[发明专利]一种AR手术导航系统的定位装置及方法

权利要求书

1.一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，包括：

获取具有特定尺寸、形状和可被识别、追踪的编码画面标签的标定物；

对标定物不同位姿状态下的编码画面进行抓取；

计算标定物当前位姿以及多个标定物之间的相互空间关系；

将标定物的当前位姿和相互空间关系图形化显示；

所述编码画面包括：

具有特定码值的黑白编码图案和黑白格图案，所述黑白格图案具有特定大小和排布。

2.根据权利要求1所述的一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，在获取具有特定尺寸、形状和可被识别、追踪的编码画面的标定物之后，还包括：

将所述标定物安装于手术部位以及手术器具上。

3.根据权利要求2所述的一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，还包括标定物位姿修正步骤：

根据黑白编码图案码值变化对标定物的位姿进行修正；

根据黑白格图案过滤环境中的干扰；

获得修正后的正确位姿。

4.根据权利要求3所述的一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，在对标定物不同位姿状态下的编码画面进行抓取之后，还包括：

对抓取的图像灰度化处理，以获取灰度图像；

计算整个灰度图像每个像素上的梯度的强度和方向；

对梯度的强度和方向进行聚类。

5.根据权利要求4所述的一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，所述灰度图像上相邻的两个像素的边权值为梯度方向之差，根据边权值对所有的边进行增序排列，利用边权值做边的合并，聚类公式(1)如下：

D(nUm)＝min(D(n)，D(m))+K_D/|nUm|

D(nUm)＝min(M(n)，M(m))+K_M/|nUm|

其中，n、m为给定的两个边集合，D(n)为边的梯度方向最大值与最小值之差，M(n)为梯度强度最大值与最小值之差，D(n)必须在0-2π之间，所以要对D(n)做取余的处理，当n和m满足公式(1)时，合并n和m两组边为一组边。

6.根据权利要求5所述的一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，包括：

完成灰度图像中所有像素的聚类后，利用加权最小二乘法拟合直线的方程；

根据直线的拟合，获得有向线段的两个端点的坐标，记作p1和p2；

根据亮度的高低，判断有向线段p1p2的方向；

计算灰度图像中的黑白边缘来寻找组成标签图像的轮廓；

根据直线的角点确认所抓取的编码画面中的四边形结构；

经矩阵变换获取标定物当前位姿，按解码规则进行解码。

7.根据权利要求6所述的一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，对已确认的四边形结构进行单应变换，以进行正确解码和求解标定物当前位姿，公式(2)如下：

其中，s表示深度信息，表示标签图像坐标系，表示Zw＝0的世界坐标系；

将其展开变换可得式(3)：

根据从标签图像坐标系中提取的四个角点和世界坐标系中假设的四个点对应，形成四个点对；

在确定的四边形中明确点阵坐标；

在灰度图像中提取点阵的最外围一圈的像素的平均值A1，提取点阵次外围一圈的像素的平均值A2；

获取A1和A2阈值分界线，将阈值确定为A1和A2的均值，重新遍历整个点阵所有点坐标的像素值，高于阈值的部分编码为0，低于阈值的部分编码为1；

对整个点阵进行解码，获得一串二进制码；

根据查表匹配到相应的编码ID。

8.根据权利要求7所述的一种AR手术导航系统的定位方法，其特征在于，计算标定物标签位姿公式(4)如下：

其中，H为单应矩阵，S为比例因子，P为相机投影矩阵，E为外参矩阵，fx和fy为相机内参；将公式(4)进行展开：

计算获取相机的外参矩阵。