[發明專利]手術導航中投影儀空間位置和內外參標定方法、裝置

有效

• 申請號: 202110253008.9
• 申請日: 2021-02-22
• 公開（公告）號: CN112991457B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 艾丹妮;邵龍;王涌天;丁樂樂
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;A61B34/20;A61B90/00
• 代理公司: 北京市中聞律師事務所 11388
• 代理人: 馮夢洪

手術導航中投影儀空間位置和內外參標定方法、裝置，能夠同時標定得到投影儀、相機?投影儀系統與投影儀空間位置的參數，標定精度高，操作簡便，有效降低了投影儀標定的復雜度，在各個領域均有可觀的應用前景。方法包括：(1)對相機進行標定，獲取相機的內外參數、畸變參數，以及與光學跟蹤儀、光學跟蹤標志物之間的轉換矩陣；(2)對棋盤格進行標定，以獲取棋盤格角點在棋盤格物理坐標系、世界坐標系、跟蹤標志物坐標系下的對應關系，從而構建投影平面；(3)投影儀將棋盤格投射在投影平面上，由相機拍攝并構建相機光線獲得投影棋盤格角點的世界坐標，進行投影儀標定。

技術領域

本發明涉及投影儀系統的參數標定的技術領域，尤其涉及一種手術導航中投影儀空間位置和內外參標定方法，以及手術導航中投影儀空間位置和內外參標定裝置。

背景技術

相機-投影儀系統結構簡單，被廣泛地應用于包括在三維測量、重建、人機交互技術在內的多個領域。在近年興起的增強現實應用中，除了傳統的移動顯示器和頭戴顯示器之外，還有一種利用投影儀在真實場景中顯示虛擬內容的方式，即空間增強現實。這種增強現實裸眼可見，極大降低了成本，減輕了工作時屏幕到工作區轉換的心理壓力，而投影儀是實現空間增強現實的重要設備。其中，對投影儀和相機-投影儀系統進行標定，是實現三維測量、三維重建、增強現實等任務的重要步驟和前提條件。在空間增強現實的應用中，除了投影儀自身內外參和畸變參數的標定，還需要標定空間位置。

目前，相機標定的方法日趨成熟，而投影儀因其無法捕獲圖像的特點，精確標定投影儀還有一定的難度。在對投影儀進行標定的過程中，投影儀被看作為一個逆向的相機。求投影儀的內參數，需要依靠相機賦予其視覺的功能，這也需要把相機和投影儀搭建一套模型。投影儀標定的常用方法中，一部分方法通常存在易受到解相位誤差影響的問題，導致標定精度降低。此外，投影儀和相機剛性固定后不可拆分，二者位置的相對變換將會導致標定結果錯誤。另一部分方法利用高精度的三維標定參照物，其高成本和高加工難度導致不適合現場標定與日常使用。而現有的方法中均未提到投影儀空間位置的標定。

發明內容

為克服現有技術的缺陷，本發明要解決的技術問題是提供了一種手術導航中投影儀空間位置和內外參標定方法，其能夠同時標定得到投影儀、相機-投影儀系統與投影儀空間位置的參數，標定精度高，操作簡便，有效降低了投影儀標定的復雜度，在各個領域均有可觀的應用前景。

本發明的技術方案是：這種手術導航中投影儀空間位置和內外參標定方法，其包括以下步驟：

(1)對相機進行標定，獲取相機的內外參數、畸變參數，以及與光學跟蹤儀、光學跟蹤標志物之間的轉換矩陣；

(2)對棋盤格進行標定，以獲取棋盤格角點在棋盤格物理坐標

系、世界坐標系、跟蹤標志物坐標系下的對應關系，從而構建投影平面；

(3)投影儀將棋盤格投射在投影平面上，由相機拍攝并構建相機光線獲得投影棋盤格角點的世界坐標，進行投影儀標定。

本發明首先在光學跟蹤儀下分別標定相機和棋盤格，然后構建投影平面，利用標定好的相機獲取投影棋盤格圖像的三維空間位置，完成投影儀的參數標定，通過一系列坐標系轉換，實時獲得投影儀在空間中的位置，相機-投影儀不需要相對固定，標定完成后，也可以選擇性地去掉輔助相機單獨使用投影儀，利用相機、投影儀、標定棋盤格和光學跟蹤儀，可以快速地獲取投影儀和相機的參數，同時通過坐標轉換還能夠實時獲取三者的空間位置與相對位置關系，因此能夠同時標定得到投影儀、相機-投影儀系統與投影儀空間位置的參數，標定精度高，操作簡便，有效降低了投影儀標定的復雜度，在各個領域均有可觀的應用前景。

還提供了另一種手術導航中投影儀空間位置和內外參標定方法，其包括以下步驟：

(I)在棋盤格、相機、投影儀上粘貼跟蹤標志物；