本发明涉及尿液检测设备，具体地指一种基于摄像头标定和图像识别的尿液检测方法及装置。
背景技术：
尿液检查，包括尿常规分析、尿液中有形成分检测(如尿红细胞、白细胞等)、蛋白成分定量测定、尿酶测定等。尿液检查对临床诊断、判断疗效和预后有着十分重要的价值。
应用多联试纸条对尿液进行快速筛查分析，即尿常规。试纸条法(dipstick methodology)是一种简便、快速的尿液筛查方法。目前常规尿液试纸条检查项目有pH、蛋白、隐血、比重、葡萄糖、酮体、尿胆原、硝酸盐、白细胞，有的试纸条还整合有胆红素和维生素C等。
试纸条法只能一次一个患者尿液的指标检测。因此，需要一种灵敏度高，特异性强，快速高效，操作简便，对环境及仪器均无特殊要求的大规模检测仪器。
技术实现要素：
本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种基于摄像头标定和图像识别的尿液检测方法及装置。
本发明提供了一种基于摄像头标定和图像识别的尿液检测方法：由摄像机主动视觉标定方法得到摄像机坐标系的自动检测摄像头的坐标，根据自动检测摄像头和自动滴液针头的相对位置得到自动滴液针头的坐标；由图像识别圆形法得到尿液检测卡的各个圆心图像坐标系的坐标，移动运动装置使得尿液检测卡的各个圆心坐标与自动滴液针头的坐标一致，自动滴液针头向尿液检测卡的各个圆形中心滴下测试液进行检测。
本发明基于摄像头标定和图像识别的尿液检测方法需要解决图像像素坐标系与摄像机坐标系的变换关系。
摄像机坐标系中的一物点p在图像像素坐标系中像点pf坐标为：
因此可得物点p与图像像素坐标系中图像像点pf的变换关系为：
其中，fx＝fsx，fy＝fsy分别定义为X和Y方向的等效焦距。fx、fy、u0、v0这4个参数只与摄像机内部结构有关，因此称为摄像机的内部参数。u0，v0是图像中心(光轴与图像平面的交点)坐标，u，v是物点p在图像坐标系中的坐标。
摄像机标定法一般有传统摄像机标定方法、主动视觉摄像机标定方法、摄像机自标定方法三种方法。本发明使用摄像机主动视觉标定方法来标定摄像机坐标。
摄像机主动视觉标定方法：将摄像机转换为设置位置----〉获得机器坐标----〉圆拟合，像点坐标计算----〉拟合成功----〉理想模型的参数估计。
本发明摄像机主动视觉标定方法采用具有高位置精度的圆孔阵列的靶标件标定模板来标定，靶标件标定模板的特征为各圆孔圆心组成的4×5点阵，各圆孔直径为3mm，点阵间距L＝35mm，具体标定过程如下：
1)将靶标件标定模板固定在传送带上方的固定框架上，并测量位置，以获取各特征点在靶标件标定模板坐标系中坐标；沿模板的纵、横两个方向移动，使各特征点在摄像头的CCD不同像面位置成像，且使成像位置尽量在摄像头的CCD整个像面平均分布；
2)记录每个特征点对应的移动运动装置位置和图像平面坐标值；特征点的图像平面坐标值通过最小二乘拟合每个对应的圆孔得到；将20个特征点的图像平面坐标值和移动运动装置位置(例如滑轮)作为模型的输入，其相应的固定框架坐标系下的坐标值作为输出；用多项式插值法对图像边缘进行亚像素定位，用半径约束最小二乘圆拟合法对各圆孔的圆中心进行精确定位，实现对摄像机模型内外参数的标定。
上述图像识别圆形法使用霍夫变换圆检测算法。
本发明还提供了上述基于摄像头标定和图像识别的尿液检测方法的装置：所述尿液检测装置包括传送带、安装在传送带上方的固定框架、固定在固定框架上的靶标件标定模板、移动运动装置、自动滴液针头和自动检测摄像头，所述传送带上设置有若干片尿液检测卡，在传送带的上方安装有可以自由滑动的自动滴液针头和自动检测摄像头，所述自动滴液针头和自动检测摄像头绑定在一起，所述移动运动装置用于控制自动滴液针头的坐标与尿液检测卡的各个圆心坐标一致。
本发明的有益效果在于：本发明的尿液检测产品装置为多联检的快速检测试卡，即一次检测可以同时检测PH、蛋白、隐血、比重、葡萄糖、酮体、尿胆原、硝酸盐、白细胞。本发明的尿液检测装置可以大规模检测不同患者的尿液，灵敏度高，特异性强，检测耗时短，从标本处理开始到获得检测的结果耗时仅为10多分钟，快速高效，操作简便，结果准确可靠，对环境及仪器均无特殊要求。
附图说明
图1为本发明基于摄像头标定和图像识别的尿液检测装置的结构示意图。
图2为本发明靶标件标定模板的结构示意图。
图3为本发明摄像头坐标系和图像坐标系的关系示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明基于摄像头标定和图像识别的尿液检测装置包括传送带2、安装在传送带2上方的固定框架7、固定在固定框架7上的靶标件标定模板1、移动运动装置6、自动滴液针头4和自动检测摄像头5，传送带2上设置有若干片尿液检测卡3，在传送带2的上方安装有可以自由滑动的自动滴液针头4和自动检测摄像头5，自动滴液针头4和自动检测摄像头5绑定在一起，所述移动运动装置6用于控制自动滴液针头4的坐标与尿液检测卡3的各个圆心坐标一致。
由摄像机主动视觉标定方法得到摄像机坐标系的自动检测摄像头5的坐标，根据自动检测摄像头5和自动滴液针头4的相对位置得到自动滴液针头4的坐标；由图像识别圆形法得到尿液检测卡3的各个圆心图像坐标系的坐标，移动运动装置6使得尿液检测卡3的各个圆心坐标与自动滴液针头4的坐标一致，自动滴液针头4向尿液检测卡3的各个圆形中心滴下测试液进行检测。
摄像机标定法一般有传统摄像机标定方法、主动视觉摄像机标定方法、摄像机自标定方法三种方法。本发明使用摄像机主动视觉标定方法来标定摄像机坐标。
摄像机主动视觉标定方法：将摄像机转换为设置位置----〉获得机器坐标----〉圆拟合，像点坐标计算----〉拟合成功----〉理想模型的摄像机的坐标、焦距等内、外部参数估计。
尿液检测装置测量原理是由固定框架7上的运动装置6(例如滑轮)带动摄像机定位，再由摄像机对被测特征成像，将被测特征的空间坐标转换为图像坐标。
本发明采用多项式插值法对图像边缘进行亚像素定位，用半径约束最小二乘圆拟合法对各圆孔的圆中心进行精确定位，对摄像机的坐标、焦距等内、外部参数进行估计。
摄像机主动视觉标定方法采用具有高位置精度的圆孔阵列的靶标件标定模板1来标定，靶标件标定模板的特征为各圆孔圆心组成的4×5点阵，各圆孔直径为3mm，点阵间距L＝35mm，具体标定过程如下：
1)将靶标件标定模板1固定在固定框架7上，并测量位置，以获取各特征点在模板坐标系中坐标；沿靶标件标定模板1的纵、横两个方向移动，使各特征点在摄像头CCD不同像面位置成像，且应使成像位置尽量在摄像头CCD的整个像面平均分布。为了提高标定精度，减小随机误差，特征点应尽量分布在整个视场范围内。
2)记录每个特征点对应的移动运动装置位置和图像平面坐标值。特征点图像平面坐标通过最小二乘拟合每个对应的圆孔得到。将20个特征点的图像平面坐标值和移动运动装置位置作为模型的输入，其相应的固定框架坐标系下的坐标值作为输出。用多项式插值法对图像边缘进行亚像素定位，用半径约束最小二乘圆拟合法对各圆孔的圆中心进行精确定位，实现对摄像机模型内外参数的标定。由于CCD像面中心区域的畸变较小，先利用成像在该区域的特征点数据，求取摄像机的坐标、焦距等内、外部参数。
图像识别圆形法使用霍夫变换圆检测算法。
霍夫变换检测圆的数学原理：
x＝x0+r cosθ
y＝y0+r cosθ
根据极坐标，圆上任意一点的坐标可以表示为如上形式，所以对于任意一个圆，假设中心像素点P(x0,y0)像素点已知，圆半径已知,则旋转360°由极坐标方程可以得到每个点上得坐标同样,如果只是知道图像上像素点,圆半径,旋转360°则中心点处的坐标值必定最强。这正是霍夫变换检测圆的数学原理。
如图3所示，摄像机和尿液检测卡对齐需要解决一个重要的问题：摄像机坐标系和图像像素坐标系的换算关系。如图3，XOY为摄像机坐标系，X1O1Y1为图像像素坐标系，图像识别圆形法识别使用的是图像像素坐标系。摄像机标定使用的是摄像机坐标系。所以需要知道摄像机坐标系和图像像素坐标系的关系。摄像机标定法可以知道摄像机的坐标，从而知道与其绑定的检测针头的坐标，而图像识别圆形法可以知道各个圆心的坐标、圆形的半径。最终只要移动运动装置使得尿液检测卡各个圆心坐标、自动滴液针头坐标一致，自动滴液针头就可以向卡的各个圆形中心滴下测试液这里涉及到图像像素坐标系与摄像机坐标系变换关系:
摄像机坐标系中的一物点p在图像像素坐标系中像点pf坐标为：
因此可得物点p与图像像素坐标系中图像像点pf的变换关系为：
其中，fx＝fsx，fy＝fsy分别定义为X和Y方向的等效焦距。fx、fy、u0、v0这4个参数只与摄像机内部结构有关，因此，称为摄像机的内部参数。u0，v0是图像中心(光轴与图像平面的交点)坐标，u、v是物点p在图像坐标系中的坐标。