[发明专利]2D-3D图像配准中的初始位姿估计方法

说明书

本发明公开了2D‑3D图像配准中的总体初始位姿估计方法，步骤为：识别原始正交平面图像，对包含多个目标的图像通过分割、赋值得到待配准正交图像；然后从扫描得到的包含待配准目标的原始三维数据中提取、赋值得到待配准目标体数据，通过相关数字重建影像将目标体数据投影生成原始空间位姿下的正交匹配模板。后续将正交匹配模板与待配准正交图像配准得到的平面配准参数通过正交投影原理转换为空间参数，再利用空间参数生成新的参照图与待配准图像重叠显示，根据正侧位重叠效果的不同进行人工校正，最后按人工校正对象得到的平面参数选择对应映射处理，即可实现空间5个参数的有效估计。采用本方法加快了配准效率，减少了初始位姿估计的误差。

技术领域

本发明涉及初始位姿估计方法，尤其涉及2D-3D图像配准中的初始位姿估计方法。

背景技术

2D-3D配准是利用计算机技术实现同一目标物体的二维平面图像数据与三维空间图像数据在空间位置和结构纹理上的对齐，完成二维像素平面和三维模型空间的统一，进而建立二者坐标的转换关系。

大部分2D-3D配准是将三维体数据通过数字重建影像技术投影生成DRR图像，比较DRR图像与平面图像的相似性，再不断改变投影环境下三维体数据的六个空间参数，生成新的DRR图像继续与平面图像比较，直至某一位置下投影生成的DRR图像和平面图像间的相似性达到最大，此时得到的三维体数据的空间参数，就是在相同相机坐标系下生成2D平面图像所对应3D实体的三维位姿，当生成DRR图像的起始空间参数即初始位姿越接近3D实体的真实位姿，配准的成功率就越高，配准时间也越短。目前，对于初始位姿的估计通常有以下方法，如目标对象植入标记物、粘贴标记点和探针拾取点的方式，在配准前进行标记物的追踪获取初始位姿；或者通过成像设置，限制目标在成像设备下的位置(如正侧位、前后位等)，以及用户识别图像中的结构特征位置实现初始位姿的估计。尽管上述操作能获取初始位姿，但这些方法主要存在如下不足：1)通过植入物完成初始位姿估计需要额外的操作，具有过程复杂的缺点，也可能造成目标结构的变化；2)未考虑标记点与探针因目标弹性变形或非刚体结构产生的误差、可被估计的空间参数数量少，获得的初始位姿精度较差；3)自动化程度低，增加了2D-3D配准的准备时间，降低了配准效率；4)配准研究的对象为单一目标，缺少对多目标对象的初始位姿获取。

综上，现有的初始位姿估计方法难以满足2D-3D高精度图像配准的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种操作方便、效率快、精度高，且具有人机交互简单化等特点的2D-3D图像配准中的初始位姿估计方法。

本发明的技术方案：

本发明的2D-3D图像配准中的总体初始位姿估计方法，包括以下步骤：

(1)识别原始正交双平面图像，所述的原始正交双平面图像包括原始正位图像和原始侧位图像，原始正位图像和原始侧位图像都是在同一相机坐标系下，拍摄角度相差90°生成的图像，相机正位光源到原始正位图像中点、相机侧位光源到原始侧位图像中点的距离相同，同时相机正位光源与原始正位图像中点连线所在的直线为原始正位图像的法向量，相机侧位光源与原始侧位图像中点连线所在的直线为原始侧位图像的法向量。对原始正交双平面图像中含多目标的图像通过区域生长算法进行分割，提取原始正交双平面图像中需要进行配准的2D目标用于后续初始位姿估计；

(2)采用图像处理软件Mimics从包含待配准目标实体的原始三维体数据中，提取与待配准正位图像以及待配准侧位图像中的2D待配准目标相对应的3D目标体数据，再通过MATLAB软件对提取的待配准目标的3D目标体数据进行格式转换和重采样处理，最后构建投影坐标系O-XYZ，通过正交投影获得与待配准正位图像分辨率大小和像素尺寸一致的原始空间位姿下的正位匹配模板，以及与待配准侧位图像分辨率大小和像素尺寸一致的原始空间位姿下的侧位匹配模板，所述的正位匹配模板和侧位匹配模板组成双平面匹配模板，所述原始空间位姿是指目标体数据在投影坐标系下沿X轴、Y轴和Z轴的移动参数和转动参数都为0时的空间位姿；