双目医学内窥镜系统的三维显示及立体匹配算法研究

摘要

随着双目立体视觉技术的发展，医学临床诊断治疗对立体可视化图像的需求也逐渐成为计算机视觉领域的重要内容之一，通过双目内窥摄像头获得不同视觉角度的图像，并提供三维腹腔环境场景、提示场景内目标的深度信息，能够帮助降低手术并发症、减少病人痛楚。本文的主要工作围绕三维内窥镜实用软件的设计实现、双目系统的标定和图像校正、计算深度的立体匹配算法三个方面展开。
　　本文首先根据现有医学内窥镜的使用需求和性能指标介绍了基于双目摄像的三维内窥镜系统方案及硬件模块组成，设计并实现了整体软件设计，将双目图像的同步采集/显示、系统参数标定及图像校正、立体匹配计算等整合为软件系统各模块。
　　其次由于光学系统装配误差，获取的原始图像对存在相对旋转和平移，因此为了实现更好地三维显示效果和提供立体匹配所需的极线水平对准的图像对，本文还探讨了双目系统的参数标定方法，分析双目模型涉及的各坐标系之间的映射关系，重点得出真实场景中目标点的世界坐标求解方法;以及选用张氏标定法分析现有双目摄像机模型内外参数，并完成图像极线校正模块。
　　最后，在立体匹配算法方面，本文结合系统使用需求重点探讨了局部匹配算法原理，实现了三种重要的匹配思想——基于颜色相似度的匹配方法、基于Census非参数变换的匹配方法、自适应权重方法，并分别针对性提出边缘约束、简化的Hamming距离计算、直接比较权重窗口相似度的改进方案，实验对比匹配效果后得出，改进的自适应权重方法无论在光照一致还是不一致条件下都表现更优。结合现有内窥镜系统时，重点探讨了其获取的左右图像中因光照颜色、光线投射方向等因素造成匹配点对像素值不一致的现象，因此传统的颜色模型不能适用，于是引入基于log域变换的归一化颜色模型，通过分析光照、gamma变换等外在因素产生的像素值附加分量提出相应的变换方法，并采用基于灰度分布的平坦区域判定方式给像素分类以减少搜索范围，以及结合提出的改进自适应权重算法搜索最佳匹配点。实验表明，该方案对光照等外在因素有很好的鲁棒性。

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摘要

第1章 绪论

1．1 三维医学内窥镜和立体匹配的发展现状

1．1．1 三维医学内窥镜

1．1．2 立体匹配

1．2 本论文的研究内容及研究意义

1．3 论文的结构框架

第2章 三维医学内窥镜系统方案

2．1 系统方案与硬件介绍

2．2 软件系统设计

2．2．1 双通道图像数据的采集与显示

2．2．2 图像处理与控制模块

2．3 本章小结

第3章 双目系统参数标定及图像校正

3．1 双目模型

3．2 双目系统参数的标定方法

3．2．1 标定参数

3．2．2 摄像机标定方法

3．3 标定与图像校正

3．3．1 标定校正实验

3．3．2 校正结果及其对立体匹配的影响分析

3．4 本章小结

第4章 计算深度图的立体匹配算法研究

4．1 立体匹配基本原理

4．2 局域匹配算法探究

4．2．1 基于相似度函数的匹配方法及其改进型

4．2．2 Census非参数变换方法及其改进型

4．2．3 改进的自适应权重方法

4．3 验证实验

4．3．1 理想光照下的匹配

4．3．2 光照条件不一致时的匹配结果与分析

4．4 本章小结

第5章 基于三维内窥镜系统的匹配方案与测试

5．1 一种改进的对光照不敏感的立体匹配方案

5．1．1 归一化颜色模型

5．1．2 基于改进自适应权重思想的相似度计算

5．1．3 平坦区域的判定分割

5．1．4 最终方案流程图

5．2 实验结果与分析

5．2．1 算法验证

5．2．2 实际系统拍摄场景图测试

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历