感器獲取人體關(guān)節點(diǎn)的空間坐標并捕捉節點(diǎn)運動(dòng)軌跡，經(jīng)異常值處理后判定患者各節點(diǎn)康復訓練動(dòng)作是否達標，并根據訓練效果制定進(jìn)一步的康復計劃，醫生可隨時(shí)進(jìn)入數據庫系統查詢(xún)患者的康復狀態(tài)。該系統經(jīng)驗證可準確識別關(guān)節運動(dòng)，交互實(shí)時(shí)性、準確性達到系統設計要求，為老年疾病康復訓練提供了較好的恢復平臺，而且所獲得的康復數據也為相關(guān)疾病康復研究提供了大量的數據信息。
一、系統結構
系統使用Kine ct設備獲取用戶(hù)的骨骼空間坐標并進(jìn)行軌跡生成再現，同時(shí)計算用戶(hù)訓練的關(guān)節點(diǎn)相對角度值與設置的閾值比較，當相對角度變化值超過(guò)閾值后系統將提示用戶(hù)完成該訓練動(dòng)作內容并給出響應。為完成這一系列過(guò)程，系統需要四個(gè)主要部分：(1)傳感器數據采集;(2)數據處理運算;(3)數據顯示;(4)數據存儲。其中傳感器數據采集主要由Kinect傳感器完成，數據處理運算在Visual C++的后臺中進(jìn)行運算，數據顯示通過(guò)生成的系統軟件在前臺顯示并對用戶(hù)動(dòng)作響應，數據存儲功能由MySQL完成，醫生可隨時(shí)調用數據庫數據查看患者自主康復數據，并根據用戶(hù)自主康復訓練結果更新訓練計劃，在軟件前端顯示并提供用戶(hù)使用，從而形成一個(gè)良性循環(huán)的閉環(huán)系統。系統功能結構如圖1所示。
二、系統功能原理
2.1數據采集
Kinect設備能夠實(shí)時(shí)獲得彩色圖像和深度圖像數據，而且支持實(shí)時(shí)的半身和全向骨骼跟蹤模式并能識別一系列的動(dòng)作，這是自主康復系統應用Kine ct的關(guān)鍵原因。Kinect由紅外發(fā)射器、RGB彩色攝像頭和紅外線(xiàn)COMS攝像機組成。Kinect能夠提供人體內的二十個(gè)骨架關(guān)節點(diǎn)的三維坐標值，如圖2所示。
以這二十個(gè)關(guān)節點(diǎn)為基礎，計算任意兩個(gè)關(guān)節點(diǎn)的距離和方位變化可得人體關(guān)節運動(dòng)軌跡。Kinect可獲取場(chǎng)景深度信息并進(jìn)一步計算出入與相機間的空間間隔，設人體到Kin ect設備的距離為d，可由式(1)求得：
d=K・tan(H・dk+L)-0
(1)
式中dk是對象深度值，由Kinect設備獲取，k=12.36厘米、H=3.5-10-4rad、L=1.18rad、0=3.7厘米。
2.2運動(dòng)軌跡生成
將深度圖像坐標(Xk，yk，Zk)轉化為實(shí)際坐標(Xr，Yr，Zr)，轉化公式為：
式中F=O.0021，D'=-10， Kinect的分辨率為w×h=680×480。這樣利用(1)式、(2)式可得人體任意兩個(gè)關(guān)節點(diǎn)的空間坐標值M (Xr1，Yr1，Zr1)和N(Xr2，Yr2，Zr2)，可得兩關(guān)節點(diǎn)間的距離為：
由于Kinect的硬件誤差或抖動(dòng)等一系列因素導致骨骼關(guān)節點(diǎn)的相對位置在短時(shí)間內變化極大、數據中存在異常值，針對這一問(wèn)題，在系統生成骨骼節點(diǎn)的運動(dòng)軌跡時(shí)需對這類(lèi)異常值進(jìn)行篩選和刪除，對運動(dòng)軌跡進(jìn)行平滑處理。為達到降噪效果，將活動(dòng)關(guān)節當前時(shí)刻的坐標值與前N-l個(gè)采樣周期的關(guān)節坐標的平均值當作當前時(shí)刻的關(guān)節位置，并按時(shí)序以N為步長(cháng)對獲取的坐標位置進(jìn)行遞進(jìn)前移，該方法可以使系統獲取并用于顯示的人體關(guān)節活動(dòng)軌跡更為平滑優(yōu)美，帶給康復患者較好的視覺(jué)感觀(guān)，以增強康復的信心。
2.3姿勢判斷
獲取骨骼節點(diǎn)的坐標標據和運動(dòng)軌跡是生成人體關(guān)節運動(dòng)軌跡的基礎，而判斷患者動(dòng)作是否達到要求是系統指導患者進(jìn)行康復訓練的關(guān)鍵，在關(guān)節點(diǎn)運動(dòng)過(guò)程中還需判斷患者是否完成康復動(dòng)作并在完成動(dòng)作后給予響應�？紤]人體運動(dòng)時(shí)很多骨骼關(guān)節并非直線(xiàn)運動(dòng)，而是以某一關(guān)節為圓心的類(lèi)似圓弧運動(dòng)，因此可實(shí)時(shí)獲取各時(shí)刻的關(guān)節點(diǎn)角度，通過(guò)活動(dòng)關(guān)節點(diǎn)相對于轉動(dòng)圓心關(guān)節點(diǎn)的角度變化值來(lái)計算患者是否完成康復動(dòng)作。
在系統中利用余弦定理計算如圖3所示的相關(guān)聯(lián)的3個(gè)關(guān)節點(diǎn)連線(xiàn)的角度值，計算方法為：
通過(guò)(4)式，系統在Kinect檢測到骷髏關(guān)節點(diǎn)的運動(dòng)時(shí)可獲取相關(guān)聯(lián)的節點(diǎn)間在任意時(shí)刻的相對角度，繼而求得在某時(shí)段內活動(dòng)關(guān)節點(diǎn)相對于轉動(dòng)圓心關(guān)節點(diǎn)的角度變化值，并設該活動(dòng)關(guān)節點(diǎn)對應角度閾值為θt，，并設BOOL型變量K，K通過(guò)(5)式確定：
在每一采樣周期，系統計算此時(shí)刻與前時(shí)刻的角度差，得至K的結果并判斷，當K為假時(shí)繼續采樣追蹤活動(dòng)關(guān)節點(diǎn)位置，當K為真時(shí)給出對應語(yǔ)音和文字提示并結束追蹤關(guān)節運動(dòng)。
三、測試結果
對系統進(jìn)行性能測試驗證，為減少系統負擔提高運算效率，對系統進(jìn)行優(yōu)化設計，當追蹤某一關(guān)節活動(dòng)時(shí)，系統只計算該關(guān)節與系統預先設定的關(guān)聯(lián)關(guān)節活動(dòng)軌跡，對其他關(guān)節點(diǎn)的動(dòng)作不進(jìn)行跟蹤和建立軌跡。而且由于系統傳感器使用了激光散斑原理，即激光在散射體表面發(fā)生漫反射的時(shí)候在附近光場(chǎng)中可看到無(wú)規則分布的亮暗光點(diǎn)，這就要求系統使用過(guò)程中使用者和背景環(huán)境有較為明顯的區分度，而且Kinect傳感器的有效探測區間是[0.8米，3.5米]，因此在測試時(shí)測試者身著(zhù)深色服裝、背靠白色墻壁、距Kinect傳感器2.5米進(jìn)行測試。圖4系統界面所示為系統界面，用戶(hù)登錄系統后將進(jìn)入到此界面，左側為提示框和操作區，其中上方顯示了當前動(dòng)作的動(dòng)作概念、鍛煉部位和小貼示，下方為系統控制區，可進(jìn)行重做、下一動(dòng)作、尋求幫助、系統風(fēng)格等操作，其中顯示風(fēng)格為系統右側規定動(dòng)作和展示使用者動(dòng)作展示的顯示風(fēng)格，目前已完成鋼鐵機甲、與子偕老、夕陽(yáng)紅等三種風(fēng)格：右側為動(dòng)作展示區和進(jìn)行提示區，分別展示系統規定動(dòng)作和使用者動(dòng)作，并在下方提示用戶(hù)完成進(jìn)度。
為了測試系統的實(shí)時(shí)性和準確性，分別選取舉手上伸、握拳抬小臂、擊掌、小腿劃圈、頭部轉圈等五個(gè)動(dòng)作，前四個(gè)動(dòng)作左右肢各進(jìn)行50次，頭部轉圈動(dòng)作進(jìn)行100次，通過(guò)讀取系統時(shí)戳以獲取系統反應時(shí)間，并根據系統顯示結果判斷系統識別動(dòng)作是否正確，測試結果如表1所示。
從表1數據可以看出，系統對舉手上伸、握拳抬小臂、擊掌等三個(gè)動(dòng)作的識別率達到100%，而小腿劃圈、頭部轉圈兩個(gè)動(dòng)作有不識別情況，不識別主要發(fā)生在測試者劃圈速度較快的情況下，系統使用三關(guān)聯(lián)點(diǎn)測角的方法發(fā)生誤判，但考慮到康復患者普遍動(dòng)作較慢，不識別的情況在系統實(shí)際使用中發(fā)生的可能性較小，系統的平均反應時(shí)間隨著(zhù)動(dòng)作復雜度提升也會(huì )小幅增長(cháng)，但都小于0.2秒的設計要求，因此本系統的準確性和實(shí)時(shí)性滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。
四、結束語(yǔ)
本文的系統使用Kinect開(kāi)發(fā)完成，可實(shí)現對患者康復動(dòng)作的引導教學(xué)和完成情況判定，并將最終的康復情況存人數據庫中，醫生可根據數據庫中數據判斷患者自主康復效果并更新訓練計劃提供給患者，在良好的人機交互的基礎上實(shí)現了醫生和患者遠程良性互動(dòng)，對患者自主進(jìn)行康復具有積極促進(jìn)作用，系統測試結果表明系統的實(shí)時(shí)性和準確性達到設計要求，因此系統具有一定的應用價(jià)值。但是系統也存在一定的不足，對用戶(hù)的使用環(huán)境有一定的要求，同時(shí)軟件使用方面還有較大的優(yōu)化空間，而且對于老人來(lái)說(shuō)系統操作還不夠簡(jiǎn)潔，這些都將是下一步工作中重點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)的地方。
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