CN111798512B - 一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法 - Google Patents

一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，将多立体视觉系统中的一个立体视觉系统作为全局视觉系统固定不动，其他立体视觉系统可在工作过程中根据需要随意移动位置、调整视角，从而有效扩展立体视觉系统的工作空间与工作视角，提升立体视觉系统的灵活性。在全局立体视觉系统下看不到的待测量目标，可通过其他立体视觉系统实现待测量目标在全局坐标系下的间接定位，达到克服单个立体视觉系统视角受限和工作空间有限的目的，克服传统方案多立体视觉系统在工作过程中不能调整位姿的局限，使立体视觉系统的应用更加广泛。将本发明应用于手术室器械导航，具有成本低、工作空间灵活及定位精度高等优点。

Description

一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法
技术领域
本发明涉及立体视觉测量技术领域，尤其涉及通过多个立体视觉系统级联工作的方式，扩展立体视觉系统工作空间和工作视角的方法。
背景技术
立体视觉位姿测量系统，具有无接触测量目标位姿的能力，在医疗机器人辅助手术中多应用于对手术器械和目标的位姿测量与跟踪。然而，立体视觉存在工作空间有限、工作视角固定、工作距离与测量精度相互矛盾以及待跟踪手术器械容易被遮挡的缺点。
在实际工作场景中，需要预留较大的手术操作空间。为了避免干涉手术操作，要么需要移动立体视觉系统，要么需要立体视觉系统具有更大的工作空间和工作距离。然而，对单一立体视觉系统而言，增加工作空间和工作距离的代价是牺牲定位精度。
为了增加工作空间、扩展工作距离以及提高测量精度，目前主要有如下两种方式：(1)增加双目基线距离，提高摄像机分辨率，或者，缩短镜头焦距，扩大摄像机视野。缩短镜头焦距有助于增加视野，但会降低定位精度；增加双目基线距离有助于增加工作距离和提高工作精度，但会减少工作空间；提高摄像机分辨率，有助于提高精度，但会增加系统成本和降低图像处理速度；并且，无论采取上述何种措施，在工作过程中都必须保持视角固定，会存在视线受遮挡影响的问题。(2)利用多个立体视觉系统。通过在工作场景中布置多个立体视觉系统，并通过全局标定方法将所有立体视觉系统配准到同一个世界参考坐标系；由于存在多个立体视觉系统，每个系统可以有自己的工作空间和工作视角，因此可以起到拓展工作空间和弥补单一立体视觉系统视角有限的缺陷的作用；上述方法中立体视觉系统的布置会受到全局标定方法的限制，并且，在工作过程所有的立体视觉系统都必须保持固定，否则相对位姿关系会发生变化，系统将会失效。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，用以有效扩展立体视觉系统的工作空间与工作视角。
本发明提供的一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，包括如下步骤：
S1：选择N个立体视觉系统，以1号立体视觉系统作为主立体视觉系统，2号～N号立体视觉系统作为从立体视觉系统；以主立体视觉系统的视觉坐标系作为全局参考坐标系{W}；其中，N为大于1的整数；
S2：在n号立体视觉系统的外表面上粘贴或印刷人工标记Markern，由人工标记Markern建立局部坐标系{Mn}；其中，n＝2,3,…N，不同的立体视觉系统对应的人工标记不同；
S3：由人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}与n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}具有固定的位姿关系，利用空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000021
描述；其中，空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000022
通过标定方法确定；
S4：将1号立体视觉系统与全局视觉系统支架固定连接，确定1号立体视觉系统的工作位置和视角方向后固定并保持工作过程中全程不变；
S5：将n号立体视觉系统与n号自锁牵引机械臂固定连接，通过力牵引随时调整n号立体视觉系统的工作位置和视角方向，使人工标记Markern在1号立体视觉系统的有效工作空间内可见，待测量目标P在n号立体视觉系统的有效工作空间内可见；
S6：利用1号立体视觉系统测量n号立体视觉系统上人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}的空间位姿，记为
Figure BDA0002519703940000023
利用n号立体视觉系统测量待测量目标P在n号立体视觉系统的有效工作空间内的位姿，记为
Figure BDA0002519703940000031
结合标定的人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}与n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}的空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000032
实现待测量目标P的位姿从n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}到全局参考坐标系{W}的转换：
Figure BDA0002519703940000033
其中，
Figure BDA0002519703940000034
表示待测量目标P在全局参考坐标系{W}下的坐标，
Figure BDA0002519703940000035
表示待测量目标P在n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}下的坐标；
Figure BDA0002519703940000036
是P＝[x y z]T的齐次坐标，(x,y,z)表示待测量目标P在三维空间坐标系中的坐标。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法中，步骤S2中，人工标记Markern为具有至少三个非共线特征点的平面型标记。
本发明提供的上述立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，将多立体视觉系统中的一个立体视觉系统作为全局视觉系统固定不动，其他立体视觉系统可在工作过程中根据需要随意移动位置、调整视角，从而有效扩展立体视觉系统的工作空间与工作视角，提升立体视觉系统的灵活性。在全局立体视觉系统下看不到的待测量目标，可通过其他立体视觉系统实现待测量目标在全局坐标系下的间接定位，达到克服单个立体视觉系统视角受限和工作空间有限的目的，克服传统方案多立体视觉系统在工作过程中不能调整位姿的局限，使立体视觉系统的应用更加广泛。将本发明应用于手术室器械导航，具有成本低、工作空间灵活及定位精度高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法中各视觉系统、粘贴标记及各坐标系示意图。
附图标记说明：1、1号立体视觉系统；2、2号立体视觉系统；3、三X组合Marker标记；4、全局视觉系统支架；5、自锁牵引机械臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提供的一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，包括如下步骤：
S1：选择N个立体视觉系统，以1号立体视觉系统作为主立体视觉系统，2号～N号立体视觉系统作为从立体视觉系统；以主立体视觉系统的视觉坐标系作为全局参考坐标系{W}；其中，N为大于1的整数；
S2：在n号立体视觉系统的外表面上粘贴或印刷人工标记Markern，由人工标记Markern建立局部坐标系{Mn}；其中，n＝2,3,…N，不同的立体视觉系统对应的人工标记不同；
具体地，人工标记为平面人工标记，且具有唯一性，例如，对于任意两个人工标记Markeri和Markerj，其中，i＝2,3,…N，j＝2,3,…N，i≠j，应能进行本质的区分，以分别代表不同的立体视觉系统；
S3：由人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}与n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}具有固定的位姿关系，利用空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000041
描述；其中，空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000042
通过标定方法确定；
S4：将1号立体视觉系统与全局视觉系统支架固定连接，确定1号立体视觉系统的工作位置和视角方向后固定并保持工作过程全程不变；
具体地，全局视觉系统支架可以为三角架，或者，也可以为其他适合固定的支架，在此不做限定；
S5：将n号立体视觉系统与n号自锁牵引机械臂固定连接，通过力牵引随时调整n号立体视觉系统的工作位置和视角方向，使人工标记Markern在1号立体视觉系统的有效工作空间内可见，待测量目标P在n号立体视觉系统的有效工作空间内可见；
S6：利用1号立体视觉系统测量n号立体视觉系统上人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}的空间位姿，记为
Figure BDA0002519703940000051
利用n号立体视觉系统测量待测量目标P在n号立体视觉系统的有效工作空间内的位姿，记为
Figure BDA0002519703940000052
结合标定的人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}与n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}的空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000053
实现待测量目标P的位姿从n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}到1号立体视觉系统的视觉坐标系即全局参考坐标系{W}的转换：
Figure BDA0002519703940000054
其中，
Figure BDA0002519703940000055
表示待测量目标P在全局参考坐标系{W}下的坐标，
Figure BDA0002519703940000056
表示待测量目标P在n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}下的坐标；
Figure BDA0002519703940000057
是P＝[x y z]T的齐次坐标，(x,y,z)表示待测量目标P在三维空间坐标系中的坐标。
在具体实施时，在本发明提供的上述立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法中，步骤S2中，人工标记Markern可以为具有至少三个非共线特征点的平面型标记，例如，人工标记Markern可以为三X组合Marker标记，三X组合Marker标记由三个非共线的X角点按一定规则组合而成，便于视觉算法检测并建立局部坐标系。
下面通过一个具体的实施例对本发明提供的上述立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法的具体实施进行详细说明。
实施例1：
第一步，如图1所示，选择两个立体视觉系统，并分别编号为1号立体视觉系统1和2号立体视觉系统2。选择1号立体视觉系统1作为主立体视觉系统，2号立体视觉系统2作为从立体视觉系统。
具体地，如果两个立体视觉系统相同，则可以将任意一个立体视觉系统编号为1号，另一个立体视觉系统编号为2号；如果两个立体视觉系统不同，则选择性能最好或精度最高的立体视觉系统为1号，另一个立体视觉系统为2号。
第二步，在2号立体视觉系统2的外表面上印刷或粘贴三X组合Marker标记3，在如图1所示的2号立体视觉系统2中，建立三X组合Marker标记的局部坐标系OM-XMYMZM，并记为局部坐标系{M2}。
第三步，以2号立体视觉系统2的左眼摄像机坐标系O1-X1Y1Z1作为2号立体视觉系统的视觉坐标系，并记为{C2}。由于三X组合Marker标记与2号立体视觉系统2固定连接，因此，{M2}与{C2}之间存在固定的相对位姿关系，可以用空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000061
描述，其中，
Figure BDA0002519703940000062
可以通过标定的方法确定。
第四步，将1号立体视觉系统1与全局视觉系统支架4固定连接，选择合适的工作位置和视角方向后固定1号立体视觉系统1并保持工作过程中全程不变，将1号立体视觉系统1的左眼摄像机坐标系O0-X0Y0Z0作为全局参考坐标系，并记为{W}。
第五步，将2号立体视觉系统2与自锁牵引机械臂5固定连接，根据需要随时调整2号立体视觉系统2的工作位置和视角方向，使得2号立体视觉系统2上面的三X组合Marker标记在1号立体视觉系统1的有效工作空间内并可被检测到，待测量目标P在2号立体视觉系统2的有效工作空间内并可被检测到。
第六步，利用1号立体视觉系统1测量2号立体视觉系统2上三X组合Marker标记建立的局部坐标系的空间位姿，记为
Figure BDA0002519703940000063
利用2号立体视觉系统2测量待测量目标P在2号立体视觉系统2的有效工作空间内的位姿，记为
Figure BDA0002519703940000064
结合标定的2号立体视觉系统2的视觉坐标系{C2}与三X组合Marker标记建立的局部坐标系{M2}的空间映射矩阵
Figure BDA0002519703940000065
实现待测量目标P的位姿从2号立体视觉系统2的视觉坐标系{C2}到1号立体视觉系统1的视觉坐标系即全局参考坐标系{W}的转换：
Figure BDA0002519703940000066
其中，
Figure BDA0002519703940000071
表示待测量目标P在全局参考坐标系{W}下的坐标，
Figure BDA0002519703940000072
表示待测量目标P在n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}下的坐标；
Figure BDA0002519703940000073
是P＝[x y z]T的齐次坐标，(x,y,z)表示待测量目标P在三维空间坐标系中的坐标。
本发明提供的上述立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，将多立体视觉系统中的一个立体视觉系统作为全局视觉系统固定不动，其他立体视觉系统可在工作过程中根据需要随意移动位置、调整视角，从而有效扩展立体视觉系统的工作空间与工作视角，提升立体视觉系统的灵活性。在全局立体视觉系统下看不到的待测量目标，可通过其他立体视觉系统实现待测量目标在全局坐标系下的间接定位，达到克服单个立体视觉系统视角受限和工作空间有限的目的，克服传统方案多立体视觉系统在工作过程中不能调整位姿的局限，使立体视觉系统的应用更加广泛。将本发明应用于手术室器械导航，具有成本低、工作空间灵活及定位精度高等优点。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择N个立体视觉系统，以1号立体视觉系统作为主立体视觉系统，2号～N号立体视觉系统作为从立体视觉系统；以主立体视觉系统的视觉坐标系作为全局参考坐标系{W}；其中，N为大于1的整数；
S2：在n号立体视觉系统的外表面上粘贴或印刷人工标记Markern，由人工标记Markern建立局部坐标系{Mn}；其中，n＝2,3,…N，不同的立体视觉系统对应的人工标记不同；
S3：由人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}与n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}具有固定的位姿关系，利用空间映射矩阵
Figure FDA0002519703930000011
描述；其中，空间映射矩阵
Figure FDA0002519703930000012
通过标定方法确定；
S4：将1号立体视觉系统与全局视觉系统支架固定连接，确定1号立体视觉系统的工作位置和视角方向后固定并保持工作过程中全程不变；
S5：将n号立体视觉系统与n号自锁牵引机械臂固定连接，通过力牵引随时调整n号立体视觉系统的工作位置和视角方向，使人工标记Markern在1号立体视觉系统的有效工作空间内可见，待测量目标P在n号立体视觉系统的有效工作空间内可见；
S6：利用1号立体视觉系统测量n号立体视觉系统上人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}的空间位姿，记为
Figure FDA0002519703930000013
利用n号立体视觉系统测量待测量目标P在n号立体视觉系统的有效工作空间内的位姿，记为
Figure FDA0002519703930000014
结合标定的人工标记Markern建立的局部坐标系{Mn}与n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}的空间映射矩阵
Figure FDA0002519703930000015
实现待测量目标P的位姿从n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}到全局参考坐标系{W}的转换：
Figure FDA0002519703930000016
其中，
Figure FDA0002519703930000021
表示待测量目标P在全局参考坐标系{W}下的坐标，
Figure FDA0002519703930000022
表示待测量目标P在n号立体视觉系统的视觉坐标系{Cn}下的坐标；
Figure FDA0002519703930000023
是P＝[x y z]T的齐次坐标，(x,y,z)表示待测量目标P在三维空间坐标系中的坐标。
2.如权利要求1所述的立体视觉系统工作空间和工作视角级联扩展方法，其特征在于，步骤S2中，人工标记Markern为具有至少三个非共线特征点的平面型标记。
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