基于光体积变化描记成像的按压位置定位和压力测量方法与流程

1.本发明属于肢体光体积描记信号的机器视觉分析领域，具体涉及一种基于光体积变化描记成像的按压位置定位和压力测量方法。


背景技术：

2.在触控交互中，传统的按压感知的实现需要依靠在按压表面设置特定的压力传感器件。在传感器件中包含随压力产生应变的元件，测量元件的相应参数(如电阻、电容等)即可感知压力。通过传感器确定压力的绝对数值，则需要在使用前对传感器进行校准操作，校准出与特定压力相对应的信号特征。这样的校准操作费时费力，过程复杂并且可能随时间漂移而使得测量不准确。
3.传统按压测量技术如果要定位触控点的空间位置，则需要一组传感器阵列，并且要求阵列中不同的传感器单元的响应特征具有较高的一致性，由此带来的问题是空间分辨率通常较低，定位位置的精确度较低，并且器件的复杂程度和造价成本均会上升，给大规模的使用带来不便。


技术实现要素：

4.本发明针对现有压力传感交互技术的不足，提供了一种基于光体积变化描记成像的按压位置定位和压力测量方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于光体积变化描记成像的按压位置定位和压力测量方法，具体包括以下步骤：
6.(1)将摄像机摆放在待检测按压区域附近，通过摄像机采集视频，通过光体积描记法采集对该视频的每一帧图像通道中待检测按压区域的光体积信号强度变化来测量光体积变化，进而测量人体按压区域的组织血管中血液量的变化。
7.(2)在测量开始前，进行校准标定；手指触碰按压区域，并逐渐增大压力，随着按压力度的增强，获得不同压力下的光体积描记信号强度，使得舒张压和收缩压的光体积描记信号特征逐一消失；首先是舒张压光体积描记信号特征消失，并记录下此时对应的光体积信号强度v1、舒张压力p1；随着按压力度增强，随后收缩压光体积描记信号特征消失，并记录下此时对应的光体积描记信号强度v2、收缩压力p2；得到按压区域的光体积信号强度的波形变化图，收缩压和舒张压的光体积信号强度特征分别消失的时刻，对应的舒张压力p1和收缩压力p2即为外加压力数值；完成校准工作；
8.(3)拟合压力与血液光体积变化的近似关系曲线：根据步骤(2)得到的按压区域的光体积信号强度的波形变化图，确定不同外加压力与舒张压和收缩压等效的时刻；根据步骤(2)得到的两组光体积信号与外加压力的对应关系，拟合获得光体积描记信号变化与外加压力的近似关系曲线。
9.(4)进行按压位置定位和压力测量，根据步骤(3)得到的光体积描记信号变化与外加压力的近似关系曲线，得到按压位置和外加压力值。
10.进一步地，所述步骤(3)中的所述光体积描记信号变化与外加压力的关系由柔量决定。
11.进一步地，所述步骤(4)具体为：通过摄像机识别多点按压的按压区域，得到每一处按压区域分别对应的外加压力与血液光体积信号强度变化关系曲线，根据该变化关系曲线得到每一处的按压位置和每一处按压位置对应的压力值。
12.本发明的有益效果是：本发明与传统技术路线不同，提出了一种通过摄像头进行按压位置确定和压力测量的非接触式测量方法。本发明方法简单，不需要安装压力传感器，可以灵活方便地在任何物体表面测量多个按压区域。本发明在开始测量前进行只需进行一次简单的校准工作。
附图说明
13.图1是本发明按压位置定位和测量方法的摄像机与待检测按压区域的位置关系示意图；
14.图2中的(a)是无按压情况下本发明光体积描记信号强度和时间变化的关系示意图；
15.图2中的(b)是本发明校准过程光体积信号强度的波形变化；
16.图3是用简易校准获得的数据点进行拟合的曲线模型，表示本发明压力测量值与血液光体积描记信号强度变化的关系；
具体实施方式
17.光体积描记法(photoplethysmography，ppg)是一种生物医学组织的光学测量技术，特定波长的光经过人体组织后，会被组织吸收和散射而产生衰减。通过衰减的光体积信号可以监测组织血管内的血液量变化。光体积描记法通过实时记录被测部分的组织(例如手指指端、鼻瓣)对光的吸收量，以此来获取该部位周围血管的血液量，以及其随心跳产生的脉动式变化。所述光体积描记法在生理检测和心血管疾病诊疗邻域被广泛使用。
18.本发明公开了一种基于光体积变化描记成像的按压位置定位和压力测量方法，具体包括以下步骤：
19.(1)将摄像机摆放在待检测按压区域附近，通过摄像机采集视频，通过光体积描记法采集该视频的每一帧图像rgb通道中的一个通道中待检测按压区域的光体积信号强度变化来测量光体积变化，进而通过人体按压区域的组织血管中血流压力的变化来反应肢体按压力度的变化。本发明摄像机与待检测按压区域的位置关系示意图如图1所示，摄像机朝向待检测按压区域，通过拍摄手指按压的动作，确定按压发生的位置，并采集手指区域光体积描记信号的变化。
20.人体按压区域附近的血液量受到血管内血压和外加压力的共同影响，当手指施加不同强度的压力时，此区域附近的血液量将产生不同程度的改变。如图2中的(a)所示，是图1中的按压区域a的一个光体积描记信号随时间变化的示意图。在没有外界按压发生的条件下，光体积描记信号的变化表现的就是心脏搏动引起的人体按压区域附近的血流压力的变化。信号的峰值表示此时刻血管内的压力为收缩压，图中标记为收缩压峰，随着时间推移形成的第二个极大值峰为舒张压峰。
21.(2)在测量开始前，进行校准标定；以图1中按压区域a为例，用手指触碰按压区域a，并逐渐增大压力，随着按压力度的增强，获得不同压力下的光体积描记信号强度，当压力达到一定数值后，会使得舒张压和收缩压的光体积描记信号特征逐一消失。首先是舒张压光体积描记信号特征消失，并记录下此时对应的光体积信号强度v1、舒张压力p1。随着按压力度增强，随后是收缩压光体积描记信号特征消失，并记录下此时对应的光体积描记信号强度v2、收缩压力p2。所述舒张压力p1和收缩压力p2可以通过仪器测量获得或用人群中的平均数值近似。所述舒张压力p1、收缩压力p2即外加压力的数值。得到按压区域a的光体积信号强度的波形变化，如图2(b)所示，收缩压和舒张压的光体积信号强度特征分别消失的时刻，对应的外加压力数值，即该时刻等效血液压力的数值。完成校准工作。
22.(3)拟合压力与血液光体积变化的近似关系曲线：通过按压区域的光体积信号强度如图2(b)所示的波形变化，利用光体积描记信号中的血压峰形态特征的变化来估计按压力度，可以分别确定不同外加压力与舒张压和收缩压等效的时刻。根据这两组光体积信号与外加压力的对应关系，可以获得光体积描记信号强度与压力的关系曲线。所述光体积描记信号强度与外加压力的关系由柔量(compliance)决定，在较小的施压范围内，血管的柔量在较小的组织形变量的条件下可认为恒定，在该近似条件下血液光体积信号强度和压力成线性关系。用步骤4中获得的两组数据点(p1，v1)和(p2，v2)可以拟合出光体积描记信号强度与外加压力的近似关系曲线，如图3中的加粗直线所示。通过该光体积描记信号强度与外加压力的近似关系曲线，可以获得不同血液光体积信号强度所对应的外加压力值。
23.(4)进行按压位置定位和压力测量：按步骤(1)布置摄像机和待检测按压区域，通过光体积描记法采集对该视频的每一帧图像通道中待检测按压区域的光体积信号强度变化来测量光体积变化。在使用过程中，通过摄像机识别按压的肢体部位，可以进行多点按压感知识别，每一处按压区域，都对应一条各自的外加压力与血液光体积信号强度变化关系曲线，因此可以同时测量各个按压区域的外加压力的数值。根据步骤(3)得到的光体积描记信号强度与外加压力的近似关系曲线，得到按压位置和外加压力值。
24.综上，本发明与传统技术路线不同，提出了一种通过摄像头进行按压位置确定和压力测量的非接触式测量方法。本发明方法简单，不需要安装压力传感器，可以灵活方便地在任何物体表面测量多个按压区域。