本发明专利技术提供了一种硬性内窥镜质量检测装置自动化定位方法，包括必要的硬件设备摄像机单元、步进电机、计算机系统、测标单元以及定位方法和计算机图像处理部分。该方法主要目的是将质量检测人员调试测标单元中心至内窥镜视场中心的过程自动化。具体方法为，根据两个先验条件摄像机像素大小以及测标上十字准心边长大小，结合计算机图像处理得出图像空间、像空间、物空间的转换关系，利用关系得出测标需要校正大小与方向，由步进电机实施校正。本发明专利技术提供的定位方式区别于机械装置，具有自动化较高、人员依赖性低、测量重复性高、测量不确定度低等优点。度低等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种硬性内窥镜质量检测装置自动化定位方法
[0001]本专利技术属于硬性内窥镜质量检测领域，涉及机器视觉领域中摄像机标定技术。
技术介绍
[0002]医用内窥镜可经人体自然孔道或表层穿孔插入体内，直接观察人体体腔和内脏器官的组织形态和病变部位，辅助疾病的诊断或治疗。
[0003]医用内窥镜的光学性能指标对患者的安全有直接或者间接的影响，如内窥镜成像清晰度、视场大小、畸变程度、色差等众多因素都严重影响外科医生对肿瘤位置的判断与手术操作，在医疗领域内窥镜光学参 数测量应具有严谨的检测标准。
[0004]一般的检测装置由内窥镜视场角和视向角测量工装改装而来，主要依靠机械结构实现内窥镜和各类测 标的调节与固定。内窥镜检测装置在每更换一次光学参数测量都要重新对装置进行调节，并且这类机械装 置自动化程度低，对人员依赖性高，较难定位测标与内窥镜的相对位置，测量结果重复性差以及较强的测 量不确定度。
技术实现思路
[0005]因此有必要改进内窥镜检测装置的定位方法，使之测量效率高、操作方便，测量精度高，同时尽量减少人员操作，提高测量重复性以及降低测量不确定度。
[0006]为了实现自动化控制测标或内窥镜，使测标中心位于内窥镜视场中心，为此需要四个维度的控制：使内窥镜与测标之间的相对工作距离沿Z轴方向、将内窥镜视轴与测标平面垂直的偏转角度θ、分别将测标单元在测标平面偏移的X、Y轴方向的偏移距离。
[0007]系统硬件主要模块：相机单元、测标单元、步进电机单元、计算机单元。
[0008]测标单元：测标单元中心刻有长20mm且相互垂直的十字准心用于图像处理中的定位。测标单元底座连接步进电机进行测标单元位置校准、以及内窥镜视轴与测标单元垂直校准。
[0009]相机单元：通过内窥镜对测标单元成像，数字图像传送至计算机单元进行图像处理。
[0010]步进电机单元：步进单元含四个维度控制方向，第一个控制维度位于内窥镜夹具底座Z轴上，第二、三个控制维度在测标平面X、Y轴上，第四个控制维度在测标旋转轴上带动测标旋转。步进电机偏移零点位置的偏移量将传送至计算机单元。
[0011]计算机单元：对相机单元、步进电机单元传送的数据进行处理，并对处理结果传送命令至步进电机单元对测标单元校正至内窥镜视场中心位置。
[0012]调节测标对准内窥镜视场中心定位方法
[0013]基本原理是摄像机标定，利用十字准心位于图像空间、像空间、物空间之间的转换关系进行定位与校正，其中图像空间是数字图像矩阵空间、像空间是摄像机感光芯片平面、物空间是测标平面。摄像机抓取的测标十字准心图像是一个M
×
N的矩阵，矩阵中的每一个元素对应摄像机传感器上的电容，即像素单元，原图像可以表达为f(x,y)。
[0014]已知每个像素单元大小为μ
×
μ。通过对拍摄的十字准心图像进行图像处理，可以得到图像矩阵中十字准心边长在X、Y方向为l
x
、l
y
个像素距离，像空间中十字准心X、Y方向实际大小L
x
′
、L
y
′
：
[0015]L
x
′
＝μ
·
l
x
[0016]L
y
′
＝μ
·
l
y
[0017]物空间十字准心X、Y方向的实际大小L
x
＝L
y
＝20mm可通过高精度测量可作为先验条件，通过下式：
[0018]A
x
＝L
x
/L
x
′
[0019]A
y
＝L
y
/L
y
′
[0020]即可得到当前工作距离下X、Y方向的放大倍率A
x
、A
y
。
[0021]由于测标平面不与内窥镜视轴垂直时，内窥镜对测标上的十字准心成像会出现X方向十字准心边长小于Y方向边长，利用这一特点可以推导测标需要校正θ角大小。将内窥镜经过步进电机调整至工作距离后，十字准心X、Y方向像素长度之比与θ角的关系为：
[0022]θ＝arccos(l
x
/l
y
)
[0023]将内窥镜视轴垂直测标平面之后，利用计算机生成与原图像相同大小的M
×
N十字准心模板矩阵 g(x,y)进行互相关运算，得到图像相关函数R
fg
(m,n)，峰值对应坐标(m,n)就是当前图片与模板相关系数最大的地方。峰值坐标(Δm,Δn)与图像中心坐标(m0,n0)重合是内窥镜视场中心对准测标中心的理想条件。
[0024]可知步进电机带动测标单元在X、Y方向校正的距离是H
x
、H
y
，应该满足下列公式：
[0025][0026][0027]当测标中心在内窥镜视场边缘时，边缘放大倍率与近轴放大倍率不相等，同时实际操作中理想的对准状态是不存在的，需要设立阈值判定校正达到满意状态。两像素坐标距离为H，设立阈值当当时，判定为内窥镜视场中心与测标单元中心未对准，则重新开始上述校正X、Y方向的过程直至则重新开始上述校正X、Y方向的过程直至完成视场中心的对准。
[0028][0029]上述定位原理由计算机图像处理与算法实现，包括图像预处理、原图像与模板图像投影、测标校正角度θ，原图像与模板互相关函数。
[0030]图像预处理主要对摄像机抓取的当前图像根据最大类间方差法求解阈值并二值化并增强十字准心边缘、对图像中出现小于100像素面积噪点或干扰进行删除、将图像取反突出十字准心为1，背景为0。
[0031]模板图像通过计算机进行构建，模板十字准心质心位于图像中心，大小与原图相等的图片，并且模板与原图中十字准心边长及厚度均相等。由于原图像与模板都是已知的十字准心结构，将图像沿X、Y方向投影将降低算法的运算量。投影主要在对原图像f(x,y)与模板图像g(x,y)矩阵分别各列相加得到两个列向量f(y)、g(y)，同理将原图与模板矩阵分别各行相加得到两个行向量f(x)、g(x)。
[0032]摄像机X、Y方向的放大倍率A
x
、A
y
可以由上述原图像投影向量f(x)、f(y)与摄像机
单个像素大小μ
×
μ以及已知物空间边长为20mm十字准心之间的关系得出。由十字准心结构可知f(x)＞0；f(y)＞0时，x、y解分别为[x1,x2]；[y1,y2]，那么图像矩阵空间X、Y方向十字准心像素长度为： l
x
＝x2‑
x1+1、l
y
＝y2‑
y1+1。
[0033]从而计算出测标需要校正θ角度，即θ＝arccos(l
x
/l
y
)。
[00本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种硬性内窥镜质量检测定位方法，其特征在于利用摄像机像素大小与测标中心的十字准心边长作为先验条件，得出十字准心位于数字图像的矩阵空间、摄像机感光芯片上的像空间、测标平面上的物空间之间的转换关系；以及所述定位方法的具体实施方式为计算机图像处理结合步进电机控制测标中心对准内窥镜视场中心，包括旋转电机旋转测标平面与内窥镜视轴垂直、步进电机X、Y方向偏移测标平面对准内窥镜视场中心。2.根据权利要求1所述计算机图像处理，其特征为，包括以下步骤:步骤1：根据最大类间方差法求解原图像f(x,y)阈值，将图像像素阈值化为0与1大小；步骤2：将步骤1图像取反，同时将阈值化后原图像小于100像素面积大小的噪点或干扰去除；步骤3：将步骤2处理后的图像X、Y方向投影形成一维行向量与列向量；步骤4：求解图像十字准心X、Y方向的像素长度l
x
、l
y
，以及边长像素厚度t。3.根据权利要求1所述矩阵空间、像空间、物空间之间转换关系，其特征为，矩阵空间到像空间的转换方法为L
′
＝μ
·
l
x
，像空间至物空间转换方法为L＝A
×
L
′
，其中μ为摄像机像素大小，A为内窥镜该工作距离下的放大倍率，L
′
、L分别为像空间与物空间长度大小。4.根据权利要求1所述步进电机控制测标中心对准内窥镜视场中心，其特征为测标偏转θ角的计算方法为θ＝ar...
【专利技术属性】
技术研发人员：迟崇巍，何坤山，田捷，曾杰明，
申请(专利权)人：珠海市迪谱医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。