中醫望診三維空間及動態信息採集與重建

《中醫望診三維空間及動態信息採集與重建》是依託北京工業大學，由蔡軼珩擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：中醫望診三維空間及動態信息採集與重建
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔡軼珩
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

中醫學是中華傳統文化的瑰寶，其獨具特色的生命理論和診療體系使得其在疾病的早期預防及亞健康的調治方面具有巨大的優越性。但是傳統中醫診斷信息的獲取和知識積累方式已經不適於中醫診斷技術與學術理論的進一步發展。為此，上世紀開始中醫四診的客觀化研究成為其現代化的重要內容，而四診信息的採集與特徵提取是該領域研究的基礎和關鍵。本申請針對望診客觀化研究中採用二維圖像信息採集方式的局限性，提出基於光度立體技術進行中醫望診舌體、面部表面三維信息獲取，在此基礎上分析提取望診表面形態及屬性信息，結合望診動態視頻信息的採集與特徵分析，綜合實現望診舌、面表面三維空間及動態重建。該項研究成果可以從根源上推進中醫望診客觀化研究進程，同時也是提升中醫知識積累方式的有效途徑，對中醫經驗傳承、發展和提高具有現實意義。

結題摘要

本項目針對傳統望診客觀化中二維圖像信息採集模式的局限性，基於光度立體技術，對中醫舌象、面象中的形態及屬性信息進行採集與特徵提取；並在表面三維信息及動態視頻信息採集基礎上，實現中醫望診信息的動態三維重建。 利用舌體、面部在同一視點不同光照下的多幅圖像，獲得其表面三維信息。先後設計了靜態對象三維信息採集平台，針對真實舌體的三維動態信息採集系統，舌、面適應性三維動態信息採集系統。最終系統由時序信號觸發不同方向的光源依次快速點亮，由同步控制電路驅動高速攝像機捕捉圖像序列，採用可調整光源支架控制照明方向；利用滑動導軌實現高速相機相對被攝對象的位置調節，以此分別對舌、面進行滿畫幅的視頻採集。 通過系統標定確定多幅圖像的光源方向向量，基於Lambertina散射模型，估計舌、面表面的單位法向量和反射率（顏色信息）。採用基於切平面理論的代數法，由像素點的單位法向量對深度值建立約束方程，求解獲取舌、面表面所有點的深度值。該重建系統在成像精度約為20像素/毫米條件下，可得到的最小重建尺寸是0.24mm，可獲取望診表面及細節結構特徵。針對舌體表面唾液反射形成的高光區域對深度值求解的影響，我們提出一種高光剔除算法，對高光區域和非高光區域採用不同的圖像序列組合策略，確保散射模型的正確建模。 提出動態三維信息採集的時序分組策略，根據不同幀組建立的三維深度信息之間的變化關係，提取相關運動速率和軌跡，作為舌象動態指標有關的特徵依據。發現在合理時間間隔內的深度變化值，與顫動特性具有顯著相關性。 根據舌、面表面的深度信息及紋理反射率圖，定義並設定頂點所對應的貼圖坐標，最終完成舌、面表面的三維顯示。利用不同時刻的多組三維形態圖，在相鄰的各組三維模型之間進行線性插值，得到任意時刻的中間模型，添加紋理貼圖和光照，形成連續的動畫並渲染輸出，可在三維空間模擬舌體運動，直觀展示其運動狀態。 構建瞭望診三維動態信息互動系統，具有數據管理、圖像序列預覽、三維重建結果的顯示及互動、深度值實時顯示、三維運動仿真結果顯示等功能。 該系列研究是國內率先開展的相關研究，在信息採集系統設計、重建方法及仿真顯示方面，填補了國內空白，研究成果對中醫臨床病例的全面有效記錄提供了必要的手段。 此外，本項目還針對望診客觀化中的標準化描述及復現、量化分級、特徵識別、信息質量評價、融合算法、證型分類等相關問題展開研究，取得了多項原創研究成果。