一种基于最优视点选择的多视点光学定位方法及系统与流程

本发明涉及手术导航技术领域,具体涉及一种基于最优视点选择的多视点光学定位方法及系统。

背景技术：

目前，外科手术朝着越来越精细、越来越复杂的方向发展。手术导航系统对缩短手术时间、减小手术伤口、提高手术的精准度有重要意义。导航系统的精度主要取决于空间定位技术的精度。光学定位技术是目前手术导航系统中定位精度最高的一种定位方法。高精度的光学定位手术导航系统是手术导航定位系统的主要发展方向。

国际上先进的光学定位手术导航系统有加拿大北方数字股份有限公司(ndi公司)的光学运动捕捉系统(polaris系统)。在专利公开号ep1034440b1中，ndi提出一种通过一对传感器接收目标源的信号，然后计算传感器中图像来确定目标在空间中位置的方法。

然而，当存在一个视点与目标之间有物体阻碍时，视点无法接收目标发出的红外光，系统无法对目标进行定位。

技术实现要素：

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明为了解决光学定位技术中因为光线被遮挡而无法追踪光学定位标记物的问题，公开了一种基于最优视点选择的多视点光学定位方法与系统。利用多个视点同步获取光学定位标记物的图像，避免因视点被遮挡无法获得标记物图像的情况。当部分视点因光线遮挡无法捕获光学定位标记物时，本发明通过对不受光线遮挡视点的最优视点的选择，完成光学定位标记物的采集和定位，然后根据光学定位标记物与定位器械尖端点的位置关系确定定位器械的位姿。

具体的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于最优视点选择的多视点光学定位方法，包括：

多视点的空间布置与统一坐标系的建立步骤，建立平行式多视点阵列，通过相机标定方法与坐标系变换获得多视点统一的坐标系；

视点选择步骤，根据各视点与光学定位标记物的遮挡情况，以及光学标记物与各视点之间的空间位置关系，选择定位光学标记物所需要使用的视点，重建光学定位标记物的空间坐标；

定位步骤，根据光学定位标记物与定位器械尖端点的位置关系确定定位器械的位姿。

所述的多视点的空间布置与统一坐标系的建立步骤为：

(1)在空间中平行放置多个采集视点；

(2)采用相机标定方法获得所述多个采集视点的内外部参数；

(3)多视点同步采集图像，并计算每个视点下光学定位标记物的中心像素坐标；

(4)确定各视点下光学定位标记物之间的对应关系，利用双目视觉原理对光学定位标记物的空间坐标进行三维重建，计算出各个光学定位标记物在不同视点对下的空间坐标；

(5)利用坐标系变换计算不同视点对的空间坐标系之间的转换矩阵。

所述的视点选择与手术器械定位步骤为：

(1)控制多视点同步采集图像，并计算每个视点下光学定位标记物的中心像素坐标和光学定位标记物的个数；

(2)确定各视点中光学定位标记物之间的对应关系，判断各视点有无遮挡；

(3)根据各视点与光学定位标记物的遮挡情况，以及光学标记物与各视点之间的空间位置关系，选择对光学定位标记物进行定位所要使用的视点对；

(4)利用双目视觉原理对各光学定位标记物的空间坐标进行三维重建；

(5)将重建的光学定位标记物的空间坐标转换成参考坐标系中的空间坐标。

优选的，所述平行式多视点阵列是各视点的成像平面平行，各视点的光轴平行，各视点的光心在一条水平线上。

优选的，所述光学定位标记物是主动发光和/或被动发光的。

优选的，所述的多个视点为三个或更多视点。

所述各视点与光学定位标记物的遮挡情况是根据各视点中标记物数量判断，如果用n(n>＝3)个光学定位标记物定位一个定位器械，捕获标记物数量小于n的视点为存在光线遮挡的视点；捕获标记物数量等于n的视点为无遮挡的视点。

所述选择对光学定位标记物进行定位所要使用的视点对的具体规则是：

如果用n(n>＝3)个光学定位标记物定位一个定位器械，部分视点存在遮挡时，则选择捕获标记物数量等于n的视点；

当存在多个视点可捕获所述n个光学定位标记物时，选择基线距离最大的视点对。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于最优视点选择的多视点光学定位系统，包括：

多视点的空间布置与统一坐标系的建立模块，建立平行式多视点阵列，通过相机标定方法，与坐标系变换获得多视点统一的坐标系；

视点选择模块，根据各视点与光学定位标记物的遮挡情况，以及光学标记物与各视点之间的空间位置关系，选择对光学定位标记物进行定位所要使用的视点，重建光学定位标记物的空间坐标；

定位模块，根据光学定位标记物与定位器械尖端点的位置关系确定定位器械的位姿。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；其中，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序适于由所述处理器加载并执行如上的方法步骤。

本发明的有益效果在于：本发明利用多视点获取光学定位标记物的图像，解决当部分视点与光学定位标记物之间存在遮挡而无法定位的问题；提出了利用坐标系变换技术，建立多视点统一坐标系；提供了一种基于最优视点选择的多视点光学定位方法。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明具体实施方式的硬件设备结构图。

图2是本发明具体实施多视点光学定位方法的流程图。

图3是本发明具体实施多视点统一坐标系建立的步骤及流程示意图。

图4是本发明具体实施视点选择的步骤及流程示意图。

图5是深度和视差的关系示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

附图1示出了根据本发明实施方式的硬件设施结构图；本发明提出一种多视点光学定位系统，包括两台立体相机(每个立体相机包括两个摄像机1，因此共计四个摄像机1)、工作站2、显示器3、直流电源4、手术器械5。手术器械5上具有三个光学定位标记物6。四个摄像机1在空间中水平放置，两两摄像机1间的距离分别为d1,d2,d3,d4,d5,d6。四个摄像机1同步拍摄手术器械5上光学定位标记物6的图像，获得的图像由工作站2接收并处理，经过手术器械5上各光学定位标记物6与器械尖端之间的位置关系计算手术器械5尖端点的空间坐标，然后显示在显示器3上，从而实时显示手术器械尖端的空间坐标。

如附图2所示，本发明的基于最优视点选择的多视点光学定位方法共分为三个步骤，一是多视点的空间布置与统一坐标系的建立步骤。建立平行式多视点阵列，通过相机标定方法，与坐标系变换技术获得多视点统一的坐标系；二是视点选择步骤。根据各视点与手术器械上光学定位标记物的遮挡情况和光学标记物与各视点之间的空间位置关系，选择对光学定位标记物进行定位所要使用的视点对确定光学定位标记物的空间坐标；三是手术器械定位步骤，根据光学定位标记物与手术器械尖端点的位置关系确定手术器械的位姿。

如附图3所示，详细说明本发明具体实施多视点的空间布置与统一坐标系建立的步骤及流程。

步骤s1：建立平行式多视点阵列

在空间中水平放置两台立体相机。

步骤s2：通过标定获得各视点的内外参数

采用张正友平面标定法获得四个视点的内部参数及不同视点之间的外部参数。

步骤s3：多视点同步获得图像

控制同一台电脑1394卡总线上的立体相机同步采集图像。

步骤s4：计算光学定位标记物图像中心像素坐标和个数

利用区域生长法统计每个视点下光学定位标记物图像点的中心像素坐标和图像点个数。

步骤s5：多视点下标记物图像的匹配

同步获取各个视点下的图像并计算每个视点下光学定位标记物图像点的中心像素坐标和图像点个数。因为多个视点的光心大致在一条直线上，而且成像平面大致平行，所以光学定位标记物在其中一个视点成像平面上的图像点与它匹配的其它视点的图像点在同一水平线附近，图像点纵坐标差在2个像素以内，则认为是所述的同一水平线附近。当同一水平线附近有多个图像点时，再根据横坐标的相对关系确定光学定位标记物图像点的匹配关系。一一确定每幅图像上标记物图像点之间的对应关系。

步骤s6：两两视点建立双目视觉系统，计算标记物的空间坐标

确定每幅图像上标记物图像点之间的对应关系之后，利用双目视觉原理对器械上标记物的空间坐标进行三维重建，计算出各个光学定位标记物在不同双目视觉系统下的空间坐标。

步骤s7：计算不同双目视觉系统中光学定位标记物坐标之间变换关系

通过双目立体视点系统重建出的光学定位标记物的空间坐标，与构成这个双目视觉系统的两个视点在空间中的位置有关，不同双目立体视点系统重建出的同一标记物的坐标不同。不同双目视觉系统中光学定位标记物坐标变换满足刚体变换。利用坐标系变换技术获取不同双目视觉系统的空间坐标系之间的转换矩阵，如公式(1)所示。

p′＝r′tpt+t′t(1)

其中p′是空间中的点在参考坐标系下的坐标，pi为利用不同双目视觉重建出的空间坐标，r′i和t′i为不同双目视觉形成的坐标系转换到参考坐标系的参数，本发明一般以1,2视点(即图1中左边的第一个和第二个相机所代表的视点)重建的坐标系为参考坐标系。

如附图4所示，详细说明本发明具体实施视点选择步骤的步骤及流程。

步骤s11：多视点同步获得图像

控制同一台电脑1394卡总线上的立体相机同步采集图像。

步骤s12：计算光学定位标记物图像点的中心像素坐标和个数

利用区域生长法统计每个视点下光学定位标记物图像点的中心像素坐标和图像点个数。

步骤s13：匹配多视点下光学定位标记物图像

在获取手术器械上光学定位标记物在各个视点下的图像后，通过立体匹配原理确定每个视点下光学定位标记物图像点之间的对应关系。消除器械或其他因素引起的反光形成的图像点后，统计各视点下光学定位标记物图像点的个数。

步骤s14：判断各视点有无遮挡

匹配多视点下标记物图像之后，因为每个手术器械上光学定位标记物个数固定(3个)，所以通过各视点下标记物图像点个数判断各视点与光学定位标记物之间的遮挡情况。如果是则排除存在遮挡的视点对后进入步骤s15，如果否则直接进入步骤s15。

步骤s15：判断是否存在两个以上视点获得完整的手术器械上标记物的图像

如果不存在两个以上的视点获得完整手术器械上光学定位标记物的图像，则返回步骤s11。如果存在则进入步骤s16。

步骤s16：判断是否仅存在两个视点获得完整的手术器械上光学定位标记物的图像

如果仅存在两个视点获得完整手术器械上光学定位标记物的图像，则直接进入步骤s18，进行三维重建，计算各光学定位标记物的三维空间坐标。如果否，则进入步骤s17。

步骤s17：选择可以进行重建的基线距离最大的视点对

当存在多个视点可捕获完整手术器械上光学定位标记物时，选择基线距离最大的视点对。

步骤s18：利用三维重建计算各光学定位标记物的空间坐标

利用双目视觉原理对器械上光学定位标记物的空间坐标进行三维重建，计算出各个标记物在所选双目视觉系统下的空间坐标。

步骤s19：将光学定位标记物的坐标转换到参考坐标系下

利用用于重建的两个视点组成的双目视觉系统的坐标与参考双目视觉系统坐标间的转换矩阵，将手术器械上标记物的空间坐标转换成参考坐标系下的坐标。

本发明同时提供一种选择最优视点的方法。如果出现多个视点能同时获得光学定位标记物的图像点时，则需要考虑最优视点对的选择。在深度方向，对于基线和焦距固定的双目视点，其最佳的深度测量范围是固定的。测量深度与视差的关系如公式(2)所示：

其中z为深度，b为两相机基线距离，即两相机间距离，f为相机焦距，xl与xr分别为标记物的图像点在左右视点像素坐标系上的横坐标，d为视差。

根据附图5可知，在深度大的位置，视差对深度的分辨精度变差，而根据公式(2)可知，视差取决于两相机间的基线距离，所以选择基线距离大的相机对手术器械进行定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。