一种透视成像装置实时几何校正方法与流程

1.本发明涉及透视成像的几何校正技术，具体涉及一种透视成像装置实时几何校正方法。


背景技术：

2.在cbct、透视图象引导摆位等透视图象的应用中，对于透视成像装置的几何参数有精度要求，在获取透视图像的同时需要得到形成透视图的投影透视成像装置的几何参数，这些几何参数指透视投影矩阵或与之等价的透视源坐标、成像平板坐标与方向等参数。
3.举例来说，在锥形束计算机断层影像(cbct)的应用中，几何参数的不精确会导致反投影重建过程中二维三维重建出来的cbct三维影像产生伪影等缺陷，影响其后续使用。
4.目前该领域的应用中，几何参数的获取一般在事前通过独立的校正流程获取，在透视成像时使用预存的几何参数。但这样的方法严重依赖于装置的重复稳定性，难以应用在机械结构重复稳定性不足的装置上。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供一种透视成像装置实时几何校正方法，该方法实现了拍摄过程中实时的透视装置几何校准，仅需要粗略的初始几何参数即可获得精确的透视图像同步的几何参数，可便捷应用在不同机械精度以及重复稳定性一般的成像装置中。
6.技术方案：本发明的透视成像装置实时几何校正方法，包括以下步骤：
7.(1)构造高精度植入金标的实时校准罩；
8.(2)固定实时校准罩至拍摄台面，拍摄含实时校准罩的透视图；
9.(3)提取透视图中金标位置，并与金标三维位置一一对应；
10.(4)计算获得实时透视装置几何参数。
11.步骤(1)中，所述实时校准罩外表面设有双螺旋线，双螺旋线中嵌入多个金标。
12.步骤(1)中，所述金标为球形金属标志物，实时校准罩采用透视射线高透过性材质。
13.步骤(2)中，固定实时校准罩至拍摄台面后，得到实时校准罩所在位置相对于拍摄台面参考坐标系的位移信息，从而计算获得金标在该坐标系下的三维坐标序列t＝{xt1，xt2，
…
，xt
n
}。
14.步骤(2)中，拍摄含实时校准罩的透视图时，记录预先测量的粗略的透视成像装置的投影矩阵m0，计算公式如下：
[0015][0016]
步骤(3)中，提取实时校准罩中的金标在透视图像中的二维坐标d＝{xd1，xd2，
…
,
xd
m
}，xd
i
∈r2。
[0017]
步骤(3)中，所述提取实时校准罩中的金标在透视图像中的二维坐标，包括以下步骤：
[0018]
(3.1)根据初始透视成像装置的投影矩阵m0和金标三维坐标序列t，计算获得各金标点在图像中的预期投影序列d0＝{xd
01
，xd
02
，
…
，xd
0m
},xd
0i
∈r2；
[0019]
(3.2)对每个预期坐标，通过阈值法获得过滤出金标像素的图像，在滤出金标像素的图像上搜索符合金标投影特征的点，并在该点周围对阈值高于金标投影下限的点以像素值为权重对像素点坐标进行加权求和，获得投影图上金标的中心准确二维坐标，得到二维坐标序列d。
[0020]
步骤(4)中，所述计算获得实时透视装置几何参数的具体过程为：将由投影矩阵计算获得的投影点与对应投影图像上金标点的距离之和最小化作为优化目标，迭代优化更新投影矩阵以及金标三维二维坐标映射关系，最终得到优化后的投影矩阵m。
[0021]
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：实现了拍摄过程中实时的透视装置几何校准，克服了透视装置在使用过程中由于装置不稳定性导致的实时误差，提升了透视图像的几何精度。
附图说明
[0022]
图1为本发明的流程示意图；
[0023]
图2为本发明中植入金标的实时校准罩；
[0024]
图3为本发明中实时校准罩置于拍摄台面时的状态图；
[0025]
图4为本发明中获得的含金标的二维透视图；
[0026]
图5为本发明中投影矩阵的优化流程图。
具体实施方式
[0027]
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。
[0028]
如图1所示，本发明的透视成像装置实时几何校正方法，包括以下步骤：
[0029]
(1)如图2和图3所示，构造高精度植入金标2的实时校准罩1，实时校准罩1的尺寸根据透视成像装置源、物、成像平板之间距离估计，以确保实时校准罩1放置在拍摄台面3时，有足够的金标2(超过12个)被囊括在x射线源5与成像平板4形成的射野中；本实施例中，实时校准罩1采用厚度为1cm的有机玻璃罩，有机玻璃罩外表面设有双螺旋线，双螺旋线中嵌入多个金标；具体地，金标2为球形金属标志物，金标2对透射投影射线阻挡能力较强，本实施例中金标2采用的不锈钢珠，实时校准罩1采用透视射线高透过性材质，对透射投影射线阻挡能力较弱；此外，还记录钢珠相对于实时校准罩1的三维坐标序列线阻挡能力较弱；此外，还记录钢珠相对于实时校准罩1的三维坐标序列
[0030]
(2)如图3所示，x射线源5和成像平板4共同组成了透视成像装置。固定实时校准罩1至拍摄台面3，确保实时校准罩1有足够的刚性不会发生形变，调整实时校准罩1的位置，确保透视成像可拍摄实时校准罩1上的足够多的金标2，一般为20个以上。固定实时校准罩1至拍摄台面3后，根据实时校准罩1所在位置相对于拍摄台面3参考坐标系的位移信息，从而计算获得金标2在该坐标系下的三维坐标序列t＝{xt1,xt2,
…
,xt
n
}，xt
i
∈r3；拍摄含实时校准
罩1的透视图；
[0031]
此外，拍摄含实时校准罩1的透视图时，记录预先测量的粗略的透视成像装置的几何参数，计算透视成像装置的投影矩阵m0，其作用是获得三维空间坐标投影到平板上的二维坐标，计算公式如下：
[0032][0033]
(3)如图4所示，提取透视图中金标2位置，并与金标2三维位置一一对应；具体为，提取金标2在透视图像中的二维坐标d＝{xd1，xd2，
…
，xd
m
}，xd
i
∈r2，包括以下步骤：
[0034]
(3.1)根据初始透视成像装置的投影矩阵m0和金标三维坐标序列t，计算获得各金标点在图像中的预期投影序列d0＝{xd
01
，xd
02
,
…
,xd
0m
},xd
0i
∈r2；
[0035]
(3.2)对每个预期坐标，通过阈值法获得过滤出金标像素的图像，通过模板匹配等方法获得各个金标图像区域，区域中像素值均超过阈值，区域形状为金标投影圆形，尺寸和金标投影理论尺寸一致；在滤出金标像素的图像上搜索符合金标投影特征的点，并在该点周围对阈值高于金标投影下限的点以像素值为权重对像素点坐标进行加权求和，获得投影图上金标的中心准确二维坐标，得到二维坐标序列d。
[0036]
(4)如图5所示，计算获得实时透视成像装置几何参数，即优化后的投影矩阵m，
[0037][0038]
具体过程为：通过优化算法，优化获得图像中金标位置与三维金标位置的映射关系以及透视投影装置的投影矩阵。此处优化算法可选用常用优化算法，优化输入为金标二维坐标关联三维坐标的序号序列i0＝{i
01
,i
02
,
…
,i
0m
},i
0i
∈{1,2,
…
,m}，优化输出为更新的几何参数m
j
和更新的三维二维映射关系i
k
，其中k指迭代求解投影矩阵的次数，优化目标为根据m得到的理论二维投影坐标与i
k
对应的二维坐标平均距离最小。