紅外手術導航儀的高精度定位理論與方法.pdf

1、手術導航儀能夠使外科醫(yī)生實時瀏覽病灶部位的三維解剖結構以及手術器械所處的位置和方向，規(guī)劃手術器械進入的路徑，減小手術創(chuàng)傷，提高手術精度。手術導航的出現(xiàn)引發(fā)了手術方式的革新，因此成為外科領域的一個研究熱點。 三維重建是手術導航儀的重要技術組成部分。傳統(tǒng)的三維重建技術包括攝像機標定、特征提取、立體匹配和三角化重建等步驟。為了降低復雜度并增強穩(wěn)定性，手術導航儀通常采用圓形和球形標志。所以，本文主要涉及這些已知模型的攝像機標定技術和三維

2、重建技術。盡管一些問題已經(jīng)在幾年以前得到了部分解決，但是本文提出了系統(tǒng)的分析和完備的幾何解釋，填補了現(xiàn)存算法的不足之處。例如，本文提出了圓的射影方程，該方程是關于圓形特征的統(tǒng)一描述，具有重要的意義。 本文的主要創(chuàng)新點包括： 1．基于圓形特征的攝像機標定 針對現(xiàn)有迭代算法的不足之處，本文提出了一種基于平面上兩個任意圓的攝像機標定算法。利用一幅圖像，本方法可以線性地標定出攝像機焦距和外參數(shù)。和迭代算法相比，本方法的計

3、算速度快，幾何意義明確，同時可以用于初始化迭代優(yōu)化算法，大大提高了現(xiàn)存優(yōu)化算法的收斂性。 2．圓的姿態(tài)估計算法 本文首先提出了從單目圖像中重建圓形特征的線性算法。本算法不但給出了重建的閉式解，還給出了重建冗余的幾何解釋。同時，本文進一步給出了基于立體視覺的圓形特征重建算法。本方法提出的閉式解消除了傳統(tǒng)算法中的繁瑣操作，大大提高了重建的便利性。 3．球心投影點檢測及其三維重建算法 本文分析了球心投影點和球投

4、影中心點的幾何距離，并給出了閉式表達，從而確定出以球投影中心點代替球心投影點所帶來的誤差。分析表明，只有當球心處于攝像機主軸上時，球心投影點和球投影中心點才重合。 同時，本文提出了一種基于球的射影方程的三維重建線性算法。本方法的顯著特征是簡便性和魯棒性。和現(xiàn)存方法相比，本方法沒有構建投影錐的繁瑣運算。 4．基于立體視覺的可變形表面重建 本文提出了基于雙目立體視覺技術的變形表面的重建算法。本方法采用了無窮范數(shù)來建立反投影誤