基金 项 目: 北 京 信 息 科 技 大 学 2018 年 度 实 培 计 划 项 目
(71B1910806)
收稿日期:2019年 5月
眼科手术机器人双目视觉标定方法研究
闫兴
1
,曹禹
1
,王晓楠
2
,朱立夫
2
,王君
1
,何文浩
2
1
北京信息科技大学;
2
中国科学院自动化研究所
摘要:双目视觉系统通过相机模拟人眼,基于视差原理,从不同角度采集被测物体的两幅图像获取其二维信
息,建立特征点的对应关系,计算出位置偏差,从而实现三维重建。眼科手术机器人双目视觉系统选用的标定方法
是以张正友摄像机标定方法为基础,利用 Harris角点检测方法实现亚像素点的精确化,对采集图像进行畸变矫正。
将得出的标定结果与常用传统标定方法 MATLAB相机标定工具箱 Toolbox_calib的标定结果进行比较,分析像素误
差。结果表明:使用新算法标定后的结果更加稳定,像素误差更小,精度更高,适用情况更加广泛,可用于眼科手术
机器人的双目视觉标定系统中。
关键词:眼科手术;双目视觉;相机标定;角点检测;opencv
中图分类号:TG713;TH741 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2019.12.023
ResearchonBinocularVisionCalibrationMethodforOphthalmicSurgeryRobot
YanXing,CaoYu,WangXiaonan,ZhuLifu,WangJun,HeWenhao
Abstract:Binocularvisionsystemsimulatesthehumaneyethroughtwocameras.Basedontheparallaxprinciple,two
imagesofthemeasuredobjectarecollectedfromdifferentanglestoobtainitstwodimensionalinformation.Byestablishing
thecorrespondingrelationshipbetweenthefeaturepoints,thepositiondeviationiscalculated,andthethreedimensionalre
constructionisrealized.Thecalibrationmethodforthebinocularvisionsystemwithophthalmicsurgeryrobotsisbasedon
ZhangZhengyou′scameracalibrationmethod,theHarriscornerdetectionmethodisusedtorealizetheaccuracyofsubpixel
points,andcorrectingthedistortionofthecollectedimage,thecalibrationresultsobtainedarecomparedwiththoseobtained
bytraditionalcalibrationmethodssuchasToolbox_calib,acalibrationtoolboxforcameracalibrationinMATLAB.Analyzing
theerrorofthepixel,theresultaftercalibrationwiththenewalgorithmismorestable,thepixelerrorissmaller,thepreci
sionishigher,andtheapplicationismoreextensive,andthismethodcanbeusedinbinocularvisioncalibrationsystemof
ophthalmicsurgeryrobot.
Keywords:ophthalmicsurgery;binocularvision;cameracalibration;cornerdetection;opencv
!
引言
人眼的组织结构复杂,血管分布众多,医生可操
刀范围狭窄,因此眼科相关手术的难度也相对较高。
目前,眼科手术的操作仍多依靠操作医生的术前以
及术中诊断经验。眼科手术机器人的研究避免了医
生在长时间手术中注意力下降引起的手术失误,并
解决了人手部的颤抖等因素对手术的影响。
相机标定是眼科手术机器人视觉系统的基础。
标定方法分为传统标定方法、主动视觉标定方法和
自标定方法
[1]
。传统标定方法包括两步法
[2]
和张
正友标定法
[3]
等。根据相机的数量不同,又分为单
目相机标定和双目相机标定
[4]
。本标定系统采用
张正友标定法,使用黑白相间的棋盘格作为标定物,
两台相机同时标定板,对采集图像进行畸变矫正和
角点提取,获得相机的畸变因子和内外参数。因选
用的
Harris角点检测算法
[5]
存在提取伪角点、角点
坐标为整像素级别以及精度较低等问题,所以对角
点坐标进行亚像素精确化,使坐标结果精确到亚像
素级别
[6]
。分析像素误差可知,进行亚像素精确化
后的结果误差更小,精度更高。
"
双目相机标定系统
相机标定的目的是构建世界坐标系与图像上像
素坐标系之间的关系,双目立体视觉定位系统类似
于人类双眼视觉的立体感知过程。两台焦距(均为
f)完全相同的摄像机,双目视觉原理见图 1,P为世
界坐标系下一点,p
1
和 p
2
分别为左右相机中对应点
P的成像点。O
l
和 O
r
分别为左右相机的光心,O
l
p
1
与 O
r
p
2
的连线相交于 P点,当已知 p
1
和 p
2
的坐标
时,可以通过对应关系,计算出 P点的三维坐标。
假设已知相机参数,且已知 p
1
、p
2
对应像素坐
标,两台相机对应数学模型表达式分别为
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2019年第 53卷 No.12