空间变换用配准块及其使用方法

摘要

本发明涉及一种空间变换用标记块及其视觉定位配准方法，它可减小人员操作误差，提高配准精度，兼容各种成像设备，降低标记块和定位成本。结构为：盖板安装在底座上，盖板上设有视觉标记，底座内设有N形标记块；底座安装在托板上，N形标记块内填充成像物质。（1）由透视成像设备对标记块进行成像处理，获得图像体数据；对N形标记块的中点在体数据图像中进行定位并将该中点坐标作为标记点的体数据空间坐标；（2）利用立体视觉定位系统对视觉标记进行自动识别、定位，计算N形标记块中点的坐标，作为标记点的视觉空间坐标；（3）利用仿射法或SVD法，计算体数据图像空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间与视觉空间的配准。

说明书

技术领域

本发明的目的是提出一种适合视觉定位的空间变换用配准块及其用于体数据空间与视觉 空间配准的方法。

背景技术

通过视觉空间与体数据空间配准，可以利用视觉引导完成对物体内部的加工操作。常用 空间配准方法有三类：

1.使用专用框架进行配准。将物体安装在配准框架内，采集体数据，通过配准框架的特 征进行配准，这种方法受到框架大小和安装方式的限制，难以适应物体尺寸、形状的变化。

2.利用物体的几何特征进行配准。如利用物体表面形成的曲面进行配准，这种方式计算 量很大，配准时间较长。

3.使用配准块进行配准。在物体表面固定配准块，用来在不同的空间定位和识别配准特 征点，利用特征点完成空间的配准。使用配准块配准时，需要识别、定位用于空间配准的特 征点，但是人工定位配准块时易引入人员操作误差。

为减小第三种方法的配准误差，通常采用配准块自动识别定位的方法，如采用球形标记 物，处理图像得到球的边缘，进行圆或椭圆的拟合，并计算球心位置，实现配准块的定位。 边缘提取和圆的拟合需要大量计算；需要2幅以上图像的处理才能在体数据空间中完成球心 定位；为了进行可靠的圆拟合，需使用大尺寸的球体，使得配准块体积较大。在操作空间对 配准块的定位方式也较多，如电磁式、光电式、立体视觉等。为了解决配准块与体数据成像 设备的兼容问题，电磁和光电法需要使用特定材料制作的配准块。

发明内容

本发明的目的就是为提高空间配准的自动化程度、降低配准块成本、减小人员操作误差， 提供一种空间变换用配准块及其视觉定位配准方法，它利用配准块在不同的待配准空间中对 配准特征点进行自动或半自动定位以降低人员操作误差，提高配准精度，同时易于兼容各种 成像设备，降低配准块成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种空间变换用配准块，它包括视觉标记、盖板、N形标记、底座。视觉标记粘贴或绘 制在盖板上，盖板安装在底座上，在底座内设有N形标记；N形标记由利于体数据采集设备 成像的材料制成或使用填充了成像粉剂或液剂的空心管加工。

所述视觉标记为至少具有三个公共顶点的类似于黑白棋盘格的黑色图案块，且这些公共 顶点不共线。

所述N形标记内充满用于体数据成像设备成像的液剂或粉剂。

所述盖板一端设有凹口，所述底座设有凸口，凹口与凸口相互配合。

一种采用空间变换用配准块的视觉定位配准方法，

（1）将配准块固定在操作对象上，由透视成像设备获得操作对象及配准块的体数据；利 用体数据中两层断层图像，对配准块内N形标记的中心进行定位，将该中心坐标作为配准块 的体数据空间坐标；

（2）利用立体视觉定位系统对视觉标记进行自动识别、定位，计算配准块内N形标记中 心的坐标，将它作为配准块在视觉空间中的坐标；

（3）利用仿射法或SVD法，计算体数据空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间 与视觉空间的配准。

所述步骤1）中，配准块的体数据空间定位方法为：

利用透视成像设备获得配准块的断层图像，配准块内包含装有成像粉剂或液剂的管道构 成的N形标记，N形标记在图像中有明亮的点状成像，这些成像点可以用图像边缘提取等方 法检测定位。记O为体数据空间原点，N形标记的左下角顶点记为n₁，沿顺时针方向的其它 三个顶点分别记为n₂,n₃,n₄。以N形标记的中心作为配准特征点的位置，在体数据空间记该

位置坐标为m_I(x,y,z)，基于空间向量关系，其坐标可由计算得 到。

在断层图像I₁中，可检测得到的N形标记的外边缘及其对角线的成像点，分别记为a₁， b₁，c₁；在断层图像I₂中检测得到的相应成像点分别记为a₂，b₂，c₂。

由于在N型标记上，三角形a₁n₂b₁相似于三角形c₁n₄b₁，即Δa₁n₂b₁∝Δc₁n₄b₁，其对应边长成

比例，即$\left|\right|\frac{b_1{n}_2}{b_1{n}_4}\left|\right|=\left|\right|\frac{a_1{b}_1}{c_1{b}_1}\left|\right|=k,$其中k为常数。

已知N形标记对角线设计长度为l，有

l＝‖n₂n₄‖＝‖b₁n₂‖+‖b₁n₄‖＝(1+k)‖b₁n₄‖＝(1+k)/k·‖b₁n₂‖

由于b₁，b₂位于向量上，其中，O为体数据空间原点，由空间向量间的关系知，

$\overrightarrow{{\mathrm{on}}_2}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}+\overrightarrow{b_1{n}_2}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}+\frac{\overrightarrow{b_1{b}_2}}{\left|\right|b_1{b}_2\left|\right|}·k/{(1+k)}^{·l}$

$\overrightarrow{{\mathrm{on}}_4}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}+\overrightarrow{b_1{n}_4}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}-\frac{\overrightarrow{b_1{b}_2}}{\left|\right|b_1{b}_2\left|\right|}·1/{(1+k)}^{·l}$

因此，在体数据图像中，通过图像处理获得b₁、b₂的坐标后，即可计算得到配准块对应的 配准特征点坐标m_I。

所述步骤2）中配准块的视觉空间定位方法为：

视觉标记由3个或更多的黑色图案块公共点构成，利用该视觉标记对配准块的视觉空间定 位；它用立体相机对视觉标记进行拍照，利用图像处理算法，提取黑色图案块公共点并计算 各公共点的三维坐标；根据黑色图案块公共点的几何分布特征的不同，可以对不同配准块进 行自动识别和定位；

记视觉标记上任意三个不共线的黑色图案块公共点A,B,C的视觉空间坐标分别为

A_c(A_x,A_y,A_z)，B_c(B_x,B_y,B_z)，C_c(C_x,C_y,C_z)，根据右手法则，存在一点D，使单位向 直于平面ABC；记D点的视觉坐标为D_c(D_x,D_y,D_z)，该坐标可由和求得。以A为原点，建立视觉标记的参考系坐标系，记A,B,C,D在 该参考坐标系

下的坐标分别为A_r(0,0,0)，B_r(B_rx，B_ry，B_rz)，C_r(C_rx,C_ry,C_rz)，D_r(D_rx,D_ry,D_rz)，利用仿射变 换，求得参考坐标系到视觉坐标系的变换矩阵为^CT_R，

${}^C{T}_R=\left(\begin{array}{cccc}{A}_x& B_x& C_x& D_x\\ A_y& B_y& C_y& D_y\\ A_z& B_z& C_z& D_z\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right)·{\left(\begin{array}{cccc}0& B_{\mathrm{rx}}& C_{\mathrm{rx}}& D_{\mathrm{rx}}\\ 0& B_{\mathrm{ry}}& C_{\mathrm{ry}}& D_{\mathrm{ry}}\\ 0& B_{\mathrm{rz}}& C_{\mathrm{rz}}& D_{\mathrm{rz}}\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right)}^{-1}$

由设计安装参数可知，N形标记的中心在视觉标记参考系坐标系下的坐标m_r(x_r,y_r,z_r)。 配准块在视觉空间中的配准特征点坐标，即N形标记的中心在视觉坐标系下的坐标

m_c(x_c,y_c,z_c)，可由$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right)={}^C{T}_R\left(\begin{array}{c}{x}_r\\ y_r\\ z_r\\ 1\end{array}\right)$计算得到。

所述步骤3）中体数据空间与视觉空间的配准方法为：

使用四个配准块，在体数据空间和视觉空间分别按照本发明所述方法计算得到配准块中 N形标记中心的坐标，即为配准特征点的坐标，并记为m_I1,m_I2,m_I3，m_I4和m_C1,m_C2,m_C3,m_C4， 可以求得体数据空间到视觉空间的变换矩阵^CT_I，即

^CT_I＝[m_C1 m_C2 m_C3 m_C4][m_I1 m_I2 m_I3 m_I4]^-1；当使用更多配准块时，可采用SVD法求 解空间变换阵的最优解。

本发明将配准块固定在被加工对象上，利用透视设备生成操作对象的体数据图像；通过 图像处理和计算，完成配准特征点在体数据空间中的定位；利用立体相机完成配准特征点在 视觉空间中的定位；依据配准特征点在不同空间的定位坐标，实现体数据空间到视觉空间的 配准。

配准块由上/下盖板、视觉标记、N形标记和框架安装垫片组成，在配准块外表面，粘贴 或印制由类似黑白棋盘格的黑色图案块组成的视觉标记。N形标记内充满利于体数据成像设 备成像的液剂或粉剂，可由X光、CT、核磁共振等成像设备获得清晰成像。由黑色图案块组 成的视觉标记可由视觉定位系统自动识别定位。

配准块被固定连接在操作对象上，由体数据成像设备进行成像，获得体数据图像。利用 2幅断层图像中N形标记的成像，可完成配准块在体数据空间中的定位。视觉标记被立体视 觉定位系统自动识别定位。在体数据空间和视觉空间中分别对配准块进行定位后，得到配准 特征点的坐标，将体数据空间与视觉空间中所得特征点坐标进行对应，利用仿射法或SVD法， 计算体数据空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间与视觉空间的配准。该方法包括 以下步骤：

（1）由透视成像设备进行成像处理，获得图像体数据，利用2幅断层图像中N形标记 的成像，可对配准块在体数据空间中完成定位；

（2）立体视觉定位系统自动识别视觉标记并对配准块进行定位；

（3）将体数据空间与视觉空间中所得配准特征点的坐标进行对应，利用仿射法或SVD 法，计算体数据空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间与视觉空间的配准。

本发明的有益效果是：N形标记构成的配准块加工装配简单、结构紧凑，只要N形标记 能够在体数据中存在满足本发明要求的两幅成像，即可对其进行定位，利于实现配准块的小 型化；在体数据中对N形标记的定位操作简单，支持快速配准；通过立体视觉，可以自动识 别、定位不同的配准块，提高配准自动化程度，避免人员操作误差，提高配准精度。

附图说明

图1：本发明的流程图；

图2：配准块结构示意图；

图3：N形标记在体数据空间的定位；

图4：贴在配准块外表面的类似于黑白棋盘格的黑色图案块组成的视觉标记示例。

其中，1.盖板，2.视觉标记，3.底座，4.N形标记，5.托板。

具体实施方式

下面结合附图与实施对本发明做进一步说明。

图2中，盖板1安装在底座3上，在盖板1上设有视觉标记2，在底座3内设有N形标 记4；底座3安装在托板5上，在N形标记4内填充成像物质。

所述视觉标记2为黑色标记。

所述N形标记4内充满用于体数据成像设备成像的液剂或粉剂。

图1、图3、图4中，本发明的方法为：

（1）由透视成像设备对配准块进行成像处理，获得图像体数据。利用2幅断层图像中N 形标记的成像，可对N形标记的中心在体数据空间中进行定位并将该中心坐标作为配准特征 点在体数据空间中的坐标；

（2）利用立体视觉定位系统对视觉标记进行自动识别、定位，并计算N形标记中心的坐 标，将它作为配准特征点在视觉空间中的坐标；

（3）利用仿射法或SVD法，计算体数据空间与视觉空间的空间变换阵，完成体数据空间 与视觉空间的配准。

（一）配准块的体数据空间定位

经CT、MR等设备扫描后，可获得N形标记的断层图像。设O为体数据空间原点；N形 标记与断层图像I₁的交点为a₁，b₁，c₁；与断层图像I₂的交点为a₂，b₂，c₂；记N形标记左 下角顶点为n₁，沿顺时针方向其顶点分别记为n₂,n₃,n₄，

由

三角形a₁n₂b₁相似于三角形c₁n₄b₁，

有$\left|\right|\frac{b_1{n}_2}{b_1{n}_4}\left|\right|=\left|\right|\frac{a_1{b}_1}{c_1{b}_1}\left|\right|=k$（对应边长成比例，其中k为常数）

已知N形标记对角线设计加工长度为l，且b₁位于直线直线n₂n₄上，根据几何关系，得 l＝‖n₂n₄‖＝‖b₁n₂‖+‖b₁n₄‖＝(1+k)‖b₁n₄‖＝(1+k)/k·‖b₁n₂‖

由于b₁，b₂位于向量上，其中，O为体数据空间原点，由空间向量间的关系知，

$\overrightarrow{{\mathrm{on}}_2}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}+\overrightarrow{b_1{n}_2}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}+\frac{\overrightarrow{b_1{b}_2}}{\left|\right|b_1{b}_2\left|\right|}·k/{(1+k)}^{·l}$

$\overrightarrow{{\mathrm{on}}_4}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}+\overrightarrow{b_1{n}_4}=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}-\frac{\overrightarrow{b_1{b}_2}}{\left|\right|b_1{b}_2\left|\right|}·1/{(1+k)}^{·l}$

在体数据图像中，通过图像处理获得b₁、b₂的坐标后，记配准特征点在体数据空间中的坐 标为m_I(x,y,z)，基于空间向量关系，即可由

$\overrightarrow{{\mathrm{om}}_I}=\overrightarrow{{\mathrm{on}}_2}+(\overrightarrow{{\mathrm{on}}_4}-\overrightarrow{{\mathrm{on}}_2})/2=\overrightarrow{{\mathrm{ob}}_1}+\frac{l}{2}·\frac{k-1}{1+k}·\frac{\overrightarrow{b_1{b}_2}}{\left|\right|b_1{b}_2\left|\right|}$

计算得到配准特征点在体数据空间中的坐标m_I(x,y,z)。

（二）配准块的视觉空间定位

视觉标记由3个或更多的类似于黑白棋盘格交点的黑色图案块公共点构成，利用该视觉 标记可实现对配准块的视觉空间定位。用立体相机对视觉标记进行拍照，利用图像处理算法， 提取黑色图案块公共点并计算各公共点的三维坐标。根据黑色图案块公共点的几何分布特征， 如点间距离，角度等识别视觉标记，对不同配准块进行自动识别和定位。

记视觉标记上任意三个不共线的黑色图案块公共点A,B,C的视觉空间坐标分别为

A_c(A_x,A_y,A_z)，B_c(B_x,B_y,B_z)，C_c(C_x,C_y,C_z)，根据右手法则，存在一点D，使单位向 量垂直于平面ABC。记D点的视觉坐标为D_c(D_x,D_y,D_z)，则D点的视觉坐标可由 求得。以A为原点，建立视觉标记的参考系坐标系， 记

A,B,C,D在该参考坐标系下的坐标分别为A_r(0,0,0)，B_r(B_rx,B_ry,B_rz)，C_r(C_rx,C_ry,C_rz)， D_r(D_rx,D_ry,D_rz)，利用仿射变换，可以求得参考坐标系到视觉坐标系的变换矩阵为^CT_R，

${}^C{T}_R=\left(\begin{array}{cccc}{A}_x& B_x& C_x& D_x\\ A_y& B_y& C_y& D_y\\ A_z& B_z& C_z& D_z\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right)·{\left(\begin{array}{cccc}0& B_{\mathrm{rx}}& C_{\mathrm{rx}}& D_{\mathrm{rx}}\\ 0& B_{\mathrm{ry}}& C_{\mathrm{ry}}& D_{\mathrm{ry}}\\ 0& B_{\mathrm{rz}}& C_{\mathrm{rz}}& D_{\mathrm{rz}}\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right)}^{-1}$

由设计安装参数可知，N形标记的中心在视觉标记参考系坐标系下的坐标为m_r(x_r,y_r,z_r)。 配准块在视觉空间中的配准特征点坐标，即N形标记的中心在视觉坐标系下的坐标为 m_c(x_c,y_c,z_c)，则由$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right)={}^C{T}_R\left(\begin{array}{c}{x}_r\\ y_r\\ z_r\\ 1\end{array}\right)$计算得到。

（三）体数据空间与视觉空间的配准

使用四个配准块，在体数据空间和视觉空间分别按照本发明所述方法计算得到配准块中 N形标记中心的坐标，作为配准特征点的位置，并记为m_I1，m_I2，m_I3，m_I4和m_C1,m_C2,m_C3,m_C4， 可以求得体数据空间到视觉空间的变换矩阵^CT_I，即

^CT_I＝[m_C1 m_C2 m_C3 m_C4][m_I1 m_I2 m_I3 m_I4]^-1。

当使用更多配准块时，可以利用SVD法求出空间变换阵的最优解。

通过上述数学方式的表征可以较为精确地实现配准块在体数据空间与视觉空间中的定位， 完成体数据空间到视觉空间的配准。

（四）实验和仿真

利用本发明中的方法求得N形标记中配准特征点在体数据空间定位的精度主要受到成 像质量的影响，在断层图像中对其成像的定位误差小于1mm。

使用直径为10mm的球形标记物和2mm管径制作尺寸为25mm*15mm的N形标记进行多次 实验与仿真实验比较。在图像空间中：人工定位球形标记物的误差为2.2mm；球形标记物定 位方法定位误差为0.82mm，本发明方法定位误差小于0.5mm；在视觉空间中：球形标记物不 易实现自动定位，采用半自动定位方法的定位误差为1.2mm，采用专利201010105470.6方法 对本专利所述视觉标记的定位误差为0.3mm。