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计算机辅助外科手术中的光学立体定位仪的研制

作　者: 许克滨
导　师: 陈新
学　校: 福州大学
专　业: 电路与系统
关键词: 光学定位仪摄像机定标三维重建目标实时追踪
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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引　用: 2次
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内容摘要

光学立体定位仪在现代计算机辅助外科手术系统中是一个基本组件, 实际上它是指能够定位3维空间中一个或多个离散点的一种传感器。当刚体目标上附着有3个或更多的测量点时这种传感器能够计算刚体目标的方位。在外科手术中,这种设备被用于精确定位传统手术器械,刚性解剖机构,或者其他一些医学成像设备(如X射线,超声扫描仪,MRI等)等。例如,在计算机辅助脊骨手术中,精确地确定钻头相对于椎骨体的位置和方位是很重要的。传感器独立地测量定位椎骨体和钻头,然后计算出它们的相对位置和方位。光学立体定位仪精度高,可靠性强,但是价格昂贵。本文的工作是研制一套实用的,精度较高的光学立体定位系统,为后续的计算机辅助外科手术系统提供帮助。论文实质性的工作主要针对光学定位仪实现的关键技术如摄像机定标,三维坐标重建以及目标实时追踪而展开的。光学定位仪的精度实现是一个很重要的问题,也是一个难度较大的问题。在研制过程中进行了大量的实验验证系统精度,在现有的实验室条件下获得相对较高的精度目标。

全文目录

第一章绪论  8-14
  1.1 立体定位仪发展  8-10
  1.2 定位仪研制的关键技术  10-12
    1.2.1 摄像机模型与定标技术  10-12
      1.2.1.1 线性(针孔)模型定标方法  11-12
      1.2.1.2 非线性模型定标方法  12
    1.2.2 三维重构方法  12
  1.3 本文相关工作和意义  12-14
第二章摄像机的线性模型  14-19
  2.1 摄像机的线性模型  14-15
  2.2 摄像机内外参数矩阵分析  15-17
    2.2.1 摄像机外参数矩阵  15-16
    2.2.2 摄像机内参数矩阵  16-17
      2.2.2.1 成像平面畸变1  16-17
      2.2.2.2 成像平面畸变2  17
  2.3 摄像机投影矩阵  17-19
第三章摄像机的定标方法  19-28
  3.1 基于圆环点的自定标方法  19-24
    3.1.1 相关射影几何背景知识  19-21
      3.1.1.1 射影变换的几何表达  19
      3.1.1.2 射影变换的交比不变性  19-20
      3.1.1.3 齐次坐标  20-21
      3.1.1.4 二次曲线与绝对二次曲线  21
    3.1.2 基于圆环点的自定标方法基本原理  21-24
      3.1.2.1 绝对二次曲线与摄像机的内参数  21-22
      3.1.2.2 圆环点与绝对二次曲线  22
      3.1.2.3 平面上的圆与无穷远直线  22
      3.1.2.4 隐消线的计算  22-23
      3.1.2.5 求解摄像机内部参数  23-24
  3.2 线性模型摄像机的一般定标法  24-28
    3.2.1 基本原理  24-28
第四章立体视觉与三维重构  28-30
  4.1 立体视觉原理  28
  4.2 空间点重建  28-30
第五章光学定位仪的系统设计  30-37
  5.1 硬件开发环境  30-33
    5.1.1 硬件系统框架  30-31
    5.1.2 硬件设备的性能介绍  31-33
      5.1.2.1 图像采集卡DH-VRT-CG200  32
      5.1.2.2 CCD摄像机WAH-902H  32-33
      5.1.2.3 摄像机镜头AVENIR-SSE1616  33
  5.2 软件开发环境  33-37
    5.2.1 Visual C++6.0  34
    5.2.2 Matlab 6.5  34-35
    5.2.3 Matcom4.5  35-37
第六章光学定位仪的定标  37-53
  6.1 定标实现的关键技术  37-43
    6.1.1 图像的预处理  37-38
      6.1.1.1 图像二值化  37
      6.1.1.2 图像细化  37-38
    6.1.2 模板上多条直线的检测(Hough变换)  38-39
      6.1.2.1 单一直线提取的经典Hough变换  38-39
      6.1.2.2 多直线提取实用算法  39
    6.1.3 模板上椭圆的拟合方法  39-41
      6.1.3.1 直接椭圆特征的拟合方法  39-41
      6.1.3.2 最小二乘法求椭圆  41
    6.1.4 线性最小二乘问题  41-42
    6.1.5 求解齐次线性方程组的特征向量法  42
    6.1.6 非线性最小二乘问题  42-43
  6.2 基于圆环点的定标实验-内参数矩阵计算  43-46
    6.2.1 多条直线的提取  43
    6.2.2 椭圆的提取  43-44
    6.2.3 隐消点的计算及隐消线的拟合  44-45
    6.2.4 圆环点的求解  45-46
  6.3 传统立体视觉定标实验-投影矩阵的计算  46-53
    6.3.1 定标实验一  46-49
    6.3.2 定标实验二  49-53
第七章光学定位仪的性能测试  53-66
  7.1 实验一：对长方体的重建  53-57
  7.2 实验二：对中距离LED模板的重建1  57-58
  7.3 实验三：对中距离LED模板的重建2  58-59
  7.4 实验四：对垂直于X-Z面的LED模板的重建  59-61
  7.5 实验五：对远距离的LED模板的重建  61-63
  7.6 实验六：对近距离的LED模板的重建  63-64
  7.7 实验数据分析  64-66
第八章结论与实用化改进方案  66-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录  72-88
  附录1 椭圆拟和例  72-75
  附录2 由圆环点像求解内参数矩阵MATLAB程序  75-79
    程序1 求解方程组Ac=0  75-78
    程序2 实现Cholesky分解及矩阵归一化  78-79
  附录3 定标数据  79-82
  附录4 定标数据  82-87
  附录5 Matcom4.5的一个使用范例  87-88
个人简历，在学期间的研究成果以及发表论文  88
  个人简历：  88
  研发经验：  88
  发表论文：  88

计算机辅助外科手术中的光学立体定位仪的研制

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