醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位系統(tǒng)的探討

周 俊

（上海市兒童醫(yī)院，上海 200062）

一般醫(yī)院巡查公共診療區(qū)域、重點(diǎn)區(qū)域（實(shí)驗(yàn)室、水電氣設(shè)備機(jī)房等），會(huì)通過(guò)監(jiān)控室監(jiān)控員對(duì)監(jiān)控電視墻上的多個(gè)畫(huà)面進(jìn)行人工巡查，監(jiān)控室普遍配置2名監(jiān)控員，每天視頻巡查范圍、精細(xì)度有限。安保巡邏以2 h 為周期，存在巡邏空間的局限性。從視頻畫(huà)面中發(fā)現(xiàn)可疑物品（如被故意放在公共區(qū)域的背包）、突發(fā)性污染物（如容易導(dǎo)致滑倒摔跤的嘔吐物）、實(shí)驗(yàn)室化學(xué)物品引起化學(xué)反應(yīng)的燃爆風(fēng)險(xiǎn)、公共區(qū)域打架斗毆、初期火災(zāi)等事件，較難第一時(shí)間由人工發(fā)現(xiàn)并傳送信息進(jìn)行處置。

醫(yī)院根據(jù)公安技防要求安裝的大量監(jiān)控，只有監(jiān)視作用，沒(méi)有自動(dòng)識(shí)別功能，不符合現(xiàn)代醫(yī)療機(jī)構(gòu)大型化、人員出入復(fù)雜、醫(yī)療設(shè)施與支持設(shè)備大規(guī)模化的新形勢(shì)要求，須引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位系統(tǒng)與服務(wù)機(jī)器人，利用數(shù)字化自動(dòng)分析各類(lèi)圖像中的事件，并分類(lèi)處理，提高巡查處置效率的同時(shí)降低人力成本。

文章重點(diǎn)討論監(jiān)控?cái)z像機(jī)捕捉識(shí)別的目標(biāo)，將攝像機(jī)圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為室內(nèi)坐標(biāo)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)送至服務(wù)機(jī)器人并自動(dòng)導(dǎo)航到目標(biāo)點(diǎn)處置的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，即基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的室內(nèi)定位技術(shù)，對(duì)相機(jī)標(biāo)定原理、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算公式、實(shí)現(xiàn)方式及難點(diǎn)詳細(xì)敘述。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 AI技術(shù)

人工智能AI（全稱(chēng)Artificial Intelligence）技術(shù)從無(wú)到有，從單一功能到深入融合各類(lèi)行業(yè)，為科技發(fā)展提供了新的思路和途徑。網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代的爆炸式發(fā)展使得人工智能產(chǎn)業(yè)豐富。AI 包括虛擬現(xiàn)實(shí)VR（全稱(chēng)Virtual Reality）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR（全稱(chēng)Augmented Reality）技術(shù)，被應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、家用電器、出行、穿戴等生產(chǎn)生活各領(lǐng)域。

醫(yī)療領(lǐng)域中利用AI 對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理、分析及診斷提供了新思路，例如，兒童骨齡評(píng)估使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)放射影像的分析，病理學(xué)方面基于深度學(xué)習(xí)算法對(duì)病理標(biāo)本的輔助診斷系統(tǒng)等。此外，人工智能技術(shù)的更新，逐步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人領(lǐng)域真正的應(yīng)用價(jià)值，產(chǎn)生了極大服務(wù)價(jià)值及生產(chǎn)力。縱觀機(jī)器人領(lǐng)域的分支中，自導(dǎo)航服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展速度非常突出。

1.2 計(jì)算機(jī)視覺(jué)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)為人工智能的一個(gè)應(yīng)用分支，指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從單幅圖像、連續(xù)幀和其他影像輸入中分析獲取關(guān)注的信息，系統(tǒng)據(jù)此作出反應(yīng)或提供建議。人工智能賦予了計(jì)算機(jī)分析與決策能力，而計(jì)算機(jī)視覺(jué)是被賦予了感知、探索的能力。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)的工作原理為生物仿生技術(shù)的設(shè)計(jì)思路，參照人類(lèi)視覺(jué)，不斷訓(xùn)練分辨物體、距離、動(dòng)態(tài)與否及視覺(jué)真實(shí)性等能力。計(jì)算機(jī)視覺(jué)訓(xùn)練機(jī)器人模仿人類(lèi)的視覺(jué)方式，區(qū)別在于機(jī)器人依靠攝像機(jī)、數(shù)據(jù)和算法在極短時(shí)間內(nèi)完成更精細(xì)和復(fù)雜的工作。例如，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練用于檢驗(yàn)產(chǎn)品或監(jiān)控生產(chǎn)的系統(tǒng)，每分鐘能分析數(shù)千個(gè)產(chǎn)品或流程，能發(fā)現(xiàn)極其細(xì)微的缺陷或問(wèn)題，其能力遠(yuǎn)超人類(lèi)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)被廣泛用于許多行業(yè)，例如，能源、公用事業(yè)、制造、醫(yī)療和汽車(chē)行業(yè)等，并且市場(chǎng)仍在不斷拓展。

1.3 醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人

醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人實(shí)際上從屬于通常意義的服務(wù)機(jī)器人，應(yīng)用僅限于醫(yī)院和醫(yī)療環(huán)境，細(xì)分產(chǎn)品包括導(dǎo)醫(yī)咨詢、醫(yī)療宣教、醫(yī)用AGV 物流（送藥、送餐、送器械、回收被服和醫(yī)療垃圾等）、藥品分揀、靜脈輸液藥配制、消毒殺菌、移送病人、保潔及安防機(jī)器人等。

但醫(yī)院環(huán)境與其他很多應(yīng)用環(huán)境存在較大區(qū)別，如對(duì)于物流配送，醫(yī)院部分環(huán)境的復(fù)雜程度和動(dòng)態(tài)程度更高、可預(yù)測(cè)性更低，因而具有更大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。文章主要討論利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)做室內(nèi)定位，聯(lián)動(dòng)保潔機(jī)器人、安防機(jī)器人的應(yīng)用模式。

2 基于監(jiān)控相機(jī)的室內(nèi)定位

醫(yī)院監(jiān)控?cái)z像機(jī)幾乎覆蓋所有公共診療區(qū)域，利用監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行目標(biāo)事件的室內(nèi)立體坐標(biāo)定位，是文章討論的重點(diǎn)。理論上需要應(yīng)用相機(jī)標(biāo)定原理及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將攝像機(jī)獲得的二維平面圖像，推算出三維空間中物體的幾何坐標(biāo)值，并重建和識(shí)別物體。

2.1 概述

二維圖像能提供豐富的環(huán)境信息或空間信息，包括：①圖像像素點(diǎn)的亮度與真實(shí)物體表面點(diǎn)反射光強(qiáng)度的關(guān)系；②攝像機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖像像素點(diǎn)在圖像平面位置、物體空間的相對(duì)方位映射關(guān)系。利用這些信息，可實(shí)現(xiàn)如測(cè)距、測(cè)量、識(shí)別、地圖構(gòu)建、定位、攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)估計(jì)等工作。

2.2 相機(jī)標(biāo)定原理

求解參數(shù)的過(guò)程稱(chēng)為相機(jī)標(biāo)定。相機(jī)成像的幾何模型決定了空間物體表面一點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的關(guān)系，這些幾何模型參數(shù)就是相機(jī)參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)與計(jì)算，求解參數(shù)（內(nèi)參、外參、畸變參數(shù)）的過(guò)程就是相機(jī)標(biāo)定。

圖像畸變是鏡頭生產(chǎn)過(guò)程中，制造精度及組裝工藝的偏差導(dǎo)致的原始圖像失真。鏡頭的畸變分為徑向畸變和切向畸變兩類(lèi)。

畸變參數(shù)、內(nèi)參是相機(jī)本身的固有特性，一次標(biāo)定即可，外參根據(jù)不同標(biāo)定圖像而不同。成像過(guò)程包括：圖像坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系。

2.3 4個(gè)坐標(biāo)系

（1）圖像坐標(biāo)系：表示三維空間物體在圖像平面上的投影，像素是離散化的，文章使用的是攝像機(jī)模型中的針孔模型。該模型在數(shù)學(xué)上是三維空間到二維平面的中心投影。其坐標(biāo)原點(diǎn)在CCD 圖像平面的左上角，u軸平行于CCD。平面水平向右，v軸垂直于u軸向下，坐標(biāo)用（u，v）來(lái)表示。

（2）成像平面坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)在CCD 圖像平面的中心，x，y軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的（u，v）軸，坐標(biāo)用（x，y）表示。

（3）攝像機(jī)坐標(biāo)系：以攝像機(jī)的光心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，Xc，Yc軸平行于圖像坐標(biāo)系的x，y軸，攝像機(jī)的光軸為Zc軸，坐標(biāo)系滿足右手法則。攝像機(jī)的光心可理解為攝像機(jī)透鏡的幾何中心。

（4）世界坐標(biāo)系：用于表示空間物體的絕對(duì)坐標(biāo)，使用（xw，yw，zw）表示，世界坐標(biāo)系可通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移得到攝像機(jī)坐標(biāo)系。

2.4 CCD平面（感光元件）

CCD（Charge-coupled Device）即電荷耦合元件。CCD 上植入的微小光敏物質(zhì)稱(chēng)作像素，畫(huà)面分辨率與單位面積內(nèi)像素?cái)?shù)量成正比。CCD 分布排列的感光電容，將影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。例如光學(xué)遙測(cè)、頻譜望遠(yuǎn)鏡、高速攝影等。

2.5 坐標(biāo)系位置關(guān)系

坐標(biāo)系位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 坐標(biāo)系位置關(guān)系

將攝像機(jī)非線性模型表示為：

式中，（xu，yu）為模型圖像點(diǎn)的坐標(biāo)，（xd，yd）為實(shí)際圖像點(diǎn)坐標(biāo)，δx（x，y）與δy（x，y）為成像畸變值。

2.6 畸變

一般分為徑向畸變、切向畸變。徑向畸變（桶形畸變和枕形畸變），即光線在遠(yuǎn)離透鏡中心部位比接近中心的地方出現(xiàn)明顯彎曲。切向畸變（薄透鏡畸變和離心畸變），來(lái)源于制造過(guò)程中，透鏡與CCD 平面不平行而產(chǎn)生的畸變。

3 利用物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人作為高集成度的新型技術(shù)，具備高感知信息的能力及智能控制。目前，其智能水平隨著相關(guān)研究的投入及多學(xué)科互動(dòng)，利用物聯(lián)網(wǎng)融合到整個(gè)醫(yī)院智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用范圍愈加廣闊。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是借助信息傳感設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)物品和網(wǎng)絡(luò)的連接，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通信協(xié)議來(lái)完成通信，實(shí)現(xiàn)信息識(shí)別、跟蹤與管理的功能。

從技術(shù)角度分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其特點(diǎn)主要包括：①系統(tǒng)化的感知能力。利用各類(lèi)射頻識(shí)別技術(shù)、激光傳感器和紅外感應(yīng)器等技術(shù)來(lái)獲得物體信息資料，實(shí)現(xiàn)感知和應(yīng)用提取。②穩(wěn)定的傳輸能力。基于互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。③先進(jìn)的智能化處理技術(shù)。合理篩選與應(yīng)用不同類(lèi)型的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算及醫(yī)院管理工作的智能化發(fā)展。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層組成基礎(chǔ)架構(gòu)，本質(zhì)是事件驅(qū)動(dòng)型的體系構(gòu)建，服務(wù)機(jī)器人是基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及底層分析技術(shù)、終端執(zhí)行輸出的智能化設(shè)備。不同層級(jí)進(jìn)行交互通信和控制，互相傳遞多樣的信息，應(yīng)用系統(tǒng)識(shí)別動(dòng)靜態(tài)信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比更加先進(jìn)，實(shí)用性更強(qiáng)，直接控制物理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)服務(wù)效果最大化。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)下視覺(jué)定位的應(yīng)用

（1）機(jī)器人定位方法。該方法一般分為拓?fù)涞貓D直推法、幾何地圖直推法與概推法、馬爾可夫定位算法等，定位技術(shù)包括視覺(jué)導(dǎo)航定位技術(shù)（機(jī)載攝像機(jī)采集分析環(huán)境信息）、GPS 全球定位系統(tǒng)（定位精度受限制，不適用室內(nèi)及多樓層場(chǎng)景）、光反射導(dǎo)航定位技術(shù)（利用激光或紅外傳感器測(cè)距，易受背景信噪影響）等。服務(wù)機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制作業(yè)，配置自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，具備自主任務(wù)分配、自控電梯門(mén)禁、避開(kāi)障礙物、自主返回充電的智能化功能。

（2）響應(yīng)流程。醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是通過(guò)智能終端、云端控制平臺(tái)及服務(wù)機(jī)器人3個(gè)部分共同構(gòu)成。具體應(yīng)用流程為：監(jiān)控相機(jī)分析得出事件和定位信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)完成信息發(fā)送；觸發(fā)應(yīng)對(duì)處置程序，自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的服務(wù)機(jī)器人響應(yīng)；事件處置結(jié)果回饋到系統(tǒng)，形成事件處置閉環(huán)。

（3）引導(dǎo)與定位修正。機(jī)器人收到監(jiān)控?cái)z像機(jī)發(fā)出的事件定位信息，自動(dòng)導(dǎo)航到達(dá)目標(biāo)位置附近，因攝像機(jī)、環(huán)境變化、機(jī)器人行走均存在參數(shù)誤差并疊加放大，為消除上述定位精度的偏差，通過(guò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)識(shí)別機(jī)器人真實(shí)位置信息，利用物聯(lián)網(wǎng)的橋接作用、PID 控制，輔助機(jī)器人不斷修正行進(jìn)路徑與位姿，最終抵達(dá)目標(biāo)位置完成事件處置。

3.4 視覺(jué)定位技術(shù)的改進(jìn)

考慮到目標(biāo)事件包括遺落物、嘔吐物、肢體沖突的人員、初期小火災(zāi)、待消毒物品等，存在物品對(duì)象大小形狀多樣、位置動(dòng)態(tài)變化、發(fā)展趨勢(shì)不可預(yù)期等，須將定位公式的算法從一個(gè)二維平面坐標(biāo)點(diǎn)拓展為三維立體坐標(biāo)值，提升監(jiān)控?cái)z像機(jī)對(duì)目標(biāo)描述的真實(shí)性，以盡量多的立體坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)描述目標(biāo)的空間邊界。初期算法可簡(jiǎn)化為方形6面體，隨著研究的推進(jìn)，視覺(jué)識(shí)別處理硬件性能的提升，描述為更接近真實(shí)物體空間邊界的多邊形數(shù)值，進(jìn)一步協(xié)助系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別事件并移交服務(wù)機(jī)器人處置。

3.5 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

室內(nèi)定位精度要求一般需要控制在厘米級(jí)，如±10 cm 的精度，精度偏差來(lái)自監(jiān)控?cái)z像機(jī)自身性能參數(shù)的限制、真實(shí)復(fù)雜環(huán)境的視線遮擋、環(huán)境光影明暗變化，同時(shí)需要醫(yī)院管理部門(mén)投入大量前期工作，如攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定、環(huán)境基準(zhǔn)面數(shù)值創(chuàng)建、基礎(chǔ)路線設(shè)定、機(jī)器人特征預(yù)錄入等。一般要求攝像機(jī)硬件參數(shù)為分辨率1080P、像素200萬(wàn)、幀率25幀、星光級(jí)夜視功能、低照度自切換紅外夜視、內(nèi)置圖像處理GPU、三主碼流一輔碼流等。機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)可借助其他室內(nèi)定位技術(shù)如WiFi、定位信標(biāo)等，增強(qiáng)修正定位結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位是基礎(chǔ)的圖像識(shí)別通過(guò)AI 算法進(jìn)行更新優(yōu)化后的技術(shù)，提供了一種高效可行且能不斷改良的室內(nèi)定位解決方案。廣泛應(yīng)用于醫(yī)院場(chǎng)景的各類(lèi)服務(wù)機(jī)器人，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)體系極大提高了反應(yīng)速度，填補(bǔ)了人工巡視的空間不連續(xù)性，因此在當(dāng)前醫(yī)院環(huán)境下，應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展空間巨大。