CN102920513B - 一种基于投影仪的增强现实系统试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于机器人辅助手术导航的增强现实系统试验平台。包括支架主体(1)、水平工作台(2)、投影仪(3)、双目立体视觉摄像机(4)、辅助光源(5)、高度传感器(6)以及设置在水平工作台(2)上的并可延轴向转动的头模固定架，所述的支架主体(1)为长方体框架式结构，在支架主体(1)上部中央位置，固定安装一个向正下方投影的投影仪(3)，在投影仪(3)两侧，对称固定安装一个摄像机(4)，且间距可以调整，在框架上表面的四个角，各安装一个角度和亮度可以调整的辅助光源(5)；在支架主体(1)的中部水平位置安装一个能上下移动的水平工作台(2)，高度传感器(6)固定在支架主体(1)的侧立柱上并和水平工作台(2)连接，对其高度值进行测量。

Description

一种基于投影仪的增强现实系统试验平台

技术领域：

本发明涉及一种应用于机器人辅助手术导航的增强现实系统试验平台。

背景技术：

随着计算机、机器人技术的不断进步，外科机器人在医疗领域取得了很好的临床效果。近年来，机器人和计算机辅助外科手术技术正逐步应用于脑外科这种精度要求比较高的手术。

传统的脑外科手术中，医生通过对病人二维图像的理解，来确定病灶处的位置和大小，手术的效果很大程度上取决于医生的经验，因此无法在术前对病灶进行准确的定位。同时在术中，如何避开重要的功能区、神经及血管，选择一条合适的路径到达深层病灶，也存在困难。机器人辅助外科技术在一定程度上解决了这一问题。机器人辅助外科(Robotassisted surgery，简称RAS)是指利用当今医学领域的先进的成像设备，在机器人与计算机的帮助下，辅助医生进行术前诊断和手术规划，在手术中提供可视化导引或监视服务功能，辅助医生高质量地完成手术操作。它突破了传统外科手术的界限，对于提高手术定位精度、减少手术损伤、缩短手术时间及提高手术成功率等具有十分重要的意义。增强现实(Augmented Reality，简称AR)是一种利用计算机产生的附加信息对使用者所看到的真实世界景象进行增强或扩张的技术，将其应用于精度要求较高的脑外科颅骨手术中，不但可以完成对颅骨部位原始数据的采集和三维重建，而且医生可通过三维模型来进行术前规划，对提高手术的定位精度和成功率、减轻患者的痛苦，具有十分重要的意义。

对于应用于脑外科的增强现实的研究，是不能直接在对病人进行手术中做实验的，因而研制一套功能完备的系统试验平台，对该领域研究工作的展开至关重要。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是研制一台应用于机器人辅助手术导航的增强现实系统试验平台，采用双目立体视觉摄像机对研究对像进行成像，并对所成图像进行研究，提取其中的关键特征，并对关键部位进行识别、定位与跟踪等。

结合附图，说明如下：

一种基于投影仪的增强现实系统试验平台，包括支架主体1、水平工作台2、投影仪3、双目立体视觉摄像机4、辅助光源5、高度传感器6以及设置在水平工作台2上的并可延轴向转动的头模固定架，所述的支架主体1为长方体框架式结构，在支架主体1上部中央位置，设置一个横梁式固定架，固定安装一个向正下方投影的投影仪3，在投影仪3两侧，各对称固定安装一个双目立体视觉摄像机4，且间距可以调整，拍摄角度可以手动微调；在框架上表面的四个角，各安装一个角度和亮度可以调整的辅助光源5；在支架主体1的中部水平位置安装一个能上下移动的水平工作台2，高度传感器6固定在支架主体1的侧立柱上并和水平工作台2连接，对其高度值进行测量。

所述的头模固定架下半部分是一个绞接固定在水平工作台2上的可绕轴线转动竖直的支杆9；在支杆9的上端，绞接一个摆杆8用于调整头模的府仰角并能锁定；在摆杆8上端，固定安装一个头模颈部固定环7，该环分内外两层结构，内环用于固定头模颈部，并可以在外环内部转动，实现对头模左、右侧转角的调整，外环与摆杆8固定连接。

所述的上下能移动的水平工作台2可采用在框架的四柱部分安装滑轨的方式、也可以采用在四个角安装伸缩的机构实现。

所述的高度传感器6可以采用光栅尺、磁栅尺或其它长度传感器。

本发明的有益效果：

1、通过调整工作台的高度，可以调整头模与摄像机镜头的间距，创造不同视距的实验条件，以满足增强现系统中的各种研究需要。

2、头模与摄像机镜头的间距可以通过高度传感器准确测量得出，为摄像机的标定以及图像定位等提供依据。

3、调整双目立体视觉摄像机镜头的间距和角度，可以实现不同目距下的双目成像范围，以满足增强现系统中，改变目距及角度的研究需要。

4、投影仪可以在头模上投影出设定的光栅条纹，如不同编码的黑白条文、各级灰阶条文、不同颜色模型下的彩色条纹等，既满足增强现实系统的研究需要，也提高了光栅的精度、丰富了光栅的色彩，与直接在头模上绘制网格线相比，不论在条纹精度、方式及试验效率等方面均有显著提高。

5、辅助光源可以设置在不同的视野高度，这对研究增强现实技术的适应性等方面也至关重要。

6、头模方向及角度的调整，可实现研究对象的不同部位的研究及跟踪模拟。

附图说明：

图1为增强现实系统试验平台整体结构示意图；

图2为头模固定架结构示意图。

其中1、支架主体    2、水平工作台    3、投影仪    4、双目立体视觉摄像机    5、辅助光源    6、高度传感器    7、颈部固定环    8、摆杆    9、支杆

具体实施方式：

整个试验平台包括支架主体1、水平工作台2、投影仪3、双目立体视觉摄像机4、辅助光源5、高度传感器6等构成，如附图1所示。

支架主体1采用长方体骨架结构，可以采用铝合金或其它行材制作，其关键特征在于四柱能够垂直立于地平面上，其上、下及中间部分均呈水平状态；

在支架主体1上部中央部分，设置一个横梁式固定架，固定安装一个投影仪3，其关键在于使投影仪的镜头位于上表面中央，且向正下方投影；

在投影仪3两侧，各固定安装一个双目立体视觉摄像机4，用于进行图像采集，其关键在于两个摄像机正对下面的水平工作台进行拍摄，两个摄像机对称安装，且间距可以调整，拍摄角度可以手动微调；

在框架上表面的四个角，各安装一个辅助光源5，用于调节拍摄区的亮度，其关键在于四个灯的角度和亮度可以调整；

在框架中部水平安装一个水平工作台2。其关键特征在于该工作台在保持水平状态下，可以精确调整其所处的高度，并通过高度传感器6对其高度值进行测量。水平工作台2在上、下移动时需保持水平状态，可以采用在框架的四柱部分安装滑轨的方式，也可以采用在四个角安装伸缩的机构实现，高度传感器可以采用光栅尺、磁栅尺或其它长度传感器，能测量出水平工作台的当前高度即可。

头模固定架安装在水平工作台上，如附图2所示。

工作时，借助头模固定架将头模固定在水平工作台2上，头模固定架的下半部分是一个竖直的支杆9，通过绞接方式固定在水平工作台2上。其关键特征在于支杆9可以绕自己的轴线转动，进而实现头模在水平面内的方向角调整；

在支杆的上端，绞接一个摆杆8用于调整头模的府仰角，其关键特征在于调整庥仰角后能锁定；

在摆杆8上端，固定安装一个头模颈部固定环7，其关键特征在于该环分内外两层结构，内环用于固定头模颈部，并可以在外环内部转动，实现对头模左、右侧转角的调整。

工作时，先将头模固定在水平工作台上，并调整到研究需要的方向或角度，然后调整工作台的高度，使头模进入到双目立体视觉摄像机的视野中，再用投影仪在头模上投射光栅，通过双目立体摄像机进行图像采集并进行后续处理。

Claims (1)

1.一种基于投影仪的增强现实系统试验平台，包括支架主体（1）、水平工作台（2）、投影仪（3）、双目立体视觉摄像机（4）、辅助光源（5）、高度传感器（6）以及设置在水平工作台（2）上的并可延轴向转动的头模固定架，其特征在于：所述的支架主体（1）为长方体框架式结构，在支架主体（1）上部中央位置，设置一个横梁式固定架，固定安装一个向正下方投影的投影仪（3），在投影仪（3）两侧，各对称安装一个双目立体视觉摄像机（4），且间距可以调整，拍摄角度可以手动微调；在框架上表面的四个角，各安装一个角度和亮度可以调整的辅助光源（5）；在支架主体（1）的中部水平位置安装一个能上下移动的水平工作台（2），高度传感器（6）固定在支架主体（1）的侧立柱上并和水平工作台（2）连接，对其高度值进行测量；

所述的头模固定架下半部分是一个绞接固定在水平工作台（2）上的可绕轴线转动的竖直支杆（9）；在支杆（9）的上端，绞接一个摆杆（8）用于调整头模的府仰角并能锁定；在摆杆（8）上端，固定安装一个头模颈部固定环（7），该环分内外两层结构，内环用于固定头模颈部，并可以在外环内部转动，实现对头模左、右侧转角的调整，外环与摆杆（8）固定连接；

所述的上下能移动的水平工作台（2）可采用在框架的四柱部分安装滑轨的方式、也可以采用在四个角安装伸缩的机构实现；

所述的高度传感器（6）可以采用光栅尺、磁栅尺或其它长度传感器。