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手术导航中双目立体视觉系统的设计及关键技术的研究

曹莉

  随着计算机科学技术的飞速发展,立体视觉尤其是双目立体视觉被广泛应用于医学检查、工业检测、视频监控、机器视觉系统等领域,兴起了一起以机器视觉为导向的热潮,从而在一定程度上解放了人类的双眼,也促进了科学可视化技术的巨大进步。随着机器视觉原理的广泛应用,利用图像处理技术对视频图像进行处理,实现对目标的有效实时跟踪的研究越来越受到重视,对目标进行动态实时跟踪定位在军事目标检测、智能监控系统、智能交通系统及本文涉及的手术导航中手术器械跟踪定位系统等方面均有着广泛应用。 机器人辅助外科手术是机器人研究领域的热点问题,很多系统已经应用于临床,如达芬奇机器人辅助外科手术系统已经广泛应用于妇科手术、心外科及小儿外科等多个领域。对手术器械、机器人进行实时跟踪定位是完成辅助外科手术的基础。立体定位装置若采用视觉定位器,可以在定位目标的同时,提供操作区域视频,利于提高系统效率、保证操作安全。 本文以手术导航为应用背景,对双目立体视觉系统的设计及其中的几个关键技术,如摄像机标定、图像畸变矫正、特征点提取、视觉定位器的设计及手术器械的视觉标定进行了研究,目的是为手术导航系统提供一个快速目标定位的方案,开发一套手术器械实时跟踪定位系统。 实现对目标的在线高精度检测定位是研制视觉定位器的难点之一。在评估、比较了常用角点检测算法对X型角点检测能力的基础上,改进、采用了一种基于段测试的X角点检测与亚像素定位方法。该方法能有效检测X角点,排除其他类型角点,可在线实时处理图像,具有较高的定位精度,能够满足辅助手术定位要求。为提高定位精度和速度,采用无近似的畸变校正模型,实现了局部图像的快速准确校正。设计了使用X型角点作为其特征点并可以附着于定位对象上的定位标识器,通过对标识器几何参数区分识别不同目标,实现了多个目标的在线跟踪定位。分析了定位标识器结构变化对手术器械标定精度的影响。 手术器械标定是对手术器械进行跟踪和导航的基础,其目的是寻找描述手术器械与定位标识器空间关系的结构参数。本文放弃了对精度不高、过程繁琐的测量标定方法的应用,提出了采用双目摄像机对手术器械进行视觉标定的方法,通过记录器械标识器绕标定处旋转的轨迹,利用最小二乘获得标定参数。在此基础上,对标定及定位的误差进行了理论分析,结果表明标定精度不仅依赖于视觉定位器的定位精度,还与标识器的结构及其相对于手术器械针尖的位置有关;当定位标识器结构合理时,手术器械的标定误差不大于视觉定位误差。 实验表明,系统可以在线跟踪4个以上目标,平均定位精度可达0.23mm,支持最高12Hz的定位刷新速率。……   
[关键词]:手术导航;双目立体视觉;手术器械跟踪定位;摄像机标定;手术器械的标定;图像畸变校正
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:济南大学2011年