一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法技术

本发明专利技术提供了一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法，使用相机模型来模拟X光系统，采用直接线性变换求取参数的解析解，并将此解作为后续最小二乘问题的初解，使用列文伯格‑马夸尔特最优化算法继续迭代的方法，完成了双平板X光系统的校准。为了方便后续基于双平板X光的步态研究，本发明专利技术引入了铅重力线以测量重力方向。为了验证校准精度，本发明专利技术使用单元块搭建了一个嵌有钢珠的验证盒，通过比较由校准参数还原出的钢珠三维坐标和厂家实测的三维坐标的误差，我们达到了均方根误差(root mean squared error，RMSE＝0.1847mm)的重建精度。

【技术实现步骤摘要】
一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法
本专利技术涉及双平板X光机的校准技术，具体涉及一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法。
技术介绍
双平面X光是骨科研究中的一种无创的高精度的成像方式。它在计算机辅助的术前规划，计算机智能诊断，解剖三维重建，生物力学运动追踪等领域都有重要应用。例如，骨科研究中，经常需要分析骨的运动学数据，进而比较正常骨与异常骨的运动模式，从而揭示骨科疾病的机理或者评估术后效果。双平面X光因为其无创、高精度等特点，已逐渐成为主流的运动追踪方式。双平面X光系统包含两套成一定角度交叉放置的X光设备，拍摄时将感兴趣的骨置于两套X光锥形辐照区域重叠处，以此来模拟人的双目视觉从而进行骨的定位与追踪。为了还原X光系统的成像环境，需要通过特殊的校准手段(calibration)来测取：1.每一套X光自身的参数；2.两套X光间的位姿关系。掌握这些成像参数是所有基于双平面X光的后续应用的重要前置基础，因此其校准精度非常重要。现有的X光成像设备主要有：1.基于影增(intensifier)的C臂机(c-armfluoroscopy)2.基于平板的X光机(planerdigitalimagingsystem)。这两种设备因为成像原理不同，设备大小不同，因此在组装成双平面X光时，所需要的配套校准技术也不同。由于C臂机X光在医院场景下更容易获取，且移动性强，因此组装成双平面X光系统也更为容易，对应的校准技术也较为成熟。基于C臂机的双平面X光的校准思路如下：制作一个参数已知的校准盒。校准盒有双层，每一层是一块塑料圆盘，圆盘内嵌入x光无法透过的钢珠，两层圆盘间用若干塑料支柱连接。校准时，将校准盒贴在影增屏上固定住，通过实际获取的图像结合已知的校准盒的物理信息，可以推算出单X光机的光源相对于影增的位置信息，也可以推算影增带来的各种图像扭曲的参数，从而完成对单平面的校准。通过对两台C臂机分别执行以上操作，可分别对两台C臂机进行单独的校准。完成C臂机各自的校准后，需要确定两台C臂机的位置关系。方法是制作一透明玻璃板，玻璃板的四个角嵌有螺丝。让此玻璃板分别被两台C臂机照射到。由于每一台C臂机都校准过了，所以可以推算出物体和单C臂机的位置关系。由于是拍摄的同一物体，借助物体这一中间媒介，利用坐标转换的矩阵乘法，可以推算出双C臂机的位置关系。C臂机双平面X光系统由于自身物理硬件原因，导致对应的校准方法存在以下问题：1.为了完成校准需要执行三步操作(两台X光机的分别校准，两台X光机之间的校准)，效率低。若两台C臂机相对位置关系移动，则需要重复校准。2.校准盒以及校准方法是基于影增的C臂机开发设计的，但是对于平板X光机并不适用，因为平板相对影增要大很多，设计一个能够贴住平板的校准盒不太现实。3.由于双C臂机每次的摆位都不同，所以重力相对于X光系统的坐标表达每一次都会变，需要每次花大量时间去检测重力方向，进一步降低效率。目前已有厂商开发出了基于平板X光机的双平面X光系统，但是对应的校准方法仍旧是一片空白。本专利提供一种纳入重力方向的且适配双平板X光校准技术，希望为此领域提供最佳实践的范式。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法。本专利技术的技术方案如下：一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法，包括如下步骤：S1：建立一套双平板X光机系统，包括：正位X光系统、侧位X光系统；所述侧位X光系统包括：第一平板X光机；所述正位X光系统包括：第二平板X光机；所述第一平板X光机包括：第一X光源、第一平板探测器；所述第二平板X光机包括：第二X光源、第二平板探测器；所述第一平板X光机、第二平板X光机可相对固定地整体做上下移动；S2：准备一校验盒；所述校验盒包括依次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面；第一侧面和第三侧面对应第一平板X光机；第二侧面和第四侧面对应第二平板X光机；所述第一侧面靠近第一平板探测器，第三侧面靠近第一X光源；将第一平板X光机拍摄的图片称为侧位图；所述第二侧面靠近第二平板探测器，第四侧面靠近第二X光源；将第二平板X光机拍摄的图片称为正位图；所述校验盒的每个侧面上均设置有若干个钢珠；且每个侧面的钢珠的分布方式一致；每个侧面的各个钢珠的三维坐标均已知；S3：获取预存的校验盒的每个侧面各个钢珠的三维坐标；S4：将校准盒摆在两台平板X光机光路重叠的区域，两台平板X光机同时曝光，获取正位图及侧位图；所述正位图和侧位图上均出现若干个黑点，每一个黑点均为一个对应钢珠的投影；S5：进行侧位X光系统和正位X系统校准前的对应关系准备；S6：求出侧位X光系统的内、外参数以及正位X光系统的内、外参数；S7：利用公式(1)求取正位X光系统坐标系、侧位X光系统坐标系的位姿关系；如下：其中，记Rl，tl为侧位X光系统的外参数，Rf，tf为正位X光系统的外参数；tl＝-RlCl；tf＝-RfCf；Pcf，Pcl是同一个点分别在正位X光系统坐标系和侧位X光系统坐标系下的坐标；S8：将侧视图和正视图分别利用计算机图形学进行展示，即使用计算机图形学分别将侧位X光系统、正位X光系统的虚拟环境重现出来；；S9：确定重力方向，即确定重力向量在双平板X光系统下的坐标表达。可选地，所述步骤S5进一步包括：S51：首先进行侧位X光系统的校准准备工作，包括：S511：使用“Hough圆检测”算法检测侧位图上黑点的圆心坐标，得到这些黑点的二维坐标，并将这些二维坐标集合在一起，记为二维点集xy，这里记录共有n个二维坐标；n为正整数；S512：读取预存的钢珠坐标中涉及到侧位图的那一部分钢珠的坐标，将这些钢珠的坐标记为三维点集XYZ，这里记录共有n个三维坐标；S513：建立从三维点集XYZ到二维点集xy的映射，得到二者的对应关系，共有n个对应关系。S52：使用S51相同的方法，进行正位X光系统的校准准备工作。可选地，所述步骤S6进一步包括：S61：首先求出侧位X光系统的内、外参数，包括：S611：建立空间三维点到图像二维点之间的变换矩阵：从空间中三维点到图像上的二维点，借助齐次坐标，可用一次矩阵乘法完成：其中：Pw是步骤S51中三维点集XYZ的齐次形式，为1×4向量；p是像素坐标的齐次形式，为1×3向量；M是3×4矩阵，M矩阵蕴含了内参数和外参数；S612：将第i个三维点集XYZ和二维点集xy的对应关系代入上式，并改写为齐次线性方程组的形式：其中：pi＝[uivi]T是二维点集xy的第i个二维点；Pi＝[XiYiZi]T是三维点集XYZ中第i个三维点；i＝1，…，n；S613：将所有的n组对应关系联立，有如下过定线性齐次方程组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：建立一套双平板X光机系统，包括：/n正位X光系统、侧位X光系统；/n所述侧位X光系统包括：第一平板X光机；/n所述正位X光系统包括：第二平板X光机；/n所述第一平板X光机包括：第一X光源、第一平板探测器；/n所述第二平板X光机包括：第二X光源、第二平板探测器；/n所述第一平板X光机、第二平板X光机可相对固定地整体做上下移动；/nS2：准备一校验盒；/n所述校验盒包括依次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面；第一侧面和第三侧面对应第一平板X光机；第二侧面和第四侧面对应第二平板X光机；/n所述第一侧面靠近第一平板探测器，第三侧面靠近第一X光源；将第一平板X光机拍摄的图片称为侧位图；/n所述第二侧面靠近第二平板探测器，第四侧面靠近第二X光源；将第二平板X光机拍摄的图片称为正位图；/n所述校验盒的每个侧面上均设置有若干个钢珠；且每个侧面的钢珠的分布方式一致；每个侧面的各个钢珠的三维坐标均已知；/nS3：获取预存的校验盒的每个侧面各个钢珠的三维坐标；/nS4：将校准盒摆在两台平板X光机光路重叠的区域，两台平板X光机同时曝光，获取正位图及侧位图；所述正位图和侧位图上均出现若干个黑点，每一个黑点均为一个对应钢珠的投影；/nS5：进行侧位X光系统和正位X系统校准前的对应关系准备；/nS6：求出侧位X光系统的内、外参数以及正位X光系统的内、外参数；/nS7：利用公式(1)求取正位X光系统坐标系、侧位X光系统坐标系的位姿关系；如下：/n...

【技术特征摘要】
1.一种纳入重力的新型双平板X光机的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：建立一套双平板X光机系统，包括：
正位X光系统、侧位X光系统；
所述侧位X光系统包括：第一平板X光机；
所述正位X光系统包括：第二平板X光机；
所述第一平板X光机包括：第一X光源、第一平板探测器；
所述第二平板X光机包括：第二X光源、第二平板探测器；
所述第一平板X光机、第二平板X光机可相对固定地整体做上下移动；
S2：准备一校验盒；
所述校验盒包括依次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面；第一侧面和第三侧面对应第一平板X光机；第二侧面和第四侧面对应第二平板X光机；
所述第一侧面靠近第一平板探测器，第三侧面靠近第一X光源；将第一平板X光机拍摄的图片称为侧位图；
所述第二侧面靠近第二平板探测器，第四侧面靠近第二X光源；将第二平板X光机拍摄的图片称为正位图；
所述校验盒的每个侧面上均设置有若干个钢珠；且每个侧面的钢珠的分布方式一致；每个侧面的各个钢珠的三维坐标均已知；
S3：获取预存的校验盒的每个侧面各个钢珠的三维坐标；
S4：将校准盒摆在两台平板X光机光路重叠的区域，两台平板X光机同时曝光，获取正位图及侧位图；所述正位图和侧位图上均出现若干个黑点，每一个黑点均为一个对应钢珠的投影；
S5：进行侧位X光系统和正位X系统校准前的对应关系准备；
S6：求出侧位X光系统的内、外参数以及正位X光系统的内、外参数；
S7：利用公式(1)求取正位X光系统坐标系、侧位X光系统坐标系的位姿关系；如下：



其中，记Rl，tl为侧位X光系统的外参数，Rf，tf为正位X光系统的外参数；
tl＝-RlCl；
tf＝-RfCf；
Pcf，Pcl是同一个点分别在正位X光系统坐标系和侧位X光系统坐标系下的坐标；
S8：将侧视图和正视图分别利用计算机图形学进行展示，即使用计算机图形学分别将侧位X光系统、正位X光系统的虚拟环境重现出来；
S9：确定重力方向，即确定重力向量在双平板X光系统下的坐标表达。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：
S51：首先进行侧位X光系统的校准准备工作，包括：
S511：使用“Hough圆检测”算法检测侧位图上黑点的圆心坐标，得到这些黑点的二维坐标，并将这些二维坐标集合在一起，记为二维点集xy，这里记录共有n个二维坐标；n为正整数；
S512：读取预存的钢珠坐标中涉及到侧位图的那一部分钢珠的坐标，将这些钢珠的坐标记为三维点集XYZ，这里记录共有n个三维坐标；
S513：建立从三维点集XYZ到二维点集xy的映射，得到二者的对应关系，共有n个对应关系；
S52：使用S51相同的方法，进行正位X光系统的校准准备工作。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：
S61：首先求出侧位X光系统的内、外参数，包括：
S611：建立空间三维点到图像二维点之间的变换矩阵：
从空间中三维点到图像上的二维点，借助齐次坐标，可用一次矩阵乘法完成：



其中：
Pw是步骤S51中三维点集XYZ的齐次形式，为1×4向量；p是像素坐标的齐次形式，为1×3向量；M是3×4矩阵，M矩阵蕴含了内参数和外参数；
S612：将第i个三维点集XYZ和二维点集xy的对应关系代入上式，并改写为齐次线性方程组的形式：



其中：
pi＝[uivi]T是二维点集xy的第i个二维点；
Pi＝[XiYiZi]T是三维点集XYZ中第i个三维点；
i＝1，…，n；
S613：将所有的n组对应关系联立，有如下过定线性齐次方程组：



记为
Am＝0
S614：对A奇异值分解：
A＝UDVT
U、D、V是A的三个分解矩阵；
过定方程的最优解是V矩阵的最后一列，即最优解
S615：构建非线性最优化问题：



其中：

是二维点集xy的的第i二维点
Pi＝[XiYiZi]T是三维点集XYZ中的第i个三维点坐标；



使用作为此优化问题的初解，使用levernberg-marquardt最优化算法迭代求解，记优化终解为
S616：将向量重排为矩阵形式，得到
S617：由矩阵解析K，R，C；



其中：K是内矩阵，R是联系校准盒坐标系和侧位X光系统坐标系的旋转矩阵，C是第一光源坐标；将K称为...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宗远，朱哲敏，郑国焱，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31