脊柱白光三維運動測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脊柱白光三維運動測量方法，包括：a、標定圖像，對單相機-單投影儀三維測量系統(tǒng)，在光束平差的概念下構(gòu)造合適的目標函數(shù)，建立基于光束平差的三維標定的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)三維標定方法，這種新的標定方法首先通過進行標志點亞像素定位和計算絕對相位分布，以亞像素精度確定相機-投影儀的同名點對應(yīng)關(guān)系；b、然后分別對相機和投影儀進行標定，以得到的結(jié)果作為三維測量系統(tǒng)參數(shù)的初值；c、最后利用新構(gòu)造的誤差函數(shù)，將標志點的世界坐標作為附加參量與其他參數(shù)向量同時進行優(yōu)化，實現(xiàn)了對三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確標定；d、三維重建模型。該脊柱白光三維運動測量方法獲得的三維重建模型的穩(wěn)定性、可靠性和準確性均得到較大提高。
【專利說明】脊柱白光三維運動測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對脊柱三維運動數(shù)據(jù)進行測量的方法，尤其是脊柱白光三維運動測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脊柱節(jié)段間的三維運動與脊柱外科很多方面都有密切聯(lián)系。了解脊椎的運動范圍對于理解脊柱損傷、脊柱退行性變、脊柱外科手術(shù)治療以及脊柱植入物的生物力學(xué)均有重要意義。而鑒于脊柱運動的復(fù)雜性，目前尚無一種公認理想的脊柱三維運動測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于【背景技術(shù)】存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種脊柱白光三維運動測量方法，該測量方法獲得的脊柱三維運動數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性和準確性均得到較大提聞。
[0004]本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案來完成的:脊柱白光三維運動測量方法，包括:a、標定圖像，對單相機-單投影儀三維測量系統(tǒng)，在光束平差的概念下構(gòu)造合適的目標函數(shù)，建立基于光束平差的三維標定的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)三維標定方法，這種新的標定方法首先通過進行標志點亞像素定位和計算絕對相位分布，以亞像素精度確定相機-投影儀的同名點對應(yīng)關(guān)系山、然后分別對相機和投影儀進行標定，以得到的結(jié)果作為三維測量系統(tǒng)參數(shù)的初值；C、最后利用新構(gòu)造的誤差函數(shù)，將標志點的世界坐標作為附加參量與其他參數(shù)向量同時進行優(yōu)化，實現(xiàn)了對三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確標定；d、三維重建模型。
[0005]本發(fā)明提供的脊柱白光三維運動測量方法能夠更加穩(wěn)定、準確和可靠的脊柱三維運動數(shù)據(jù)，能夠用于更加準確和穩(wěn)定的重建脊柱運動的三維模型。通過上述三維數(shù)據(jù)和模型，能夠更加透徹地了解脊椎的運動范圍對于理解脊柱損傷、脊柱退行性變、脊柱外科手術(shù)治療以及脊柱植入物的生物力學(xué)具有的重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]本發(fā)明有如下附圖:
圖1為本發(fā)明提供的相機圖像中標志點定位的流程示意圖，其中圖像a進行了高斯濾波，圖像b進行了邊緣提取，圖像c進行了亞像素邊緣定位，圖像d進行了橢圓圓心擬合。
[0007]圖2為垂直方向投影條紋序列圖。
[0008]圖3為投影儀圖像標志點坐標的求解示意圖。
[0009]圖4為擬合矩陣圖。
【具體實施方式】
[0010]附圖表示了本發(fā)明的技術(shù)方案及其實施例，下面再結(jié)合附圖進一步描述其實施例的各有關(guān)細節(jié)及其工作原理。[0011]本發(fā)明提供的脊柱白光三維運動測量方法，包括:a、標定圖像，對單相機-單投影儀三維測量系統(tǒng)，在光束平差的概念下構(gòu)造合適的目標函數(shù)，建立基于光束平差的三維標定的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)三維標定方法，這種新的標定方法首先通過進行標志點亞像素定位和計算絕對相位分布，以亞像素精度確定相機-投影儀的同名點對應(yīng)關(guān)系；b、然后分別對相機和投影儀進行標定，標定方法可以采用文章“ [I] Zhang S，Huang Peisen S.Novelmethod for structured light system calibration [J], Optical Engineering，2006, 45(8):083601”中的方法，以得到的結(jié)果作為三維測量系統(tǒng)參數(shù)的初值；c、最后利用新構(gòu)造的誤差函數(shù)，將標志點的世界坐標作為附加參量與其他參數(shù)向量同時進行優(yōu)化，實現(xiàn)了對三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確標定；d、三維重建模型。
[0012]如圖1所示,上述實施例的步驟b中的標定過程需要一個包含標志點的標祀,標志點的標靶為印有11X9的點陣的平面作為標靶，在標定時，需要獲取標志點在相機和投影儀中的對應(yīng)圖像坐標(也就是同名點)，相機圖像中標志點的亞像素定位流程如下:相機采集標靶圖像后，首先對圖像進行高斯濾波，然后對圖像作邊緣提取以實現(xiàn)標志點的粗定位，最后通過亞像素邊緣定位和橢圓圓心擬合實現(xiàn)標志點的精確定位，得到亞像素級的標志點圖像坐標。
[0013]如圖2、圖3所示，上述實施例的投影儀圖像中的對應(yīng)圖像坐標定位是借助相機實現(xiàn)的，其關(guān)鍵在于標志點在相機和投影儀圖像中坐標的對應(yīng)關(guān)系，在基于條紋投影的三維測量系統(tǒng)中，這種對應(yīng)關(guān)系是以絕對相位作為特征來確立的，投影儀向標靶投射垂直和水平兩個正交方向的相移加變頻的序列條紋圖，相機采集相應(yīng)的變形條紋圖序列后利用相位解調(diào)和廣義時間相位展開算法(GTPU)得到每個相機像素的水平和垂直的絕對相位分布圖，
再通過雙線性插值可得對應(yīng)于m的垂直和水平方向的絕對相位，最后根據(jù)投
CI I / T
影儀DMD上相位和坐標的對應(yīng)關(guān)系，得到投影儀中同名點的圖像坐標:Air其中，垂直方向
的序列條紋圖從最小條紋周期的最高級次到最大條紋周期的最低級次進行了 4次變頻，為了抑制投影儀的非線性效應(yīng)，對最高級次的條紋進行了 16次相移，對其余的每一級次的條紋進行了 4次相移，得到了精度較高的絕對相位。
[0014]如圖3所示，投影儀圖像標志點坐標的求解流程中，是利用雙線性插值分別在垂直和水平方向上得到的絕對相位圖上對應(yīng)于‘s位置的絕對相位。假設(shè)最高級次的條紋周期為投影儀DMD上零相位點的坐標為則根據(jù)相位確定
的標志點坐標為
【權(quán)利要求】
1.一種脊柱白光三維運動測量方法，其特征是:包括:a、標定圖像，對單相機-單投影儀三維測量系統(tǒng)，在光束平差的概念下構(gòu)造合適的目標函數(shù)，建立基于光束平差的三維標定的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)三維標定方法，這種新的標定方法首先通過進行標志點亞像素定位和計算絕對相位分布，以亞像素精度確定相機-投影儀的同名點對應(yīng)關(guān)系；b、然后分別對相機和投影儀進行標定，以得到的結(jié)果作為三維測量系統(tǒng)參數(shù)的初值；c、最后利用新構(gòu)造的誤差函數(shù)，將標志點的世界坐標作為附加參量與其他參數(shù)向量同時進行優(yōu)化，實現(xiàn)了對三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確標定；d、三維重建模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊柱白光三維運動測量方法，其特征是:所述步驟b中的標定過程需要一個包含標志點的標靶，在標定時，需要獲取標志點在相機和投影儀中的對應(yīng)圖像坐標，相機圖像中標志點的亞像素定位流程如下:相機采集標靶圖像后，首先對圖像進行高斯濾波，然后對圖像作邊緣提取以實現(xiàn)標志點的粗定位，最后通過亞像素邊緣定位和橢圓圓心擬合實現(xiàn)標志點的精確定位，得到亞像素級的標志點圖像坐標。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脊柱白光三維運動測量方法，其特征是:投影儀圖像中的對應(yīng)圖像坐標定位是借助相機實現(xiàn)的，其關(guān)鍵在于標志點在相機和投影儀圖像中坐標的對應(yīng)關(guān)系，在基于條紋投影的三維測量系統(tǒng)中，這種對應(yīng)關(guān)系是以絕對相位作為特征來確立的，投影儀向標靶投射垂直和水平兩個正交方向的相移加變頻的序列條紋圖，相機采集相應(yīng)的變形條紋圖序列后利用相位解調(diào)和廣義時間相位展開算法(GTPU)得到每個相機像素的水平和垂直的絕對相位分布圖，再通過雙線性插值可得對應(yīng)于 勺垂直和水平方向的絕對相位)，最后根據(jù)投影儀DMD上相位和坐標的對應(yīng)關(guān)系，得到投影儀中同名點的圖像坐標:Af。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脊柱白光三維運動測量方法，其特征是:所述包含標志點的標靶為印有11X9的點陣的平面作為標靶。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脊柱白光三維運動測量方法，其特征是:所述垂直方向的序列條紋圖從最小條紋周期的最高級次到最大條紋周期的最低級次進行了 4次變頻，為了抑制投影儀的非線性效應(yīng)，對最高級次的條紋進行了 16次相移，對其余的每一級次的條紋進行了 4次相移，得到了精度較高的絕對相位。
【文檔編號】G01B11/00GK103453835SQ201310339056
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月6日
【發(fā)明者】王向陽, 李耀, 沈中海, 夏冬冬, 林勝磊 申請人:王向陽