CN110458963B - 一种三维导航系统中目标物的精确定位方法及装置 - Google Patents

一种三维导航系统中目标物的精确定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种三维导航系统中目标物的精确定位方法及装置，方法包括：根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据；根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；根据第一位姿和第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中。通过计算三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿和目标物在三维扫描数据中的第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，来实现目标物在三维导航系统中的精确定位，无需在目标物的表面进行划点，不会造成目标物受损。

Description

一种三维导航系统中目标物的精确定位方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种三维导航系统中目标物的精确定位方法及装置。
背景技术
三维扫描可以精确确定目标物的内部结构，例如3D模型的内部结构，方便用户根据不同的目的对目标物的内部结构进行探究，主要通过对目标物的内部结构进行精确定位，进而实现该位置的探究。对于一些较为精细的3D模型，无法实时进行三维扫描，需要借助光学导航设备等空间定位设备，结合空间配准，实现手术部位的精确定位。
但是，现有技术中对3D模型的定位方法主要利用光学导航设备，通过探针在3D模型的表面划点，获取划过3D模型表面在特定坐标系中的点云，获取此点云与对应3D模型表面的表面点的空间转换关系，进行特定坐标系的配准，进而实现3D模型的精确定位。
因此，现有的定位方法需要在目标物的表面进行划点，对于较为精细的目标物，容易导致目标物受损。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出一种三维导航系统中目标物的精确定位方法及装置。
第一方面，本发明实施例提出一种三维导航系统中目标物的精确定位方法，包括：
根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据，所述跟踪器与所述目标物固定设置；
根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；
根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；
根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
可选地，所述根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿，具体包括：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整跟踪器三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，获取跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿；
由跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿和跟踪器在三维导航系统中的第四位姿，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿。
可选地，所述根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿，具体包括：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整目标物三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，计算在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿。
可选地，所述根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位，具体包括：
根据所述第二位姿，将目标物配准到连接部分的三维扫描数据坐标系中，根据所述第一位姿，将目标物进一步配准到三维导航系统的坐标系，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
第二方面，本发明实施例还提出一种三维导航系统中目标物的精确定位装置，包括：
局部扫描模型构建模块，用于根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据，所述跟踪器与所述目标物固定设置；
第一位姿计算模块，用于根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；
第二位姿计算模块，用于根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；
精确定位模块，用于根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
可选地，所述第一位姿计算模块具体用于：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整跟踪器三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，获取跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿；
由跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿和跟踪器在三维导航系统中的第四位姿，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿。
可选地，所述第二位姿计算模块具体用于：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整目标物三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，计算在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿。
可选地，所述精确定位模块具体用于：
根据所述第二位姿，将目标物配准到连接部分的三维扫描数据坐标系中，根据所述第一位姿，将目标物进一步配准到三维导航系统的坐标系，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
第三方面，本发明实施例还提出一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述方法。
第四方面，本发明实施例还提出一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序使所述计算机执行上述方法。
由上述技术方案可知，本发明实施例通过计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿和目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，来实现目标物在三维导航系统中的精确定位，无需在目标物的表面进行划点，不会造成目标物受损。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种三维导航系统中目标物的精确定位方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种三维导航系统中目标物的精确定位装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的电子设备的逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本实施例提供的一种三维导航系统中目标物的精确定位方法的流程示意图，包括：
S101、根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据，所述跟踪器与所述目标物固定设置。
其中，所述目标物为需要对其内部结构进行精确定位的物体，例如3D模型。
所述追踪器可提前置于所述目标物上，并进行固定，用于对目标物进行追踪。
所述连接部分为所述跟踪器与所述目标物进行连接后，各取两者的一部分，组成一个完整的部分，作为连接部分。
所述三维扫描数据为对目标物以及目标物中的追踪器进行一次三维扫描得到的扫描数据。
S102、根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿。
其中，所述第一位姿为连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的位姿。
S103、根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；
其中，所述第二位姿为目标物在连接部分的三维扫描数据中的位姿。
S104、根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
具体地，为了提高定位的精确度，分别计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿和目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿，通过对上述两个位姿进行配准，使得目标物在三维导航系统中的定位更加精确。
本实施例通过计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿和目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，来实现目标物在三维导航系统中的精确定位，无需在目标物的表面进行划点，不会造成目标物受损。
进一步地，在上述方法实施例的基础上，S102具体包括：
S1021、根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整跟踪器三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，获取跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿；
S1022、由跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿和跟踪器在三维导航系统中的第四位姿，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿。
S103具体包括：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整目标物三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，计算在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿。
其中，所述完整跟踪器三维模型是跟踪器自身的三维模型。
举例来说，在通过点云配准的方式进行配准的过程中，可以采用如下步骤：首先获取三维导航系统中若干个第一标定点在所述三维导航系统的坐标系中的位置；然后获取所述三维扫描模型中所述若干个第一标定点对应的若干个第二标定点，最后根据所述若干个第一标定点和所述若干个第二标定点进行配准，以实现所述目标物三维模型和所述三维扫描模型在所述三维导航系统中的配准。
其中，所述第一标定点为三维导航系统中预先确定的多个用于进行配准的点。一般来说，采用目标物三维模型中的特征点作为三维导航系统中的第一标定点。
所述第二标定点为三维扫描模型中与第一标定点对应的点。
具体地，通过分别对各第一标定点与其对应的第二标定点进行依次配准，实现目标物在三维导航系统中的精确配准。
进一步地，在上述方法实施例的基础上，S104具体包括：
根据所述第二位姿，将目标物配准到连接部分的三维扫描数据坐标系中，根据所述第一位姿，将目标物进一步配准到三维导航系统的坐标系，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
具体地，可以根据ICP(Iterative Closest Point，迭代最邻近点算法)在所述三维导航系统中对所述目标物进行配准。
其中，ICP用于解决三维物体的配准问题，给定两个来自不同坐标系的三维数据点集，找出两个点集的空间变换，以便它们能进行空间匹配。
具体来说，目标物和连接部分是两个来自不同坐标系的三维扫描数据点集，采用ICP的算法找出目标物和连接部分的两个点集的空间交换，通过对两个点集的空间交换使得目标物和连接部分的三维扫描数据能够进行空间匹配，从而实现目标物在三维导航系统中的精确配准。
在对目标物和连接部分进行配准后，通过不断获取配准后的三维扫描模型中跟踪器的位姿，可以实现目标物在所述三维导航系统中的实时精确定位。
举例来说，目标物除了可以为精细的3D模型，还可以为人体骨骼，通过术中锥形束CT实现术前三维图像数据与导航系统的精确配准，具体步骤如下：
A1、获取目标骨骼的术前三维扫描数据，并根据该术前三维图像数据生成目标骨骼三维模型，记作术前目标骨骼模型。同时获取特定装置的三维扫描数据或三维图像数据，并根据该数据获取特定装置的三维模型；所述三维扫描数据可以为CT(ComputedTomography，电子计算机断层扫描)数据，也可以为MRI(Magnetic Resonance Imaging，核磁共振)数据。
A2、术中将特定装置固连于目标骨骼上，使用锥形束CT同时扫描到目标骨骼与特定装置，并根据该锥形束CT数据生成目标骨骼与特定装置的三维模型，记作锥形束CT模型；
A3、使用导航系统标定特定装置，获取导航系统下若干(不少于3个)标定点在导航系统坐标系下的位置，并与锥形束CT模型特定装置上对应标定点进行刚性配准，实现导航系统与术中锥形束CT的配准；或使用ICP算法配准特定装置的三维扫描数据(或三维图像数据)与锥形束CT模型，获取锥形束CT坐标下的特定装置中的追踪器位姿，导航系统可以获得追踪器在导航系统坐标系下的位姿，通过刚性配准，实现导航系统与术中锥形束CT的配准；
A4、使用ICP算法配准术前目标骨骼模型与锥形束CT模型，实现术前三维图像数据与术中锥形束CT的配准；
A5、由步骤A3和A4中的配准结果，最终实现术前三维图像数据与术中导航系统的配准；
A6、通过导航系统识别特定装置中的追踪器位姿，从而实现术中目标骨骼的精确定位。
本实施例使用锥形束CT同时扫描特定装置与目标骨骼，并通过生成的锥形束CT模型，使用ICP算法及刚性配准，实现术前目标骨骼模型、术中锥形束CT模型与导航系统的两两配准；并通过与目标骨骼固连的导航系统的追踪器来实现目标骨骼的实时追踪。
图2示出了本实施例提供的一种三维导航系统中目标物的精确定位装置的结构示意图，所述装置包括：局部扫描模型构建模块201、第一位姿计算模块202、第二位姿计算模块203和精确定位模块204，其中：
所述局部扫描模型构建模块201用于根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据，所述跟踪器与所述目标物固定设置；
所述第一位姿计算模块202用于根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；
所述第二位姿计算模块203用于根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；
所述精确定位模块204用于根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
具体地，所述局部扫描模型构建模块201根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据，所述跟踪器与所述目标物固定设置；所述第一位姿计算模块202根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；所述第二位姿计算模块203根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；所述精确定位模块204根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
本实施例通过计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿和目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，来实现目标物在三维导航系统中的精确定位，无需在目标物的表面进行划点，不会造成目标物受损。
进一步地，在上述装置实施例的基础上，所述第一位姿计算模块具体用于：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整跟踪器三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，获取跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿；
由跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿和跟踪器在三维导航系统中的第四位姿，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿。
进一步地，在上述装置实施例的基础上，所述第二位姿计算模块具体用于：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整目标物三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，计算在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿。
进一步地，在上述装置实施例的基础上，所述精确定位模块具体用于：
根据所述第二位姿，将目标物配准到连接部分的三维扫描数据坐标系中，根据所述第一位姿，将目标物进一步配准到三维导航系统的坐标系，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
本实施例所述的三维导航系统中目标物的精确定位装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
参照图3，所述电子设备，包括：处理器(processor)301、存储器(memory)302和总线303；
其中，
所述处理器301和存储器302通过所述总线303完成相互间的通信；
所述处理器301用于调用所述存储器302中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法。
本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种三维导航系统中目标物的精确定位方法，其特征在于，包括：
根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据，所述跟踪器与所述目标物固定设置；
根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；
根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；
根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位；
所述根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿，具体包括：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整跟踪器三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，获取跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿；
由跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿和跟踪器在三维导航系统中的第四位姿，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；
所述连接部分为所述跟踪器与所述目标物进行连接后，根据所述跟踪器和所述目标物的部分结构组成一个完整结构得到。
2.根据权利要求1所述的三维导航系统中目标物的精确定位方法，其特征在于，所述根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿，具体包括：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整目标物三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，计算在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿。
3.根据权利要求1所述的三维导航系统中目标物的精确定位方法，其特征在于，所述根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位，具体包括：
根据所述第二位姿，将目标物配准到连接部分的三维扫描数据坐标系中，根据所述第一位姿，将目标物进一步配准到三维导航系统的坐标系，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
4.一种三维导航系统中目标物的精确定位装置，其特征在于，包括：
局部扫描模型构建模块，用于根据局部三维扫描手段获取跟踪器与目标物连接部分的三维扫描数据，所述跟踪器与所述目标物固定设置；
第一位姿计算模块，用于根据连接部分的三维扫描数据中跟踪器的几何形状，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；
第二位姿计算模块，用于根据连接部分的三维扫描数据中目标物的几何形状，计算目标物在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿；
精确定位模块，用于根据所述第一位姿和所述第二位姿，将目标物配准到三维导航系统中，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位；
所述第一位姿计算模块具体用于：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整跟踪器三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，获取跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿；
由跟踪器在连接部分的三维扫描数据中的第三位姿和跟踪器在三维导航系统中的第四位姿，计算连接部分的三维扫描数据在三维导航系统中的第一位姿；
所述连接部分为所述跟踪器与所述目标物进行连接后，根据所述跟踪器和所述目标物的部分结构组成一个完整结构得到。
5.根据权利要求4所述的三维导航系统中目标物的精确定位装置，其特征在于，所述第二位姿计算模块具体用于：
根据连接部分的三维扫描数据重建连接部分的三维模型，将预先获取的完整目标物三维模型，通过点云配准的方式，配准到连接部分的三维模型上，计算在连接部分的三维扫描数据中的第二位姿。
6.根据权利要求4所述的三维导航系统中目标物的精确定位装置，其特征在于，所述精确定位模块具体用于：
根据所述第二位姿，将目标物配准到连接部分的三维扫描数据坐标系中，根据所述第一位姿，将目标物进一步配准到三维导航系统的坐标系，实现所述目标物在所述三维导航系统中的精确定位。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至3任一所述的三维导航系统中目标物的精确定位方法。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一所述的三维导航系统中目标物的精确定位方法。
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