局部自定位多元编码的被动近红外抗遮挡平面靶标及识别方法

本发明涉及手术机器人导航，特别是涉及一种局部自定位多元编码的被动近红外抗遮挡平面靶标及识别方法。

背景技术：

1、光学手术导航系统通常利用一个或多个视觉定位相机对安装于手术器械、患者参考架、机械臂或其他被追踪对象上的光学靶标进行实时检测，并依据靶标特征点的图像位置确定相应被追踪对象的位置和姿态。

2、在实际手术导航应用中，参与定位的靶标一般需要在使用前注册至定位系统。注册过程中建立靶标身份与靶标图案之间的对应关系，并记录靶标几何尺寸、特征点坐标以及靶标坐标系等信息。术中定位系统从采集图像中检测靶标，将检测结果与本次手术已注册靶标进行匹配，确认靶标身份后再进行位置和姿态计算。

3、平面编码靶标具有结构简单、厚度小、加工方便以及能够在有限面积内布置较多图像特征等优点。但是，在手术环境中，手术器械、机械臂、医护人员手部、纱布或患者组织均可能位于相机与靶标之间，造成靶标局部遮挡。对于依赖完整外边界、完整中心编码区、完整角部编码区或者固定身份区域完成识别的平面靶标，一旦关键区域受到遮挡，容易出现身份无法解码、方向无法确定或者剩余特征点无法与完整靶标模型建立正确对应关系的问题。

4、增加相机数量或改变观察视角可以在一定程度上降低遮挡影响，但该方式主要提高不同视角下靶标保持可见的概率，并不能解决单幅图像中仅剩局部纹理时，如何确定所述局部纹理在完整平面靶标中的绝对逻辑位置的问题。

5、另一类抗遮挡设计是在同一靶标上设置固定身份编码区、固定方向编码区或者重复冗余编码区。当一个区域被遮挡时，通过预先规定的其他区域恢复身份或方向信息。该方式需要指定区域承担固定功能；当遮挡跨越多个关键区域时，仍可能造成识别失败。

6、因此，需要一种不同的平面靶标编码思路，使完整靶标中的多个局部区域本身具有可区分的空间地址信息。当靶标中心、外边界或部分编码单元不可见时，只要剩余编码单元满足基本数量和空间分布条件，即能够根据局部编码组合确定其在完整靶标中的逻辑位置和方向，进而恢复剩余可见特征点与完整靶标几何模型之间的对应关系。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供局部自定位多元编码的被动近红外抗遮挡平面靶标，通过非对称多元编码使局部可见编码组合具备完整靶标空间地址属性，以解决平面靶标在部分遮挡后因关键识别区域不可见而无法确定局部区域在完整靶标中逻辑位置的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：

3、局部自定位多元编码的被动近红外抗遮挡平面靶标，包括平面靶标，所述平面靶标为无主动发光元件的被动式靶标，其表面设置由若干方形编码单元构成的棋盘格编码阵列，各所述方形编码单元由背景明暗属性与内部几何编码图形共同形成唯一编码符号，各所述方形编码单元按照非对称编码矩阵排布，使得预设规模的局部编码组合在不同空间位置以及0°、90°、180°和270°不同旋转角度下能够相互区分；

4、当所述平面靶标发生局部遮挡、且剩余可识别方形编码单元满足预设数量和空间分布条件时，能够根据剩余可识别方形编码单元形成的局部编码组合确定该局部编码组合在完整平面靶标内部的逻辑位置以及平面靶标的逻辑旋转方向。

5、作为本发明的一种优选实施方式，所述棋盘格编码阵列为5行×5列共25个方形编码单元，相邻方形编码单元明暗交替排布，所述几何编码图形包括五角星、三角形、菱形、五边形、加号、减号、乘号、除号中的任意一种，暗背景配置亮色几何图形，亮背景配置暗色几何图形，由方形编码单元的背景明暗属性与几何编码图形类别二者组合，分别对应0f共16种十六进制编码符号。

6、作为本发明的一种优选实施方式，暗背景方形编码单元中的亮色五角星、三角形、菱形、五边形、加号、减号、乘号和除号依次对应编码0、1、2、3、4、5、6和7；

7、亮背景方形编码单元中的暗色五角星、三角形、菱形、五边形、加号、减号、乘号和除号依次对应编码8、9、a、b、c、d、e和f；

8、0～f编码用于表示由背景明暗属性和几何编码图形类别共同确定的编码符号。

9、作为本发明的一种优选实施方式，所述非对称编码矩阵的局部可区分性通过对预设局部编码组合进行编码距离校验获得，预设局部编码组合包括完整编码矩阵中不同逻辑位置的局部编码组合以及同一局部编码组合在不同逻辑旋转方向下形成的候选编码组合；

10、当所述平面靶标用于由多个已注册平面靶标组成的注册库时，不同已注册平面靶标之间的所述预设局部编码组合亦进行编码距离校验，以降低局部遮挡条件下的身份、位置或方向混淆。

11、作为本发明的一种优选实施方式，每个几何编码图形布置在对应方形编码单元的中部位置，几何编码图形与方形编码单元边界之间留有间隙，降低图形对棋盘格角点检测的干扰。

12、通过采用前述设计方案，本发明的有益效果是：通过非对称多元编码将抗遮挡能力内置到靶标自身的编码结构中。具体地，5行×5列棋盘格编码阵列中的每一方形编码单元由背景明暗属性和八种几何编码图形之一共同构成编码符号，25个编码单元按照非对称矩阵排列，使任意预设尺寸的局部编码组合在不同逻辑位置及不同旋转方向下均具有可区分性，从而赋予每一个局部区域独立的空间地址属性。当靶标在手术导航等实际应用场景中受到器械、手部或组织部分遮挡时，仅需剩余可识别编码单元满足预设数量和空间分布条件，即可根据局部编码组合直接确定其在完整5行×5列编码矩阵中的逻辑位置以及靶标的旋转方向，无需依赖固定身份区、固定冗余区或靶标中心保持可见。

13、本发明的目的在于提供局部自定位多元编码的被动近红外抗遮挡平面靶标及识别方法，通过非对称多元编码使局部可见编码组合具备完整靶标空间地址属性，结合术前注册库实现遮挡条件下的靶标身份、局部位置和方向的联合识别，以解决平面靶标因局部遮挡导致识别失败和定位中断的问题。

14、为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：

15、局部自定位多元编码的被动近红外抗遮挡平面靶标的识别方法，包括以下步骤：

16、s1、靶标注册：将待使用平面靶标的靶标身份信息、完整编码矩阵、几何尺寸以及特征点坐标模型注册至系统注册库，并对注册库内靶标执行局部编码冲突校验；

17、s2、图像采集：获取包含待识别平面靶标的图像，在所述平面靶标受到部分遮挡时，检测剩余可见棋盘格结构及剩余可见方形编码单元，并根据剩余可见方形编码单元之间的邻接关系建立局部网格位置关系；

18、s3、局部特征检测与编码识别：分别识别各剩余可见方形编码单元的背景明暗属性和内部几何编码图形类别，根据二者获得各剩余可见方形编码单元对应的编码符号，形成带有局部网格位置关系的局部编码组合；

19、s4、联合搜索：将所述局部编码组合与所述靶标注册库中的完整编码矩阵进行局部匹配，对平面靶标身份、所述局部编码组合在完整编码矩阵中的逻辑位置以及平面靶标的逻辑旋转方向进行联合搜索；

20、s5、坐标映射与位姿求解：根据匹配得到的平面靶标身份、逻辑位置及逻辑旋转方向，将当前图像中的剩余可见棋盘格特征点映射至对应完整靶标几何坐标模型中的已知特征点，建立用于平面靶标定位的特征点对应关系。

21、作为本发明的一种优选实施方式，步骤s4中所述局部匹配具体包括：对于因遮挡、图形缺失或者识别置信度低于预设条件而无法可靠识别的方形编码单元，将其标记为无效编码单元，并在局部匹配过程中不参与对应位置编码符号的比较；

22、对于剩余有效编码单元，按照其局部网格位置与候选完整编码矩阵中相应位置的编码符号进行比较，以对应位置编码符号不一致的有效编码单元数量或者其归一化值作为汉明距离；

23、分别计算不同平面靶标身份、逻辑位置及逻辑旋转方向对应候选状态的汉明距离，确定第一候选匹配结果和第二候选匹配结果。

24、作为本发明的一种优选实施方式，匹配结果确认条件为：当第一候选匹配结果的汉明距离满足预设匹配条件，且第一候选匹配结果与第二候选匹配结果之间的编码距离差满足预设区分条件时，确认所述第一候选匹配结果。

25、作为本发明的一种优选实施方式，在确定所述局部编码组合在完整5行×5列编码矩阵中的逻辑位置及逻辑旋转方向后，根据已注册的完整靶标几何坐标模型确定剩余可见棋盘格特征点对应的靶标坐标；

26、根据所述剩余可见棋盘格特征点的图像坐标及其对应的靶标坐标，采用基于已知空间特征点与图像特征点对应关系的位姿求解方法，计算所述平面靶标相对于图像采集装置的位置和姿态

27、通过采用前述设计方案，本发明的有益效果是：通过术前注册与术中局部联合匹配的策略，利用靶标结构中非对称多元编码所赋予的局部空间地址属性，在遮挡条件下一次性完成靶标身份、局部逻辑位置和旋转方向的联合确定。方法中将因遮挡或识别置信度不足的编码单元标记为无效，不参与汉明距离计算，使不可见单元不成为匹配错误的来源，增强了方法对不规则遮挡的容忍度；通过第一候选与第二候选的汉明距离双重确认机制，仅在满足预设匹配条件和候选区分条件时才输出确认结果，有效避免了局部信息不足时强制匹配导致误识别。匹配确认后直接根据局部编码组合在完整矩阵中的逻辑位置，将剩余可见棋盘格特征点映射至完整靶标坐标模型的已知特征点，无需检测靶标中心或完整外边界。