CN110645928A - 一种三维扫描仪空间坐标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种三维扫描仪空间坐标定位方法，能够解算物体内部待测点的扫描仪坐标值，所述方法包括：在所述物体周边设置参考坐标仪；通过三维扫描仪捕获参考坐标仪上的若干控制点的扫描仪坐标值；然后以所述若干控制点为参考结点，建立所述物体内部的待测点同参考坐标仪上的若干控制点在扫描仪坐标系下的空间位置拓扑关系；根据所述拓扑关系，利用控制点的扫描仪坐标解算出待测点的扫描仪坐标。本发明所述的三维扫描仪空间坐标定位方法对三维扫描仪无法捕获到物体内部点的缺陷进行了改善，通过扫描外置坐标参考坐标仪的三角架定位点，对物体内部待测点进行间接捕获，使得扫描仪标定过程中布控方式更为灵活，提高了标定的质量。

Description

一种三维扫描仪空间坐标定位方法

技术领域

本发明实施例涉及医学图像处理、手术导航技术领域，具体涉及一种三维扫描仪空间坐标定位方法。

背景技术

随着三维扫描技术的快速发展，扫描设备的扫描精度和扫描效率越来越高，目前国内外已开展将三维扫描设备与医学影像设备结合的研究，将三维扫描技术应用到医学影像重建与配准领域，将扫描形成的面数据同CT、MRI、PET等专业医学影像的体数据结合运用，以达到在手术过程中实时定位的效果。在这种应用场景下，需要将三维扫描仪采集到的三角面片数据精准定位到医学影像对应的解剖位置。因此，对三维扫描仪进行坐标系标定，建立扫描仪的数据空间同真实世界物理空间的对应关系显得尤为重要。

由于扫描仪仅能采集物体表面的空间信息，因此最终重建的数据模型为物体表面轮廓。而在三维扫描仪应用到医学影像处理的过程中，常需要获取物体内部某些点的投影在扫描仪坐标系的坐标值，这时无法通过扫描仪直接扫描获取。

在实际工作中，我们有时需要对已建立物理空间坐标系的真实世界中某些空间位置点进行数据采集，而三维扫描仪仅能采集空间中的曲面数据。对于孤立位置点而言，由于没有足够的表面积支撑，很难被扫描仪识别。对于这个问题，通常我们用一个有一定表面积的规则物体代替一个位置点，例如半径为R的小球，让小球的中心点与待测位置点重合，由于小球有一定的形状和表面积，因此可以被扫描仪识别。我们利用扫描仪获取小球的曲面数据后对小球进行重建，然后利用小球的面数据反求扫描仪坐标系下小球的中心坐标。

但上述方法有其缺陷，第一、该方法依赖于对小球的扫描效果，精度受小球的大小、材质、表面的光滑程度影响较大；第二、有些场景我们不能用规则物体代替位置点，例如已知颅脑内某些点的真实物理空间坐标，需要利用扫描得到的颅骨表面的重建数据获取这些内部点的扫描仪坐标，可是颅骨是不规则的，无法直接通过捕获到的表面点扫描仪坐标计算内部点扫描仪坐标。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种三维扫描仪空间坐标定位方法，以解决现有技术中由于无法获取物体内部某些点的扫描仪坐标系坐标值而导致的扫描仪标定过程中无法对孤立定位点和物体内部测量点进行扫描定位的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面提供一种三维扫描仪空间坐标定位方法，能够解算物体内部待测点的扫描仪坐标值，所述方法包括：

在所述物体周边设置参考坐标仪；

通过三维扫描仪捕获参考坐标仪上的若干控制点的扫描仪坐标值；

以参考坐标仪的若干控制点为参考结点，建立所述物体内部的待测点同参考坐标仪上的若干控制点在扫描仪坐标系下的空间位置拓扑关系；

根据所述拓扑关系，利用参考结点的扫描仪坐标解算出待测点的扫描仪坐标。

进一步地，所述参考坐标仪包括三个可升降的底座和第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器组成的三角支架，所述第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器在物理空间坐标值已知。

进一步地，所述通过三维扫描仪捕获参考坐标仪上的若干控制点的扫描仪坐标值，具体包括：通过三维扫描仪分别捕获参考坐标仪上第一球形定位器的扫描仪坐标值、第二球形定位器的扫描仪坐标值和第三球形定位器的扫描仪坐标值。

进一步地，所述以参考坐标仪的若干控制点为参考结点，建立所述物体内部的待测点同参考坐标仪上的若干控制点在空间位置上的拓扑关系，具体包括：

将第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器设为参考结点，物体内部的待测点设为未知结点，所述待测点的物理空间坐标值已知；

根据球形定位器第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器的物理空间坐标值，求解第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器所处平面的平面方程；

将待测点投影在第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器所处的平面上，获得投影点的物理空间坐标值；

根据第一球形定位器、第二球形定位器、第三球形定位器和待测点的物理空间坐标，分别计算待测点到第一球形定位器的第一欧式距离值、待测点到第二球形定位器的第二欧式距离值和待测点到第三球形定位器的第三欧式距离值；

分别计算投影点到第一球形定位器的第四欧式距离值、投影点到第二球形定位器的第五欧式距离值和投影点到第三球形定位器的第六欧式距离值；

计算待测点到第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器所处的平面的垂直距离值；

从而建立待测点同参考坐标仪上的参考结点在物理空间的位置拓扑关系，由于物理空间到扫描仪空间的同胚映射为刚体变换，因此进一步根据所述关系，可利用控制点扫描仪坐标解算出待测点扫描仪坐标，具体包括：

根据所述第一欧式距离值、第二欧式距离值、第三欧式距离值、第四欧式距离值、第五欧式距离值、第六欧式距离值和垂直距离值，以及第一球形定位器的扫描仪坐标值、第二球形定位器的扫描仪坐标值和第三球形定位器的扫描仪坐标值，解算求得待测点的扫描仪坐标。

与现有技术相比，本发明实施例的三维扫描仪空间坐标定位方法具有如下优点：

1、本发明实施例所述的三维扫描仪空间坐标定位方法解决了三维扫描仪标定过程中无法对孤立定位点和物体内部测量点进行扫描定位的缺陷，解决了坐标系标定流程中控制点布控的问题。

2、本发明实施例所述的三维扫描仪空间坐标定位方法提出了一种三维扫描仪空间坐标定位方法，对传统三维扫描仪无法捕获到物体内部点的缺陷进行了改善，通过扫描外置坐标参考坐标仪的三角架定位点，对物体内部待测点进行间接捕获，使得扫描仪标定过程中控制点的选择更加简单，布控方式更为灵活，提高了标定的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例所述的三维扫描仪空间坐标定位方法提供方法流程图；

图2为本发明实施例所述的三维扫描仪空间坐标定位方法提供的外置式参考坐标仪；

图3为本发明实施例所述的三维扫描仪空间坐标定位方法提供的物体内部的待测点同参考坐标仪上的若干控制点在空间位置上的拓扑关系示意图；

图4为本发明实施例所述的三维扫描仪空间坐标定位方法提供计算方法流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供的一种三维扫描仪空间坐标定位方法，所述方法的流程如图1所示，S101)在待测物体周边外建立参考坐标仪；S102)利用扫描仪捕获参考坐标仪上的控制点的扫描仪坐标；S103)建立待测物体的内部待测点同参考坐标仪控制点之间的拓扑关系，S104)由于参考坐标仪上的控制点是规则的，物理空间到扫描仪空间的同胚映射为刚体变换，利用控制点的扫描仪坐标解算出待测点的扫描仪坐标。

如图2所示，所述参考坐标仪包括三个可升降的底座和三个球形定位器第一球形定位器M1、第二球形定位器M2和第三球形定位器M3组成的三角支架，其中底座是固定的，第一球形定位器M1、第二球形定位器M2和第三球形定位器M3在物理空间坐标系中的坐标值是已知的。

基于参考坐标仪的定位系统由参考结点和未知结点组成，参考结点是位置已知并可用于协助未知结点定位的结点。

如图3所示，建立待测物体的内部待测点同参考坐标仪控制点之间的拓扑关系，图中第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3为参考坐标仪的三角架的三个顶点，其物理空间坐标已知，并由扫描仪捕获得到其扫描仪坐标；待测点M4为待测球体内的待测位置点，其物理空间坐标已知。投影点Mp为待测点M4在第一球形定位器M1、第二球形定位器M2和第三球形定位器M3形成的平面上的垂足。

在本系统中将三个球形定位器第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3看作参考结点，待测点M4设为未知结点，设第一球形定位器M1的物理空间坐标为(x₁，y₁，z₁),第二球形定位器M2的物理空间坐标为(x₂，y₂，z₂)，第三球形定位器M3的物理空间坐标为(x₃，y₃，z₃)，待测点M4的物理空间坐标为(x₄，y₄，z₄)。为了简化计算，将第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3所处的平面设为XOY面，则z_i＝0(i＝1,2,3,4)。

通过扫描仪扫描捕获到第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3的扫描仪坐标(x′₁，y′₁，z′₁)、(x′₂，y′₂，z′₂)、(x′₃，y′₃，z′₃)，根据这些已知数据求取待测点M4的扫描仪坐标(x′₄，y′₄，z′₄)。

将待测点M4在第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3所处的平面上的投影点记为投影点Mp，投影点Mp的物理空间坐标为(x_p，y_p，z_p)。设待测点M4到第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3的欧式距离分别为第一欧式距离值L1、第二欧式距离值L2、第三欧式距离值L3；投影点Mp到第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3的欧式距离分别为第四欧式距离值r1、第五欧式距离值r2、第六欧式距离值r3；待测点M4到投影点Mp的欧式距离为垂直距离h(即待测点M4到XOY面的垂直距离)，由于第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3、待测点M4的物理空间坐标已知，因此第一欧式距离值L1、第二欧式距离值L2、第三欧式距离值L3、第四欧式距离值r1、第五欧式距离值r2、第六欧式距离值r3、垂直距离h通过直接计算得到。又由于物理空间坐标与扫描仪坐标的转换属于等距变换，因此距离值属于全系不变量，第一欧式距离值L1、第二欧式距离值L2、第三欧式距离值L3、第四欧式距离值r1、第五欧式距离值r2、第六欧式距离值r3、垂直距离h在扫描仪坐标系下相对位置关系保持不变，利用该性质能够解出待测点M4的扫描仪坐标值。

如图4所示，待测位置点的扫描仪坐标的求解过程为：

S401)计算第一球形定位器M1、第二球形定位器M2和第三球形定位器M3所在平面的平面方程：

所述第一球形定位器M1、第二球形定位器M2和第三球形定位器M3确定的平面方程为：

解得方程的一般式为：

Ax+Bv+Cz+D＝0

(2)

S402)计算投影点Mp的物理空间坐标：

由于

垂直于

于是由向量垂直关系，有：

(x_p-x₄)(x₂-x₁)+(y_p-y₄)(y₂-y)+(z_p-z₄)(z₂-z₁)＝0 (3)

(x_p-x₄)(x₃-x₁)+(y_p-y₄)(y₃-y)+(z_p-z₄)(z₃-z₁)＝0 (4)

又投影点Mp在第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3确定的平面上，因此：

Ax_p+Bx_p+Cx_p+D＝0 (5)

由(3)、(4)、(5)解得投影点Mp的物理空间坐标(x_p，y_p，z_p)

S403)计算第一欧式距离值L1、第二欧式距离值L2、第三欧式距离值L3、第四欧式距离值r1、第五欧式距离值r2、第六欧式距离值r3、垂直距离值h：

S404)计算待测点扫描仪坐标(x′₄，y′₄，z′₄)：

根据上述第一欧式距离值L1、第二欧式距离值L2、第三欧式距离值L3、第四欧式距离值r1、第五欧式距离值r2、第六欧式距离值r3、垂直距离值h，以及通过扫描仪扫描坐标参考坐标仪得到的第一球形定位器M1、第二球形定位器M2、第三球形定位器M3的扫描仪坐标(x′₁，y′₁，z′₁）、(x′₂，y′₂，z′₂)、(x′₃，y′₃，z′₃),我们将扫描仪坐标带入(6)至(12)式,即可解出(x′₄，y′₄，z′₄)和(x′_p，y′_p，z′_p),即联立求解下述方程组：

本发明提供了一种利用刚体三角支架辅助工具对被扫描物体内部无法扫描采集的部位进行定位的方法。采用本方法，在已知待测点和支架三角形三个顶点的物理空间坐标的条件下，通过扫描仪对三角支架进行扫描，获取三角形三个顶点的扫描仪坐标系坐标，最后利用这些已知数据解算出待测点扫描仪坐标系坐标值。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种三维扫描仪空间坐标定位方法，能够解算物体内部待测点的扫描仪坐标值，所述方法包括：

在所述物体周边设置参考坐标仪；

通过三维扫描仪捕获参考坐标仪上的若干控制点的扫描仪坐标值；

以参考坐标仪的若干控制点为参考结点，建立所述物体内部的待测点同参考坐标仪上的若干控制点在扫描仪坐标系下的空间位置拓扑关系；

根据所述拓扑关系，利用参考结点的扫描仪坐标解算出待测点的扫描仪坐标。

2.根据权利要求1所述的三维扫描仪空间坐标定位方法，其特征在于，所述参考坐标仪包括三个可升降的底座和第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器组成的三角支架，所述第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器在物理空间坐标值已知。

3.根据权利要求2所述的三维扫描仪空间坐标定位方法，其特征在于，所述通过三维扫描仪捕获参考坐标仪上的若干控制点的扫描仪坐标值，具体包括：通过三维扫描仪分别捕获参考坐标仪上第一球形定位器的扫描仪坐标值、第二球形定位器的扫描仪坐标值和第三球形定位器的扫描仪坐标值。

4.根据权利要求3所述的三维扫描仪空间坐标定位方法，其特征在于，所述以参考坐标仪的若干控制点为参考结点，建立所述物体内部的待测点同参考坐标仪上的若干控制点在扫描仪坐标系下的空间位置拓扑关系，具体包括：

将第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器设为参考结点，物体内部的待测点设为未知结点，所述待测点的物理空间坐标值已知；

根据球形定位器第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器的物理空间坐标值，求解第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器所处平面的平面方程；

将待测点投影在第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器所处的平面上，获得投影点的物理空间坐标值；

根据第一球形定位器、第二球形定位器、第三球形定位器和待测点的物理空间坐标值，分别计算待测点到第一球形定位器的第一欧式距离值、待测点到第二球形定位器的第二欧式距离值和待测点到第三球形定位器的第三欧式距离值；

分别计算投影点到第一球形定位器的第四欧式距离值、投影点到第二球形定位器的第五欧式距离值和投影点到第三球形定位器的第六欧式距离值；

计算待测点到第一球形定位器、第二球形定位器和第三球形定位器所处的平面的垂直距离值；

从而建立待测点同参考坐标仪上的参考结点在空间位置上的拓扑关系。

5.根据权利要求4所述的三维扫描仪空间坐标定位方法，其特征在于，根据所述拓扑关系，利用参考结点的扫描仪坐标解算出待测点的扫描仪坐标，具体包括：

根据所述第一欧式距离值、第二欧式距离值、第三欧式距离值、第四欧式距离值、第五欧式距离值、第六欧式距离值和垂直距离值，以及第一球形定位器的扫描仪坐标值、第二球形定位器的扫描仪坐标值和第三球形定位器的扫描仪坐标值，解算求得待测点的扫描仪坐标。

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