专利名称：空间变换用配准块及其使用方法
技术领域：
本发明的目的是提出一种适合视觉定位的空间变换用配准块及其用于体数据空间与视觉空间配准的方法。
背景技术：
通过视觉空间与体数据空间配准，可以利用视觉引导完成对物体内部的加工操作。常用空间配准方法有三类I.使用专用框架进行配准。将物体安装在配准框架内，采集体数据，通过配准框架 的特征进行配准，这种方法受到框架大小和安装方式的限制，难以适应物体尺寸、形状的变化。2.利用物体的几何特征进行配准。如利用物体表面形成的曲面进行配准，这种方式计算量很大，配准时间较长。3.使用配准块进行配准。在物体表面固定配准块，用来在不同的空间定位和识别配准特征点，利用特征点完成空间的配准。使用配准块配准时，需要识别、定位用于空间配准的特征点，但是人工定位配准块时易弓I入人员操作误差。为减小第三种方法的配准误差，通常采用配准块自动识别定位的方法，如采用球形标记物，处理图像得到球的边缘，进行圆或椭圆的拟合，并计算球心位置，实现配准块的定位。边缘提取和圆的拟合需要大量计算；需要2幅以上图像的处理才能在体数据空间中完成球心定位；为了进行可靠的圆拟合，需使用大尺寸的球体，使得配准块体积较大。在操作空间对配准块的定位方式也较多，如电磁式、光电式、立体视觉等。为了解决配准块与体数据成像设备的兼容问题，电磁和光电法需要使用特定材料制作的配准块。
发明内容
本发明的目的就是为提高空间配准的自动化程度、降低配准块成本、减小人员操作误差，提供一种空间变换用配准块及其视觉定位配准方法，它利用配准块在不同的待配准空间中对配准特征点进行自动或半自动定位以降低人员操作误差，提高配准精度，同时易于兼容各种成像设备，降低配准块成本。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种空间变换用配准块，它包括视觉标记、盖板、N形标记、底座。视觉标记粘贴或绘制在盖板上，盖板安装在底座上，在底座内设有N形标记；N形标记由利于体数据采集设备成像的材料制成或使用填充了成像粉剂或液剂的空心管加工。所述视觉标记为至少具有三个公共顶点的类似于黑白棋盘格的黑色图案块，且这些公共顶点不共线。所述N形标记内充满用于体数据成像设备成像的液剂或粉剂。所述盖板一端设有凹口，所述底座设有凸口，凹口与凸口相互配合。一种采用空间变换用配准块的视觉定位配准方法，
(I)将配准块固定在操作对象上，由透视成像设备获得操作对象及配准块的体数据；利用体数据中两层断层图像，对配准块内N形标记的中心进行定位，将该中心坐标作为配准块的体数据空间坐标；(2)利用立体视觉定位系统对视觉标记进行自动识别、定位，计算配准块内N形标记中心的坐标，将它作为配准块在视觉空间中的坐标；(3)利用仿射法或SVD法，计算体数据空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间与视觉空间的配准。 所述步骤I)中，配准块的体数据空间定位方法为利用透视成像设备获得配准块的断层图像，配准块内包含装有成像粉剂或液剂的管道构成的N形标记，N形标记在图像中有明亮的点状成像，这些成像点可以用图像边缘提取等方法检测定位。记O为体数据空间原点，N形标记的左下角顶点记为Ii1，沿顺时针方向 的其它三个顶点分别记为n2，n3, n4。以N形标记的中心作为配准特征点的位置，在体数据空间记该位置坐标为Hi1 (X，y，z)，基于空间向量关系，其坐标可由“i； =-^)/计算得到。在断层图像I1中，可检测得到的N形标记的外边缘及其对角线的成像点，分别记为a1; b1； C1 ;在断层图像I2中检测得到的相应成像点分别记为a2，b2，c2。由于在N型标记上,三角形B1Ii2Id1相似于三角形C1I^b1,即Δ H1^h1 Ac1I^b1,其对应边长成比例，即
权利要求
1.一种空间变换用标记块，其特征是，它包括盖板，盖板安装在底座上，在盖板上设有粘贴或绘制的视觉标记，在底座内设有N形标记块；底座安装在托板上，在N形标记块为空心管，其内填充成像物质。
2.如权利要求I所述的空间变换用标记块，其特征是，所述视觉标记为至少具有三个公共顶点的类似于黑白棋盘格的黑色图案块，且这些公共顶点不共线。
3.如权利要求I所述的空间变换用标记块，其特征是，所述成像物质为用于体数据成像设备成像的液剂或粉剂。
4.如权利要求I所述的空间变换用标记块，其特征是，所述盖板一端设有凹口，所述底座设有凸口，凹口与凸口相互配合。
5.一种采用权利要求I所述的空间变换用标记块的视觉定位配准方法，其特征是， (1)将配准块固定在操作对象上，由透视成像设备获得操作对象及配准块的体数据；利用体数据中两层断层图像，对配准块内N形标记的中心进行定位，将该中心坐标作为配准块的体数据空间坐标； (2)利用立体视觉定位系统对视觉标记进行自动识别、定位，计算配准块内N形标记中心的坐标，将它作为配准块在视觉空间中的坐标； (3)利用仿射法或SVD法，计算体数据空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间与视觉空间的配准。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤I)中，配准块的体数据空间定位方法为 利用透视成像设备获得配准块的断层图像，配准块内包含装有成像粉剂或液剂的管道构成的N形标记，N形标记在图像中有明亮的点状成像，这些成像点用图像边缘提取等方法检测定位；记O为体数据空间原点，N形标记的左下角顶点记为Ii1，沿顺时针方向的其它三个顶点分别记为n2，n3, n4 ;以N形标记的中心作为配准特征点的位置，在体数据空间记该位置坐标为In1 (X，y, z)，基于空间向量关系,其坐标由‘ =& + (% -on2)^计算得到； 在断层图像I1中，检测得到的N形标记的外边缘及其对角线的成像点，分别记为^b1,C1 ;在断层图像I2中检测得到的相应成像点分别记为a2，b2，C2 ； 由于在N型标记上,三角形B1Ii2Id1相似于三角形C1I^b1,即Δ a1n2b1 Ac1I^b1,其对应边长成比例，即
7.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤2)中配准块的视觉空间定位方法为 视觉标记由3个或更多的黑色图案块公共点构成，利用该视觉标记对配准块的视觉空间定位；它用立体相机对视觉标记进行拍照，利用图像处理算法，提取黑色图案块公共点并计算各公共点的三维坐标；根据黑色图案块公共点的几何分布特征的不同，对不同配准块进行自动识别和定位； 记视觉标记上任意三个不共线的黑色图案块公共点A，B，C的视觉空间坐标分别为Ac (Ax, Ay, Az)，Bc (Bx, By, Bz)，Cc (Cx, Cy, Cz)，根据右手法则，存在一点D，使单位向量$垂直于平面ABC ;记D点的视觉坐标为DJDx, Dy，Dz)，该坐标由^·5| = 0，SIeJC = O^I13I=1求得；以A为原点，建立视觉标记的参考系坐标系,记Α, B, C，D在该参考坐标系下的坐标分别为 Ar (O, O, O)，Br (Brx, Bry, Brz)，Cr (Crx, Cry, Crz)，Dr (Drx, Dry, Drz)，利用仿射变换，求得参考坐标系到视觉坐标系的变换矩阵为eTK，
8.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤3)中体数据空间与视觉空间的配准方法为 使用四个配准块，在体数据空间和视觉空间计算得到配准块中N形标记中心的坐标，即为配准特征点的坐标,并记为mn，mI2, Iii13, mI4和ma, mC2, mC3, mc4,求得体数据空间到视觉空间的变换矩阵eT1,即
全文摘要
本发明涉及一种空间变换用标记块及其视觉定位配准方法，它可减小人员操作误差，提高配准精度，兼容各种成像设备，降低标记块和定位成本。结构为盖板安装在底座上，盖板上设有视觉标记，底座内设有N形标记块；底座安装在托板上，N形标记块内填充成像物质。(1)由透视成像设备对标记块进行成像处理，获得图像体数据；对N形标记块的中点在体数据图像中进行定位并将该中点坐标作为标记点的体数据空间坐标；(2)利用立体视觉定位系统对视觉标记进行自动识别、定位，计算N形标记块中点的坐标，作为标记点的视觉空间坐标；(3)利用仿射法或SVD法，计算体数据图像空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间与视觉空间的配准。
文档编号G06T7/00GK102779344SQ201210225058
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月2日 优先权日2012年7月2日
发明者薛玉艳, 魏军 申请人:济南大学