本发明专利技术公开一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法，包括S1、利用圆柱体模的模型坐标系作为世界坐标系，求取世界坐标系与CT三维坐标系的变换关系；S2、利用棋盘格标定板，求取单目相机的内部参数得到相机坐标系与相机图像坐标系的变换关系；S3、通过单目相机在初始点处拍摄体模，求得世界坐标系与相机图像坐标系的变换关系；S4、根据已知的坐标变换关系，可最终求得CT三维坐标系到相机图像坐标系的变换关系；S5、由于单目相机是固定至CBCT上，当悬臂旋转时，即可求解出任意位置下的坐标变换关系，本发明专利技术用以实现单目相机与CBCT的系统标定，为三维人脸重建奠定硬件和数据基础，解决了现有技术中需要双目视觉扫描仪才能重建三维人脸的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法
本专利技术涉及牙齿正畸
，尤其涉及一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法。
技术介绍
随着人民生活水平的提高，人们对于自身容貌的重视程度也越来越高，通过对五官的修整、矫正、美白等处理能够得到良好的外表形象。目前在各类整形手术前，都需要进行手术规划。通过拍摄CT图像，医生针对患者进行诊断以及制定手术计划，结合CT图像的三维重建，可以让医生和患者了解到手术目的和矫正的方案，并且结合术前和术后的影像信息，能够直观地对比手术效果。但是目前的针对CT三维重建效果并不够逼真，同时，由于CT图像中含有大量其他解剖结构的信息，针对脸部表面的呈现不够详细，并不利于医生和患者的观察。因此需要借助相机，对脸部表情进行重建，并与CT三维影像相配准，从而才能逼真地显示患者三维脸部。目前，对于三维脸部的重建方式，大多数是采用双目立体视觉的三维面部扫描仪实现。双目立体视觉扫描仪需要针对两个相机进行标定，才可得到图像的深度信息，然而此过程会引入标定误差，导致深度信息不准确。标定完毕后，双目相机对脸部进行拍摄，得到深度图像，进行点云拼接，并构建脸部点云模型，进而根据点云模型完成纹理贴图。但由于脸部的重建是分别采用了双目相机系统与CT系统，这就使重建后的模型还需要进行两个系统的坐标匹配，才能精确地将模型贴合至CT三维影像上。其次，双目扫描仪的成本较高，且不方便嵌入至CT系统中，但是使用单目相机亦可获取人脸的纹理信息，结合CT三维影像中提取的脸部点云模型，也可以完成纹理贴图的效果。这样将有利于降低人脸重建的成本，且无需实现两套系统的坐标标定。因此，如何构建一套嵌入单目相机的CBCT人脸重建系统，并完成相机与CBCT系统坐标标定，为三维人脸重建奠定硬件和数据基础，将是本专利技术所要解决的技术问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法，主要解决
技术介绍
中的问题。本专利技术的目的在于提供一种基于锥形束计算机断层成像设备(CBCT)和单目相机的3D人脸面部重建系统标定方法。用以实现单目相机与CBCT的系统标定，为三维人脸重建奠定硬件和数据基础。解决了现有技术中，需要双目视觉扫描仪才能重建三维人脸的问题。本专利技术提出一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法，包括以下步骤：S1、利用圆柱体模的模型坐标系作为世界坐标系，求取世界坐标系与CT三维坐标系的变换关系；S2、利用棋盘格标定板，求取单目相机的内部参数得到相机坐标系与相机图像坐标系的变换关系；S3、通过单目相机在初始点处拍摄体模，求得世界坐标系与相机图像坐标系的变换关系；S4、根据已知的坐标变换关系，可最终求得CT三维坐标系到相机图像坐标系的变换关系；S5、由于单目相机是固定至CBCT上，当悬臂旋转时，即可求解出任意位置下的坐标变换关系。进一步改进在于，所述步骤S1具体包括：S11、利用圆柱体模的模型坐标系作为世界坐标系Sw(xw,yw,zw)，并提取圆柱体模上十字标记点在世界坐标系下的坐标值pw；S12、利用CBCT对圆柱体模进行扫描重建，构建出虚拟的三维模型，并命名为CT三维空间，根据其原点构建CT三维坐标系So(xo,yo,zo)；S13、圆柱体模上十字标记点在CT三维坐标系下的坐标值po通过钢珠的高CT值被提取得到，根据伪逆法或四元数法进而求取世界坐标系与CT三维坐标系的坐标变换关系为：pw＝Rowpo+Tow其中，Row是世界坐标系到CT三维坐标系的旋转矩阵，Tow是世界坐标系到CT三维坐标系的平移向量。进一步改进在于，所述步骤S2具体包括：S21、利用单目相机从不同角度拍摄多幅标定板图像，由于标定板棋盘格之间的间隔是已知的，通过张正友标定法可以求出单目相机的内部参数A；S22、通过单目相机的内部参数A得到相机坐标系Sc(xc,yc,zc)到相机图像坐标系Sd(xd,yd,zd＝1)的坐标变换关系：进一步改进在于，所述步骤S3具体包括：S31、利用单目相机在CBCT悬臂的运动初始点处开始拍摄圆柱体模，通过圆柱体模上的十字标记点，结合角点提取算法提取圆柱体模上十字标记点的图像坐标值pd；S32、由于圆柱体模上的各排十字标记点的距离关系是确定的，根据距离关系即可得到对应标记点世界坐标值pw，进而求出世界坐标系Sw(xw,yw,zw)与相机图像坐标系Sd(xd,yd,zd＝1)的坐标变换关系为：pd＝A·(Rwcpw+Twc)其中，Rwc是世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，Twc是世界坐标系到相机坐标系的平移向量，经过与内部参数A转换得到相机图像坐标系坐标值。进一步改进在于，所述步骤S4具体包括：根据已得到的坐标变换关系，求出在CBCT初始点下，CT三维坐标系至相机图像坐标系的坐标变换关系：pd＝Rodpo+TodRod＝A·Rwc·RowTod＝A·(Rwc·Tow+Twc)其中，Rod为CT三维坐标系到相机图像坐标系的旋转矩阵，Tod为CT三维坐标系到相机图像坐标系的平移向量。进一步改进在于，所述步骤S13具体还包括：利用伪逆法求解旋转矩阵R和平移向量T的具体方式为：设世界坐标点集向量为P，CT三维坐标点集向量为Q，将R、T进行拼接，式子两边同右乘Q的转置矩阵，即可推出R和T，公式如下：世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵Rwc与平移向量Twc求解方式与上述过程相同。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术基于CBCT和单目相机人脸面部重建系统，可以通过单目相机拍摄即可获取人脸纹理，无需通过双目相机得到，可降低使用成本。2、本专利技术设计的基于CBCT和单目相机人脸面部重建系统标定方法，具有操作复杂度低，标定时间短等特点，适用于现场标定，具有较高的临床应用价值。附图说明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。图1为本专利技术一实施方式的基于CBCT和单目相机人脸面部重建系统示意图；图2为本专利技术一实施方式的系统标定流程示意图；图3为本专利技术一实施方式的标定流程中坐标变换示意图；图4为本专利技术一实施方式的体模标定的结果示意图；图5为本专利技术一实施方式的人脸模型面部重建侧视结果示意图；附图标记：1、锥形束计算机断层成像设备；2、单目相机；3、圆柱体模；4、棋盘格标定板。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、利用圆柱体模的模型坐标系作为世界坐标系，求取世界坐标系与CT三维坐标系的变换关系；/nS2、利用棋盘格标定板，求取单目相机的内部参数得到相机坐标系与相机图像坐标系的变换关系；/nS3、通过单目相机在初始点处拍摄体模，求得世界坐标系与相机图像坐标系的变换关系；/nS4、根据已知的坐标变换关系，可最终求得CT三维坐标系到相机图像坐标系的变换关系；/nS5、由于单目相机是固定至CBCT上，当悬臂旋转时，即可求解出任意位置下的坐标变换关系。/n
【技术特征摘要】
1.一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用圆柱体模的模型坐标系作为世界坐标系，求取世界坐标系与CT三维坐标系的变换关系；
S2、利用棋盘格标定板，求取单目相机的内部参数得到相机坐标系与相机图像坐标系的变换关系；
S3、通过单目相机在初始点处拍摄体模，求得世界坐标系与相机图像坐标系的变换关系；
S4、根据已知的坐标变换关系，可最终求得CT三维坐标系到相机图像坐标系的变换关系；
S5、由于单目相机是固定至CBCT上，当悬臂旋转时，即可求解出任意位置下的坐标变换关系。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11、利用圆柱体模的模型坐标系作为世界坐标系Sw(xw,yw,zw)，并提取圆柱体模上十字标记点在世界坐标系下的坐标值pw；
S12、利用CBCT对圆柱体模进行扫描重建，构建出虚拟的三维模型，并命名为CT三维空间，根据其原点构建CT三维坐标系So(xo,yo,zo)；
S13、圆柱体模上十字标记点在CT三维坐标系下的坐标值po通过钢珠的高CT值被提取得到，根据伪逆法或四元数法进而求取世界坐标系与CT三维坐标系的坐标变换关系为：
pw＝Rowpo+Tow
其中，Row是世界坐标系到CT三维坐标系的旋转矩阵，Tow是世界坐标系到CT三维坐标系的平移向量。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟三维人脸面部重建系统的标定方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、利用单目相机从不同角度拍摄多幅标定板图像，由于标定板棋盘格之间的间隔是已知的，通过张正友标定法可以求出单目相机的内部参数A；
S22、通过单目相机的内部参数A得到相机坐标系Sc(xc,yc,zc)到相机图像坐标系Sd(...
【专利技术属性】
技术研发人员：饶玉明，戴知宇，蔡丽晶，杨荣骞，
申请(专利权)人：深圳市深图医学影像设备有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44
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