用于测定物体的空间位置和取向的系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于测定多个物体中的每一个物体的空间位置和取向的系统。每一个物体具有至少３个标记，它们具有预定的相对几何关系。标记适合于响应激励信号和／或反射由可激励的能量源照射到这种无源标记上的能量。设置一公共能量检测器，用于测量由激励标记发射的能量以及由无源标记反射的能量。设置一公共处理器。处理器具有存储器。存储器中存储了每一个物体的标记的预定的相对几何关系。处理器比较所存储的每一个物体的标记的预定的几何关系与由能量检测器测得的能量，以识别发射或反射测得的能量的物体。通过这样的安排，可以使用非常简单的操作程序，利用简单的标记放置方法，通过有力的确定的标记识别，实时跟踪物体。由此可以同时跟踪多个物体。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术一般地涉及一种用于测定物体或对象的空间位置和角度取向(即姿态)的系统。如现有技术中已经知道的那样，有些系统可测定物体(或对象)的空间位置和角度取向。一种这样的系统包括无源式回射器，作为附加到物体上的点标记或测量用靶，而第二种系统包括有源辐射源，作为附加的点标记。这两种技术都是通过将高对比度的标记图像投射到彼此隔开的传感器上，并使用数学处理测定每一个点标记的三维坐标来进行操作的。然后，将这些三维坐标用作离散点，或者如果它们的几何排列是已知的，则可以考虑为一套，这导致了物体在空间中有关三维坐标系统的位置和角度取向的测定(即，6个自由度x，y和z以及间距、偏转和旋转角度取向)，其中，该坐标系中心位于空间中的预定点上，典型地，在关于传感器固定的点上。测定物体的空间位置和矢量角或角度取向有几种用途。例如，当定点装置的终端处于和标记相关的已知位置上时，定点装置能认出物体。这种定点装置可以在逆向工程应用中用作手持数字化定点。操作员将该定点装置移至一制造的部件上的各种已知位置，并从对测定的定点装置的终端位置进行分析而测定制造过程的精确度。这种应用需要高度精确的系统。在另外一种应用，例如图像引导的外科手术中，跟踪关于该病人的手术器具状态。某些手术器械具有粘贴到它们上的标记。这种信息可以用于允许外科医生看见器械在MR或CT扫描器上指出的地方，以及在手术器械的终端后边的东西。这种应用也需要高度精确的系统。在一种发射标记(即有源标记)系统中，使用多个电荷耦合装置(CCD)传感器测量由标记发射的能量。在每一个传感器周期为一个点标记供给能量，以发射红外线能量。在每一个传感器周期中，集中在传感器上的发射的能量被收集(即，结合)并移动到传感器处理电路。为了测定标记的3D位置，必须在至少三个传感器轴上测量到标记(即，包括至少3个正交平面)。对于一种使用发射标记的系统有许多的优点，包括有高度反差图像产生在传感器上，控制每一个标记的激励，以提供正确和自动的标记识别，以及使用高速线性传感器的能力。高速线性传感器相对比较昂贵，并且在单个传感器周期中只能跟踪一个标记。在一种回射标记(即无源标记)系统中，给予能量源能量，以沿回射标记的一般取向发射红外线能量。然后，使用多个CCD传感器，以测量由标记反射的能量。在每一个传感器周期中，将集中在传感器上的反射能量收集(即，集中)到一起，并转移到传感器处理电路。为了测定标记的3D位置，必须在至少三个传感器轴上测量标记(即，包括最小量的3个正交平面)。对于回射标记系统具有许多优点，包括利用无线电标记，以及能够使用不昂贵的低速分区阵列传感器。但是，这些系统遇到与有效识别标记有关的问题。希望使用一种成本低廉的分区阵列传感器，它能够在单个传感器周期中跟踪多个标记。如在现有技术中已知的，有一些系统利用单个分区阵列传感器和不昂贵的部件。DeMenthon(专利号5，227，985)揭示了一种系统，它使用单个传感器和矩阵技术来测定物体的姿势。这种系统限于非共面标记，并且建立在射影法基础上，以从2D图像中提取6D信息。这种方法对于医疗应用不具备足够的精确度。如在现有技术中已知的，对于这种类型的系统，深度测量中的错误大，这是要禁止的。对于深度精确度，三角测量法具有射影法明显的优点。三角测量法，也称为立体测量技术，由于执行实时计算所需的昂贵的硬件而受到抵制。通过分区阵列传感器的多个标记三角测量法另外不存在标记识别差的问题，这一点典型地通过人的介入而得到解决。以前的系统在存在偏离的IR源和导致不理想和不期望的标记反射出的真实状态下工作恶劣。以前的系统在存在多个相互靠近的物体的情况下也可能工作恶劣。专利技术概述根据本专利技术，提供了一种用于测定多个物体中的每一个物体的空间位置和取向的系统。每一个物体具有至少三个标记，它们具有预定的相对几何关系。标记适合于响应激励信号和／或从可激励能量源撞击到这种无源标记上的反射能量而发射能量。设置一公共能量检测器，用于测量由激励标记发射的能量和由无源标记反射的能量。提供一公共处理器。该处理器具有存储器。存储器中存储有每一个物体的标记的预定的相对几何关系。处理器将它所存储的有关物体的标记的预定的几何关系与由能量检测器测得的能量进行比较，以识别发射／反射所测得的能量的物体。通过这样的安排，利用单个标记放置方法，通过有力的积极标记识别，在实时中可以使用非常简单的操作顺序，跟踪物体。由此，可以同时跟踪多个物体。根据本专利技术的另一个特点，每一个物体必须具有标记，它们具有已知并且固定的相对几何关系，而且在所有标记对中必须具有唯一的线段长度，其中，唯一一词是指阈值差，该值建立在系统的精确度上(即，物体的标记的几何关系中的差是可以测量的)。如果在被跟踪的所有物体中相似的段对具有唯一相对角度，则可以同时跟踪多个物体，其中仍然是，唯一一词是指建立在系统精确度基础上的阈值差。根据应用的需要，标记几何关系可以是共线或共面的。另外，通过这样的安排，将系统设置得适合于跟踪具有已知相对几何关系的3个或更多的标记的物体的姿势，这种几何关系服从单个的定位规则，这不限于是非共面或非共线的。系统能够使用成本低廉、低速的分区阵列传感器，它可以在单个传感器周期中跟踪多个标记，由此增加每一个标记的出现取样率。根据本专利技术的另一个方面，系统使用传感器的立体测量安排，由此为诸如外科应用之类的高性能应用提供适当的精确度。另外，该系统能够使用成本低廉的数字信号处理器，并使处理计算步骤简单，它将自动和确定地识别物体的三维(3D)中的不连续的标记，并在存在许多错误标记和多个相互接近的物体的情况下工作。这种系统适合于使用单个传感器周期图像，而不是使用预言性方法，以闭式方案(closed formsolution)实时地测定一个或多个物体的姿势，以连续跟踪给予几个传感器周期图像的物体的姿势。另外，这种系统适合于自动认可和跟踪各种在跟踪之前已知的物体。附图概述参照下面联系附图的描述，本专利技术的其它特点将更加容易显见，其中这些附图是附图说明图1是根据本专利技术的测定一对刚体的空间位置和取向的系统的方框图；图2是示出适用于图1的系统中的一对物体； 图3是存储在图1的系统中使用的处理器的存储器中的图表的图；图4、5、6、6A-6B、7、7A-7C、8和8A-8B是流程图，通过图解说明图1的系统操作的顺序，其中图7示出图7A-7C之间的关系，而图8示出图8A和8B之间的关系；图9A、9B到18说明在执行图1的系统的各个阶段时，图3的存储器中的元件的详细例子。较佳实施例独立的描述现在参照图1，提供一系统10，用于测定一个或多个(这里提供了一对刚体11a、11b)刚体的空间位置和取向。这里，在图2中更加详细地示出和描述的刚体11a、11b是不同的手术器械。这里，刚体11a具有多个，这里是两个无源回射标记12a、12c，与一个有源发射标记12b，3个标记都粘贴在刚体11a上。这里，每一个能量回射标记12a、12c包含一个球体，球体能够粘贴到物体11a上，并覆盖有现有技术中可以买到和已知的回射材料。标记12a、12b、12c以预定的固定相对几何关系粘贴到物体11a上。预定的固定相对几何关系是由下面描述的简单的定位确定的。再参照图1，系统10包含公共能量测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测定多个物体中每一个物体的空间位置和取向的系统，其特征在于包含： 至少三个以预定的相对几何关系，附加到所述每一个物体的标记，所述标记适合于响应激励信号发射能量和／或反射从一可激励的能量源射到这一无源标记上的能量； 能量检测器，用于测量由所述有源标记发射的能量和由所述无源标记反射的能量； 具有存储器的处理器，所述存储器中存储所述每一个物体的所述标记的预定的相对几何关系；并且 其中，所述处理器将所存储的每一个物体的标记的预定的几何关系与由所述能量检测器测得的能量进行比较，以识别发射／或反射所检测到的能量的物体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：SE莱斯，
申请(专利权)人：北方数字股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]