一種模型引導(dǎo)下的3d打印額面腫瘤治療導(dǎo)板智能化質(zhì)量檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種模型引導(dǎo)下的3D打印額面腫瘤治療導(dǎo)板智能化質(zhì)量檢測方法。本發(fā)明首先研究并提出一種有效對導(dǎo)板模型stl文件的導(dǎo)孔檢測方法其次設(shè)計合理的位置初始化方案實(shí)現(xiàn)使用單個CCD相機(jī)完成雙目視覺測量的方法，使導(dǎo)板模型在機(jī)械系統(tǒng)世界坐標(biāo)系下的位置與模型世界坐標(biāo)系的位置對齊，并設(shè)計基于檢測到的導(dǎo)孔位置設(shè)計合理的檢測路徑的方法；最后研究并提出一種通過單目CCD相機(jī)判斷導(dǎo)孔成型合格與否的導(dǎo)孔檢測方法。在上述研究的基礎(chǔ)上，基于五軸機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計精確合理的額面腫瘤導(dǎo)板導(dǎo)孔檢測系統(tǒng)。本發(fā)明能夠精確的提取出導(dǎo)孔的世界坐標(biāo)并能夠合理的檢測出導(dǎo)孔成型是否合格的同時保證一定的檢測速度。
【專利說明】
-種模型引導(dǎo)下的3D打印額面腫瘤治療導(dǎo)板智能化質(zhì)量檢測 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及智能化控制和圖像識別技術(shù)，具體設(shè)及一種模型引導(dǎo)下的額面腫瘤導(dǎo) 板智能化導(dǎo)孔質(zhì)量檢測方法研究與實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印是一種增材制造技術(shù)，能夠快速完成工業(yè)設(shè)計或是模具制造。一開始3D打 印僅是一部分創(chuàng)客的玩具或者用于工業(yè)上一些小零件的生產(chǎn)，但是隨著3D打印的技術(shù)不斷 完善，越來越多的行業(yè)開始使用運(yùn)一技術(shù)，在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工 (AEC)、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、±木工程、槍支W及其他領(lǐng) 域都有所應(yīng)用。而隨著運(yùn)項(xiàng)技術(shù)的興起，使一些具有突破意義的方法能夠獲得實(shí)現(xiàn)。由北京 工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的北京市科委重大課題"3D打印腫瘤醫(yī)療導(dǎo)板成型裝備及檢測設(shè)備工程樣機(jī) 研制"，在運(yùn)方面取得了突破。已于內(nèi)蒙古自治區(qū)腫瘤醫(yī)院微創(chuàng)介入中屯、實(shí)現(xiàn)一起臨床治 療。但是，目前打印出的醫(yī)療導(dǎo)板的導(dǎo)孔并不能保證能夠直接使用，檢測成品是否合格的機(jī) 制也不健全，每個導(dǎo)板的每個孔都需要人工檢查是否合格，為此，需要開發(fā)一種額面腫瘤導(dǎo) 板智能化導(dǎo)孔合格判別系統(tǒng)減少人工成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種模型引導(dǎo)下的的額面腫瘤導(dǎo)板智能化導(dǎo)孔質(zhì)量檢測及試穿系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可W實(shí)現(xiàn)對個性化非常高的腫瘤導(dǎo)板的導(dǎo)孔智能化的判別是否合格并進(jìn)行試穿。
[0004] 由于現(xiàn)有的自動檢測方案對個性化高的3D打印模板魯棒性很低，沒有一種方法對 3D打印產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測。本發(fā)明基于額面腫瘤導(dǎo)板和導(dǎo)孔的stl模型文件和圖像的研究， 提出一種適合于個性化導(dǎo)板的智能化導(dǎo)孔合格判別和試穿系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效地檢測各類 額面腫瘤導(dǎo)板。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：一種模型引導(dǎo)下的額面腫瘤導(dǎo)板智能化導(dǎo)孔質(zhì) 量檢測方法，其步驟包括：
[0006] A、模型位置初始化階段，首先對相機(jī)進(jìn)行單目標(biāo)定，得到相機(jī)焦距f，并求相機(jī)祀 標(biāo)平面的像素大小化。在給定的導(dǎo)板上用紅色標(biāo)記紙做上Ξ個標(biāo)記，因?yàn)榧t色標(biāo)記最為明 顯。將導(dǎo)板放置在平臺上，并用定位銷卡住。輸入導(dǎo)板stl文件下簡稱導(dǎo)板模型）和導(dǎo)孔 stl文件，用戶通過人機(jī)交互記錄導(dǎo)板的Ξ維模型在標(biāo)記位置的Ξ維坐標(biāo)。然后控制機(jī)械系 統(tǒng)上的已標(biāo)定過內(nèi)參數(shù)的相機(jī)平移拍攝左中右Ξ幅圖像，用來進(jìn)行雙目測量，提取Ξ幅圖 紅色標(biāo)記的頂點(diǎn)，計算紅色標(biāo)志點(diǎn)在機(jī)械系統(tǒng)的坐標(biāo)系下的Ξ維坐標(biāo)。通過導(dǎo)板Ξ維模型 的一組Ξ維坐標(biāo)和導(dǎo)板實(shí)際位置的一組Ξ維坐標(biāo)計算Ξ維坐標(biāo)的變換矩陣，由此可將Ξ維 模型按此矩陣進(jìn)行變換，達(dá)到Ξ維模型和導(dǎo)板實(shí)際位置的對齊。
[0007] B、導(dǎo)孔路徑計算階段，對經(jīng)過變換后的導(dǎo)板Ξ維文件和導(dǎo)孔Ξ維文件進(jìn)行提取導(dǎo) 孔法向量和中屯、點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)工作，并根據(jù)法向量和中屯、坐標(biāo)按照機(jī)械系統(tǒng)五個運(yùn)動軸的 運(yùn)動方向進(jìn)行運(yùn)動數(shù)值的計算，得到檢測及試穿的運(yùn)動路徑。
[0008] C、導(dǎo)孔檢測階段，按步驟B中的路徑移動，每移動到一個導(dǎo)孔位置時，停止移動，采 集一幅圖像，取W圖像中屯、為中屯、大小為300*300的圖像，提取圖像輪廓，求各個輪廓的長 度C和面積S，計算每個輪廓的C2/仙S，記為丫，將丫按從大到小排列，取丫最大的輪廓，并求 輪廓的長寬比k，若k大于等于0.8則認(rèn)為該輪廓為所需檢測的導(dǎo)孔輪廓，否則取丫第二大的 輪廓，求輪廓的長寬比k進(jìn)行判斷，若k小于0.8則依此類推，判斷下一個輪廓，找到待檢測輪 廓后，求輪廓中屯、到圖像中屯、的坐標(biāo)差(x，y)，單位為像素，控制平臺移動巧祀標(biāo)平面化，平 臺移動距離單位為毫米，同理，操作y，重復(fù)上述步驟，使輪廓中屯、與圖像中屯、坐標(biāo)差小于 0.1mm。如果輪廓的k與c2/43is都大于等于0.8且輪廓調(diào)整距離小于0.1mm時，則認(rèn)為該導(dǎo)孔 通過檢測，判別為合格，然后移動到下一個導(dǎo)孔重復(fù)步驟C的工作進(jìn)行質(zhì)量檢測直至所有導(dǎo) 孔都檢測完畢。
[0009] 所述步驟A具體包括：
[0010] A1、將相機(jī)移至拍攝畫面能夠完全容納導(dǎo)板放置平臺的高度，對準(zhǔn)焦距，然后對所 用CCD相機(jī)進(jìn)行單目標(biāo)定，采用張正友的棋盤格標(biāo)定法。得到相機(jī)焦距f，并測量此時相機(jī)所 拍攝畫面的實(shí)際寬度d，本專利采用相機(jī)分辨率為5120*3840,故可求得此時相機(jī)祀標(biāo)平面 像素寬為化= d/5120，步驟A1只用做一次；
[0011] A2、將相機(jī)平移到機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸中屯、，即使相機(jī)所拍攝圖像中屯、為圓形轉(zhuǎn)臺的圓 屯、，然后先將相機(jī)向機(jī)械系統(tǒng)X軸即左右平移軸負(fù)向移動50mm拍攝圖像，再向正向移動 100mm拍攝圖像，W此構(gòu)建一個左右視圖平行的雙目視覺系統(tǒng)，根據(jù)雙目視覺公式：
[0012]
[0013]式中x，y，z為點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)，Χι，Υι為點(diǎn)在左視圖下的圖像坐標(biāo)，Xr，Yr，為點(diǎn)在右視 圖下的圖像坐標(biāo)，fl，fr為左右兩個相機(jī)的焦距，
自成兩個相機(jī)的相對旋轉(zhuǎn) 矩陣r，（ tx，ty，tz)構(gòu)成兩個相機(jī)間的相對平移向量t。由于兩相機(jī)是由同一相機(jī)平移構(gòu)成的 系統(tǒng)，故f 1與fr為同一值f，r為單位矩陣
[0014]
[001引式中X，y，Z為點(diǎn)的二維坐柄；，Xl，Yl，Xr，Yr，為點(diǎn)在左右兩幅圖像的坐t不，f 1，fr為左 右兩個相機(jī)的焦距
構(gòu)成兩個相機(jī)的相對旋轉(zhuǎn)矩陣'，（心山心)構(gòu)成兩個相 機(jī)間的相對平移向量t。由于兩相機(jī)是由同一相機(jī)平移構(gòu)成的系統(tǒng)，故fi與片為同一值f，r為 單位矩P
，*為(-100，0，0)?？汕蟮脵C(jī)械系統(tǒng)中屯、在左相機(jī)坐標(biāo)系下的Ξ維坐 標(biāo)，X軸減50即能得到平移之前的相機(jī)坐標(biāo)系下的機(jī)械系統(tǒng)中屯、坐標(biāo)，即得到機(jī)械系統(tǒng)坐標(biāo) 系的原點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為(Xc，化，Zc)。t為(-100，0，0)?？汕蟮脵C(jī)械系統(tǒng)中屯、 在左相機(jī)坐標(biāo)系下的Ξ維坐標(biāo)，X軸減50即能得到平移之前的相機(jī)坐標(biāo)系下的機(jī)械系統(tǒng)中 屯、坐標(biāo)，即得到機(jī)械系統(tǒng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為(Xc，化，Zc)。
[0016] A3、將導(dǎo)板用紅色標(biāo)記紙做上Ξ個標(biāo)記，按從上至下從左至右的順序記為1、2、3。 將導(dǎo)板放置在平臺上，并用定位銷卡住。輸入導(dǎo)板stl文件下簡稱導(dǎo)板模型）和導(dǎo)孔stl 文件，用戶通過人機(jī)交互按順序記錄導(dǎo)板的Ξ維模型在導(dǎo)板紅色標(biāo)記位置的Ξ維坐標(biāo)(XI， yl，zl)、（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)。
[0017] A4、通過控制機(jī)械系統(tǒng)上的已標(biāo)定過內(nèi)參數(shù)的相機(jī)平移拍攝左中右Ξ幅圖像，用 來進(jìn)行雙目測量，提取Ξ幅圖紅色標(biāo)記的頂點(diǎn)，由于導(dǎo)板太大，平移相機(jī)后拍不下，故拍左 中右Ξ幅圖，左中、中右為一組，相機(jī)間隔為100mm。對Ξ幅圖像分別做二值化處理，像素值 紅色分量是綠色分量和藍(lán)色分量的兩倍的像素點(diǎn)為1，其余為0。對二值化后的圖像做輪廓 提取，得到紅色標(biāo)記的輪廓，1號標(biāo)記提取X值最大、y值最小的點(diǎn)，2號標(biāo)記提取X值最小、y值 最大的點(diǎn)，3號標(biāo)記提取X值和y值均最大的點(diǎn)。由此，按步驟A2中的雙目視覺公式，W左中、 中右各位一組，計算紅色標(biāo)志點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(XI，Y1，Z1)、（X2，Y2，Z2)、（X3，Υ3， Ζ3)，令X不變，Υ = Ζ，Ζ = -Υ求得在機(jī)械系統(tǒng)的坐標(biāo)系下的Ξ維坐標(biāo)。
[001 引 Α5、通過 A3 步驟的（xl，yl，zl)、（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)和步驟A4的(Xl，Yl，Zl)、 (乂2，￥2,22)、口3，￥3,23)求出兩者之間的變換矩陣。首先根據(jù)3點(diǎn)確定一個平面，求(又1， yl，zl)、（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)所構(gòu)成平面的法向量Nl，同理求步驟A4的（Xl，Yl，Zl)、 (X2，Y2，Z2)、（X3，Y3，Z3)構(gòu)成平面的法向量N2，通過向量叉乘公式構(gòu)建N1旋轉(zhuǎn)到N2的旋轉(zhuǎn) 矩陣 R1。用 ^1，￥1，21)、口2，￥2,22)、（乂3，￥3,23)分別乘^則，得到（乂4，￥4,24)、口5，￥5， Z5)、（X6，Y6，Z6)。通過（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)兩點(diǎn)構(gòu)建向量vl，（X5，Y5，巧）、（X6，Y6，Z6) 兩點(diǎn)構(gòu)建向量v2，求vl和v2的夾角，并構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矩陣R2，用（X4，Υ4，Z4)、（X5，Υ5，巧）、（X6， Y6，Z6)分別乘WR2，得到（X7，Y7，Z7)、（X8，Y8，Z8)、（X9，Y9，Z9)。用向量（xl，yl，zl)減去 (Χ7，Υ7，Ζ7)得到向量Τ，最后構(gòu)建變換矩陣P=[R1XR2T]，把Ξ維模型乘W矩陣P，使模型與 導(dǎo)板實(shí)際位置對齊。
[0019] 所述步驟B具體包括：
[0020] B1、對A3步驟中輸入的導(dǎo)孔stl文件，選定導(dǎo)板的正方向（導(dǎo)板貼合病人一面為背 面)曰，由向量a過濾與導(dǎo)板反方向的=角面，對剩下的=角面進(jìn)行最大邊過濾，將最大邊長 大于5的Ξ角面過濾，最后計算Ξ角面內(nèi)屯、間距，間距小于3的Ξ角面聚為一類，每類Ξ角形 頂點(diǎn)坐標(biāo)的均值即為一個導(dǎo)孔中屯、坐標(biāo)，每類Ξ角形法向量的均值即為一個導(dǎo)孔的法向 量。
[0021] B2、對B1步驟中獲得的導(dǎo)孔法向量進(jìn)行角度分解，將分解出由該法向量繞X軸旋轉(zhuǎn) 角α和Z軸旋轉(zhuǎn)角β旋轉(zhuǎn)到向量(0，1，0)的兩個角度，根據(jù)運(yùn)兩個角度對導(dǎo)孔法向量進(jìn)行分 類，當(dāng)兩個法向量的α和β相差小于0.5時分為一類，然后在同類中進(jìn)行再進(jìn)行角度差和位移 差的計算，所有的導(dǎo)孔進(jìn)行完角度差和位移差的計算后，得到檢測所有的導(dǎo)孔的移動路徑。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下明顯的優(yōu)勢和有益效果：
[0023] (1)本發(fā)明對個性化的不規(guī)則導(dǎo)板有較高的魯棒性，不會應(yīng)模型外觀的不規(guī)則性 影響性能。
[0024] (2)能自動檢測導(dǎo)孔并對其進(jìn)行試穿，在判別導(dǎo)孔是否合格和試穿過程中人工干 設(shè)少，精確度高。
【附圖說明】：
[0025] 圖1是技術(shù)方案的整體流程圖。
[0026] 圖2是系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)板實(shí)物圖
[0027] 圖3是導(dǎo)孔模型圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0028] 本發(fā)明技術(shù)方案的整體流程如說明書附圖1所示，分為模型位置初始化、導(dǎo)孔路徑 計算階段和導(dǎo)孔檢測階段。該技術(shù)方案在定制機(jī)器上(樣例如附圖2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)導(dǎo)板如 附圖3。我們的系統(tǒng)能夠成功對導(dǎo)孔進(jìn)行合格判別和試穿。
[0029] Α、模型位置初始化階段，首先對相機(jī)進(jìn)行單目標(biāo)定得到相機(jī)焦距f，并求相機(jī)祀標(biāo) 平面的像素大小化。在給定的導(dǎo)板上用紅色標(biāo)記紙做上Ξ個標(biāo)記。將導(dǎo)板放置在平臺上，并 用定位銷卡住。輸入導(dǎo)板stl文件下簡稱導(dǎo)板模型）和導(dǎo)孔stl文件，用戶通過人機(jī)交互 記錄導(dǎo)板的Ξ維模型在標(biāo)記位置的Ξ維坐標(biāo)。然后控制機(jī)械系統(tǒng)上的已標(biāo)定過內(nèi)參數(shù)的相 機(jī)平移拍攝左中右Ξ幅圖像，用來進(jìn)行雙目測量，提取Ξ幅圖紅色標(biāo)記的頂點(diǎn)，計算紅色標(biāo) 志點(diǎn)在機(jī)械系統(tǒng)的坐標(biāo)系下的Ξ維坐標(biāo)。通過導(dǎo)板Ξ維模型的一組Ξ維坐標(biāo)和導(dǎo)板實(shí)際位 置的一組Ξ維坐標(biāo)計算Ξ維坐標(biāo)的變換矩陣，由此可將Ξ維模型按此矩陣進(jìn)行變換，達(dá)到 Ξ維模型和導(dǎo)板實(shí)際位置的對齊。
[0030] B、導(dǎo)孔路徑計算階段，對經(jīng)過變換后的導(dǎo)板Ξ維文件和導(dǎo)孔Ξ維文件進(jìn)行提取導(dǎo) 孔法向量和中屯、點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)工作，并根據(jù)法向量和中屯、坐標(biāo)按照機(jī)械系統(tǒng)五個運(yùn)動軸的 運(yùn)動方向進(jìn)行運(yùn)動數(shù)值的計算，得到檢測及試穿的運(yùn)動路徑。
[0031 ] C、導(dǎo)孔檢測階段，按步驟Β中的路徑移動，每移動到一個導(dǎo)孔位置時，停止移動，采 集一幅圖像，取W圖像中屯、為中屯、大小為300*300的圖像，提取圖像輪廓，求各個輪廓的長 度C和面積S，并求輪廓的長寬比k，取k最接近1和c2/43is最大的輪廓，求輪廓中屯、到圖像中 屯、的坐標(biāo)差(x，y)，單位為像素，控制平臺移動X*祀標(biāo)平面化，平臺移動距離單位為毫米，同 理，操作y，重復(fù)上述步驟，使輪廓中屯、與圖像中屯、坐標(biāo)差小于0.1mm，再次檢測輪廓的k與 c2/43is，若k與c2/43is均大于0.8且輪廓調(diào)整距離少于0.1mm時，則認(rèn)為該孔通過檢測，判別 為合格。
[0032] 所述步驟A具體包括：
[0033] A1、將相機(jī)移至拍攝畫面能夠完全容納導(dǎo)板放置平臺的高度，對準(zhǔn)焦距，然后對所 用CCD相機(jī)進(jìn)行單目標(biāo)定，采用張正友的棋盤格標(biāo)定法。得到相機(jī)焦距f，并測量此時相機(jī)所 拍攝畫面的實(shí)際寬度d，本專利采用相機(jī)分辨率為5120*3840,故可求得此時相機(jī)祀標(biāo)平面 像素寬為化= d/5120，步驟A1只用做一次；
[0034] A2、將相機(jī)平移到機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸中屯、，即使相機(jī)所拍攝圖像中屯、為圓形轉(zhuǎn)臺的圓 屯、，然后先將相機(jī)向機(jī)械系統(tǒng)X軸即左右平移軸負(fù)向移動50mm拍攝圖像，再向正向移動 100mm拍攝圖像，W此構(gòu)建一個左右視圖平行的雙目視覺系統(tǒng)，根據(jù)雙目視覺公式：
[0035]
[0036] 式中X，y，Z為點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)，Xi，Yi為點(diǎn)在左視圖下的圖像坐標(biāo)，Xr，Yr，為點(diǎn)在右視 圖下的圖像坐標(biāo)，f讓r為左右兩個相機(jī)的焦距
構(gòu)成兩個相機(jī)的相對旋轉(zhuǎn)矩 陣r，（tx，ty，tz)構(gòu)成兩個相機(jī)間的相對平移向量t。由于兩相機(jī)是由同一相機(jī)平移構(gòu)成的系 統(tǒng)，故fi與fr為同一值f，r為單位矩悶
t為(-100,0,0)?？汕蟮脵C(jī)械系統(tǒng)中屯、在 左相機(jī)坐標(biāo)系下的Ξ維坐標(biāo)，X軸減50即能得到平移之前的相機(jī)坐標(biāo)系下的機(jī)械系統(tǒng)中屯、 坐標(biāo)，即得到機(jī)械系統(tǒng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為(Xc，化，Zc)。
[0037] A3、將導(dǎo)板用紅色標(biāo)記紙做上Ξ個標(biāo)記，按從上至下從左至右的順序記為1、2、3。 將導(dǎo)板放置在平臺上，并用定位銷卡住。輸入導(dǎo)板stl文件下簡稱導(dǎo)板模型）和導(dǎo)孔stl 文件，用戶通過人機(jī)交互按順序記錄導(dǎo)板的Ξ維模型在導(dǎo)板紅色標(biāo)記位置的Ξ維坐標(biāo)(xl， yl，zl)、（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)。
[0038] A4、通過控制機(jī)械系統(tǒng)上的已標(biāo)定過內(nèi)參數(shù)的相機(jī)平移拍攝左中右Ξ幅圖像，用 來進(jìn)行雙目測量，提取Ξ幅圖紅色標(biāo)記的頂點(diǎn)，由于導(dǎo)板太大，平移相機(jī)后拍不下，故拍左 中右Ξ幅圖，左中、中右為一組，相機(jī)間隔為100mm。對Ξ幅圖像做二值化處理，像素值紅色 分量是綠色分量和藍(lán)色分量的兩倍的像素點(diǎn)為1，其余為0。對二值化后的圖像做輪廓提取， 得到紅色標(biāo)記的輪廓，1號標(biāo)記提取X值最大、y值最小的點(diǎn)，2號標(biāo)記提取X值最小、y值最大 的點(diǎn)，3號標(biāo)記提取X值和y值均最大的點(diǎn)。由此，按步驟A2中的雙目視覺公式，已左中、中右 各位一組，計算紅色標(biāo)志點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Χ1，Υ1，Ζ1)、（Χ2，Υ2，Ζ2)、（Χ3，Υ3，Ζ3)， 令X不變，Υ = Ζ，Ζ = -Υ求得在機(jī)械系統(tǒng)的坐標(biāo)系下的Ξ維坐標(biāo)。
[0039] Α5、通過 A3 步驟的（xl，yl，zl)、（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)和步驟A4的(Xl，Yl，Zl)、 (乂2，￥2,22)、村3，￥3,23)求出兩者之間的變換矩陣。首先根據(jù)3點(diǎn)確定一個平面，求(別，71， zl)、（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)所構(gòu)成平面的法向量Nl，同理求步驟A4的（Xl，Yl，Zl)、（X2， Y2，Z2)、（X3，Y3，Z3)構(gòu)成平面的法向量N2，通過向量的叉乘公式構(gòu)建N1旋轉(zhuǎn)到N2的旋轉(zhuǎn)矩 陣 R1。用（乂1，￥1，21)、口2，￥2,22)、（乂3，￥3,23)分別乘^1?1，得到（乂4，￥4,24)、口5，￥5，巧）、 (X6，Y6，Z6)。通過（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3)兩點(diǎn)構(gòu)建向量vl，（X5，Y5，巧）、（X6，Y6，Z6)兩點(diǎn) 構(gòu)建向量v2,求vl和v2的夾角，并構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矩陣R2,用(X4，Y4，Z4)、（X5，Y5J5)、（X6，Y6，Z6) 分別乘 WR2,得到（X7，Y7，Z7)、（X8，Y8，Z8)、（X9，Y9，Z9)。用向量（xl，yl，zl)減去（X7，Y7， Z7)得到向量T，最后構(gòu)建變換矩陣F心轉(zhuǎn)||><矜1^11，把^維模型乘^矩陣口，使模型與導(dǎo) 板實(shí)際位置對齊。
[0040] 所述步驟B具體包括：
[0041] B1、對A3步驟中輸入的導(dǎo)孔stl文件，選定導(dǎo)板的正方向（導(dǎo)板貼合病人一面為背 面)曰，由向量a過濾與導(dǎo)板反方向的=角面，對剩下的=角面進(jìn)行最大邊過濾，將最大邊長 大于5的Ξ角面過濾，最后計算Ξ角面內(nèi)屯、間距，間距小于3的Ξ角面聚為一類，每類Ξ角形 頂點(diǎn)坐標(biāo)的均值即為一個導(dǎo)孔中屯、坐標(biāo)，每類Ξ角形法向量的均值即為一個導(dǎo)孔的法向 量。
[0042] B2、對B1步驟中獲得的導(dǎo)孔法向量進(jìn)行角度分解，將分解出由該法向量繞X軸旋轉(zhuǎn) 角α和Z軸旋轉(zhuǎn)角β旋轉(zhuǎn)到向量(0，1，0)的兩個角度，根據(jù)運(yùn)兩個角度對導(dǎo)孔法向量進(jìn)行分 類，當(dāng)兩個法向量的α和β相差小于0.5時分為一類，然后在同類中進(jìn)行再進(jìn)行角度差和位移 差的計算，所有的導(dǎo)孔進(jìn)行完角度差和位移差的計算后，得到檢測所有的導(dǎo)孔的移動路徑。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種模型引導(dǎo)下的3D打印額面腫瘤治療導(dǎo)板智能化質(zhì)量檢測方法，其特征在于，包 括以下步驟： A、 模型位置初始化階段，首先對相機(jī)進(jìn)行單目標(biāo)定，得到相機(jī)焦距f，并求相機(jī)靶標(biāo)平 面的像素大小dp;在給定的導(dǎo)板上用標(biāo)記紙做上三個標(biāo)記;將導(dǎo)板放置在平臺上，并用定位 銷卡住;輸入導(dǎo)板stl文件和導(dǎo)孔stl文件，記錄導(dǎo)板的三維模型在標(biāo)記位置的三維坐標(biāo);然 后控制數(shù)控平臺上的已標(biāo)定過內(nèi)參數(shù)的相機(jī)平移拍攝左中右三幅圖像，用來進(jìn)行雙目測 量，提取三幅圖標(biāo)記的頂點(diǎn)，計算標(biāo)志點(diǎn)在機(jī)械系統(tǒng)的坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo);通過導(dǎo)板三維 模型的一組三維坐標(biāo)和導(dǎo)板實(shí)際位置的一組三維坐標(biāo)計算三維坐標(biāo)的變換矩陣，將三維模 型按此矩陣進(jìn)行變換，達(dá)到三維模型和導(dǎo)板實(shí)際位置的對齊； B、 導(dǎo)孔路徑計算階段，對經(jīng)過變換后的導(dǎo)板三維文件和導(dǎo)孔三維文件進(jìn)行提取導(dǎo)孔法 向量和中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)工作，并根據(jù)法向量和中心坐標(biāo)按照機(jī)械系統(tǒng)五個運(yùn)動軸的運(yùn)動 方向進(jìn)行運(yùn)動數(shù)值的計算，得到檢測的運(yùn)動路徑； C、 導(dǎo)孔檢測階段，按步驟B中的路徑移動，每移動到一個導(dǎo)孔位置時，停止移動，采集一 幅圖像，取以圖像中心為中心大小為300*300的圖像，提取圖像輪廓，求各個輪廓的長度c和 面積s，計算每個輪廓的c 2/4jts，記為γ，將γ按從大到小排列，取γ最大的輪廓，并求輪廓 的長寬比k，若k大于等于0.8則認(rèn)為該輪廓為所需檢測的導(dǎo)孔輪廓，否則取γ第二大的輪 廓，求輪廓的長寬比k進(jìn)行判斷，若k小于0.8則依此類推，判斷下一個輪廓，找到待檢測輪廓 后，求輪廓中心到圖像中心的坐標(biāo)差(x，y)，單位為像素，控制平臺移動X*靶標(biāo)平面dp，并且 控制平臺移動y*靶標(biāo)平面dp，平臺移動距離單位為毫米;如果輪廓的k與 c2/43is都大于等于 0.8且輪廓調(diào)整距離小于0.1mm時，則認(rèn)為該導(dǎo)孔通過檢測，判別為合格，然后移動到下一個 導(dǎo)孔重復(fù)步驟C的工作進(jìn)行質(zhì)量檢測直至所有導(dǎo)孔都檢測完畢。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模型引導(dǎo)下的3D打印額面腫瘤治療導(dǎo)板智能化質(zhì)量檢測 方法，其特征在于，所述步驟A具體包括： A1、將相機(jī)移至拍攝畫面能夠完全容納導(dǎo)板放置平臺的高度，對準(zhǔn)焦距，然后對所用 CCD相機(jī)進(jìn)行單目標(biāo)定，采用張正友的棋盤格標(biāo)定法;得到相機(jī)焦距f，并測量此時相機(jī)所拍 攝畫面的實(shí)際寬度d，相機(jī)分辨率為m*n，m為相機(jī)采集圖像寬度，η為相機(jī)采集圖像高度，求 得此時相機(jī)靶標(biāo)平面像素寬為dp = d/m; A2、將相機(jī)平移到機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸中心，即相機(jī)所拍攝圖像中心為圓形轉(zhuǎn)臺的圓心，然后 先將相機(jī)向數(shù)控平臺X軸即左右平移軸負(fù)向移動50mm拍攝圖像，再向正向移動100mm拍攝圖 像，以此構(gòu)建一個左右視圖平行的雙目視覺系統(tǒng)，根據(jù)雙目視覺公式：式中X，y，Z為點(diǎn)的三維坐標(biāo)，Xl，Yl為點(diǎn)在左視圖下的圖像坐標(biāo)，Xr，Yr，為點(diǎn)在右視圖下 的圖像坐標(biāo)，為左右兩個相機(jī)的焦距：構(gòu)成兩個相機(jī)的相對旋轉(zhuǎn)矩陣 ^(^，。，1)構(gòu)成兩個相機(jī)間的相對平移向量141與匕為同一值€^為單位矩陣,t為(-100，0，0);求得機(jī)械系統(tǒng)中心在左相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，X軸減50即 能得到平移之前的相機(jī)坐標(biāo)系下的機(jī)械系統(tǒng)中心坐標(biāo)，即得到機(jī)械系統(tǒng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在相 機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為(Xc，Yc，Zc); A3、將導(dǎo)板用標(biāo)記紙做上三個標(biāo)記，按從上至下從左至右的順序記為1、2、3;將導(dǎo)板放 置在平臺上，并用定位銷卡住;輸入導(dǎo)板stl文件，以下簡稱導(dǎo)板模型，和導(dǎo)孔stl文件，記錄 三維模型在導(dǎo)板標(biāo)記位置的三維坐標(biāo)(xl，yl，zl)、（x2，y2，z2)、（x3，y3，z3); A4、通過控制機(jī)械系統(tǒng)上的已標(biāo)定過內(nèi)參數(shù)的相機(jī)平移拍攝左中右三幅圖像，用來進(jìn) 行雙目測量，提取三幅圖標(biāo)記的頂點(diǎn)，左中、中右為一組，相機(jī)間隔為100mm;對三幅圖像做 分別二值化處理;對二值化后的圖像做輪廓提取，得到標(biāo)記的輪廓，1號標(biāo)記提取X值最大、y 值最小的點(diǎn)，2號標(biāo)記提取X值最小、y值最大的點(diǎn)，3號標(biāo)記提取X值和y值均最大的點(diǎn)；由此， 按步驟A2中的雙目視覺公式，以左中、中右各位一組，計算標(biāo)志點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo) (父1，￥1，21)、〇2，￥2,22)、（乂3八3,23)，令乂不變，￥ = 2,2 = -￥求得在數(shù)控平臺的坐標(biāo)系下的 三維坐標(biāo)； A5、通過 A3 步驟的（叉1，71，21)、（叉2,72,22)、（叉3,73,23)和步驟厶4的(父1，丫1，21)、（父2， Y2，Z2)、(X3，Y3，Z3)求出兩者之間的變換矩陣，將三維模型按此矩陣變換，使模型與導(dǎo)板實(shí) 際位置對齊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模型引導(dǎo)下的3D打印額面腫瘤治療導(dǎo)板智能化質(zhì)量檢測 方法，其特征在于，所述步驟Β具體包括： Β1、對A3步驟中輸入的導(dǎo)孔stl文件，選定導(dǎo)板的正方向a，導(dǎo)板貼合病人一面為背面， 由向量a過濾與導(dǎo)板反方向的三角面，對剩下的三角面進(jìn)行最大邊過濾，將最大邊長大于5 的三角面過濾，最后計算三角面內(nèi)心間距，間距小于3的三角面聚為一類，每類三角形頂點(diǎn) 坐標(biāo)的均值即為一個導(dǎo)孔中心坐標(biāo)，每類三角形法向量的均值即為一個導(dǎo)孔的法向量； B2、對B1步驟中獲得的導(dǎo)孔法向量進(jìn)行角度分解，將分解出由該法向量繞X軸旋轉(zhuǎn)角α 和ζ軸旋轉(zhuǎn)角β旋轉(zhuǎn)到向量(0，1，0)的兩個角度，根據(jù)這兩個角度對導(dǎo)孔法向量進(jìn)行分類，當(dāng) 兩個法向量的α和β相差小于0.5時分為一類，然后在同類中進(jìn)行再進(jìn)行角度差和位移差的 計算;所有的導(dǎo)孔進(jìn)行完角度差和位移差的計算后，得到檢測所有的導(dǎo)孔的移動路徑。
【文檔編號】G06T7/00GK105825501SQ201610136314
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】毋立芳, 高源 , 張磊, 邱健康, 毛羽忻, 趙立東, 郭小華
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)