李　明, 陳怡霖,, 潘曉英

(1. 加州州立大學(xué)弗雷斯諾分校 數(shù)理學(xué)院, 加利福尼亞 弗雷斯諾 93740;2. 西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710121)

遠(yuǎn)程醫(yī)療中Kinect點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸

李明1, 陳怡霖1,2, 潘曉英2

(1. 加州州立大學(xué)弗雷斯諾分校 數(shù)理學(xué)院, 加利福尼亞 弗雷斯諾 93740;2. 西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710121)

摘要:提出一種基于Kinect點(diǎn)云數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)康復(fù)系統(tǒng),并設(shè)計(jì)一套點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸動(dòng)態(tài)壓縮方案,來解決系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的高要求。設(shè)計(jì)方案通過幀丟棄技術(shù)確定實(shí)際需要傳輸?shù)膸瑪?shù)，來計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹蛶捯?，和?dāng)前網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬，得出點(diǎn)云數(shù)據(jù)最低壓縮倍數(shù)，然后得到16叉樹壓縮數(shù)據(jù)，來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。數(shù)值分析和工作流程模擬顯示，設(shè)計(jì)方案能夠在有限帶寬條件下提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，以保障整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。

關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程醫(yī)療；Kinect；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)傳輸；16叉樹

Kinect是一款用于Xbox360游戲的體感周邊外設(shè)，它能夠以大約30fps的幀率同時(shí)捕捉目標(biāo)物體的RGB數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)，或稱RGBD數(shù)據(jù)[1-2]。RGBD可被轉(zhuǎn)化為每幀含有大約300 000點(diǎn)帶顏色信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(PointCloudData,PCD)，Kinect正是通過這些PCD，根據(jù)3D空間中相關(guān)位置變化，來識(shí)別玩家的肢體動(dòng)作[3]。

得益于Kinect的三大功能，即3D影像偵測(cè)，人體骨架追蹤和音頻處理4-5]，Kinect也被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域。點(diǎn)云庫(kù)函數(shù)(PointCloudLibrary,PCL)中包含諸多針對(duì)3DPCD處理的先進(jìn)算法[6],對(duì)Kinect所抓取的實(shí)時(shí)PCD采用PCL進(jìn)行處理，可提升其在運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用水平和效率。

對(duì)KinectPCD及其應(yīng)用的研究目前還處于開始階段，相關(guān)工作多數(shù)處于算法研究[7-9]和系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面[5]，KinectPCD在遠(yuǎn)程醫(yī)療的運(yùn)動(dòng)能力康復(fù)領(lǐng)域還未有使用記錄。

將KinectPCD運(yùn)用于遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)能力康復(fù)系統(tǒng)，必須首先進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，同時(shí)還要保證系統(tǒng)滿足PCD對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的高要求。本文擬提出一種基于KinectPCD的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套PCD實(shí)時(shí)傳輸動(dòng)態(tài)壓縮方案，并借助數(shù)值分析與仿真模擬來驗(yàn)證其可行性。

1Kinect PCD遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)

基于KinectPCD的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)具有智能診斷與實(shí)時(shí)診斷兩種工作模式，如圖1所示。

圖1　基于Kinect PCD的遠(yuǎn)程醫(yī)療方案

將Kinect捕捉的病人運(yùn)動(dòng)信息與醫(yī)生設(shè)置的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，即可診斷病人狀況。若病人對(duì)Kinect診斷結(jié)果滿意，則無需醫(yī)生對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只需將Kinect采集到的數(shù)據(jù)生成視頻文件保存于用戶端，在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)傳輸至監(jiān)控端備份數(shù)據(jù)庫(kù)，以供醫(yī)生可能的查驗(yàn)。否則，病人也可以轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控診斷模式，使Kinect將實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)生所在的監(jiān)控端進(jìn)行人工診斷。Kinect智能診斷和醫(yī)生實(shí)時(shí)診斷相結(jié)合的方式可降低醫(yī)生的工作量，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量，節(jié)省帶寬。

系統(tǒng)對(duì)PCD的實(shí)時(shí)傳輸需要經(jīng)過動(dòng)態(tài)壓縮處理，以實(shí)現(xiàn)PCD在有限帶寬中的傳輸，保證實(shí)時(shí)診斷的質(zhì)量和效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以PCD壓縮技術(shù)為核心，幀丟棄技術(shù)為支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)的KinectPCD視頻動(dòng)態(tài)壓縮，從而最大限度地降低對(duì)傳輸帶寬的需求，并保證傳輸質(zhì)量，以滿足運(yùn)動(dòng)能力康復(fù)領(lǐng)域遠(yuǎn)程醫(yī)療的需要。

2Kinect PCD壓縮方案

2.1基于16叉樹的點(diǎn)云壓縮

多數(shù)情況下，相鄰幀圖像信息的變化部分遠(yuǎn)小于不變化部分，直接采用8叉樹[10]會(huì)無區(qū)別地將變化部分的信息和不變化部分的信息每過一幀傳輸一次，從而增加帶寬開銷。

為了減小帶寬開銷，只捕捉圖像信息變化的部分進(jìn)行傳輸，而對(duì)于不變化的部分則繼續(xù)使用上一幀的圖像信息,使用16叉樹(差分8叉樹)來描述圖像中變化部分的位置信息，并對(duì)該位置信息的二進(jìn)制編碼進(jìn)行傳輸。這種16叉樹技術(shù)能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云中沒有變化的位置信息作為冗余數(shù)據(jù)加以消除?；?6叉樹的點(diǎn)云壓縮原理如圖2所示。

圖2　基于16叉樹的點(diǎn)云壓縮

2.2點(diǎn)云位置細(xì)節(jié)壓縮

為了捕捉到每幀點(diǎn)云狀況的細(xì)微變化，可以不斷增加16叉樹的深度，用更多比特?cái)?shù)來描述點(diǎn)云的位置信息，但這樣會(huì)使計(jì)算量呈指數(shù)形式遞增。為減少計(jì)算復(fù)雜度，只需將16叉樹葉節(jié)點(diǎn)的深度限制在一定范圍內(nèi)，而在點(diǎn)云的葉節(jié)點(diǎn)處，以葉立方體的中心位置代表葉立方體內(nèi)點(diǎn)云的位置信息，或用離散坐標(biāo)的形式描述立方體內(nèi)點(diǎn)云的位置信息。前者稱之為點(diǎn)云位置合并壓縮，后者稱之為點(diǎn)云位置細(xì)節(jié)壓縮。

點(diǎn)云位置信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，與16叉樹(或8叉樹)二進(jìn)制序列碼區(qū)分開來單獨(dú)編碼，稱之為位置細(xì)節(jié)二進(jìn)制序列碼[8]。點(diǎn)云其他相關(guān)信息——如顏色、根節(jié)點(diǎn)所代表的立方體容積、8叉樹(或16叉樹)的深度值等——的編碼統(tǒng)稱為特征二進(jìn)制序列碼。

2.3適合醫(yī)療環(huán)境的壓縮算法

KinectPCD壓縮方案可分為4種：第1種是包含點(diǎn)云位置合并壓縮的8叉樹壓縮；第2種是包含點(diǎn)云位置合并壓縮的16叉樹壓縮；第3種是包含點(diǎn)云位置細(xì)節(jié)壓縮的8叉樹壓縮；第4種是包含點(diǎn)云位置細(xì)節(jié)壓縮的16叉樹壓縮。

對(duì)于醫(yī)療環(huán)境中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用第1種或第3種方案，即使經(jīng)過壓縮后，數(shù)據(jù)量仍然較大，并不適用于實(shí)時(shí)傳輸。16叉樹相對(duì)于8叉樹而言，能夠有效降低位數(shù)/像素(bitsperpixel，bpp)，壓縮精度更高。不過，若采用第2種方案，點(diǎn)云位置合并壓縮雖可降低壓縮算法的計(jì)算復(fù)雜度，但同時(shí)也會(huì)降低計(jì)算精確度，而點(diǎn)云位置細(xì)節(jié)壓縮在實(shí)時(shí)條件下不僅能夠降低壓縮算法的計(jì)算復(fù)雜度，而且能夠提高計(jì)算精確度。因此，選用第4種方案來設(shè)計(jì)具備動(dòng)態(tài)特征的壓縮方案。

3醫(yī)療環(huán)境下的動(dòng)態(tài)壓縮傳輸方案

3.1Kinect視頻傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)壓縮傳輸方案

在具體醫(yī)療環(huán)境中，病人行動(dòng)相對(duì)緩慢，且經(jīng)常需要醫(yī)生進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，故在設(shè)計(jì)壓縮方案時(shí)，應(yīng)盡量剔除冗余信息，降低復(fù)雜度，節(jié)省帶寬，以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。

在實(shí)時(shí)診斷中，考慮到需要傳輸?shù)腜CD幀數(shù)變化幅度較大，而且現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬不穩(wěn)定，為保證KinectPCD視頻的質(zhì)量，將動(dòng)態(tài)壓縮傳輸方案分為數(shù)據(jù)傳輸可行性判定和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段。

Kinect視頻傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)壓縮傳輸方案可具體描述如下。

步驟1對(duì)病人進(jìn)行Kinect視頻采集，得到KinectPCD。

步驟2由幀丟棄技術(shù)確定每秒的幀實(shí)際傳輸數(shù)預(yù)測(cè)值Ptransport。

步驟3由Ptransport計(jì)算最低帶寬要求Brequire，同時(shí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬Breal。

步驟4由Brequire和Breal計(jì)算最低壓縮倍數(shù)N。

步驟5比較N和醫(yī)生自行確定的最大壓縮倍數(shù)Nh。如果N≤Nh，則轉(zhuǎn)至下一步，否則放棄傳輸。

步驟6用基于16叉樹的壓縮算法對(duì)KinectPCD進(jìn)行壓縮。

步驟7將壓縮后的KinectPCD傳輸至服務(wù)器，即醫(yī)生所在的監(jiān)控端。

其中步驟1～5即為數(shù)據(jù)傳輸可行性判定階段，步驟6～7即為數(shù)據(jù)傳輸階段。

3.2幀丟棄

在具體醫(yī)療環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸條件下，可通過“幀丟棄”對(duì)基于16叉樹的點(diǎn)云壓縮加以改進(jìn)。比較發(fā)送端當(dāng)前幀和上一幀的圖像，若變化很小，則丟棄當(dāng)前幀圖像，不予傳輸。此改進(jìn)可在病人運(yùn)動(dòng)緩慢的情況下減少每秒傳輸幀數(shù)，節(jié)省帶寬。

確定是否丟棄當(dāng)前幀的方案有兩套。

方案1在壓縮比例一定，即葉立方體大小一定的條件下，若從根節(jié)點(diǎn)開始，X層之內(nèi)的異或結(jié)果均為00 000 000，則將當(dāng)前16叉樹的異或結(jié)果當(dāng)作全0處理，舍棄當(dāng)前幀。其中X由當(dāng)前壓縮比例所決定。

方案2從16叉樹根節(jié)點(diǎn)所在層的下一層開始，給每層設(shè)置權(quán)值，如第1層的權(quán)值為1，第2層的權(quán)值為a，第3層的權(quán)值為b……，之后用異或結(jié)果中的1與之相乘，再相加，最后得到一個(gè)加權(quán)和。對(duì)于加權(quán)和過低的幀，則丟棄。

在時(shí)長(zhǎng)為t秒的時(shí)間段內(nèi)，記其幀丟棄數(shù)為Fabandon(t)，幀實(shí)際傳輸數(shù)為Ftransport(t)，則此時(shí)間段末對(duì)下一秒的實(shí)際傳輸數(shù)預(yù)測(cè)值為

Ptransport(t)=Ftransport(t)-Ftransport(t-1)。

參考前一秒的壓縮倍數(shù)N(t-1),可得下一秒數(shù)據(jù)傳輸最低帶寬預(yù)測(cè)值Brequire(Ptransport(t),N(t-1))。

3.3網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬

系統(tǒng)每隔一段時(shí)間(如30s)向服務(wù)器發(fā)送3個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)包并且請(qǐng)求響應(yīng),在接到響應(yīng)后，根據(jù)每個(gè)測(cè)試包的大小和往返時(shí)延計(jì)算帶寬并取平均值,以確定網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬。

設(shè)時(shí)刻t所發(fā)送測(cè)試包i(i=1,2,3)的大小為Pi(t)，其在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)耐禃r(shí)延為τi(t)，則此刻網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬為

不同于服務(wù)商提供的名義帶寬，此帶寬為實(shí)時(shí)測(cè)試所得，代表著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)能力，對(duì)于判斷系統(tǒng)傳輸PCD的可靠性至關(guān)重要。

3.4系統(tǒng)運(yùn)行接受條件

在具體醫(yī)療環(huán)境中，醫(yī)生對(duì)病人的監(jiān)控直接影響著病情診斷。傳輸開始階段，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷是否接受傳輸請(qǐng)求，以避免影響監(jiān)控端視頻顯示質(zhì)量，造成醫(yī)生對(duì)病人的病情誤判。系統(tǒng)運(yùn)行接受條件的具體步驟可描述如下。

(1) 醫(yī)生根據(jù)醫(yī)療環(huán)境需要設(shè)定一個(gè)壓縮倍數(shù)最大值Nh，如果N(t)>Nh就有可能導(dǎo)致醫(yī)生對(duì)病人病情的誤判。

(2) 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)計(jì)算時(shí)刻t+1最低帶寬要求的預(yù)測(cè)值Brequire(Ptransport(t),N(t-1))，以及時(shí)刻t網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬Breal(t)，并由此計(jì)算出時(shí)刻t+1壓縮倍數(shù)的預(yù)測(cè)值N(t+1)。

(3) 對(duì)比Nh和N(t+1)，如果N(t+1)≤Nh,則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，否則系統(tǒng)終止運(yùn)行。

3.5動(dòng)態(tài)調(diào)整壓縮比例

現(xiàn)實(shí)醫(yī)療環(huán)境下的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸必須根據(jù)當(dāng)前帶寬狀況，提供最佳監(jiān)控端視頻顯示質(zhì)量，這就需要對(duì)PCD進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮，亦即，系統(tǒng)不對(duì)PCD按照固定比例進(jìn)行壓縮，而是依據(jù)帶寬狀況自動(dòng)調(diào)整壓縮比例。

對(duì)于包含點(diǎn)云位置細(xì)節(jié)壓縮的16叉樹壓縮，決定壓縮比例的是葉立方體的體積，或葉節(jié)點(diǎn)的深度值，或固定點(diǎn)云的bpp，此三者等效。不妨以葉立方體邊長(zhǎng)p作為決定壓縮倍數(shù)N(t)的標(biāo)量，其中p正比于N(t)。

壓縮比例的動(dòng)態(tài)調(diào)整應(yīng)與系統(tǒng)運(yùn)行接受條件相結(jié)合。系統(tǒng)在計(jì)算出時(shí)刻t+1最低帶寬要求的預(yù)測(cè)值Brequire(Ptransport(t),N(t-1))以及時(shí)刻t的網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)帶寬Breal(t)之后，通過

計(jì)算時(shí)刻t+1的壓縮倍數(shù)N(t+1)。

動(dòng)態(tài)壓縮技術(shù)和幀丟棄技術(shù)的兩套幀丟棄方案并不沖突。其原因在于，壓縮比例只和葉節(jié)點(diǎn)在16叉樹中的深度有關(guān)，而方案1中“X層”是從根節(jié)點(diǎn)開始計(jì)算的，方案2中每層的權(quán)值是以根節(jié)點(diǎn)所在層的權(quán)值為最大，隨著層數(shù)增加，權(quán)值也依次遞減。在壓縮倍數(shù)N(t)增加的情況下，幀丟棄率也會(huì)增加，進(jìn)一步節(jié)省帶寬。在壓縮倍數(shù)N(t)減小的情況下，對(duì)于方案1，如果“X層”中不包含新增立方體所在層，則不會(huì)影響幀丟棄率，反之，則會(huì)影響幀丟棄率，而對(duì)于方案2，16叉樹的深度越大，對(duì)幀丟棄率的影響越小，反之則越大。

4仿真實(shí)驗(yàn)

使用C++編程模擬數(shù)據(jù)可行性判定階段的工作狀況。在Brequire(Ptransport(t),N(t-1))和Breal(t)一定的條件下，編程計(jì)算時(shí)刻t+1的壓縮倍數(shù)N(t+1)，以檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行終止條件的工作狀況。

由于僅模擬系統(tǒng)在時(shí)刻t數(shù)據(jù)傳輸可行性判定階段的工作狀況，故可假設(shè)N(t-1)為常數(shù)，并不影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

假設(shè)系統(tǒng)每秒最多能夠傳輸30幀，每幀需要使用3MB數(shù)據(jù)量表示，則時(shí)刻t+1最低帶寬要求的預(yù)測(cè)值為720Mbps?？紤]到具體醫(yī)療環(huán)境，假設(shè)壓縮倍數(shù)的最大值為Nh=100。

在Ptransport(t)和Breal(t)的不同取值條件下，計(jì)算壓縮倍數(shù)的預(yù)測(cè)值N(t+1)，相應(yīng)結(jié)果如表1所示。

表1　壓縮倍數(shù)的預(yù)測(cè)值

在康復(fù)診斷時(shí)，病人移動(dòng)一般較為緩慢，每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)一般在5～10之間。如果帶寬為10Mbps，壓縮倍數(shù)則為12～24。根據(jù)文[8]，這個(gè)壓縮倍數(shù)的傳輸質(zhì)量是較為滿意的。

以“0”代表進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，“1”代表放棄傳輸，則系統(tǒng)運(yùn)行終止條件的工作狀況如表2所示。

表2　系統(tǒng)運(yùn)行終止條件的工作狀況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,KinectPCD視頻動(dòng)態(tài)壓縮傳輸方案中的數(shù)據(jù)傳輸可行性判定階段具有良好的可實(shí)現(xiàn)性和可操作性。

5結(jié)語

提出一種基于Kinect點(diǎn)云數(shù)據(jù)(PCD)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)，它具備智能診斷和實(shí)時(shí)診斷兩種工作模式，患者可通過智能診斷進(jìn)行自我康復(fù)狀態(tài)評(píng)估，或者可通過實(shí)時(shí)診斷由醫(yī)生評(píng)估患者康復(fù)狀態(tài)。針對(duì)PCD的實(shí)時(shí)傳輸帶寬的高要求，設(shè)計(jì)了PCD實(shí)時(shí)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)壓縮方案。在16叉樹壓縮算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的最優(yōu)壓縮。利用幀丟棄技術(shù)降低對(duì)實(shí)際帶寬的需求，同時(shí)提高了傳輸質(zhì)量。整個(gè)系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算各種參數(shù)并進(jìn)行自行調(diào)節(jié)?；贑++的數(shù)值分析和工作流程模擬驗(yàn)證了方案的可行性。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

Real-timeKinectpointclouddatatransmissionintelemedicineapplications

LIMing1,CHENYilin1,2,PanXiaoying2

(1.CollegeofScienceandMathematics,CaliforniaStateUniversity,Fresno93740,USA;2.SchoolofComputerScienceandTechnology,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)

Abstract:A kinect point cloud data (PCD) based telerehabilitation system is proposed and a dynamic compression scheme for real-time PCD transmission to address the system requirement for high network bandwidth is designed. In this scheme frame skipping technology is used to decide number of frames to be transferred and then the lowest bandwidth requirement and the network realizable bandwidth for the estimation of the lowest required PCD compression ratio are calculated. These are then applied to obtain the differential octree compressed data for network transmission. A C++ based data analysis and a workflow simulation are carried out on this scheme. Results show that this scheme can keep transmission quality under limited network bandwidth, thereby ensure the system real-time communication.

Keywords:telemedicine, Kinect, point cloud data (PCD), real-time transport, differential octree

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.006

收稿日期：2014-08-26

基金項(xiàng)目：美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1229213)

作者簡(jiǎn)介：李明(1974-)，男，博士，副教授，從事無線網(wǎng)絡(luò)研究。E-mail:mingli@csufresno.edu 陳怡霖(1985-),男，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗝襟w數(shù)據(jù)傳輸。E-mail:xiyoucyl@126.com

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6533(2016)01-0033-05