[发明专利]一种基于反光球标记点的近红外双目视觉立体匹配方法

说明书

本发明公开了一种基于反光球标记点的近红外双目视觉立体匹配方法，该方法是利用反光球标记点的三维几何尺寸特征，剔除近红外双目视觉标记点的伪匹配点对，以获得快速、鲁棒的立体匹配结果，从而精确地计算出标记点的空间三维坐标，进而实现对标记点的实时、鲁棒的跟踪定位。本发明可以高效、准确地找到标记点在左右摄像机像点的对应关系，有效地消除伪匹配，从而排除了虚假三维空间点对光学定位的干扰，以提高近红外光学定位系统的定位精度和鲁棒性。

技术领域

本发明涉及计算机视觉及计算机辅助手术研究领域，尤其是指一种基于反光球标记点的近红外双目视觉立体匹配方法。

背景技术

近十多年来，基于光学定位的影像引导治疗系统广泛地应用于神经外科、口腔颌面外科、骨科外科手术、肿瘤放射治疗，甚至是软组织器官方面的手术。靶点精准定位是影像引导治疗系统应用于放疗、外科手术等疗法中最为关键的核心内容，靶点的定位精度直接影响该疗法的疗效。

对于基于光学定位的影像引导治疗系统，靶点的定位精度主要取决于近红外光学定位系统的定位精度。当前，主流的影像引导治疗系统，如美敦力公司的StealthStation手术导航系统和Brain公司的VectorVision Sky系统，均采用加拿大NDI公司的Polaris光学定位系统作为定位仪，用于跟踪粘贴于手术工具及病人身上的反光球标记点。Polaris系统可跟踪主动发光式和被动发光式两种标记点。主动发光式标记点通过一个系统控制单元控制发光标记点的发光顺序，使得在某一时刻有且仅有一个标记点被Polaris系统跟踪到，因而不存在立体匹配问题。但使用主动发光式标记点(通常为近红外发光二极管)时，在1秒内最多可跟踪到32个标记点，且在跟踪过程中，如果标记点处于移动状态，则易产生跟踪误差。另外，每个主动发光式标记点都与导线相连，导致主动发光式标记点的使用非常不便。而使用被动发光式标记点(通常为反光球标记点)时，Polaris系统最多可同时跟踪50个标记点，由于没有导线与标记点相连，被动发光式标记点使用起来非常方便。但被动发光式标记点在使用的过程中易产生立体匹配问题，当两个以上标记点与两个摄像机传感器共极平面时，便会出现1个以上虚假三维空间点，导致在三维空间中产生虚假三维空间点而影响最终的定位精度。究其原因，在于Polaris系统的立体匹配算法存在缺陷而导致出现立体匹配问题。

同样，如使用工业相机自行构建近红外双目视觉定位系统，该系统依然存在着2个以上标记点共极平面时而产生的立体匹配问题，从而产生多个虚假三维空间点。

因此，设计一种鲁棒、稳定的近红外双目视觉立体匹配方法对于提高光学定位系统的定位稳定性和定位精度具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于针对近红外双目定位系统在跟踪反光球标记点过程中，当出现2个以上标记点共极平面时，这些标记点在左右摄像机上的像点不再唯一配对而产生了伪匹配点对，从而出现1个以上虚假三维空间点这一问题，提供了一种基于反光球标记点的近红外双目视觉立体匹配方法，该方法可以快速、准确地找到左右摄像机标记点像点的正确对应关系，从而有效地消除伪匹配点对及因伪匹配点对而产生的虚假三维空间点，从而提高近红外双目视觉定位系统的定位稳定性和定位精度。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于反光球标记点的近红外双目视觉立体匹配方法，该方法是利用反光球标记点的三维几何尺寸特征，剔除近红外双目视觉标记点的伪匹配点对，以获得快速、鲁棒的立体匹配结果，从而精确地计算出标记点的空间三维坐标，进而实现对标记点的实时、鲁棒的跟踪定位；其中，所述利用反光球标记点的三维几何尺寸特征，剔除标记点伪匹配点对的方法过程如下：

1)计算左右摄像机标记点成像斑点的几何中心亚像素坐标，记该坐标为标记点的像点坐标；

2)依据双目视觉的对极几何原理，绘制左摄像机像点在右摄像机图像上的对应极线；

3)找出右摄像机图像上所有落在极线上的像点；