[发明专利]一种三目立体内窥镜自标定的方法

摘要

本发明公开了一种三目立体内窥镜，可以在正常使用过程中不借助外部标定模板对立体内窥镜标定；具体讲，首先利用标定板对三个内镜相机进行初始标定，获取其对应初始标定参数；其次，在保证两个相机参数不变下，对另外的一个相机进行缩放或聚焦调节，获取调节后三个相机同一时刻拍摄到的三张图像，对三张图像的重合区域进行特征点检测和匹配操作，基于三张图像的特征点匹配结果，通过3D重构求出特征点在指定坐标系中的三维坐标，利用所得特征点三维坐标以及所得特征点在待标定相机对应图像的像素坐标信息，再对待标定相机进行标定，获取待标定相机新的参数。

主权项

1.一种三目立体内窥镜自标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、三目立体内窥镜初始化使用前，利用标定模板对三目立体内窥镜进行标定，获取各内镜的初始标定参数矩阵Aa、Ab、Ac和畸变系数向量K1、K2、K3，以及各内镜相机坐标系之间的转换关系[Rab Tab]、[Rac Tac]、[Rbc Tbc]；其中，参数矩阵的通用形式即为：α，β分别为相机在x和y方向上的焦距，γ为倾斜因子，(u₀ v₀)为相机光心在像平面投影点在像素坐标系下的像素坐标；K＝[k₁ k₂ k₃ k₄]，k₁，k₂为径向畸变系数，k₃，k₄为离心畸变系数；R为右侧相机坐标系到左侧相机坐标系的旋转矩阵，T为右侧相机坐标系到左侧相机坐标系的平移向量；(2)、当某一电子内镜进行缩放或聚焦操作时，先获取参数已知的电子内镜与待标定电子内镜在同一时刻的图像，再利用步骤(1)中所得各电子内镜的畸变系数k1，k2，k3，k4对所得图像进行畸变校正，然后对校正后的图像进行特征提取，获取各图像中的特征点，再进行特征点匹配，最后从三张图像中均成功匹配的特征点中选取n组特征点；(3)、根据步骤(1)中各坐标系间转换关系和步骤(2)中选取的n组特征点构造解线性方程组；设A电子内镜为待标定电子内镜，则构造的解线性方程组为：其中，[ub vb 1]T和[uc vc 1]T分别为特征点对应已进行初始标定电子内镜B和C对应图像中点的像素点的齐次坐标；Rbc、Tbc和Rab、Tab分别为电子内镜C的相机坐标系到B相机坐标系的旋转矩阵、平移量和B相机坐标系到A相机坐标系的旋转矩阵、平移量；[Xb Yb Zb]T和[Xc Yc Zc]T分别为特征点对应B、C相机坐标系中三维坐标；[Xa Ya Za 1]T、[Xb Yb Zb 1]T和[Xc Yc Zc 1]T分别为A、B、C相机坐标系的点的齐次坐标；最后再求解该方程组，获取n组特征点在待标定内镜相机坐标系中的三维坐标[Xa1 Ya1 Za1]T......[Xan Yan Zan]T；(4)、利用n个待标定电子内镜对应图像中特征点的像素坐标[u_a1 v_a1]^T......[u_an v_an]^T和n组特征点在待标定内镜相机坐标系中的三维坐标[X_a1 Y_a1 Z_a1]^T......[X_an Y_an Z_an]^T，结合这两者间的关系构建如下线性方程：利用最小二乘法求解该线性方程，获取待标定电子内镜的内部参数矩阵，然后利用非线性优化算法，引入畸变系数，对内部参数矩阵进行修正，得到待标定电子内镜的新畸变系数，从而完成待标定电子内镜的自标定；其中，所述的三目立体内窥镜的结构包括：固定在同一筒状装置的三个独立电子内镜和均匀环绕在三个独立电子内镜周围的多个LED组成的光源，以及一个用于将三目立体内窥镜与电脑相连的USB接口；所述的三个独立电子内镜的位置相对固定，均匀分布在筒状装置内，三个独立电子内镜的镜头位于筒状装置前端，与多个LED组成的光源共同构成成像单元，三个独立电子内镜的尾部位于筒状装置后端，且每个独立电子内镜的尾部拥有一个独立调节焦距的旋钮，当某一个电子内镜进行缩放或聚焦操作时，则三目立体内窥镜参数发生改变，那么当三目立体内窥镜完成初始标定后，另外两个未调节的电子内镜能够获取图像进行自标定；当患者需要进行内窥检查时，先放入三目立体内窥镜，再通过尾部的旋钮进行聚焦，然后在光源的配合下通过三个电子内镜成像，最后通过连接在USB接口上的信号线传送至电脑。