一种集成便携式标准化中医舌象获取设备

摘要

本发明提供一种具有成像环境标准、颜色保真性高、成像质量优、人机交互人性化特点的集成便携式标准化中医舌象获取设备。它是由摄像机、标准成像光源、模拟暗室环境的设备外壳、计算机、显示器、颌托、鼻托和标准色卡组成的，摄像机、标准成像光源、电源、监控电视、散热风扇、颌托和标准色卡置于模拟暗室环境的外壳内部，颌托位于最下边，鼻托位于中部，标准色卡位于颌托上部，标准成像光源设置在摄像机和标准色卡之间，散热风扇置于模拟暗室环境的外壳上部，摄像机连接计算机、计算机连接显示器。本发明适用于中医诊疗以及中医舌诊客观化研究，具有集成化程度高，成像环境标准，颜色保真性高，成像质量优以及人机交互人性化的特点。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及图像处理技术，具体说就是一种集成便携式标准化中医舌象获取设备。

(二)背景技术

中医是中华民族几千年来疾病防治实践经验和理论的结晶，有着深厚人文哲学底蕴，被誉为中华民族的“国粹”，为华夏民族的繁衍做出了不可磨灭的贡献。如今，随着人类社会迈入了信息时代，大量的高科技技术不断涌现，如何把古老而富有强大生命力的中医学与先进的计算机技术结合起来，利用现代科技促进传统中医客观化，关系到中医学的发扬光大和走向世界，具有重大的战略意义和时代背景。

舌图像的采集是中医舌诊最为基础和关键的部分，高清晰以及高颜色保真的舌图像获取对于高准确度的病理研究和分析有着至关重要的作用。但是通过对已有的舌像采集设备的对比研究发现，存在两个十分关键亟待解决的问题，第一，由于对舌像采集的成像环境包括光源的特性选择、成像光路设计等缺乏统一的标准，导致采集得到的图像发生颜色畸变，严重影响了后续的进一步病理特征提取和分析。第二，由于各个研究单位采用的成像设备不一致，并且大多采用单CCD的数码照相机成像，无法实现真实舌象的保真性采集，并且不同的设备之间还会存在对于同一种病理特征甚至是同一舌体形成的图像也有所不同的问题，也就无法实现舌像数据库的共享分析，极大的阻碍了舌诊客观化的发展。

针对以上两个主要问题，有必要对舌图像采集设备以及特征分析进行更加深入的研究，提出适合于人体舌图像采集的成像环境标准，对不同的成像环境和采集设备得到的图像进行颜色校正，将它们映射到统一的颜色空间下，随后进行特征信息的抽取和分析。这样能够将图像采集客观化和标准化，提高图像采集设备的通用性，将进而提高整个分析系统的性能，推动整个中医舌诊客观化进程。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有成像环境标准、颜色保真性高、成像质量优、人机交互人性化特点的集成便携式标准化中医舌象获取设备。

本发明的目的是这样实现的：它是由摄像机、标准成像光源、电源、监控电视、散热风扇、模拟暗室环境的设备外壳、计算机、显示器、颌托、鼻托和标准色卡组成的，摄像机、标准成像光源、电源、监控电视、散热风扇、颌托和标准色卡置于模拟暗室环境的外壳内部，颌托位于最下边，鼻托位于中部，标准色卡位于颌托上部，标准成像光源设置在摄像机和标准色卡之间，散热风扇置于模拟暗室环境的外壳上部，摄像机连接计算机、计算机连接显示器。

本发明还有以下技术特征：

(1)所述的设备外壳除了在采集面开口外，其余部分全面封闭，壳体内部表面不光滑，并且全部涂成黑色，设备的采集面开口设计成贴合人脸的弧形；

(2)所述的颌托能够方便调整高度；

(3)所述的标准成像光源采用2支色温5000K的标准荧光管光源，以摄像机镜头为上下对称安装，成像光路采用标准几何观测条件45/0，光源距摄像机镜头的距离与采集距离相等；

(4)所述的标准色卡采用标准颜色色卡进行颜色还原，色卡安装在色卡支架上，通过活页控制竖立或平躺；

(5)所述的摄像机选用3CCD摄像机，通过数据线与电脑的图像采集卡相连，并通过图像处理和校正算法实时处理和显示图像。

本发明一种集成便携式标准化中医舌象获取设备，通过对成像光源以及成像光路的标准化设计，采用高颜色保真的3CCD摄像机进行图像采集，随后通过集成在设备内部的计算机，采用国际通用的标准颜色色卡对采集图像进行标准化校正算法校正，得到标准颜色的舌图像。本发明适用于中医诊疗以及中医舌诊客观化研究，具有集成化程度高，成像环境标准，颜色保真性高，成像质量优以及人机交互人性化的特点。

(四)附图说明

图1为本发明的结构方框图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的摄像机图像采集流程图；

图4为本发明的整体结构图；

图5为本发明的颜色校正算法流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种集成便携式标准化中医舌象获取设备，它是由摄像机(1)、标准成像光源(2)、电源(3)、监控电视(4)、散热风扇(5)、模拟暗室环境的设备外壳(6)、计算机(7)、显示器(8)、颌托(9)、标准色卡(10)和鼻托(11)组成的，摄像机(1)、标准成像光源(2)、电源(3)、监控电视(4)、散热风扇(5)、颌托(9)和标准色卡(10)置于模拟暗室环境的设备外壳(6)内部，颌托(9)位于最下边，鼻托(11)位于中部，标准色卡(10)位于颌托(9)上部，标准成像光源(2)设置在摄像机(1)和标准色卡(10)之间，散热风扇(5)置于模拟暗室环境的外壳(6)上部，摄像机(1)连接计算机(7)、计算机(7)连接显示器(8)；

本发明还有以下技术特征：

所述的设备外壳(6)除了在采集面开口外，其余部分全面封闭，壳体内部表面不光滑，并且全部涂成黑色，设备的采集面开口设计成贴合人脸的弧形；

所述的颌托(9)能够方便调整高度；

所述的标准成像光源(2)采用2支色温5000K的标准荧光管光源，以摄像机镜头为上下对称安装，成像光路采用标准几何观测条件45/0，光源距摄像机镜头的距离与采集距离相等；

所述的标准色卡(10)采用标准颜色色卡进行颜色还原，色卡安装在色卡支架上，通过活页控制竖立或平躺；

所述的摄像机(1)选用3CCD摄像机，通过数据线与电脑的图像采集卡相连，并通过图像处理和校正算法实时处理和显示图像。

实施例2：结合图1、图2、图4，本发明一种集成便携式标准化中医舌象获取设备，具有以下的特点：

1、标准化的成像环境，包括标准光源以及标准的观测条件。通过对人体视觉成像模型的分析，并根据国际标准协会推荐的标准观察环境(ISO3664：2000)，建立了具有高颜色还原特性的成像环境，极大的保持了原有的舌像颜色信息。在光源的选择上，采用的是色温5000K，显色指数大于90的高颜色还原特性的荧光光源，并且这种光源发光均匀稳定，能够提高采集的图像的颜色稳定性。本发明的成像光路采用的是国际照明协会(CIE)推荐的45度入射，0度采集的方式，能够最大限度的满足标准的观测条件，达到标准化采集舌象的要求。

2、高质量的稳定成像元件。现有的舌象采集设备多采用照相机作为成像设备，由于照相机是单CCD成像，对于彩色图像的成像需要插值处理，无法得到最原始的颜色信息。另外，照相机是采集单帧图像，很容易受光源电压浮动或者闪烁的干扰而影响成像质量，并且，由于舌体的不自主的蠕动，也很容易是采集的图像产生运动模糊，影响图像质量。本发明采用3CCD摄像机作为采集设备的成像元件。一方面由于采用了3CCD成像，能够对于舌颜色中的R、G、B分量分别独立感光，避免了单CCD采集中需要对3个分量进行插值处理的不真实性，能够采集得到高颜色质量的舌图像。另一方面，摄像机能够短时间内采集多帧图像，能够有效的避免电压浮动或者短暂蠕动所带来的图像模糊。

3、标准化的颜色空间标准和校正策略。为了避免由于光源和摄像机的老化等对成像质量的影响，保证采集图像颜色的真实性，并且，考虑到各种不同成像设备的颜色反映能力不同，也有必要对采集后的图像进行客观化和标准化。

本发明采用国际上通用的标准色板作为标准的色彩空间样本，利用计算机数据拟合和分析技术，将非标准的颜色空间校正到标准的色彩空间，尽可能的达到不同设备，不同光照环境之间的颜色一致性。

4、人性化的人机交互设计。在外观和人机交互设计上，从人眼视觉和机器视觉角度出发，对人因工程学进行了深入的研究，在人机交互界面上加入了很多人性化的设计。外壳上方，与眼睛平齐位置，加入一个监控电视，能够实时显示舌体在图像中的位置，有助于被采集者主动调节，使舌体位于采集图像的中间。采用了可升降的颌托架，能够自由的调整高度，满足不同的人群的采集需要，并且，采用鼻托凹槽，对采集者进行定位。采用贴合人脸弧度的开口面设计，一方面使采集者感到舒适，有利于采集的进行；另一方面，也能够尽量减少外界杂散光的干扰，保证图像质量。

实施例3：结合图1-图4，本发明的设备外壳除了在采集面上有开口以及必要的线路接口外，其余部分全面封闭，壳体内部表面不光滑，并且全部涂成黑色，减少局部的强光反射，吸收杂光，形成一个模拟的暗室环境，保证图像采集的颜色质量。开口面设计成贴合人脸的弧形，一来尽量减少外界杂散光的干扰，二来也能够尽可能使被采集着感觉舒适。采用能够自由调整高度的颌托，方便不同层次的被采集者。外壳的上方，安装有监控小电视，摄像机的视频输出能够直接进入小电视的画面。被采集者能够从小电视中实时的看到舌体在图像中的位置，从而自动的进行位置调整，保证舌体始终位于图像的中央部分。光源采用的是色温为5000K，显色指数大于90的标准荧光管光源。并且光源的光谱功率分布相对均匀，在各个波谱段能量相对比较平均，能够较好的模拟中医舌诊里面所认为的早上8、9点钟的北方晴朗天空的太阳的光照情况。光源的几何照明条件是CIE推荐的标准观测条件：45度入射，0度成像。两根荧光灯管分安装于摄像机的上下方，离开摄像机镜头的距离与采集距离基本相等。并且，光源的安放在水平位置上注意放置在镜头的后方，避免光源发出的光直接射入镜头。成像元件是3CCD的视频摄像机，能够尽可能的保证图像的稳定，提高采集图像的颜色质量。摄像机的视频数据一路直接输入监控小电视，实时显示采集得到的视频图像，有利于被采集者调整位置。另一路信号可以通过数据线连接到电脑，进行数据处理和存储。尾部安装有散热风扇，对设备内部进行散热处理，避免摄像机和光源由于长时间工作导致温度过高。外壳采用百叶窗设计，有利于散热。采用的色板为国际标准颜色校正色板GretagMacbeth Colorchecker。每次开机启动后，都利用色板进行实时的标定，从而对接下来所采集的图像进行校正。色板支架安装在机箱内部，平时不使用时，可以平放。而需要采集图像时，可以通过活页翻转，采集图像。除了光源外，均采用12V直流电源供电。安装有12V的直流电源，用于对摄像机、监控电视以及尾部电扇进行供电。另外，光源的供电也可以通过直流电源的输入端引出。整个装置只需要一个对外的电源接口就可以完全的正常运作。摄像机采集得到的图像通过图像采集卡输入到设备内部的工控计算机板卡进行颜色校正处理，通过模拟暗室环境的外壳上的USB接口进行输出，也可通过外壳上的串行接口输出到显示器进行显示。图像经过专用的图像采集卡，输入到计算机后，可以进行高质量的颜色校正，从而得到高质量的校正图像。

实施例4：结合图5，本发明通过内置的工控计算机板卡，对采集得到的舌图像进行颜色校正，从而可以输出标准化的舌图像。本发明采用多项式拟合校正的方法对舌图像进行标准化的颜色校正。校正算法的流程如图5所示。多项式拟合校正的算法原理如下：校正色卡图像有N个色块，对于每一个色块，其颜色值都可以表示为一个颜色向量：V：(R_i，G_i，B_i)(i＝1，2，..24)。其对应的标准的sRGB的颜色值为：S：(SR_i，SG_i，SB_i)(i＝1，2，...24)。如果只有R，G，B三个通道用于算法训练，则多项式拟合算法实际上为线性校正算法。同样，可以增加不同的项数组合来进行多项式的拟合颜色校正，如可以采用x：[R，G，B，1]这个组合进行多项式拟合，那么校正模型可以表示为

$\left(\begin{array}{c}{R}_i=a_{11}{R}_i+a_{12}{G}_i+a_{13}{B}_i+a_{14}\\ {\mathrm{SG}}_i=a_{21}{R}_i+a_{22}{G}_i+a_{23}{B}_i+a_{24}\\ {\mathrm{SB}}_i=a_{31}{R}_i+a_{32}{G}_i+a_{33}{B}_i+a_{34}\end{array}\right)(i=\mathrm{1,2},...24).$

通过最小二乘法，可以得到这个方程组的最终解是A＝(X^TX)^-1X^TS.。

本发明通过比较一下的不同的多项式拟合的组合：

x：[R，G，B]

x：[R，G，B，RGB，1]

x：[R，G，B，RG，RB，GB，R²，G²，B²]

x：[R，G，B，RG，RB，GB，R²，G²，B²，RGB，1].

从而可以得到最终输出的图像为：X_out＝A^T·X_in.。

校正算法流程如图5所示。