高清三维腹腔镜的光机系统设计及标定方法研究

【摘要】传统的二维腹腔镜发展至今在视频格式上已经能够做到高清输出,在图像清晰度上已经基本满足手术的需要。但是由于二维腹腔镜无法提供三维世界中的深度信息,使得医生在进行手术之前需要反复的练习,来适应缺乏深度信息的二维视频画面。为了解决这一问题,国外大部分的医疗器械生产厂家都开发和发布了三维腹腔镜产品。而目前国内还没有一款独立开发的三维腹腔镜产品。本文旨在研究基于双目立体视觉的高清三维腹腔镜的开发及其相关技术。研究内容包括高清三维腹腔镜光机系统设计、高清三维腹腔镜的摄像机标定、基于高清三维腹腔镜的深度信息测量等。主要工作包括以下方面：(1)分析市场上的三维腹腔镜产品的光机系统设计,对基于单目立体视觉的三维腹腔镜和基于双目立体视觉的腹腔镜进行理论分析和优缺点比较,最后提出了一套基于双目立体视觉的高清三维腹腔镜的光机系统设计方案。(2)研究分析基于3D标定靶的标定方法和基于平面模板的标定方法的原理,提出了针对高清三维腹腔镜系统的摄像机模型的修正,并编写了基于OpenCV的3D摄像机标定程序。(3)提出了一种全新的基于空间几何的深度测量方法,通过高清三维腹腔镜的深度测量实验,在10mm～150mm整个腹腔镜的工作范围内,深度测量的平均误差保持在1.13mm左右,解决了传统三角测量法及曲线拟合法在深度测量时误差偏大的问题。本课题研究设计的高清三维腹腔镜具有优秀的光学性能和紧凑的机械结构,可以实时输出1080P的双路高清视频。针对三维腹腔镜的摄像机标定方法通过与Bouguet算法的标定结果比较,验证了该算法的正确性与有效性。首次提出了基于空间几何学的深度测量方案,实验结果理想,相比于三角测量法具有更高的精度和更广的适用范围。
【作者】唐佳；
【导师】王立强；袁波；
【作者基本信息】浙江大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】高清三维腹腔镜；摄像机模型；双目摄像机标定；深度信息测量；

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