CN113288424A - 用于光学手术导航系统视场标定的标定板及标定方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于光学手术导航系统视场标定的标定板及标定方法。本发明的标定板上表面设置有基本的棋盘格，所述棋盘格由两种不同颜色的正四边形单元格相间排布组成，其中在一种所述特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆，所述特征圆的大小相同且与所在单元格颜色差异明显。通过本发明能精确地获取光学手术导航系统视场之间的变换关系，简便而可靠地完成针对光学手术导航系统视场一致性地联合标定。

Description

用于光学手术导航系统视场标定的标定板及标定方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉、图像处理和相机标定技术领域，特别涉及一种用于光学手术导航系统视场标定的标定板及标定方法。
背景技术
标定板在机器视觉、图像测量、摄影测量、以及三维重建等方面有广泛应用。通过相机拍摄带有固定间距图案阵列的标定板的图像，经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。
光学手术导航系统融合结构光相机和双目相机。在多相机系统标定过程中，由于不同的相机生产商、不同的相机硬件结构以及不同相机工作原理，致使各种相机系统采用的标定板不同。使用不同标定板的多次标定过程将导致光学手术导航系统内的各相机系统在空间内坐标系的不一致，因此带来额外的坐标转换工作。
目前，单独针对结构光相机、双目相机的标定板及标定方法都存在，但缺乏针对融合以上两种相机的光学手术导航系统的联合标定的标定板及标定方法。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于光学手术导航系统视场标定的标定板及标定方法，以实现光学手术导航系统视场一致性的标定。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于光学手术导航系统视场标定的标定板，包括一块平板，所述平板上表面设置有基本的棋盘格，所述棋盘格由两种不同颜色的正四边形单元格相间排布组成，其中在一种所述特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆，所述特征圆的大小相同且与所在单元格颜色差异明显。
优选地，所述两种不同颜色的正四边形单元格的颜色为黑色和白色，其中白色单元格或黑色单元格的交点为棋盘格的角点。
优选地，所述特征圆设置于黑色方格内且特征圆的颜色为白色。
优选地，所述特征圆与所在方格同心。
一种光学导航系统视场标定的标定方法，使用本发明标定板进行光学手术导航系统视场的标定，包括：
S1：放置标定板至结构光相机与双目相机的视场内；
S2：利用标定板的棋盘格标定双目相机；
S3：保持标定板不动，利用标定板的特征圆标定结构光相机。
优选地，在步骤S2中，标定板图像被双目相机采集，识别标定板的棋盘格的角点D1，获取各角点D1在两个相机视场中的位置坐标
Figure BDA0003019491580000021
综合双目相机的相机内参建立标定板与双目相机的坐标系转换关系，完成对双目相机的标定。
优选地，在步骤S3中，结构光相机的激光发生器发出结构光投射到标定板，部分反射光线由结构光相机的专用采集摄像头进行采集；在结构光相机图像中识别各特征圆，然后获取各特征圆的圆心D2在图像中的位置坐标D2(x，y)，综合深度信息建立标定板与结构光相机的坐标系转换关系，完成对结构光相机的标定。
优选地，根据各关键点在不同相机系统的位置坐标
Figure BDA0003019491580000022
以及D2(x，y)完成对光学手术导航系统视场一致性的联合标定。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：
1.本发明提供一种用于光学导航系统视场标定的标定板及标定方法，能够实现光学导航系统视场一致性的标定，其中标定板表面设置有基本的棋盘格，特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆；
2.本发明利用棋盘格，可以实现双目相机的标定；利用特征圆，可实现结构光相机的标定；最后，可使用标定板的图案排列先验信息，精确地获取两类相机视场坐标系的变换关系，从而通过本发明设计的标定板可以简便而可靠地完成针对光学导航系统视场一致性的联合标定。
附图说明
图1为本发明用于光学导航系统视场标定的标定板一种实施例的结构示意图。
图2为待标定的光学导航系统的示意图。
图3为本发明实施例中对双目相机视场标定的示意图。
图4为本发明实施例中对结构光相机视场标定的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当强调的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
参阅图1，一种用于光学手术导航系统视场标定的标定板，包括一块平板，所述平板上表面设置有基本的棋盘格1，所述棋盘格1由两种不同颜色的正四边形单元格相间排布组成，其中在一种所述特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆2，所述特征圆2的大小相同且与所在单元格颜色差异明显。本实施例标定板实现光学手术导航系统视场一致性的标定。
实施例二：
在上述实施例中，所述两种不同颜色的正四边形单元格的颜色为黑色和白色，其中白色单元格或黑色单元格的交点为棋盘格的角点。
在上述实施例中，所述特征圆2设置于黑色方格内且特征圆2的颜色为白色。
在上述实施例中，所述特征圆2与所在方格同心。
本实施例能够实现光学导航系统视场一致性的标定，其中标定板表面设置有基本的棋盘格，特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆；本实施例利用棋盘格，可以实现双目相机的标定。
实施例三：
参阅图1和图2，一种光学手术导航系统视场标定的标定方法，使用上述实施例标定板进行手术导航系统视场的标定，包括如下步骤：
S1：放置标定板至结构光相机4与双目相机3的视场内；
S2：利用标定板的棋盘格1标定双目相机3；
S3：保持标定板不动，利用标定板的特征圆2标定结构光相机4。
本实施例方法能实现光学手术导航系统视场一致性的标定。
实施例四：
在本实施例中，在所述步骤S2中，标定板图像被双目相机3采集，识别标定板的棋盘格1的角点D1，获取各角点D1在两个相机视场中的位置坐标
Figure BDA0003019491580000031
综合双目相机3的相机内参建立标定板与双目相机3的坐标系转换关系，完成对双目相机3的标定。
在本实施例中，在所述步骤S3中，结构光相机4的激光发生器发出结构光投射到标定板，部分反射光线由结构光相机4的专用采集摄像头进行采集；在结构光相机4图像中识别各特征圆，然后获取各特征圆2的圆心D2在图像中的位置坐标D2(x，y)，综合深度信息建立标定板与结构光相机4的坐标系转换关系，完成对结构光相机4的标定。
在本实施例中，根据各关键点在不同相机系统的位置坐标
Figure BDA0003019491580000041
以及D2(x，y)完成对光学手术导航系统视场一致性的联合标定。
本实施例用于光学导航系统视场标定的标定板及标定方法，能够实现光学导航系统视场一致性的标定，其中标定板表面设置有基本的棋盘格，特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆，本实施例实现双目相机的标定；利用特征圆，可实现结构光相机的标定。
实施例五：
在本实施例中，如图1和图2所示，一种用于光学手术导航系统视场标定的标定板及标定方法说明如下：
S1：标定板的设计；
S2：利用标定板的黑白相间的棋盘格区域，实现对双目相机3视场的标定；
S3：利用标定板的相间分布的白色特征圆，实现对结构光相机4视场的标定。
需要强调的是，以下实施例中所述的具体方法都仅为列举说明，如角点的选取、获取特征圆心的位置坐标等，本发明所涵盖的范围不局限于所列举的这些方法。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
S1：标定板主要包括两个部分：棋盘格1和特征圆2。以上两个部分的设置如下：
1)棋盘格1：棋盘格1的黑色、白色方格交替部分内的黑色方格和白色方格在双目相机4采集的灰度图像中灰度差异巨大，黑色方格的灰度值最大，白色方格的灰度值最小；如图1所示，黑色方格和白色方格相间分布在整个标定板内；
2)特征圆2：所有特征圆2的颜色为白色且设置于黑色方格内，所以也呈现出相间分布的特点；特征圆2的直径为d，与所在方格同心，即拥有同一个几何中心；
3)棋盘格1内的所有方格均为尺寸相同的正四边形，边长为L；所图1所示，所有特征圆2的大小相同但其直径d小于方格边长L，特征圆2不超出方格，如形式0；
4)手术导航系统：手术导航系统硬件包括双目相机3与结构光相机4，其基本位置关系如图2所示；
为保证采集视场的一致性与采集数据的准确性，可通过本实施例的标定板对双目相机3与结构光相机4的视场进行联合标定，以精确获取手术导航系统视场之间的关系；
S2：利用标定板的黑白相间的棋盘格区域，实现对双目相机3视场的标定，其标定过程如下：
如图3所示，标定板与双目相机3构成了对双目相机3进行标定的场景；标定板图像被双目相机3采集，识别标定板的棋盘格的角点D1，即白色方格交点或黑色方格交点，获取各角点D1在两个相机视场中的位置坐标
Figure BDA0003019491580000051
综合双目相机3的相机内参建立标定板与双目相机3的坐标系转换关系，完成对双目相机3的标定；
S3：利用标定板的相间分布的白色特征圆，实现对结构光相机4视场的标定，其标定过程如下：
如图4所示，激光发生器5、采集摄像头6以及标定板构成了对结构光相机4的标定场景；结构光相机4的激光发生器5发出结构光投射到标定板，部分反射光线由结构光相机4的专用采集摄像头6进行采集；在结构光相机4图像中识别各白色特征圆，然后获取各白色特征圆的圆心D2在图像中的位置坐标D2(x，y)，综合深度信息建立标定板与结构光相机4的坐标系转换关系，完成对结构光相机4的标定。
在标定板位置固定的前提下，根据各关键点在不同相机系统的位置坐标
Figure BDA0003019491580000052
以及D2(x，y)完成对光学手术导航系统视场一致性的联合标定。
综上所述，本发明的标定板上表面设置有基本的棋盘格，所述棋盘格由两种不同颜色的正四边形单元格相间排布组成，其中在一种所述特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆，所述特征圆的大小相同且与所在单元格颜色差异明显。通过本发明能精确地获取光学手术导航系统视场之间的变换关系，简便而可靠地完成针对光学手术导航系统视场一致性地联合标定。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于光学手术导航系统视场标定的标定板，包括一块平板，其特征在于，所述平板上表面设置有基本的棋盘格，所述棋盘格由两种不同颜色的正四边形单元格相间排布组成，其中在一种所述特定颜色的正四边形单元格内设置有特征圆，所述各特征圆的大小相同且与所在单元格颜色差异明显。
2.如权利要求1所述的用于光学手术导航系统视场标定的标定板，其特征在于：所述两种不同颜色的正四边形单元格的颜色为黑色和白色，其中白色单元格或黑色单元格的交点为棋盘格的角点。
3.如权利要求1所述的用于光学手术导航系统视场标定的标定板，其特征在于：所述特征圆设置于黑色方格内且特征圆的颜色为白色。
4.如权利要求1所述的用于光学手术导航系统视场标定的标定板，其特征在于：所述特征圆与所在方格同心。
5.一种用于光学手术导航系统视场标定的标定方法，其特征在于，使用权利要求1至4中任一项所述标定板进行光学手术导航系统视场的标定，包括如下操作步骤：
S1：放置标定板至结构光相机与双目相机的视场内；
S2：利用标定板的棋盘格标定双目相机；
S3：保持标定板不动，利用标定板的特征圆标定结构光相机。
6.如权利要求5所述的用于光学手术导航系统视场标定的标定方法，其特征在于：在所述步骤S2中，标定板图像被双目相机采集，识别标定板的棋盘格的角点D1，获取各角点D1在两个相机视场中的位置坐标
Figure FDA0003019491570000011
综合双目相机的相机内参建立标定板与双目相机的坐标系转换关系，完成对双目相机的标定。
7.如权利要求5所述的用于光学手术导航系统视场标定的标定方法，其特征在于：在所述步骤S3中，结构光相机的激光发生器发出结构光投射到标定板，部分反射光线由结构光相机的专用采集摄像头进行采集；在结构光相机图像中识别各特征圆，然后获取各特征圆的圆心D2在图像中的位置坐标D2(x，y)，综合深度信息建立标定板与结构光相机的坐标系转换关系，完成对结构光相机的标定。
8.如权利要求5所述的用于光学手术导航系统视场标定的标定方法，其特征在于：根据各关键点在不同相机系统的位置坐标
Figure FDA0003019491570000012
以及D2(x，y)，完成对光学手术导航系统视场一致性的联合标定。
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