本发明涉及显微镜标定，具体为一种精确度高的牙科手术显微镜标定方法。
背景技术：
：：1、牙科手术显微镜变倍体变倍比1：6.45，显微镜焦距200-550mm，光源物面照度6万以上等特点，在牙科根管治疗手术中被广泛使用。和标准光学镜头不同的是，牙科手术显微镜具有很高的放大倍率和很小的景深，当物体表面和显微镜角度较大时，就会出现相机失焦，图像模糊的情况。目前主流的相机标定算法都需要从不同角度拍摄标定板或需要标定板和显微镜有较大的夹角，来获取更多的几何信息，所以这些方法都不适用于景深小的牙科手术显微镜系统。2、目前主流的三种相机标定方法：3、（1）张正友标定方法，这是一种利用图片间的单应矩阵线性解出除畸变系数外所有参数的标定方法。4、（2）tsai算法，也叫两步法。假设图片只受径向畸变影响，也就是假设只在和相机成像面垂直的方向上存在畸变，据此建立相机内外参的线性方程组，进而通过最小二乘法解出所有参数。此方法标定快速，且精确度高，并且只需要拍摄一幅图片；5、（3）基于射影几何原理的标定方法：a.基于特征点间极线几何关系的自标定方法，这种方法需要匹配图片间物体的特征点，并且解析它们的基础矩阵以建立关于相机内外参的方程；b.guillou等利用消隐点标定相机；miyagawa等使用一维标定物通过一幅图像标定相机。6、张正友标定方法求出的相机参数虽然精度高且稳定，但是要得到图片之间的单应矩阵关系，至少要从角度明显不同的位置拍摄两幅图片，不适用于景深小的牙科显微镜系统，tsai算法一旦标定物和成像面之间的夹角小于30°，确立的线性方程组就会存在很大的奇异性，导致解出的参数不准，基于射影几何原理的标定方法需要分解基础矩阵或本质矩阵被，由于分解过程对噪声特别敏感，所以精确度不高，综合阐述，这些方法都不适用于牙科手术显微镜系统的标定；因此，不满足现有的需求，对此我们提出了一种精确度高的牙科手术显微镜标定方法。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种精确度高的牙科手术显微镜标定方法，能够有效的解决了标定板与显微镜之间存在倾斜角，导致参数不准，进而影响标定的准确性，提高了三维重构方法的速度，降低了显微镜中获取图像序列的复杂度，提高了三维重构的整体效率，还原的物体三维数据与真实尺寸信息接近，使得显微镜在使用时能够准确的还原出牙齿的点云数据，然后与cbct的数据进行配准融合，实现手术规划导航功能，解决了上述
背景技术：
：中提出的问题。2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种精确度高的牙科手术显微镜标定方法，包括以下步骤：3、s1：首先将标定板放置在显微镜下方，保证标定板与显微镜的平行，拍摄标定板的图片，并从所拍摄的标定板图片上读取坐标；4、s2：根据从图片上读取的坐标计算平移量和成像坐标系的原点的像素坐标，根据像素坐标计算得到旋转矩阵；5、s3：计算中间变量，并测量出显微镜的焦距，结合高斯成像模型计算出透镜物距和透镜像距；6、s4：利用已知的参数计算出标定点在没有旋转时的像素坐标，并利用计算得出的像素坐标和真实图片坐标计算出旋转角；7、s5：计算系统放大率和径向畸变参数，根据系统放大率、旋转角和径向畸变参数，计算得到显微镜的标定值；8、s6：对显微镜的标定值进行优化得到三维点云模型，根据三维点云模型得到显微镜双目重建的点云数据；9、s7：通过pcrnet模型对显微镜双目重建的点云数据与cbct数据进行配准融合。10、优选的，所述根据像素坐标计算得到旋转矩阵，计算公式如下：11、令，12、其中，代表接近0°的旋转角和，由13、=，14、其中，=/，=/，15、将标定板与显微镜相对平行方式放置，得到：16、=，17、上述公式中，为旋转矩阵，为像素高，为像素宽，γ为像素点在坐标（，）方向上尺度的偏差，为焦距。18、优选的，所述计算平移量，计算公式如下：19、，20、=，21、上述公式中，为平移矩阵，，，为平移量，为标定板的真实坐标，为标定板中一点在相机坐标系中的坐标；22、当23、=时，24、相机坐标系中的点投影到成像面坐标为：25、，26、在没有考虑到畸变对图像的影响时，引入畸变，由于显微镜透镜有畸变，需要对畸变进行校正，计算公式如下：27、，28、上述公式中，和为径向畸变的前两个畸变参数，和为被畸变后的成像坐标，为图像像素点到图像中心点的距离，和为相机坐标系中的点投影到成像面坐标，，即成像面坐标和像素坐标之间的关系可以表示成如下：29、，30、上述公式中，和表示成像坐标系的原点的像素坐标，和为像素坐标；31、以像素为单位，焦距可以表示为：32、，33、为水平等效焦距，为垂直等效焦距；34、由此可得到：35、，36、令，计算得到37、(+)+(-)+=，38、上述公式中，为矩阵，当矩阵求出后，平移量和的计算公式如下：39、。40、优选的，所述成像坐标系原点在像素坐标系对应的像素坐标，计算公式如下：41、。42、优选的，所述利用高斯成像定理求旋转角，计算公式如下：43、，44、上述公式中，为透镜物距，为透镜像距；45、当引入中间变量后，旋转角的计算公式如下：46、，47、结合当棋盘格旋转角度、接近0时旋转矩阵的计算公式、平移量计算公式、相机坐标系中的点投影到成像面坐标公式和高斯成像定理公式可得到：48、。49、优选的，所述计算系统放大率，计算公式如下：50、=<msup><mrow><mi>(</mi><msub><mi>x</mi><mi>p</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>c</mi><mi>x</mi></msub><mi>)</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mi>(</mi><msub><mi>y</mi><mi>p</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>c</mi><mi>y</mi></msub><mi>)</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>-</mi><mfrac><mrow><mi>2[</mi><msub><mi>t</mi><mi>x</mi></msub><mrow><msub><mi>x</mi><mi>p</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>c</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mi>y</mi></msub><mi>(</mi><msub><mi>y</mi><mi>p</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>c</mi><mi>y</mi></msub><mi>)]</mi></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mi>x</mi></msub><mi>(</mi><mi>m</mi><mi>-</mi><mi>1)</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>t</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>t</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>d</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mi>(</mi><mi>m</mi><mi>-</mi><mi>1)</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac>。51、优选的，所述根据径向畸变的前两个畸变参数求解畸变系数，计算公式如下：52、<mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>x</mi><mi>p</mi><mi>'</mi></msubsup><mi>-</mi><msub><mi>x</mi><mi>p</mi></msub><mi>=(</mi><msub><mi>x</mi><mi>p</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>c</mi><mi>x</mi></msub><mi>)[</mi><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow><mi>(</mi><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mi>)</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>]</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>y</mi><mi>p</mi><mi>'</mi></msubsup><mi>-</mi><msub><mi>y</mi><mi>p</mi></msub><mi>=(</mi><msub><mi>y</mi><mi>p</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>c</mi><mi>y</mi></msub><mi>)[</mi><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow><mi>(</mi><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mi>)</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>]</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>，53、上述公式中的和通过足够多图像利用最小二乘法求出。54、优选的，所述对显微镜的标定值进行优化得到三维点云模型，具体包括：55、根据标定板图像信息和像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对显微镜的内外参数进行初步标定，得到显微镜的内外参数初始标定值；56、建立优化程序，并在优化程序中输入成像方程、空间点图像坐标观察值以及待优化的参数初值；57、对显微镜的参数初始标定值进行优化，得到显微镜的参数优化标定值，采用最小化重投影误差对显微镜标定参数和三维点坐标进行优化，得到稀疏点云模型；58、对稀疏点云模型采用mvs算法进行稠密重构，获得空间目标密集的三维点云模型。59、优选的，所述最小化重投影误差的确定过程包括：60、对于每一个空间中的三维点，根据当前的显微镜的标定参数，获取所述三维点在图像平面上的理论投影位置；61、将所述理论投影位置与实际观测到的图像点位置进行比较，得到两者之间的差值，将所述差值作为重投影误差；62、利用所有三维点的投影误差获取误差最小化对应的目标误差，其中，所述误差最小化对应的目标误差对应的函数形式如下：63、，64、，65、其中，表示误差最小化对应的目标误差；表示优化之前的显微镜的标定参数对应向量，并且，所述标定参数对应向量包含了焦距、主点坐标和畸变系数；表示三维空间点的坐标集合；表示第个三维点的坐标；表示第个三维点在图像平面上的实际观测坐标；是根据相机参数将三维点投影到图像平面上的理论坐标；||.||表示范数；表示参与优化的三维点的数量；表示第个三维点对应的误差补偿系数；表示第个三维点对应的重投影误差；表示预设的重投影误差阈值；66、对三维空间点的坐标进行初始化，并调取用于最小化投影误差的优化算法；其中，所述优化算法采用梯度下降法；67、利用所述优化算法通过迭代方式对显微镜标定参数和三维点坐标进行优化得到稀疏点云模型。68、优选的，利用所述优化算法通过迭代方式对显微镜标定参数和三维点进行优化，包括：69、步骤1、调取每一个待优化的内外参数和三维点坐标的参数；70、步骤2、对于每一个待优化的内外参数和三维点坐标的参数获取重投影误差关于所述每一个待优化的内外参数和三维点坐标对应的参数的偏导数；其中，所述偏导数组成的向量即为重投影误差在当前参数值处的梯度；71、步骤3、调取参数更新模型，利用所述参数更新模型根据所述梯度按照所述梯度下降法的规则进行参数更新，其中，所述参数更新模型的模型结构如下：72、，73、，74、其中，表示更新后的参数；表示更新前的参数；表示预设的初始学习率；表示学习率进行调整时的单次最大调整幅度；表示个三维点对应的平均的重投影误差；表示个三维点对应的重投影误差最小值；75、步骤4、重复步骤2和步骤3的内容直至满足收敛条件，并在满足收敛条件时输出最终的优化参数作为显微镜的标定参数和三维点，其中，所述收敛条件即为重投影误差达到最小化投影误差。76、与现有技术相比，本发明的有益效果是：77、本发明的一种精确度高的牙科手术显微镜标定方法，通过计算旋转角和旋转矩阵，能够有效的解决了标定板与显微镜之间存在倾斜角，导致参数不准，进而影响标定的准确性，通过建立三维点云模型，提高了三维重构方法的速度，降低了显微镜中获取图像序列的复杂度，提高了三维重构的整体效率，利用显微镜对物体进行双目重建，还原的物体三维数据与真实尺寸信息接近，使得显微镜在使用时能够准确的还原出牙齿的点云数据，然后与cbct的数据进行配准融合，实现手术规划导航功能。当前第1页12当前第1页12