專利名稱：由可觀測標(biāo)記點定位所連接的空間物體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由可觀測標(biāo)記點定位所連接的空間物體的方法，是一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的新型標(biāo)記點定位方法，可用于外科手術(shù)及其它探測定位場合。屬于先進(jìn)制造與自動化(醫(yī)學(xué))領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
八十年代中期以來，機(jī)器視覺技術(shù)逐漸成熟完善，人們能夠在許多場合感知和獲得被遮擋物體的形狀和位置信息。這對于腦科醫(yī)師而言可謂意義重大——腦部病灶位置難以確定一直是腦外科手術(shù)中的一個技術(shù)難題，運(yùn)用機(jī)器視覺原理的探針定位法能夠在一定精度要求范圍內(nèi)解決這個難題[張珂，唐龍。計算機(jī)模擬手術(shù)中的交互技術(shù)。中國醫(yī)藥信息學(xué)研究。2001年合訂256-258]。該方法使用的探針呈釬狀，頂部固定有一圓球狀標(biāo)志物(可根據(jù)灰度特征從圖像場景中將標(biāo)志物分割識別出來)，中部另外固定有兩個圓球狀標(biāo)志物，三個標(biāo)志物的中心和探針尖端共線，頂部標(biāo)志物到探針尖端的距離已知，三個標(biāo)志物中心距離兩兩不等。定位時醫(yī)生手持探針，尖端點在生理特征點上，用立體視覺技術(shù)得到三個標(biāo)志物中心的坐標(biāo)信息，由三點之間的不同距離辨別出頂部標(biāo)志物和中部標(biāo)志物；用兩個中部標(biāo)志物中心的坐標(biāo)信息定出頂部標(biāo)志物中心到探針尖端的空間矢量方向，這樣就可以根據(jù)頂部標(biāo)志物中心的坐標(biāo)信息和頂部到尖端的已知距離計算出此時探針尖端所指的點的坐標(biāo)信息。這種定位方法的精確程度受制于探針的制造工藝，要保證三個圓球標(biāo)志物中心同探針尖端共線非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有探針定位技術(shù)的不足，提供一種由可觀測標(biāo)記點定位所連接的空間物體的方法，簡單易行，提高定位精度，容易推廣到各種標(biāo)記點定位場合。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明利用易求知三維坐標(biāo)信息的點去推知坐標(biāo)難求的點的坐標(biāo)信息。根據(jù)探針上空間位置相對固定的一組四個標(biāo)志點的坐標(biāo)信息建立一個探針坐標(biāo)系，確定探針尖端在探針坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，定位時根據(jù)當(dāng)時標(biāo)志點的空間坐標(biāo)建立探針坐標(biāo)系，計算出世界坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系的變換關(guān)系，就能夠通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到探針尖端在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)信息。
本發(fā)明的定位方法具體包括以下幾個步驟1.由一組標(biāo)記點建立一個探針坐標(biāo)系。通過探針上的四個標(biāo)記點建立一個探針坐標(biāo)系，四個標(biāo)記點中，三點共線或者接近共線，三點間的空間距離兩兩都不相等，稱另一點為第四點。探針坐標(biāo)系的建立過程如下共線(或接近共線)的三點中任選出兩點，與第四點構(gòu)成一個三個點的點集，將由這三個點確定的平面定為標(biāo)準(zhǔn)平面，要求將攝像機(jī)擺放在一個其主光軸在標(biāo)準(zhǔn)平面之外的位置。根據(jù)灰度特征從圖像中提取出四個標(biāo)記點，這四個標(biāo)記點在二維圖像中都有各自的對應(yīng)點。從攝像機(jī)模型來看，由于主光軸不在標(biāo)準(zhǔn)平面上，空間關(guān)系共線或接近共線的三點的二維圖像對應(yīng)點也接近共線關(guān)系，將這三個對應(yīng)點劃歸一處，余下的就是第四點的對應(yīng)點。根據(jù)三個共線(或接近共線)對應(yīng)點間的兩兩不相等的空間距離將這三個點區(qū)分開來，加上自然分出的第四點的對應(yīng)點，用立體視覺的原理從兩幅圖像的對應(yīng)點對中計算出四個空間點的三維坐標(biāo)。將共線(或接近共線)三個空間點中距離最大的兩個點的連線定為探針坐標(biāo)系的一條坐標(biāo)軸，并將這兩個點的中點定為坐標(biāo)系的原點。過坐標(biāo)原點在標(biāo)準(zhǔn)平面上作一條直線同求出的坐標(biāo)軸垂直，將這條直線定為探針坐標(biāo)系的第二條坐標(biāo)軸，由兩條坐標(biāo)軸叉乘出第三條坐標(biāo)軸，三條坐標(biāo)軸交匯于坐標(biāo)原點，這樣就建立了探針坐標(biāo)系。
2.探針的初始標(biāo)定。一旦探針制作完成，探針尖端在探針坐標(biāo)系中的坐標(biāo)就確定不變了。所以每支探針在制作完成后都要進(jìn)行一次初始標(biāo)定，以確定探針尖端在探針坐標(biāo)系中穩(wěn)定不變的坐標(biāo)信息。探針的目的就是要通過可觀測的標(biāo)記點坐標(biāo)信息得到不可直接測得的探針尖端坐標(biāo)。本方法利用探針尖端和選定的一個標(biāo)記點之間距離不變的事實，將確定探針尖端坐標(biāo)信息的問題抽象成已知球面上點求解球心的幾何模型。具體做法將探針尖端作為支點，轉(zhuǎn)動探針，獲得選定的這個標(biāo)記點在多個不同位置上的坐標(biāo)信息，取其中三個空間點構(gòu)成一個三角形，求出通過三角形外心且垂直于三角形所在平面的直線，采用不同的三點組合，求出另外一條過外心垂直三角形平面的直線。如果測量得到該標(biāo)機(jī)點在8個不同位置的坐標(biāo)信息，那么一共可以連出C83(＝56)個不同的三角形、引出56條不同的直線。理論上56條直線的交點唯一，就是所求的探針尖端?？捎捎趯嶋H測量的各個環(huán)節(jié)都不同程度地存在誤差，56條直線很可能不交于一點。用數(shù)值方法可以求出到56條直線距離平方和最小的點，可以認(rèn)為這組最優(yōu)解就是探針尖端的坐標(biāo)信息。探針有四個可觀測標(biāo)記點，每個標(biāo)記點都可作為選定標(biāo)記點求出一個探針尖端坐標(biāo)值，把得到的四個探針尖端坐標(biāo)值進(jìn)行一次算術(shù)平均，得到的坐標(biāo)就可以認(rèn)為是探針坐標(biāo)系中的探針尖端坐標(biāo)。
3.建立并用旋轉(zhuǎn)矩陣、平移向量描述攝像機(jī)坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。攝像機(jī)坐標(biāo)系原點到探針坐標(biāo)系原點在機(jī)器人坐標(biāo)系下的對應(yīng)位置構(gòu)成的向量就是平移向量。在建立探針坐標(biāo)系的步驟2中已經(jīng)得到了探針坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的向量表示，把這三個向量單位化。攝像機(jī)坐標(biāo)系下三個探針坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的單位向量與攝像機(jī)坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸的單位向量([1，0，0]，
，
)構(gòu)成一一對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此聯(lián)立出9個線性方程，求解出旋轉(zhuǎn)矩陣(3×3)的9個分量。由求解出的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量就可以建立攝像機(jī)坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系。
4.根據(jù)實際定位時探針上的四個標(biāo)記點建立探針坐標(biāo)系，根據(jù)探針初始標(biāo)定的數(shù)據(jù)得到此時探針尖端在探針坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，再根據(jù)建立探針坐標(biāo)系時探針坐標(biāo)軸的向量方向確定攝像機(jī)和探針坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系，最后由這轉(zhuǎn)換關(guān)系得到攝像機(jī)坐標(biāo)系下探針尖端的坐標(biāo)，完成對空間物體點的定位。
本發(fā)明的可觀測標(biāo)記點定位方法，可由采用探針定位延伸到標(biāo)記牌定位。將四個紅外標(biāo)記點(也可用其他發(fā)光材料制作可觀測標(biāo)記點。其中三點共線或者接近共線，三點間的空間距離兩兩都不相等，稱另一點為第四點)嵌在一塊標(biāo)記板上，搭成閉合電路；實際觀測讀取坐標(biāo)時利用攝像機(jī)中紅外標(biāo)記點的標(biāo)記信息即時建立一個標(biāo)記牌坐標(biāo)系(以下統(tǒng)一稱標(biāo)記牌坐標(biāo)系)，用旋轉(zhuǎn)矩陣、平移向量描述攝像機(jī)坐標(biāo)系和標(biāo)記牌坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。攝像機(jī)坐標(biāo)系原點到標(biāo)記牌坐標(biāo)系原點在機(jī)器人坐標(biāo)系下的對應(yīng)位置構(gòu)成的向量就是平移向量。如步驟2中定義方法確定標(biāo)記牌坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的向量表示，把這三個向量單位化。攝像機(jī)坐標(biāo)系下三個標(biāo)記牌坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的單位向量與攝像機(jī)坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸的單位向量([1，0，0]，
，
)構(gòu)成一一對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此聯(lián)立出9個線性方程，求解出旋轉(zhuǎn)矩陣(3×3)的9個分量。由求解出的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量就可以建立攝像機(jī)坐標(biāo)系和標(biāo)記牌坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，通過攝像機(jī)坐標(biāo)系中標(biāo)記牌上四個標(biāo)記點的空間坐標(biāo)信息得到空間物體位置信息，從而完成定位。
本發(fā)明的標(biāo)記點定位方法，能夠通過可觀測標(biāo)記點的坐標(biāo)信息得到同標(biāo)記點相連的空間物體的位置，不需要在探針制造工藝精確度上提出過多要求，依靠軟件方法實現(xiàn)的準(zhǔn)確的坐標(biāo)關(guān)系計算就能達(dá)到很高的定位精度，有效地控制了誤差源，減小了誤差量。本發(fā)明的定位方法可以應(yīng)用在外科手術(shù)領(lǐng)域以及其它工業(yè)測量場合。


圖1為本發(fā)明方法所使用探針的外形及標(biāo)記點排布位置。
圖1中，A、B、C、D為探針上的四個標(biāo)記點，空間排布位置固定，四個點共面或接近共面，其中A、B、C三點共線或接近共線，四個標(biāo)記點的三維坐標(biāo)信息能夠通過攝像機(jī)得到。
圖2是建立探針坐標(biāo)系的示意圖。
圖3為由球面上點求解球心的幾何模型示意圖。
圖4為攝像機(jī)坐標(biāo)系—探針(標(biāo)記牌)坐標(biāo)系變換關(guān)系示意圖，其中O-XYZ代表攝像機(jī)坐標(biāo)系，o1-xyz表示探針(標(biāo)記牌)坐標(biāo)系。
圖5是標(biāo)記牌及建立標(biāo)記牌坐標(biāo)系的示意圖，a、b、c、d為四個紅外發(fā)光二極管，空間排布位置固定，四個點共面或接近共面，其中a、b、c共線或接近共線。
具體實施例方式
為了更好地講解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
1.本發(fā)明方法所用探針如圖1所示。A、B、C、D四點為標(biāo)志點位置，A、B、C三點共線(并不需要嚴(yán)格實現(xiàn))。根據(jù)探針上的A、B、C、D四點建立一個坐標(biāo)系，稱為探針坐標(biāo)系。一旦規(guī)定了一種建立坐標(biāo)系的方法，通過四點建立的這個坐標(biāo)系就是唯一的。圖2是建立這個探針坐標(biāo)系的示意圖，將A、C、D所在的平面記為π，要求攝像機(jī)的主光軸在平面π之外，根據(jù)灰度特征從圖像中提取出四個標(biāo)志點。四個標(biāo)記點在二維圖像中都有各自的對應(yīng)點。找出二維圖像上的三個共線點，余下的第四點就是點D的對應(yīng)點。設(shè)三維空間點在相互距離上存在不等關(guān)系(如AB＞BC)，并且A、B、C點在二維圖像中也存在對應(yīng)點，那么在二維圖像中也一定存在相應(yīng)的不等關(guān)系，據(jù)此分別標(biāo)記出并用立體視覺方法得到A、B、C、D四點的三維空間坐標(biāo)信息。將A、C中點標(biāo)為E。連A、C兩點成有向直線，方向從A到C。在平面π上過點E作直線z垂直于y，將z變成指向直線y的D點側(cè)的有向直線。叉乘矢量y、z，得到矢量x。以E點為原點，矢量x、y、z為三個坐標(biāo)軸方向建立坐標(biāo)系。
2.探針的初始標(biāo)定。將探針尖端作為支點轉(zhuǎn)動探針，獲得同一個標(biāo)記點在多個不同位置的坐標(biāo)信息，取其中三個空間點(記為A、B、C)構(gòu)成一個三角形，如圖3。求出通過三角形外心O1且垂直于三角形所在平面的直線L1，再采用不同的三點組合(如A、B、D)，求出另外一條過外心垂直三角形平面的直線L2。如果測量得到8個不同位置的標(biāo)記點坐標(biāo)，那么一共可以連出C83(＝56)個不同的三角形、引出56條不同的直線。理論上56條直線的交點唯一，就是所求的標(biāo)記點?？捎捎趯嶋H測量的各個環(huán)節(jié)都不同程度地存在誤差，56條直線很可能不交于一點。用數(shù)值方法可以求出到56條直線距離平方和最小的點，可認(rèn)為這組最優(yōu)解就是該標(biāo)記點的坐標(biāo)信息。探針有四個標(biāo)記點，利用每個標(biāo)記點都能求得一個探針尖端坐標(biāo)信息，把得到的四個坐標(biāo)進(jìn)行算術(shù)平均，得到的坐標(biāo)就可以認(rèn)為是探針坐標(biāo)系中的探針尖端坐標(biāo)。
3.用立體視覺方法得到的A、B、C、D四點空間坐標(biāo)信息及據(jù)此建立的探針坐標(biāo)系都是基于攝像機(jī)坐標(biāo)系的，因此必須找出攝像機(jī)坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系間的變換關(guān)系。
坐標(biāo)系變換的一些基礎(chǔ)知識若某個點在坐標(biāo)系1下的坐標(biāo)為 在坐標(biāo)系2下的坐標(biāo)為 兩個坐標(biāo)間的關(guān)系可表示為p2→=Rp1→+T→]]> 分別是該點在坐標(biāo)系1和坐標(biāo)系2下的坐標(biāo)向量)[馬頌德，張正友.計算機(jī)視覺——計算機(jī)理論與算法基礎(chǔ).科學(xué)出版社.1998.96-97]。其中，矩陣R是一個3×3的正交方陣，表示旋轉(zhuǎn)變換，表示為R=rxxrxyrxzryxryyryzrzxrzyrzz]]> 表示平移矢量，T→=(tx,ty,tz)T.]]> 是第二個坐標(biāo)系原點在第一個坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，在這里就是圖3中點E在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。
如圖4，O-XYZ代表攝像機(jī)坐標(biāo)系，O是坐標(biāo)原點，X、Y、Z是坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸；o1-xyz表示探針坐標(biāo)系，o1是坐標(biāo)原點(圖3中點E)，x、y、z表示三個坐標(biāo)軸。攝像機(jī)坐標(biāo)系下，X、Y、Z軸的單位矢量方向分別是(1，0，0)、(0，1，0)、 (0，0，1)，分別記為 設(shè)探針坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸的矢量方向在攝像機(jī)坐標(biāo)系下表示為 單位化后記為 這樣， 就分別表示探針坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸正方向在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的單位矢量表示。保持坐標(biāo)原點O位置不變，對X、Y、Z軸進(jìn)行純旋轉(zhuǎn)變換。變換后的X、Y、Z軸矢量方向應(yīng)當(dāng)與x，y，z軸矢量方向相同?？杀硎緸?又是單位陣，所以R可以直接得到，就是 這樣，每一點在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)都能通過p2→=Rp1→+T→]]>變換成探針坐標(biāo)系坐標(biāo)( 為該點在攝像機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)， 為同一點在探針坐標(biāo)系下的坐標(biāo))，也可以通過p1→=R-1p2→-R-1T→]]>將探針坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換成攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
4.建立好探針坐標(biāo)系之后，再根據(jù)探針初始標(biāo)定的數(shù)據(jù)得到此時探針尖端在探針坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)建立探針坐標(biāo)系時探針坐標(biāo)軸的向量方向確定攝像機(jī)和探針坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系，最后由這轉(zhuǎn)換關(guān)系得到攝像機(jī)坐標(biāo)系下探針尖端的坐標(biāo)，完成對空間物體點的定位。
本發(fā)明的可觀測標(biāo)記點定位方法，可由采用探針定位推廣到標(biāo)記牌定位，如圖5所示。通過標(biāo)記牌上的a、b、c、d四點確定出建立一個坐標(biāo)系(且稱之為標(biāo)記牌坐標(biāo)系)?？梢?guī)定一種建立標(biāo)記牌坐標(biāo)系的方法，使得通過四點建立的這個坐標(biāo)系唯一。具體方法如下將a、c、d所在的平面記為π，要求攝像機(jī)的主光軸在平面π之外，根據(jù)灰度特征從圖像中提取出四個標(biāo)志點。四個標(biāo)記點在二維圖像中都有各自的對應(yīng)點。從攝像機(jī)模型來看，由于主光軸不在平面π上，a、c、d的三個對應(yīng)點接近共線關(guān)系，將這三個點劃歸在一處，余下的那個點就是點d的對應(yīng)點。如果三維空間距離關(guān)系有ab＞bc(a、b、c沿共線方向順次排列)，并且a、b、c點在二維圖像中分別對應(yīng)a′、b′和c′，那么在二維圖像中也有a′b′＞b′c′，據(jù)此分別標(biāo)記出并用立體視覺方法得到a、b、c、d四點的三維空間坐標(biāo)信息。將a、c中點標(biāo)為e。連a、c兩點成有向直線，方向從a到c。在平面π上過點e作直線z垂直于y，將z變成指向直線y的d點側(cè)的有向直線。叉乘矢量y、z，得到矢量x。以e點為原點，矢量x、y、z為三個坐標(biāo)軸方向建立坐標(biāo)系。如圖4，O-XYZ代表攝像機(jī)坐標(biāo)系，O是坐標(biāo)原點，X、Y、Z是坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸；o1-xyz表示標(biāo)記牌坐標(biāo)系，o1是坐標(biāo)原點(圖3中點e)，x、y、z表示三個坐標(biāo)軸。攝像機(jī)坐標(biāo)系下，X、Y、Z軸的單位矢量方向分別是(1，0，0)、(0，1，0)、(0，0，1)，分別記為 設(shè)標(biāo)記牌坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸的矢量方向在攝像機(jī)坐標(biāo)系下表示為 單位化后記為 這樣， 就分別表示標(biāo)記牌坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸正方向在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的單位矢量表示。保持坐標(biāo)原點O位置不變，對X、Y、Z軸進(jìn)行純旋轉(zhuǎn)變換。變換后的X、Y、Z軸矢量方向應(yīng)當(dāng)與x，y，z軸矢量方向相同?？杀硎緸?又是單位陣，所以R可以直接得到，就是 這樣，每一點在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)都能通過p2→=Rp1→+T→]]>變換成標(biāo)記牌坐標(biāo)系坐標(biāo)( 為該點在攝像機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)， 為同一點在標(biāo)記牌坐標(biāo)系下的坐標(biāo))，也可以通過p1→=R-1p2→-R-1T→]]>將標(biāo)記牌坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換成攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
這樣就能夠通過攝像機(jī)中顯示的標(biāo)記牌四個標(biāo)記點的坐標(biāo)信息得到標(biāo)記牌固定著的部件的位置信息，從而通過標(biāo)記牌和攝像機(jī)完成定位任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種由可觀測標(biāo)記點定位所連接的空間物體的方法，其特征在于包括如下具體步驟1)由一組標(biāo)志點建立一個探針坐標(biāo)系從探針上共線或接近共線的三點標(biāo)記點中任選出兩點，與第四點構(gòu)成一個三個點的點集，將由這三個點確定的平面定為標(biāo)準(zhǔn)平面，將攝像機(jī)擺放在一個其主光軸在標(biāo)準(zhǔn)平面之外的位置，根據(jù)灰度特征從圖像中提取出四個標(biāo)記點，并找出這四個標(biāo)記點在二維圖像中各自的對應(yīng)點，從兩幅圖像的對應(yīng)點對中得到四個空間點的三維坐標(biāo)，將共線或接近共線的三個空間點中距離最大的兩個點的連線定為探針坐標(biāo)系的一條坐標(biāo)軸，并將這兩個點的中點定為坐標(biāo)系的原點，過坐標(biāo)原點在標(biāo)準(zhǔn)平面上作一條直線同求出的坐標(biāo)軸垂直，將這條直線定為探針坐標(biāo)系的第二條坐標(biāo)軸，由兩條坐標(biāo)軸叉乘出第三條坐標(biāo)軸，三條坐標(biāo)軸交匯于坐標(biāo)原點，這樣就建立了探針坐標(biāo)系；2)探針的初始標(biāo)定將探針尖端作為支點轉(zhuǎn)動探針，獲得同一個標(biāo)記點在多個不同位置的坐標(biāo)信息，取其中三個空間點構(gòu)成一個三角形，求出通過三角形外心且垂直于三角形所在平面的直線，采用不同的三點組合，分別求出所有過外心垂直三角形平面的直線，用數(shù)值方法找出到這些直線距離平方和最小的點作為該標(biāo)記點的坐標(biāo)信息，根據(jù)探針的四個標(biāo)記點得到的四個坐標(biāo)進(jìn)行算術(shù)平均，得到探針坐標(biāo)系中的探針尖端坐標(biāo)；3)建立攝像機(jī)坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系攝像機(jī)坐標(biāo)系原點到探針坐標(biāo)系原點在機(jī)器人坐標(biāo)系下的對應(yīng)位置構(gòu)成的向量就是平移向量，把得到的探針坐標(biāo)系中的探針尖端坐標(biāo)三個向量單位化，根據(jù)攝像機(jī)坐標(biāo)系下三個探針坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的單位向量與攝像機(jī)坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸的單位向量構(gòu)成的對應(yīng)關(guān)系聯(lián)立線性方程，由求解出的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量建立攝像機(jī)坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系；4)根據(jù)實際定位時探針上的四個標(biāo)記點建立探針坐標(biāo)系，根據(jù)探針初始標(biāo)定的數(shù)據(jù)得到此時探針尖端在探針坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，再根據(jù)建立探針坐標(biāo)系時探針坐標(biāo)軸的向量方向確定攝像機(jī)和探針坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系，最后由這轉(zhuǎn)換關(guān)系得到攝像機(jī)坐標(biāo)系下探針尖端的坐標(biāo)，完成對空間物體點的定位。
2.如權(quán)利要求1的由可觀測標(biāo)記點定位所連接的空間物體的方法，其特征在于所述的探針采用標(biāo)記牌代替，四個紅外標(biāo)記點嵌在一塊標(biāo)記牌上，經(jīng)標(biāo)記牌坐標(biāo)系的建立，標(biāo)記牌的初始標(biāo)定，建立攝像機(jī)坐標(biāo)系和標(biāo)記牌坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系后，通過攝像機(jī)坐標(biāo)系中標(biāo)記牌上四個標(biāo)記點的空間坐標(biāo)信息得到與標(biāo)記牌連接固定的空間物體的位置信息，從而完成定位。
全文摘要
本發(fā)明提出一種由可觀測標(biāo)記點定位所連接的空間物體的方法，根據(jù)探針上空間位置相對固定的一組四個標(biāo)志點的坐標(biāo)信息建立一個探針坐標(biāo)系，確定探針尖端在探針坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，定位時根據(jù)當(dāng)時標(biāo)志點的空間坐標(biāo)建立探針坐標(biāo)系，計算出世界坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系的變換關(guān)系，就能夠通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到探針尖端在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)信息。本發(fā)明能夠通過可觀測標(biāo)記點的坐標(biāo)信息得到同標(biāo)記點相連的空間物體的位置，對探針制造工藝要求不苛刻，有效地控制了誤差源，定位精度高。本發(fā)明的定位方法可以應(yīng)用在外科手術(shù)領(lǐng)域以及其它工業(yè)測量場合。
文檔編號A61B19/00GK1559356SQ20041001686
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月11日
發(fā)明者劉允才, 羅毅, 劉宏建 申請人:上海交通大學(xué)