一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术提供了一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用，标定方法的步骤包括：取各标靶结构上的同一位置的点U,获取所有标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标，采用标靶姿态相近或相同的三个不同位置处标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标集合{Ui}，使用{Ui}拟合平面S"，得到该平面S"法向量N的初值；使用所有位置的{(R

【技术实现步骤摘要】
一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用


[0001]本专利技术属于视觉测量
，尤其涉及一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用。

技术介绍

[0002]在视觉测量中，带有球头的标靶(简称标靶)可以用于高精度工件尺寸测量。标靶一般具有灯源结构或图像的刚体结构(简称标靶结构)，使用相机对标靶进行拍摄，可以获取标靶结构在相机坐标系下的坐标。如果球头在标靶结构本地坐标系的坐标已知，那么可以换算出球头在相机坐标系的坐标。使用球头接触工件，便可以得到这些接触点在相机坐标系的坐标，从而完成对工件的尺寸测量。这一测量过程与传统三坐标仪相同，区别在于传统三坐标仪使用机械结构定位球头坐标，而基于视觉测量的标靶通过视觉系统定位球头的坐标。标靶结构一般是稳定的，可以通过精加工的方式获取其结构，或使用视觉系统获取标靶结构。但标靶的球头一般很难靠加工来保证其位置的精确性，并且视觉系统无法直接识别球头。因此，需要通过标定方法来获取球头在标靶结构坐标系下的坐标，即对标靶球头进行标定。而且，在实际使用过程中，标靶的球头部分经常与工件接触，或与手术部位接触，相对容易损坏或变形。因此，在现场快速进行球头标定和精度评估具有很强的实用价值。
[0003]如果将灯源结布置在手术器械上，如果手术器械的工作端是球形或针状的，例如穿刺器，则也可使用同样/类似的方法实时定位手术器械“球头”在视觉坐标系下的坐标，达到视觉实时手术导航的目的。
[0004]目前，三坐标仪、机械测量臂和视觉测量系统常见的球头标定方法有锥形标定和球形标定。
[0005]锥形标定方法是将球头放入到一个锥形体里，当球放于锥形体中，理论上球体与锥面相切，那么无论如何转动标靶，只要球头与锥形充分接触，那么球头与锥面始终相切，球头球心的位置是不动的。因此，标靶实际上是在绕球头的球心做球面运动，可以通过球拟合的方法计算得到球头球心在视觉系统下的坐标，然后将该坐标反算到标靶结构坐标系下，得到球头在标靶结构坐标系下的坐标。然而，锥形标定法的缺点主要有四方面。其一，需要牢固的固定锥形体，特别是对于视觉系统，标靶一般是手持的，而不像机械测量臂等有辅助机械结构，锥体需要承受较大的力量；标靶标定一般需要达到0.1mm以上的标定精度，那么牢固的固定锥形体对一般的用户来说是困难的，一般只有在有重型台面的车间才有具有这样的条件。其二，锥形体放置球头的是内锥形面，锥面很容易与安装球头的金属杆(测针)发生碰撞，实际上为了不发生碰撞，一般测针相对锥形体轴线的夹角不会超过45度，因此被标定的球面角度小于90度，而完整球面的角度是360度，对于球拟合，数据覆盖范围小于180度时，从数学理论上球心容易发生较大误差，当覆盖小于90度时，球心误差会增大一倍以上。其三，当手持标靶标定时，人很难感知球头与锥形体的接触情况，在标靶偏移锥形体轴线较远时，容易发生在重力影响下球头实际并没有与锥形面充分接触，即球与锥形面没有完全相切，球心位置发生了移动。因此，在操作者手持标靶的情况下，很难保证球心稳定性。
其四，高精度的锥形体加工难度大，成本高。
[0006]球形标定方法与锥形标定方法类似，但标定装置从锥形体变为了球体。假设标定球体的半径为R，标靶球头半径为r。在标定过程中，标定球头的球心是不动的。因此，标靶的球头球心是在以标定球的球心为球心、半径为R+r的球面上运动，而不是标靶结构在球面上运动，基于这一特征可以计算得到球头球心的坐标。然而，球形标定的缺点主要有三方面。其一，球形标定方法需要牢固固定，否则球心位置会发生变化，球体一般通过支撑杆固定，支撑杆一般直径几倍小于球体半径，这样的结构下，球体更难于固定。其二，标定球体和标靶球头一般陶瓷或钨钢，高精度球体表面都非常的光滑，但手持标靶将球头放置于标定球体上时，非常容易打滑，很难保持两者充分接触。其三，即使保持了不打滑，充分接触，这时一般会施加较大力量来稳定标靶和标定球，从而导致标定球体的支撑杆发生变形。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用，至少能够解决现有标靶球头标定过程中存在的稳定性差、标定精度低的问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案。
[0009]一种基于平面的标靶球头标定方法，其特征在于，步骤包括：步骤1，建立标靶本地坐标系{Q
i
}；步骤2，使用标靶测量平面S，采集n(通常取n≥6)个位置，使用视觉测量系统采集每个位置下标靶的结构点{P
i
}，并确保至少三个位置处的标靶姿态相近或相同，并计算{Q
i
}到{P
i
}的刚体变换关系(R
i
，T
i
)，其中R
i
为旋转矩阵，T
i
为平移矢量，得P
i
＝R
i
·
Q
i
+c；作为优选，确保前三个不同位置处的标靶姿态相近或相同；步骤3，取各标靶结构上的同一位置的点U(例如，标靶1、标靶2、标靶3的左上角的点为同一位置的点)，获取所有标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标，采用标靶姿态相近或相同的三个不同位置处标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标集合{Ui}，使用{Ui}拟合平面S
″
，得到该平面S
″
法向量N的初值；步骤4，计算所有旋转矩阵R
i
的平均值以及平移量T
i
的平均值并重定义R
i
和T
i
：后续计算步骤在没有特殊说明下的R
i
和T
i
皆指重定义后R
i
和T
i
。步骤5，使用所有位置的{(R
i
，T
i
)}，以及平面S
″
法向量N的初值，基于式(I)求解标靶球头的球心在标靶本地坐标系下的坐标H(Hx，Hy，Hz)的初值，(a
i
，b
i
，c
i
)
·
(Hx，Hy，Hz)+d
i
＝0....................(I)其中，d
i
＝T
i
·
N，N，是矩阵R
i
的转置矩阵，N是平面法向量，它们的乘积得到一个向量(a
i
，b
i
，c
i
)，T
i
是个向量，其与法向量N的点积得到一个标量d
i
；步骤6，基于目标函数式(II)，使用迭代算法优化求解∑||e
i
||2最小值，获取最优(H，N)组合；其中，e
i
为残差；作为优选，迭代优化方法可使用Levenberg
‑
Marquardt(LM)、高斯
‑
牛顿迭代法等非线性迭代方法，在本专利技术中采用LM迭代法具有较优的效果；arg min∑||e本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平面的标靶球头标定方法，其特征在于，步骤包括：步骤1，建立标靶本地坐标系{Q
i
}；步骤2，使用标靶测量平面S，采集多个位置，使用视觉测量系统采集每个位置下标靶的结构点{P
i
}，并确保至少三个位置处的标靶姿态相近或相同，并计算{Q
i
}到{P
i
}的刚体变换关系(R
i
,T
i
)，其中R
i
为旋转矩阵，T
i
为平移矢量，得P
i
＝R
i
·
Q
i
+T
i
；步骤3，取各标靶结构上的同一位置的点U,获取所有标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标，采用标靶姿态相近或相同的三个不同位置处标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标集合{Ui}，使用{Ui}拟合平面S"，得到该平面S"法向量N的初值；步骤4，计算所有旋转矩阵R
i
的平均值以及平移量T
i
的平均值并重定义R
i
和T
i
:后续计算步骤在没有特殊说明下的R
i
和T
i
皆指重定义后R
i
和T
i
。步骤5，使用所有位置的{(R
i
,T
i
)}，以及平面S"法向量N的初值，基于式(Ⅰ)求解标靶球头的球心在标靶本地坐标系下的坐标H(Hx,Hy,Hz)的初值，(a
i
，b
i
，c
i
)
·
(Hx，Hy，Hz)+d
i
＝0....................(Ⅰ)其中，d
i
＝T
i
·
N，N，是矩阵R
i
的转置矩阵，N是平面法向量，它们的乘积得到一个向量(a
i
，b
i
，c
i
)，T
i
是个向量，其与法向量N的点积得到一个标量d
i
；步骤6，基于目标函数式(Ⅱ)，使用迭代算法优化求解∑||e
i
||2最小值，获取最优(H,N)组合；其中，e
i
为残差；argmin∑||e
i
||2＝argmin∑||(R
i
·
H)
·
N+T
i
·
N||2.......(Ⅱ)步骤7，计算雅可比梯度矩阵式(Ⅲ)，其中，J
iH
为e
i
对H的导数，J
iN
为e
i
对N的导数。2.根据权利要求1所述的标靶球头标定方法，其特征在于：步骤2中，取n≥6。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘禄斌，刘明博，游晓龙，卢深涛，王荥，魏琳娜，白灵，冯亭，
申请(专利权)人：菲烁光导重庆医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：