專利名稱：空間變換用配準(zhǔn)塊及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是提出一種適合視覺定位的空間變換用配準(zhǔn)塊及其用于體數(shù)據(jù)空間與視覺空間配準(zhǔn)的方法。
背景技術(shù)：
通過視覺空間與體數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)，可以利用視覺引導(dǎo)完成對物體內(nèi)部的加工操作。常用空間配準(zhǔn)方法有三類I.使用專用框架進行配準(zhǔn)。將物體安裝在配準(zhǔn)框架內(nèi)，采集體數(shù)據(jù)，通過配準(zhǔn)框架 的特征進行配準(zhǔn)，這種方法受到框架大小和安裝方式的限制，難以適應(yīng)物體尺寸、形狀的變化。2.利用物體的幾何特征進行配準(zhǔn)。如利用物體表面形成的曲面進行配準(zhǔn)，這種方式計算量很大，配準(zhǔn)時間較長。3.使用配準(zhǔn)塊進行配準(zhǔn)。在物體表面固定配準(zhǔn)塊，用來在不同的空間定位和識別配準(zhǔn)特征點，利用特征點完成空間的配準(zhǔn)。使用配準(zhǔn)塊配準(zhǔn)時，需要識別、定位用于空間配準(zhǔn)的特征點，但是人工定位配準(zhǔn)塊時易弓I入人員操作誤差。為減小第三種方法的配準(zhǔn)誤差，通常采用配準(zhǔn)塊自動識別定位的方法，如采用球形標(biāo)記物，處理圖像得到球的邊緣，進行圓或橢圓的擬合，并計算球心位置，實現(xiàn)配準(zhǔn)塊的定位。邊緣提取和圓的擬合需要大量計算；需要2幅以上圖像的處理才能在體數(shù)據(jù)空間中完成球心定位；為了進行可靠的圓擬合，需使用大尺寸的球體，使得配準(zhǔn)塊體積較大。在操作空間對配準(zhǔn)塊的定位方式也較多，如電磁式、光電式、立體視覺等。為了解決配準(zhǔn)塊與體數(shù)據(jù)成像設(shè)備的兼容問題，電磁和光電法需要使用特定材料制作的配準(zhǔn)塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為提高空間配準(zhǔn)的自動化程度、降低配準(zhǔn)塊成本、減小人員操作誤差，提供一種空間變換用配準(zhǔn)塊及其視覺定位配準(zhǔn)方法，它利用配準(zhǔn)塊在不同的待配準(zhǔn)空間中對配準(zhǔn)特征點進行自動或半自動定位以降低人員操作誤差，提高配準(zhǔn)精度，同時易于兼容各種成像設(shè)備，降低配準(zhǔn)塊成本。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種空間變換用配準(zhǔn)塊，它包括視覺標(biāo)記、蓋板、N形標(biāo)記、底座。視覺標(biāo)記粘貼或繪制在蓋板上，蓋板安裝在底座上，在底座內(nèi)設(shè)有N形標(biāo)記；N形標(biāo)記由利于體數(shù)據(jù)采集設(shè)備成像的材料制成或使用填充了成像粉劑或液劑的空心管加工。所述視覺標(biāo)記為至少具有三個公共頂點的類似于黑白棋盤格的黑色圖案塊，且這些公共頂點不共線。所述N形標(biāo)記內(nèi)充滿用于體數(shù)據(jù)成像設(shè)備成像的液劑或粉劑。所述蓋板一端設(shè)有凹口，所述底座設(shè)有凸口，凹口與凸口相互配合。一種采用空間變換用配準(zhǔn)塊的視覺定位配準(zhǔn)方法，
(I)將配準(zhǔn)塊固定在操作對象上，由透視成像設(shè)備獲得操作對象及配準(zhǔn)塊的體數(shù)據(jù)；利用體數(shù)據(jù)中兩層斷層圖像，對配準(zhǔn)塊內(nèi)N形標(biāo)記的中心進行定位，將該中心坐標(biāo)作為配準(zhǔn)塊的體數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)；(2)利用立體視覺定位系統(tǒng)對視覺標(biāo)記進行自動識別、定位，計算配準(zhǔn)塊內(nèi)N形標(biāo)記中心的坐標(biāo)，將它作為配準(zhǔn)塊在視覺空間中的坐標(biāo)；(3)利用仿射法或SVD法，計算體數(shù)據(jù)空間與視覺空間的空間變換陣，完成體數(shù)據(jù)空間與視覺空間的配準(zhǔn)。 所述步驟I)中，配準(zhǔn)塊的體數(shù)據(jù)空間定位方法為利用透視成像設(shè)備獲得配準(zhǔn)塊的斷層圖像，配準(zhǔn)塊內(nèi)包含裝有成像粉劑或液劑的管道構(gòu)成的N形標(biāo)記，N形標(biāo)記在圖像中有明亮的點狀成像，這些成像點可以用圖像邊緣提取等方法檢測定位。記O為體數(shù)據(jù)空間原點，N形標(biāo)記的左下角頂點記為Ii1，沿順時針方向 的其它三個頂點分別記為n2，n3, n4。以N形標(biāo)記的中心作為配準(zhǔn)特征點的位置，在體數(shù)據(jù)空間記該位置坐標(biāo)為Hi1 (X，y，z)，基于空間向量關(guān)系，其坐標(biāo)可由“i； =-^)/計算得到。在斷層圖像I1中，可檢測得到的N形標(biāo)記的外邊緣及其對角線的成像點，分別記為a1; b1； C1 ;在斷層圖像I2中檢測得到的相應(yīng)成像點分別記為a2，b2，c2。由于在N型標(biāo)記上,三角形B1Ii2Id1相似于三角形C1I^b1,即Δ H1^h1 Ac1I^b1,其對應(yīng)邊長成比例，即
權(quán)利要求
1.一種空間變換用標(biāo)記塊，其特征是，它包括蓋板，蓋板安裝在底座上，在蓋板上設(shè)有粘貼或繪制的視覺標(biāo)記，在底座內(nèi)設(shè)有N形標(biāo)記塊；底座安裝在托板上，在N形標(biāo)記塊為空心管，其內(nèi)填充成像物質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的空間變換用標(biāo)記塊，其特征是，所述視覺標(biāo)記為至少具有三個公共頂點的類似于黑白棋盤格的黑色圖案塊，且這些公共頂點不共線。
3.如權(quán)利要求I所述的空間變換用標(biāo)記塊，其特征是，所述成像物質(zhì)為用于體數(shù)據(jù)成像設(shè)備成像的液劑或粉劑。
4.如權(quán)利要求I所述的空間變換用標(biāo)記塊，其特征是，所述蓋板一端設(shè)有凹口，所述底座設(shè)有凸口，凹口與凸口相互配合。
5.一種采用權(quán)利要求I所述的空間變換用標(biāo)記塊的視覺定位配準(zhǔn)方法，其特征是， (1)將配準(zhǔn)塊固定在操作對象上，由透視成像設(shè)備獲得操作對象及配準(zhǔn)塊的體數(shù)據(jù)；利用體數(shù)據(jù)中兩層斷層圖像，對配準(zhǔn)塊內(nèi)N形標(biāo)記的中心進行定位，將該中心坐標(biāo)作為配準(zhǔn)塊的體數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)； (2)利用立體視覺定位系統(tǒng)對視覺標(biāo)記進行自動識別、定位，計算配準(zhǔn)塊內(nèi)N形標(biāo)記中心的坐標(biāo)，將它作為配準(zhǔn)塊在視覺空間中的坐標(biāo)； (3)利用仿射法或SVD法，計算體數(shù)據(jù)空間與視覺空間的空間變換陣，完成體數(shù)據(jù)空間與視覺空間的配準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟I)中，配準(zhǔn)塊的體數(shù)據(jù)空間定位方法為 利用透視成像設(shè)備獲得配準(zhǔn)塊的斷層圖像，配準(zhǔn)塊內(nèi)包含裝有成像粉劑或液劑的管道構(gòu)成的N形標(biāo)記，N形標(biāo)記在圖像中有明亮的點狀成像，這些成像點用圖像邊緣提取等方法檢測定位；記O為體數(shù)據(jù)空間原點，N形標(biāo)記的左下角頂點記為Ii1，沿順時針方向的其它三個頂點分別記為n2，n3, n4 ;以N形標(biāo)記的中心作為配準(zhǔn)特征點的位置，在體數(shù)據(jù)空間記該位置坐標(biāo)為In1 (X，y, z)，基于空間向量關(guān)系,其坐標(biāo)由‘ =& + (% -on2)^計算得到； 在斷層圖像I1中，檢測得到的N形標(biāo)記的外邊緣及其對角線的成像點，分別記為^b1,C1 ;在斷層圖像I2中檢測得到的相應(yīng)成像點分別記為a2，b2，C2 ； 由于在N型標(biāo)記上,三角形B1Ii2Id1相似于三角形C1I^b1,即Δ a1n2b1 Ac1I^b1,其對應(yīng)邊長成比例，即
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟2)中配準(zhǔn)塊的視覺空間定位方法為 視覺標(biāo)記由3個或更多的黑色圖案塊公共點構(gòu)成，利用該視覺標(biāo)記對配準(zhǔn)塊的視覺空間定位；它用立體相機對視覺標(biāo)記進行拍照，利用圖像處理算法，提取黑色圖案塊公共點并計算各公共點的三維坐標(biāo)；根據(jù)黑色圖案塊公共點的幾何分布特征的不同，對不同配準(zhǔn)塊進行自動識別和定位； 記視覺標(biāo)記上任意三個不共線的黑色圖案塊公共點A，B，C的視覺空間坐標(biāo)分別為Ac (Ax, Ay, Az)，Bc (Bx, By, Bz)，Cc (Cx, Cy, Cz)，根據(jù)右手法則，存在一點D，使單位向量$垂直于平面ABC ;記D點的視覺坐標(biāo)為DJDx, Dy，Dz)，該坐標(biāo)由^·5| = 0，SIeJC = O^I13I=1求得；以A為原點，建立視覺標(biāo)記的參考系坐標(biāo)系,記Α, B, C，D在該參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為 Ar (O, O, O)，Br (Brx, Bry, Brz)，Cr (Crx, Cry, Crz)，Dr (Drx, Dry, Drz)，利用仿射變換，求得參考坐標(biāo)系到視覺坐標(biāo)系的變換矩陣為eTK，
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟3)中體數(shù)據(jù)空間與視覺空間的配準(zhǔn)方法為 使用四個配準(zhǔn)塊，在體數(shù)據(jù)空間和視覺空間計算得到配準(zhǔn)塊中N形標(biāo)記中心的坐標(biāo)，即為配準(zhǔn)特征點的坐標(biāo),并記為mn，mI2, Iii13, mI4和ma, mC2, mC3, mc4,求得體數(shù)據(jù)空間到視覺空間的變換矩陣eT1,即
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空間變換用標(biāo)記塊及其視覺定位配準(zhǔn)方法，它可減小人員操作誤差，提高配準(zhǔn)精度，兼容各種成像設(shè)備，降低標(biāo)記塊和定位成本。結(jié)構(gòu)為蓋板安裝在底座上，蓋板上設(shè)有視覺標(biāo)記，底座內(nèi)設(shè)有N形標(biāo)記塊；底座安裝在托板上，N形標(biāo)記塊內(nèi)填充成像物質(zhì)。(1)由透視成像設(shè)備對標(biāo)記塊進行成像處理，獲得圖像體數(shù)據(jù)；對N形標(biāo)記塊的中點在體數(shù)據(jù)圖像中進行定位并將該中點坐標(biāo)作為標(biāo)記點的體數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)；(2)利用立體視覺定位系統(tǒng)對視覺標(biāo)記進行自動識別、定位，計算N形標(biāo)記塊中點的坐標(biāo)，作為標(biāo)記點的視覺空間坐標(biāo)；(3)利用仿射法或SVD法，計算體數(shù)據(jù)圖像空間與視覺空間的空間變換陣，完成體數(shù)據(jù)空間與視覺空間的配準(zhǔn)。
文檔編號G06T7/00GK102779344SQ201210225058
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者薛玉艷, 魏軍 申請人:濟南大學(xué)