CN111294527A - 红外线镜头主动式成像校正装置及方法 - Google Patents

红外线镜头主动式成像校正装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种红外线镜头主动式成像校正装置及方法，所述红外线镜头主动式成像校正装置，适用于应用于校正红外线镜头，包含基座及多个电路模块，所述基座包括至少一个设置面。所述电路模块设置于所述设置面，每一个电路模块包括设置于所述基座的电路板，及至少一个设置于所述电路板的红外线发光元件，所述红外线发光元件于所述基座上形成预定排列图形且用于朝所述红外线镜头发射红外线。借此，由于所述红外线发光元件为主动式发光源，于拍摄的影像中会呈现光点的形式，如此，可以减少在影像处理过程中造成的误差，提升所述红外线镜头在校正后的精确度。

Description

红外线镜头主动式成像校正装置及方法
技术领域
本发明涉及一种校正装置及方法，特别是涉及一种红外线镜头主动式成像校正装置及方法。
背景技术
手术中即时影像导航技术为近年积极发展的外科手术相关技术，可以协助外科医师能更精准和更安全地找到手术目标(例如，病灶)的位置，或是协助定位放置植入物(例如，脑部深层刺激手术电极导线、椎弓根螺钉等)的位置，因此，可以避免重要神经组织的伤害，减少伤口的长度，提升手术的成功率及患者的术后复原情况。
在手术中即时影像导航技术中，为了避免受手术室卤素灯的强烈光源影响，目前技术是以红外线光源搭配红外线摄影机对手术器械或患者身上的红外线反射标记进行摄影，并经影像处理后以得到手术器械或患者的三维(3D)空间定位。
然而，由于红外线镜头于制造时会存在景深、焦距、成像角度、位移等误差，出厂前必须进行校正以确保成像的精确度，目前的技术中，是使用具有黑白格子图像的校正板进行校正，先使用所述红外线镜头拍摄已知尺寸的黑白格子图像，再进行校正转换运算，使所校正后的二维影像中的黑白格子图像符合预设的图形。但由于校正过程中，需先将所拍摄的黑白格子图像进行图像边缘检测(Edge detection)、影像辨识等影像处理后，才能再进行后续校正，而在影像处理过程中，已不能避免产生误差(例如，量化误差、辨识误差等)，因此，造成了红外线镜头在提升精确度上的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提升红外线镜头的精确度的红外线镜头主动式成像校正装置。
本发明的红外线镜头主动式成像校正装置，适用于应用于校正红外线镜头，包含基座及多个电路模块。
所述基座包括至少一个设置面。
所述电路模块设置于所述至少一个设置面，每一个电路模块包括设置于所述至少一个设置面的电路板，及至少一个设置于所述电路板的红外线发光元件，所述红外线发光元件于所述基座上形成预定排列图形且用于朝所述红外线镜头发射红外线。
本发明的红外线镜头主动式成像校正装置，所述红外线发光元件的发光轴线实质上相互平行。
本发明的红外线镜头主动式成像校正装置，所述红外线发光元件于所述至少一个设置面上呈二维矩阵排列，且每一行上的所述红外线发光元件间距相等，每一列上的所述红外线发光元件间距相等。
本发明的红外线镜头主动式成像校正装置，每一行上的所述红外线发光元件间距与每一列上的所述红外线发光元件间距相等。
本发明的红外线镜头主动式成像校正装置，还包含至少一个对应所述红外线发光元件设置的滤片，所述至少一个滤片过滤缩减所述红外线发光元件所发出的光线的频段。
本发明的红外线镜头主动式成像校正装置，所述电路板于所述设置面上呈二维矩阵排列设置，且每一行上的所述电路板间距与每一列上的所述电路板间距相等。
本发明的红外线镜头主动式成像校正装置，所述红外线发光元件的数量大于12。
本发明的目的在于提供一种用于提升红外线镜头的精确度的红外线镜头主动式成像校正方法。
本发明的红外线镜头主动式成像校正方法，运用于处理器，且适用于应用如上述的红外线镜头主动式成像校正装置对红外线镜头进行校正，所述红外线镜头主动式成像校正方法包含以下步骤：
(A)制备如上述的红外线镜头主动式成像校正装置，并于所述处理器存储所述预定排列图形的二维及三维影像数据。
(B)使所述红外线镜头主动式成像校正装置的所述设置面垂直于所述红外线镜头的光轴后进行拍摄，所述处理器读取所述红外线镜头拍摄的影像并进行校正，使校正后的二维影像中，所述红外线发光元件形成所述预定排列图形。
(C)旋转、移动或倾斜所述基座并进行拍摄，所述处理器读取所述红外线镜头拍摄的影像并进行校正，使校正后的所述红外线发光元件的三维空间座标符合所述预定排列图形于旋转、移动或倾斜后的三维空间座标。
本发明的红外线镜头主动式成像校正方法，于步骤(B)与步骤(C)中，所述处理器读取所述红外线镜头拍摄的影像后，先进行筛选后再进行校正，于筛选时，所述处理器筛选取得所述红外线镜头拍摄的影像中，光点数量相同于所述红外线发光元件的数量的影像。
本发明的红外线镜头主动式成像校正方法，所述红外线发光元件于所述设置面上呈二维矩阵排列，且每一行上的所述红外线发光元件间距相等，每一列上的所述红外线发光元件间距相等，每一行上的所述红外线发光元件间距与每一列上的所述红外线发光元件间距相等。
本发明的有益效果在于：通过于所述基座上设置所述电路模块，并使所述红外线发光元件排列成所述预定排列图形朝所述红外线镜头发射红外线，由于所述红外线发光元件为主动式发光源，于拍摄的影像中会呈现光点的形式，如此，可以减少在影像处理过程中造成的误差，提升所述红外线镜头在校正后的精确度。
附图说明
图1是本发明红外线镜头主动式成像校正装置的一个实施例应用于校正一个红外线镜头的一个示意图；
图2是所述实施例的一个正视图；
图3是一个示意图，说明所述红外线镜头所拍摄的影像；及
图4是本发明红外线镜头主动式成像校正方法的一个实施例的一个流程图。
具体实施方式
参阅图1与图2，本发明红外线镜头主动式成像校正装置的一个实施例，适用于搭配一个处理器9，并应用于校正一个红外线镜头8，包含一个包括至少一个设置面21的基座2，及多个电路模块3。
于本实施例中，所述基座2呈长方形板，具有呈平面的所述设置面21，长宽分别为390毫米(mm)、310毫米(mm)，且其材质为钢，但其实际大小及材质能依需求而变化。所述基座2能为具有一个平面设置面21的结构、具两个平面设置面21的板状结构、或具多个平面设置面21的三角柱、四面体、立方体、任意多面体、任意多角柱等，仅需能供所述基座2上的多个红外线发光元件32(后述)被建构为二维及三维影像数据即可，不以此为限。
所述电路模块3设置于所述设置面21，每一个电路模块3包括一个设置于所述设置面21的电路板31，及至少一个设置于所述电路板31的红外线发光元件32。所述红外线发光元件32于所述基座2上形成一个预定排列图形且用于朝所述红外线镜头8发射红外线。
其中，每一个电路板31可以是使用螺丝(图未示)经由四周的螺丝孔311与所述基座2固定，或是使用嵌合、粘贴、焊接等其他方式进行固定。
于本实施例中，每一个电路板31呈正方形，且长宽皆为70毫米(mm)，并为印刷电路板31(Printed circuit board，缩写为PCB)，但其实际大小及材质能依需求而变化，能方便进行校正作业即可，不以此为限。
所述电路板31于所述设置面21上较佳是呈二维矩阵排列设置，且每一行上的所述电路板31间距与每一列上的所述电路板31间距相等，每一个电路模块3较佳是包括四个呈正方形排列的红外线发光元件32，使所述红外线发光元件32于所述设置面21上呈二维矩阵排列，且每一行上的所述红外线发光元件32间距相等，每一列上的所述红外线发光元件32间距相等，每一行上的所述红外线发光元件32间距与每一列上的所述红外线发光元件32间距相等。如此，由于所述红外线发光元件32间距相等，能方便后续的影像处理运算，但所述红外线发光元件32也可以是以不相同的间距设置，仅需为预先设定好的排列图形即可，所述预定排列图形需先建立二维及三维影像数据，并将所述二维及三维影像数据存储于所述处理器9中。
其中，每一个电路模块3较佳是包括四个呈正方形排列的红外线发光元件32，但每一个电路模块3也可以是包括一、二、三、或五以上的红外线发光元件32，仅需使所述红外线发光元件32的排列形成所述预定排列图形即可，不以此为限。
其中，所述红外线发光元件32的总数量最少为4颗，较佳是大于12，如此，可以于后续的影像处理中，获得较佳的精确度。所述红外线发光元件32的数量不具有上限，仅需可以使所述红外线镜头8能同时撷取到每颗红外线发光元件32所发出的光即可。
其中，所述红外线发光元件32为红外线发光二极管(LED)，且较佳是选择发出光线为波长介于730纳米～1250纳米间的红外线发光二极管。所述红外线发光元件32的发光轴线较佳是实质上相互平行，也就是说，所述红外线发光元件32较佳是直向型光源，且每一个红外线发光元件32朝相同的方向发射光线。
所述红外线镜头主动式成像校正装置较佳是还包含至少一个设置于所述红外线发光元件32与所述红外线镜头8间的滤片4，于本实施例中，所述滤片4设置于所述红外线镜头8上，用于过滤所述红外线发光元件32所发出的光线为波长介于850±10纳米间的频段，但也能根据后续影像处理选择其他合适频段。所述红外线镜头主动式成像校正装置可以是包含单片、两片或是多片滤片4，例如，所述红外线镜头主动式成像校正装置可以是只包含一个带通(band pass)滤片4，或是包含相互搭配的一个高通(high pass)滤片4及一个低通(low pass)滤片4，由于带通滤片4为钟形滤波，频段两侧会有逸光的可能，因此，也可以在设置带通滤片4后，再辅助设置高通滤片4及低通滤片4，以达到更佳的滤波效果。
参阅图1、图3及图4，本发明红外线镜头主动式成像校正方法，运用于所述处理器9，且适用于应用一个上述的红外线镜头主动式成像校正装置对所述红外线镜头8进行校正，所述红外线镜头主动式成像校正方法包含以下步骤：
步骤51：制备所述红外线镜头主动式成像校正装置，并于所述处理器9存储所述预定排列图形的二维及三维影像数据。
其中，需先将所述预定排列图形建立二维及三维影像数据，并存储于所述处理器9中。
步骤52：使所述红外线镜头主动式成像校正装置的所述设置面21垂直于所述红外线镜头8的光轴后进行拍摄，所述处理器9读取所述红外线镜头8拍摄的影像并进行校正，使校正后的二维影像中，所述红外线发光元件32形成所述预定排列图形。
其中，图3为所述红外线镜头8所拍摄的影像的理想示意图，通过滤除不必要的波长，影像中主要为所述红外线发光元件32所发出光线形成的光点6。当所述红外线镜头8有误差(例如，球面误差、旋转等)时，会导致所拍摄的影像中，所述光点6所形成的所述预定排列图形不是方正的矩阵形状，也就是说，原本所述光点6的直行纵列的连线应皆为直线，但可能因上述误差而形成弧线或斜线，此时，所述处理器9根据预先存储的所述预定排列图形的二维影像数据进行校正，使校正后的二维影像中，所述红外线发光元件32形成的光点6恢复为方正的二维矩阵形状。
步骤53：旋转、移动或倾斜所述基座2并进行拍摄，所述处理器9读取所述红外线镜头8拍摄的影像并进行校正，使校正后的所述红外线发光元件32的三维空间座标符合所述预定排列图形于旋转、移动或倾斜后的三维空间座标。
其中，在完成步骤52中二维的影像校正后，所拍摄的影像能视为没有失真的问题，接着，将所述基座2进行旋转、移动或倾斜并进行拍摄，根据所拍摄所述光点6的间距及连线的倾斜角度运算所述红外线发光元件32的三维空间座标，并根据预先存储的所述预定排列图形的三维影像数据进行对应及校正，使校正后的所述红外线发光元件32的三维空间座标符合所述预定排列图形于旋转、移动或倾斜后的三维空间座标。
其中，由于本发明所属技术领域中具有通常知识者能依上述说明而实施步骤52、步骤53的相关校正运算细节，在此不多做说明。
其中，于步骤52与步骤53中，所述处理器9较佳是在读取所述红外线镜头8拍摄的影像后，先进行筛选后再进行校正。于筛选时，所述处理器9筛选取得所述红外线镜头8拍摄的影像中，所述光点6数量相同于所述红外线发光元件32的数量的影像。其中，所述处理器9较佳是将影像再次进行影像滤波，此是因为光学镜片的滤波并不能产生最佳的影像光点6，通过所述处理器9中的编程运算再次进行影像强化与处理，可以得到更集中的影像光点6。
在实际应用时，由于手术中即时影像导航技术的智能眼镜或是立式导航系统都是使用两颗红外线镜头8，因此，还需要对同一组的红外线镜头8一起进行空间座标校正，使两颗红外线镜头8所运算出的空间座标一致。
经由以上的说明，本实施例的功效如下：
一、通过于所述基座2上设置所述电路模块3，并使所述红外线发光元件32排列成所述预定排列图形朝所述红外线镜头8发射红外线，由于所述红外线发光元件32为主动式发光源，于所述红外线镜头8所拍摄的影像中，会呈现光点6的形式，如此，相较于现有技术使用黑白格子图像，本实施例在后续的影像处理过程中，可以省去进行图像边缘检测(Edgedetection)编程、较复杂的影像辨识处理等大部分会造成影像误差的因子，因此，可以减少在上述影像处理过程中造成的量化误差，能在影像处理后产生高精确度的所述光点6的位置。
并且，搭配使用多个电路板31与一个基座2组装为所述校正装置，相较于直接制作整块大片的电路板31，制作多个小型的电路板31能得到较高的加工精度及良率，再搭配使用CNC(Computer Numerical Control，电脑数值控制工具机)加工所述基座2，可以大幅提高所述红外线镜头8在校正后的精确度。经实验得出，当所述基座2的精确度达到0.01毫米(mm)以内时，使用本实施例进行校正，能使所述红外线镜头8在校正后的精确度达到0.1毫米以内，而当使用较高解析度的所述红外线镜头8时，其校正后的精确度还能进一步提升。
二、通过设置所述红外线发光元件32的发光轴线实质上相互平行，即，使所述红外线发光元件32为直向型光源，且每一个红外线发光元件32朝相同的方向发射光线，如此，即使所述红外线镜头8在校正时与所述基座2的距离较远，所述红外线镜头8仍然可以拍摄到符合规划的所述预定排列图形，所以能减少安装整体校正系统在距离上的限制，提高安装的便利性，并进而增加校正后的精确度。
三、通过设置所述红外线发光元件32于所述设置面21上呈二维矩阵排列，且纵横间距皆相等，可以提供单纯直接的排列规律，方便后续的校正处理运算。
四、通过设置所述滤片4过滤缩减所述红外线发光元件32所发出的光线的频段，可以将环境光源的波长滤除，例如滤除手术室中卤素灯等其他光源，而仅滤取出对应红外线反射标记的红外线频段，所以能增加辨识精确度。
五、通过所述处理器9读取所述红外线镜头8拍摄的影像后，先进行筛选后再进行校正。可以删除未完整拍摄到整个基座2的无效影像，而减少不必要的影像处理负担及降低运算误判。
综上所述，本发明红外线镜头主动式成像校正装置及方法，确实能达成本发明的目的。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims (10)

1.一种红外线镜头主动式成像校正装置，适用于应用于校正红外线镜头，其特征在于：
所述红外线镜头主动式成像校正装置包含基座及多个电路模块；
所述基座包括至少一个设置面；
所述电路模块设置于所述至少一个设置面，每一个电路模块包括设置于所述至少一个设置面的电路板，及至少一个设置于所述电路板的红外线发光元件，所述红外线发光元件于所述基座上形成预定排列图形且用于朝所述红外线镜头发射红外线。
2.根据权利要求1所述的红外线镜头主动式成像校正装置，其特征在于：所述红外线发光元件的发光轴线实质上相互平行。
3.根据权利要求1所述的红外线镜头主动式成像校正装置，其特征在于：所述红外线发光元件于所述至少一个设置面上呈二维矩阵排列，且每一行上的所述红外线发光元件间距相等，每一列上的所述红外线发光元件间距相等。
4.根据权利要求3所述的红外线镜头主动式成像校正装置，其特征在于：每一行上的所述红外线发光元件的间距与每一列上的所述红外线发光元件的间距相等。
5.根据权利要求1所述的红外线镜头主动式成像校正装置，其特征在于：还包含至少一个对应所述红外线发光元件设置的滤片，所述至少一个滤片过滤缩减所述红外线发光元件所发出的光线的频段。
6.根据权利要求1所述的红外线镜头主动式成像校正装置，其特征在于：所述电路板于所述至少一个设置面上呈二维矩阵排列设置，且每一行上的所述电路板的间距与每一列上的所述电路板的间距相等。
7.根据权利要求1所述的红外线镜头主动式成像校正装置，其特征在于：所述红外线发光元件的数量大于12。
8.一种红外线镜头主动式成像校正方法，运用于处理器，其特征在于：所述红外线镜头主动式成像校正方法应用根据权利要求1所述的红外线镜头主动式成像校正装置对红外线镜头进行校正，所述红外线镜头主动式成像校正方法包含以下步骤：
(A)制备根据权利要求1所述的红外线镜头主动式成像校正装置，并于所述处理器存储所述预定排列图形的二维及三维影像数据；
(B)使所述红外线镜头主动式成像校正装置的所述至少一个设置面垂直于所述红外线镜头的光轴后进行拍摄，所述处理器读取所述红外线镜头拍摄的影像并进行校正，使校正后的二维影像中，所述红外线发光元件形成所述预定排列图形；
(C)旋转、移动或倾斜所述基座并进行拍摄，所述处理器读取所述红外线镜头拍摄的影像并进行校正，使校正后的所述红外线发光元件的三维空间座标符合所述预定排列图形于旋转、移动或倾斜后的三维空间座标。
9.根据权利要求8所述的红外线镜头主动式成像校正方法，其特征在于：于步骤(B)与步骤(C)中，所述处理器读取所述红外线镜头拍摄的影像后，先进行筛选后再进行校正，于筛选时，所述处理器筛选取得所述红外线镜头拍摄的影像中，光点数量相同于所述红外线发光元件的数量的影像。
10.根据权利要求8所述的红外线镜头主动式成像校正方法，其特征在于：所述红外线发光元件于所述至少一个设置面上呈二维矩阵排列，且每一行上的所述红外线发光元件间距相等，每一列上的所述红外线发光元件间距相等，每一行上的所述红外线发光元件间距与每一列上的所述红外线发光元件间距相等。
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