Key words: binocular stereo vision, camera calibration, stereo matching
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
术台进行实时地拍摄。摄像机采集到的视频信号经图像采集卡接入计算机，通过定 位系统软件的图像捕获程序捕获视频图像。在特制的标准手术器械上贴上两个或多 个特殊的定位标记点，术前已精确测得手术器械与标记点之间的相对位置和方向关 系，在手术进行中手术立体导航定位系统就是通过对标记点的定位，推知手术器械 当前的位置和运动方向。图像监视器可以显示病人手术部位配准后的三维立体图 像，术前所作的手术路径规划，以及经定位系统计算重建得到的手术器械的模型和 目前所在的位置。外科医生及其助手可以通过监视器观察手术部位和手术器械的相 对位置(可显示任意剖面)，然后根据术前所作的路径规划，由医生本人或控制机器 人进行下一步的操作，避开重要的功能区、神经以及血管，选择安全的手术路径。 本课题研究的目的就是希望通过对基于双目立体视觉的手术器械进行三维定 位研究，设计出定位精度高的立体视觉系统，以便将来能够应用于手术导航系统， 辅助外科医生完成高难度的手术。课题来源于华中科技大学计算机学院医学图像信 息研究中心承担的国家自然科学基金项目《三维肿瘤概率映射辅助前列腺活组织穿 刺取样方法研究》 ，此项目的主要任务就是在已建立的三维前列腺肿瘤概率模型的 基础上，开发出辅助进行前列腺活体组织穿刺取样的计算机图像导引系统，使医生 清楚地看到自己穿刺的位置，从而排除穿刺的盲目性，降低漏检率，减轻病人的痛 苦。
关键词：双目立体视觉，摄像机标定，立体匹配
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
Stereo Vision is used to locate spatial point, which is an important research field of Computer Vision. Binocular Stereo Vision is the famous one in Stereo Vision, due to its characteristic of simulating the manner of man’s eyes processing information, which has great applicability. Research is done on Binocular Stereo Vision’s key technique, based on the project named on 3D Probability Model Assisted Prostate Tumor Biopsy Navigation System. The system can calculate the position of surgery instrument and instruct doctor locating the part of focus. The main technique of Binocular Stereo Vision is composed of camera calibration, stereo matching and 3D coordinates computing. Camera calibration is a key one. For the Surgical Navigation System of Computer-Assisted Surgery must have simple operation, high precision and good stability, the method of camera calibration must be simple, flexible and fast. We adopt Zhang’s flexible new camera calibration method, and solve the problem about how to automatically get the pixel coordinates and world coordinates of all the characteristic points on the calibration board by homography matrix. Besides, we consider the effect of tangential distortion to improve the Zhang’s shortage only calibrating radial distortion, which has better result and high precision. According to the actual need, we put forward a stereo matching method based on characteristics points, which can obtain sub pixel precision. In the process of matching, we propose a new way to filter points based on the jump of gray, in the meantime we utilize polar line restrict to lower 2D research to 1D,which consumedly reduce the time and advance the efficiency. At the last, the 3D coordinates are given by least square method through the results of stereo matching. The experiment has shown that the stereo positioning precision of the system is high and the error is small under the current experiment condition, also the operation is simple.
保密□ ，在_____年解请在以上方框内打“√” ）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
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1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着 CT、MRI 等各种先进医学图像设备的出现，疾病的诊断已实现三维数字 化，对医生准确地诊断疾病提供了有力的帮助。但是，临床治疗仍依赖于医生的经 验， 特别是在外科手术中， 主要还是凭借外科医生的主观视觉判断来决定手术路径， 而且，有些手术部位很难触及或手术医生无法用肉眼观察到，因此，给外科医生带 来了极大的不便，即使是一些经验丰富的外科医生在手术中也不能准确确认手术器 械所在的位置。为了使外科手术越来越安全、可靠、精确，创伤越来越小，近年发 展起一个新的研究领域——计算机辅助外科手术(Computed Assisted Surgery，简称 CAS)[1,2]。外科医生利用 CAS 系统在术前、术中、术后对手术进行辅助支持，制定 合理、定量的手术方案，进行手术模拟，并在适当的图像监视和立体定位系统下， 利用一定的导引系统，进行手术干预，极大地提高外科医生的手术精确度，从而为 患者提供更好的医疗服务。 在 CAS 系统中，立体定位是整个系统的一个关键技术。立体定位是指利用一 些辅助设备在手术中定位手术器械，指导外科医生进行手术部位的准确定位。它是 图像信息、手术目标和手术器械之间的桥梁，直接关系到 CAS 系统的精度和手术 的成败。目前在各种不同的计算机辅助外科手术中, 所采用的导航定位的方法主要 有光学定位法、机械定位法、超声波定位法和电磁定位法[1,2,3]。由于机械定位法、 超声波定位法和电磁定位法有着各自的局限性，并且定位精度不高，所以，本课题 选用光学定位法。光学定位是利用至少两个摄像机来观察目标，然后根据立体视觉 的原理计算出目标的三维位置，从而达到立体定位的目的，其精度在 0.1～1.0mm 之间。光学定位法是目前最普遍应用且精度最高的方法，也是手术导航定位系统研 究的热点。 在基于立体视觉的手术立体导航定位系统中，一般采用两部或三部摄像机对手
华中科技大学 硕士学位论文 基于双目立体视觉的三维定位技术研究 姓名：刘晶晶 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：宋恩民 20070602
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摘 要
立体视觉是计算机视觉中的一个重要研究领域，用于对空间点进行立体定位。 由于双目立体视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式，适用性广，成为立体视觉领 域的研究热点。结合国家自然科学基金项目《三维肿瘤概率映射辅助前列腺活组织 穿刺取样方法研究》 ，对双目立体视觉的各项关键技术进行研究，可对手术器械进 行三维定位，指导外科医生进行手术部位的准确定位。 双目立体视觉主要包括摄像机标定、立体匹配和三维坐标计算三部分。摄像机 标定是立体视觉的一项关键技术，针对计算机辅助外科手术的导航系统操作简单、 定位精度高、稳定性好的要求，应选用简单、灵活、快速的摄像机的标定方法，系 统采用张氏平面标定算法，并利用单应性矩阵解决了快速自动获取标定板上特征点 的像素坐标和世界坐标的问题；此外，改进了张氏标定算法中只校正径向畸变的不 足，考虑了切向畸变的影响，使得畸变校正结果更理想，精度更高。对于立体匹配， 根据实际背景需要，提出了基于特征的立体匹配方法，采用了新的基于灰度跳变的 角点筛选方法，利用亚像素级坐标获取方法得到角点的精确坐标，并利用极线约束 将角点搜索空间从二维降到一维，大大缩短了匹配的时间，提高了效率。最后，利 用匹配的结果采用最小二乘法计算空间点的三维坐标。 实验表明，在现有的实验条件下，系统的三维定位精度比较高，误差比较小， 并且操作简单，定位快捷。