基于视频的下颌骨运动轨迹描记

2022-10-28尹家伟张朝晖赵小燕张天尧

机械工程与自动化 2022年5期

尹家伟，孙强，张朝晖，赵小燕，陈岩，张天尧

(1.北京科技大学自动化学院，北京 100083；2.中日友好医院口腔医学中心，北京 100029；3.北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京 100083)

0 引言

下颌骨是一个复杂刚性结构，对人体起着至关重要的作用[1]。下颌骨的运动轨迹反映了内部关节的变化，下颌骨运动轨迹的描记对口腔疾病诊疗、术后效果判断、口腔修复等均有重要作用[2，3]。人类下颌骨容易产生各种病变及创伤[4]，对87 174例创伤患者的统计表明，颌面部创伤的发生率占34%[5]。对下颌骨运动轨迹的研究具有重大的临床意义以及现实意义，成为各国学者研究的热点[6]。

针对现有下颌骨运动轨迹描记设备笨重、操作复杂、价格昂贵等问题，本文基于颜色提取、坐标转换、头部晃动去除等算法，设计了一款下颌骨运动轨迹描记设备，可完成对下颌骨运动轨迹的绘制。

1 下颌骨运动轨迹描记装置及描记方法

1.1 下颌骨运动轨迹描记装置及视频图像采集

下颌骨运动轨迹描记装置主要包括一台计算机、两个摄像头以及一套咬合装置。图像采集前首先利用轻质粘土、钢丝、热塑性粘贴材料设计出下颌骨咬合标志物(如图1所示)，然后在被拍摄者正面和侧面各放置一个摄像头，两个摄像头与被拍摄者距离相同且光轴互相垂直，利用计算机控制MATLAB程序，将采集帧率设为30 f/s，采集时间设为3 s。

图1 下颌骨咬合标志物

被拍摄者将咬合装置佩戴完毕后进行图像采集，需录制张口运动、前伸运动、左侧方运动和右侧方运动视频图像。

1.2 目标检测及跟踪

视频采集完成后，利用MATLAB对视频图像进行处理，将图像分成三个通道，将每一通道和其他两通道的差值与选定阈值T进行对比，确认该像素点是否在目标区域内，将图像中标志物提取出来，根据目标区域特征去除噪声，并获得目标中心坐标，具体流程如图2所示。对视频中每一帧进行上述处理即可完成目标跟踪。

图2 目标检测流程

对正面视频图像进行目标跟踪，得到正面视频中标志物的x和y轴数据；对侧面视频图像进行目标跟踪，得到侧面视频中标志物的x和y轴数据；将侧面视频中标志物的x轴数据作为该标志物的z轴数据，结合该标志物正面的x和y轴数据，即可获得其三维运动数据。

1.3 坐标转换及晃动消除

视频图像处理后得到的坐标单位为像素，进一步处理将单位转换为毫米。已知标志物ab之间距离为l1，标志物ac之间距离为l2，标志物de之间距离为l3。正面视频中标志物a的坐标为(xa1,ya1)，c的坐标为(xc1,yc1)，d的坐标为(xd1,yd1)，e的坐标为(xe1,ye1)；侧面视频中标志物a坐标为(xa2,ya2)，b的坐标为(xb1,yb1)，d的坐标为(xd2,yd2)，通过公式(1)～公式(6)将标志物a和d的坐标从像素单位转换为毫米单位，计算得到标志物a的三维坐标(Sx,Sy,Sz)和标志物d的三维坐标(Nx,Ny,Nz)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

标志物a代表下切牙运动数据，标志物d代表上切牙运动数据，通过将上切牙的运动数据与下切牙的运动数据整合，即可消除头部晃动的影响获得下颌骨运动数据。