[發明專利]基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法及其應用

在審

• 申請號: 202210131591.0
• 申請日: 2022-02-14
• 公開（公告）號: CN114519742A
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 楊志;劉文海
• 申請（專利權）人: 首都醫科大學
• 主分類號: G06T7/73
• 分類號: G06T7/73;G06T7/20;G06T7/00;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 天津睿勤專利代理事務所(普通合伙) 12225
• 代理人: 孟福成

1.基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1：構建目標物體的可視化的三維模型；

S2：建立世界坐標系、物體坐標系和相機坐標系，在世界坐標系中預設三維模型和相機的位置，并以此建立世界坐標系與物體坐標系、相機坐標系的坐標系變換關系，所述坐標系變換關系采用4X4齊次矩陣來描述，所述相機的數量為一個；

S3：根據三維模型和相機在世界坐標系中的預設位置構建可視化的虛擬場景，隨機改變虛擬場景中的相機或者三維模型的空間位置，并記錄相應的影像和空間位置變換信息，生成訓練數據；

S4：利用步驟S3的訓練數據，對機器學習模型進行訓練，獲得位姿預測模型；

S5：通過單目視覺攝影設備實時拍攝目標物體，獲得單目照片；

S6：將步驟S5攝取的單目照片輸入步驟S4訓練獲得的位姿預測模型，位姿預測模型結合步驟S2的坐標系變換關系進行計算，輸出單目照片拍攝時對應的目標物體或相機相對于預設位置的坐標變換值。

2.如權利要求1所述的基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法，其特征在于：位姿預測模型輸出的坐標變換值為位移和角度的變化值。

3.如權利要求2所述的基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法，其特征在于：位姿預測模型的輸出為x、y、z方向的位移，以及四個四元數所描述的方位角度值。

4.如權利要求1所述的基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法，其特征在于：步驟S3中，隨機改變虛擬場景中的相機或者三維模型的空間位置時，只改變三維模型和相機其中之一的空間位置，三維模型和相機中的另一個的空間位置不改變。

5.如權利要求4所述的基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法，其特征在于：隨機改變虛擬場景中的相機或者三維模型的空間位置前，預設三維模型和相機的角度變化范圍及位置移動范圍。

6.如權利要求4所述的基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法，其特征在于：步驟S3中的影像的背景、光線或三維模型表面紋理進行了變換。

7.如權利要求1所述的基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法，其特征在于：所述機器學習模型利用深度學習算法進行實現。

8.權利要求1-7中任一基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法的應用，其特征在于：上述方法應用于醫療光學視覺定位，從而進行對手術器械或目標組織進行定位定姿操作。

9.權利要求1-7中任一基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法的應用，其特征在于：上述方法應用于工業領域、農業領域、民用場景和航天領域。

10.權利要求1-7中任一基于單目光學攝影的三維目標自動定位定姿方法的應用，其特征在于：

在應用場景中當目標物體固定，相機有位移或角度變化時，

步驟S3中，隨機改變虛擬場景中的相機的空間位置，

步驟S6中，輸出單目照片拍攝時對應的相機相對于預設位置的坐標變換值，

應用于醫療光學視覺定位；

或者，在應用場景中當相機固定，但目標物體有位移或角度變化時，

步驟S3中，隨機改變虛擬場景中的三維模型的空間位置，

步驟S6中，輸出單目照片拍攝時對應的目標物體相對于預設位置的坐標變換值，應用于工業領域、農業領域、民用場景和航天領域。