[发明专利]手术导航中单目相机内外参动态标定方法及装置

说明书

手术导航中单目相机内外参动态标定方法及装置，能够大大提升相机在特定目标的跟踪和增强现实领域的效率和实时性，既可以对增强现实的误差进行实时校正，也可以对目标的跟踪误差进行实时校正，应用前景广泛。方法包括：(1)将单目相机拍摄的视频流分解为单帧图像；(2)识别每帧图像在像素空间的标志矩形框范围，并利用目标特征区域划分对像素空间的标志矩形框排序；(3)将各矩形框内像素点进行阈值分割，获取矩形框中心点在像素空间的坐标值；(4)在光学跟踪系统下计算目标的特征框中心标志点的物理坐标，使标志点的像素坐标与物理坐标一一对应；(5)对每帧图像进行相机标定，求解相机的内外参矩阵和畸变参数。

技术领域

本发明涉及相机参数标定的技术领域，尤其涉及一种手术导航中单目相机内外参动态标定方法，以及手术导航中单目相机内外参动态标定装置，主要用于特定目标的跟踪和增强现实领域。

背景技术

当前，在基于相机的目标跟踪与检测、三维重建、增强现实等领域，相机的内外参和畸变参数的获取是进行这些操作的前提条件。相机标定的一般方法是基于棋盘格的张氏标定法，在已知棋盘格角点的物理坐标后，利用对图像的角点检测算法可实现对相机内外参和畸变参数的求解。但这种方法需要引入外部辅助标记棋盘格，在相机内参变化时(例如相机焦距变化)需要重新利用棋盘格对相机进行标定，这样大大降低了相机在有关应用领域的效率和实时性。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种手术导航中单目相机内外参动态标定方法，其能够大大提升相机在特定目标的跟踪和增强现实领域的效率和实时性，既可以对增强现实的误差进行实时校正，也可以对目标的跟踪误差进行实时校正，应用前景广泛。

本发明的技术方案是：这种手术导航中单目相机内外参动态标定方法，其包括以下步骤：

(1)将单目相机拍摄的视频流分解为单帧图像；

(2)识别每帧图像在像素空间的标志矩形框范围，并利用目标特征区域划分对像素空间的标志矩形框排序；

(3)将各矩形框内像素点进行阈值分割，获取矩形框中心点在像素空间的坐标值；

(4)在光学跟踪系统下计算目标的特征框中心标志点的物理坐标，使标志点的像素坐标与物理坐标一一对应；

(5)利用公式(1)对每帧图像进行相机标定，求解相机的内外参矩阵和畸变参数

其中，S:尺度，u,v:像素坐标，fx,fy：相机焦距，cx,cy：相机主点坐标，r11-r33:9个元素组成相机外参的旋转部分，t1,t2,t3:相机外参的平移部分，Xw,Yw,Zw：与像素坐标点对应的3维点。

本发明通过对单目相机的视频流进行逐帧分解，识别每张图片像素空间标志矩形框的坐标可以构建与物理空间中标志矩形框的一一对应关系，从而对每帧图片进行快速标定以获取相机内外参和畸变参数，由于每帧图片由视频流分解而来，故相机的标定是一个动态的过程，能够大大提升相机在特定目标的跟踪和增强现实领域的效率和实时性，既可以对增强现实的误差进行实时校正，也可以对目标的跟踪误差进行实时校正，应用前景广泛。

还提供了手术导航中单目相机内外参动态标定装置，其包括：

分解模块，其配置来将单目相机拍摄的视频流分解为单帧图像；

排序模块，其配置来识别每帧图像在像素空间的标志矩形框范围，并利用目标特征区域划分对像素空间的标志矩形框排序；

分割模块，其配置来将各矩形框内像素点进行阈值分割，获取矩形框中心点在像素空间的坐标值；

对应模块，其配置来在光学跟踪系统下计算目标的特征框中心标志点的物理坐标，使标志点的像素坐标与物理坐标一一对应；