[发明专利]一种基于透视成像模型标定的C型臂图像校正方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种基于透视成像模型标定的C型臂图像校正方法，它主要 是把C型臂系统成像参数标定和C型臂X射线投影失真图像校正作为一个整 体，基于透视成像模型来标定C型臂系统获得C型臂系统的内外参数，再利 用标定C型臂系统获得的畸变参数，实现对C型臂X射线投影失真图像校正 的一种图像校正方法，属于图像处理领域。

(二)背景技术

图像校正是一种常见的图像处理方式，如遥感图像校正后进行图像镶 嵌，航拍图像运用前进行校正，摄像机图像校正进行定位或三维重建。

目前C型臂X射线投影图像存在三种类型的失真变形：枕形失真，S形 失真，图像局部失真。影像增强器的输入屏为弧形曲面，人体组织器官透视 后残余的X线投影到该曲面上，无法到达预定的位置从而导致最终生成的图 像存在枕形失真，影像增强器中加速后的电子束受地球及周围电子设备磁场 影响发生偏转和平移，从而导致输出图像产生“S”形失真，X线图像成像系 统器件的加工安装误差，尤其是MOS在面阵CCD半导体衬底上的排列定位误 差，导致输出图像产生局部变形失真。此外，C型臂影像增强器的重量会造 成C型臂电枢中心产生一定程度的偏移，从而导致图像出现偏移。C型臂x 射线投影图像的失真变形，使图像中病人的解剖结构信息发生扭曲变形，在 直接用于手术导航和器械定位时，会影响定位的精度，影响手术的结果，严 重时会出现医疗事故。因此，基于C型臂X射线投影图像导航的手术器械定 位和三维重建辅助手术系统必须对C型臂X射线投影失真图像进行校正。

卡斯帕尔(Casperson)定性分析与定量测量了影像增强器所成的图像， 指出枕形失真是C型臂x射线投影图像变形的主要形式。纳赛尔(Nassir) 研究了C型臂的成像模型，提出C型臂的成像模型与摄像机的针孔模型相似。 因此C型臂X射线投影图像的失真模型可以用摄像机的失真模型模拟。

传统方法在处理基于C型臂X射线投影图像导航时，分成了两个阶段： C型臂X射线投影失真图像离线校正和C型臂系统标定。此方法有优点也有 缺点。

C型臂X射线投影失真图像校正有多种方法，通常可分为全局法和局部 法。全局法是对整幅图像使用同一个最优的单一变换模型，以确定理想图像 与失真图像中对应像素之间的空间映射关系和灰度值映射关系。具体的全局 校正算法包括刚体变换、仿射变换、透视变换以及多项式变换等；局部法则 是在图像中局部控制点的基础上，构造映射函数，以确定理想图像中局部区 域像素与失真图像中对应的局部区域像素之间的空间映射关系和灰度值映 射关系。在传统方法中，首先离线对C型臂X射线投影失真图像进行校正， 而且大部分采用的是高阶多项式拟合法，精度有时能达到很高。但是这种方 法需要建立理想图像，也就是说高阶多项式拟合图像校正实际是拟合失真图 像像素点和对应理想图像像素点的函数关系，但是实际运用中绝对理想的理 想图像是很难得到的，一般都是用近似理想图像替代，这就造成图像校正的 结果与近似理想图像的好坏有很大关系。传统方法中，图像校正后再使用简 单的线性模型对C型臂系统进行标定来获取C型臂系统的内外参数。优点是 计算简单，缺点是由于C型臂系统中影像增强器和标定模板的自身重量影响， 造成标定模板中心，影像增强器中心和放射源不在同一直线上。如果继续使 用线性模型标定C型臂系统，那么获得的C型臂系统参数将不准确，严重影 响导航的精度。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基于透视成像模型标定的C型臂图像校正方 法，该方法不会因标定模板中心，影像增强器中心和放射源不在同一直线上 而出现很大误差，也不需要先进行C型臂X射线投影失真图像校正再进行C型 臂系统标定，而且理论上可以在线实现C型臂系统标定的同时实现C型臂X射 线投影失真图像校正，从而可以节省时间，实现实时性。

本发明是一种基于透视成像模型标定的C型臂图像校正方法，它是在以 下硬件载体上实现的：PC机、双目摄像机、支架、C型臂系统、标记板、标 定模板以及固定卡爪。以上硬件的组合方式如图7所示：双目摄像机是建立 参考坐标系，确定标定模板上标记点的三维空间坐标；C型臂系统是采集标 定模板X射线投影图像；支架是支撑和固定双目摄像机；固定卡爪是固定标 定模板在影像增强器外壳上；标记板是建立标定模板中标记点的坐标系；PC 机是处理输入的C型臂X射线模板投影失真图像和图像中标记点对应的摄像 机坐标系下标记点的三维空间坐标，从而实现C型臂系统标定和C型臂X射 线投影失真图像校正。