CN116158771A - X射线成像中的三维相机校准方法、装置及存储介质 - Google Patents

X射线成像中的三维相机校准方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施方式公开了一种X射线成像中的三维相机校准方法、装置及存储介质。方法包括：获取三维相机拍摄的、校准板的三维图像，其中所述校准板包含定位标志，所述校准板与X射线球管具有预定的距离；基于所述三维图像，确定所述定位标志在三维相机坐标系中的第一三维坐标；基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标；基于所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，确定适配于对所述三维相机进行校准的转换矩阵。本发明实施方式可以克服坐标系差异所导致的***误差。

Description

X射线成像中的三维相机校准方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域，特别是X射线成像中的三维相机校准方法、装置及存储介质。
背景技术
X射线成像***通常包括X射线发生组件、胸片架(Bucky-Wall-Stand，BWS)组件、检查床(table)组件、包含平板探测器的片盒组件和位于远程的控制主机，等等。X射线发生组件利用高压发生器提供的高压发出透过照射成像目标的X射线，并在平板探测器上形成成像目标的医学图像信息。平板探测器将医学图像信息发送到控制主机。成像目标可以站立在胸片架组件附近或躺在检查床组件上，从而分别接受头颅、胸部、腹部以及关节等各部位的X射线摄影。
三维(3D)相机广泛用于X射线成像***中，以实现与测量相关的各种功能(比如，虚拟准直)。三维相机拍摄的三维照片的定位信息通常是参照三维相机坐标系的，而X射线成像应用中的诸多参数是参照X射线球管坐标系的，如果将基于三维照片确定的定位信息直接应用于X射线成像应用，可能会导致***误差。
发明内容
本发明实施方式提出一种X射线成像中的三维相机校准方法、装置及存储介质。
一种X射线成像中的三维相机校准方法，包括：
获取三维相机拍摄的、校准板的三维图像，其中所述校准板包含定位标志，所述校准板与X射线球管具有预定的距离；
基于所述三维图像，确定所述定位标志在三维相机坐标系中的第一三维坐标；
基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标；
基于所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，确定适配于对所述三维相机进行校准的转换矩阵。
可见，在本发明实施方式中，基于校准板中的定位标志在X射线球管坐标系中的三维坐标与该定位标志在三维相机坐标系中的三维坐标之间的转换关系，确定出转换矩阵，从而实现针对三维相机的校准，消除坐标系差异所导致的***误差。
在一个实施方式中，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
该方法还包括：
在所述XY平面内移动所述校准板，直到所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心重合。
因此，当校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合时，通过移动校准板使得校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合，因此校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标可得到简化，并由此简化了转换矩阵的计算过程。
在一个实施方式中，所述基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标包括：
确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(0，0，h)，其中h为所述距离；
确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；
确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；
确定所述第二三维坐标(x，y，h)。
可见，校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标得到了简化，实现了快速计算第二三维坐标。
在一个实施方式中，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
所述基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标包括：
确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)；其中h为所述距离；Δx为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在X轴上的分量；Δy为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在Y轴上的分量；确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；确定所述定位标志的第二三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
因此，还可以省略使校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合的校准板移动过程，简化了操作步骤。
在一个实施方式中，还包括：
确定照射野设定范围以及对应于所述照射野设定范围的、所述校准板上的照射野实际范围；确定照射野宽度校准参数γw和照射野高度校准参数γh；其中
Figure BDA0003374535250000031
Figure BDA0003374535250000032
H1为所述距离；SID为预先设定的源像距；ws为照射野设定范围中的宽度；hs为照射野设定范围中的高度；wc为照射野实际范围中的宽度；hc为照射野实际范围中的高度。
可见，还可以对照射野的宽度和高度进行校准，消除照射野差距导致的***误差。
在一个实施方式中，所述确定照射野设定范围以及对应于所述照射野设定范围的、所述校准板上的照射野实际范围包括：
基于用户输入确定所述照射野实际范围；调节出对应于所述照射野实际范围的、照射野设定范围；或
基于用户输入确定所述照射野设定范围；测量对应于所述照射野设定范围的照射野实际范围。
因此，可以通过多种方式确定照射野设定范围和照射野实际范围，适用于多种实施环境。
在一个实施方式中，还包括：
调整m次所述距离，并确定每次距离调整后的、所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，m为至少为1的正整数；
所述基于所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，确定适配于对所述三维相机进行校准的转换矩阵包括：
确定平移向量T和旋转矩阵R，其中：
Figure BDA0003374535250000041
Figure BDA0003374535250000042
其中
Figure BDA0003374535250000043
N是定位标志的数目；i是距离调整的序号；det是求行列式函数；U和V是/>
Figure BDA0003374535250000044
的奇异值分解；qi是第i次距离调整中确定的第二三维坐标；Pi是第i次距离调整中确定的第一三维坐标；i的取值范围为[0，m]；
基于所述平移向量T和旋转矩阵R，确定所述转换矩阵。
因此，利用多次距离调整确定转换矩阵，提高了准确度。
一种X射线成像中的三维相机校准装置，包括：
获取模块，用于获取三维相机拍摄的、校准板的三维图像，其中所述校准板包含定位标志，所述校准板与X射线球管具有预定的距离；
第一确定模块，用于基于所述三维图像，确定所述定位标志在三维相机坐标系中的第一三维坐标；
第二确定模块，用于基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标；
第三确定模块，用于基于所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，确定适配于对所述三维相机进行校准的转换矩阵。
可见，在本发明实施方式中，基于校准板中的定位标志在X射线球管坐标系中的三维坐标与该定位标志在三维相机坐标系中的三维坐标之间的转换关系，确定出转换矩阵，从而实现针对三维相机的校准，消除坐标系差异所导致的***误差。
在一个实施方式中，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
所述获取模块，还用于在所述XY平面内移动所述校准板，直到所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心重合。
因此，当校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合时，通过移动校准板使得校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合，因此校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标可得到简化，并由此简化了转换矩阵的计算过程。
在一个实施方式中，所述第二确定模块，用于确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(0，0，h)；其中h为所述距离；确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；确定所述第二三维坐标(x，y，h)。
可见，校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标得到了简化，实现了快速计算第二三维坐标。
在一个实施方式中，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
所述第二确定模块，用于确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)；其中h为所述距离；Δx为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在X轴上的分量；Δy为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在Y轴上的分量；确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；确定所述定位标志的第二三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
因此，还可以省略使校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合的校准板移动过程，简化了操作步骤。
在一个实施方式中，还包括：
第四确定模块，用于确定照射野设定范围以及对应于所述照射野设定范围的、所述校准板上的照射野实际范围；确定照射野宽度校准参数γw和照射野高度校准参数γh；其中
Figure BDA0003374535250000061
H1为所述距离；SID为预先设定的源像距；ws为照射野设定范围中的宽度；hs为照射野设定范围中的高度；wc为照射野实际范围中的宽度；hc为照射野实际范围中的高度。
可见，还可以对照射野的宽度和高度进行校准，消除照射野差距导致的***误差。
在一个实施方式中，所述第四确定模块，用于基于用户输入确定照射野实际范围；调节出对应于所述照射野实际范围的、照射野设定范围；或，基于用户输入确定照射野设定范围；测量校准板上的、对应于所述照射野设定范围的照射野实际范围。
因此，可以通过多种方式确定照射野设定范围和照射野实际范围，适用于多种实施环境。
在一个实施方式中，所述第三确定模块，还用于调整m次所述距离，并确定每次距离调整后的、所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，m为至少为1的正整数；确定平移向量T和旋转矩阵R，其中：
Figure BDA0003374535250000062
Figure BDA0003374535250000063
其中/>
Figure BDA0003374535250000064
N是定位标志的数目；i是距离调整的序号；det是求行列式函数；U和V是/>
Figure BDA0003374535250000065
的奇异值分解；qi是第i次距离调整中确定的第二三维坐标；Pi是第i次距离调整中确定的第一三维坐标；i的取值范围为[0，m]。
因此，利用多次距离调整确定转换矩阵，提高了准确度。
一种X射线成像中的三维相机校准装置，包括处理器和存储器；
所述存储器中存储有可被所述处理器执行的应用程序，用于使得所述处理器执行如上任一种所述的X射线成像中的三维相机校准方法。
可见，本发明实施方式提出具有处理器-存储器架构的三维相机校准装置，基于校准板中的定位标志在X射线球管坐标系中的三维坐标与该定位标志在三维相机坐标系中的三维坐标之间的转换关系，确定出转换矩阵，从而实现针对三维相机的校准，消除坐标系差异所导致的***误差。
一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机可读指令，该计算机可读指令用于执行如上任一种所述的X射线成像中的三维相机校准方法。
因此，本发明实施方式提出包含计算机可读指令的计算机可读存储介质，基于校准板中的定位标志在X射线球管坐标系中的三维坐标与该定位标志在三维相机坐标系中的三维坐标之间的转换关系，确定出转换矩阵，从而实现针对三维相机的校准，消除坐标系差异所导致的***误差。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1是根据本发明实施方式X射线成像中的三维相机校准方法的流程图。
图2是根据本发明实施方式的X射线成像中的三维相机校准示意图。
图3是根据本发明实施方式确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标的第一示意图。
图4是根据本发明实施方式确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标的第二示意图。
图5是根据本发明实施方式X射线成像中的三维相机校准装置的结构图。
图6是根据本发明实施方式的具有处理器-存储器架构的、X射线成像中的三维相机校准装置的结构图。
其中，附图标记如下：
Figure BDA0003374535250000071
/>
Figure BDA0003374535250000081
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
申请人发现：三维相机拍摄的三维照片中的定位信息通常是参照三维相机坐标系的，而X射线成像应用中的很多参数是参照X射线球管坐标系的，如果将三维照片的定位信息直接应用于X射线成像应用，可能因坐标系差异导致***误差。本发明实施方式基于转换矩阵对三维相机进行校准，以消除因坐标系差异而导致的***误差。
图1是根据本发明实施方式X射线成像中的三维相机校准方法的流程图。优选地，可以由控制器执行图1所示方法。其中，该控制器可以实施为或被集成到X射线成像***的控制主机，还可以实施为与控制主机相独立的控制单元。
如图1所示，该方法100包括：
步骤101：获取三维相机拍摄的、校准板的三维图像，其中校准板包含定位标志，所述校准板与X射线球管具有预定的距离。
三维相机通常固定在X射线发生组件中的X射线球管的球管罩壳上，或固定在X射线发生组件中的束光器壳体上。比如，在球管罩壳上或束光器的壳体上布置用于容纳三维相机的凹槽，通过螺栓连接、卡扣连接、钢丝绳套等方式将三维相机固定至凹槽。
在这里，校准板用于对三维相机进行校正。校准板上布置有用于辅助定位的定位标志，定位标志的数目可以为一或多个，优选为多个。比如，定位标志可以为多个圆点，其中每两个相邻圆点之间的距离都相同。再比如，定位标志可以为多个同心圆，其中相邻同心圆之间的半径差都相同。
在一个实施方式中，校准板布置在地面上，X射线球管(没有旋转)对准地面上的校准板，X射线球管的射线方向垂直于地面。此时，校准板与X射线球管之间的距离，即为X射线球管中的X射线源到达校准板的垂直高度。
在一个实施方式中，校准板布置在墙壁上，X射线球管(没有旋转)的管口对准墙壁上的校准板，此时X射线球管的射线方向垂直于墙壁。此时，校准板与X射线球管之间的距离，即为X射线球管中的X射线源到达校准板的水平距离。
以上示范性描述了校准板和定位标志的典型实例，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于限定本发明实施方式的保护范围。
步骤102：基于三维图像，确定定位标志在三维相机坐标系中的第一三维坐标。
三维相机坐标系是以三维相机的聚焦中心为原点，以光轴为Z轴建立的三维直角坐标系。在三维相机坐标系中：(1)、原点为三维相机的聚焦中心(即光心)；(2)、三维相机坐标系中的X轴与图像平面中的X轴平行；(3)、三维相机坐标系中的Y轴与图像平面中的Y轴平行；(4)、三维相机坐标系中的Z轴为相机光轴，其中Z轴与图像平面垂直。图像平面为二维直角坐标系。
在一个实施方式中，步骤102具体包括：将步骤101中获取的三维图像转换为二维图像，并利用图像识别算法从二维图像中确定出定位标志在图像坐标系中的二维坐标，再基于三维相机的景深参数将该定位标志在图像坐标系中的二维坐标转换为定位标志在三维相机坐标系中的三维坐标(即第一三维坐标)。
在一个实施方式中，步骤102具体包括：基于三维定位算法，确定三维图像中的定位标志在三维相机坐标系中的三维坐标(即第一三维坐标)。
步骤103：基于距离，确定定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标。
X射线球管坐标系是以X射线源为原点，以X射线轴为Z轴建立的三维直角坐标系。在X射线球管坐标系中：(1)、原点为X射线源；(2)、X射线球管坐标系的X轴与图像平面中的X轴平行；(3)、X射线球管坐标系的Y轴与图像平面中的Y轴平行；(4)、三维相机坐标系中的Z轴为X射线轴，其中Z轴通常与校准板垂直。
在一个示范性实施方式中，校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合；校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内，该方法还包括：在XY平面内移动校准板，直到校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合。
X射线球管的照射野中心通常在成像目标上有成像标志(比如，激光十字准星)。
在一种情形中，可以通过人工观察发现校准板的中心与成像标志不重合，即人工确定校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合。然后，在校准板所布置到的XY平面内人工或自动移动校准板，直到校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合。
在一种情形中，基于自动光学识别方式确定校准板的中心与成像标志不重合，即自动确定校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合。然后，在校准板所布置到的XY平面内人工或自动移动校准板，直到校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合。
将校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合后，校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标即可得到简化，从而简化后续计算过程。
在一个示范性实施方式中，步骤103中基于距离，确定定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标包括：(1)、确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(0，0，h)，其中h为距离；(2)、确定定位标志与校准板的中心的距离向量T；(3)、确定距离向量T在X轴上的分量x及在Y轴上的分量y；(4)、确定第二三维坐标(x，y，h)。
可见，移动校准板，使得校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合后，校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标得到了简化。
在一个示范性实施方式中，校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合；校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；步骤103中基于距离，确定定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标包括：
(1)、确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)，其中h为距离；Δx为照射野中心点与校准板的中心的距离向量在X轴上的分量；Δy为照射野中心点与校准板的中心的距离向量在Y轴上的分量；
(2)、确定定位标志与校准板的中心的距离向量T；
(3)、确定距离向量T在X轴上的分量x及在Y轴上的分量y；
(4)、确定定位标志的第二三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
因此，还可以省略使校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合的校准板移动过程，简化了操作步骤。
步骤104：基于第一三维坐标和第二三维坐标，确定适配于对三维相机进行校准的转换矩阵。
基于步骤102中确定的第一三维坐标和步骤103中确定的第二三维坐标，可以基于矩阵方式计算出对三维相机进行校准的转换矩阵。为了便于求出转换矩阵，第一三维坐标的数目优选为6个以上；相应地，第二三维坐标的数目优选为6个以上。
可以多次调整校准板与X射线球管之间的距离，并相应地确定出每次距离调整后的、第一三维坐标和第二三维坐标。再利用多次距离调整后、所确定出的第一三维坐标和第二三维坐标，更准确地求出转换矩阵。其中，多次距离调整后、所确定出的第一三维坐标的数目优选为6个以上；相应地，多次距离调整后、所确定出的第二三维坐标的数目优选为6个以上。
在一个示范性实施方式中，还包括：调整m次距离，并确定每次距离调整后的、第一三维坐标和第二三维坐标，m为至少为1的正整数；基于第一三维坐标和第二三维坐标，确定适配于对三维相机进行校准的转换矩阵(104)包括：确定平移向量T和旋转矩阵R，其中：
Figure BDA0003374535250000121
其中/>
Figure BDA0003374535250000131
N是定位标志的数目；i是距离调整的序号；det是求行列式函数；U和V是/>
Figure BDA0003374535250000132
的奇异值分解；qi是第i次距离调整中确定的第二三维坐标；Pi是第i次距离调整中确定的第一三维坐标；i的取值范围为[0，m]；基于平移向量T和旋转矩阵R，确定转换矩阵。
因此，利用多次距离调整确定转换矩阵，提高了准确度。
举例，假定校准板中的定位标志的数目为k个(其中k大于3)，调整m次距离，并确定每次距离调整后的、第一三维坐标和第二三维坐标。
方法(1)：从距离调整前的、第一三维坐标和距离调整前的、第二三维坐标中选出三个对应的三维坐标对，再从第一次距离调整后的、第一三维坐标和第一次距离调整后的、第二三维坐标中选出三个对应的三维坐标对，并利用这六个三维坐标对计算转换矩阵。
方法(2)：从距离调整前的、第一三维坐标和距离调整前的、第二三维坐标中选出三个对应的三维坐标对，再从第一次距离调整后的、第一三维坐标和第一次距离调整后的、第二三维坐标中选出三个对应的三维坐标对，并利用这六个三维坐标对计算转换矩阵。
方法(3)：从第一次距离的调整后、第一三维坐标和第一次距离调整后的、第二三维坐标中选出三个对应的三维坐标对，再从第二次距离调整后的、第一三维坐标和第二次距离调整后的、第二三维坐标中选出三个对应的三维坐标对，并利用这六个三维坐标对计算转换矩阵。
以上示范性描述了计算转换矩阵的具体实施方式，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于对本发明实施方式进行限定。
可见，在本发明实施方式中，基于校准板中的定位标志在X射线球管坐标系中的三维坐标与该定位标志在三维相机坐标系中的三维坐标之间的转换关系，确定出转换矩阵，从而实现针对三维相机的校准，消除坐标系差异所导致的***误差。
在一个示范性实施方式中，还包括：确定照射野设定范围以及对应于照射野设定范围的、校准板上的照射野实际范围；确定照射野宽度校准参数γw和照射野高度校准参数γh；其中
Figure BDA0003374535250000141
H1为校准板与X射线球管之间的距离；SID为X射线源与成像面之间的距离(Source to Image Distance)，简称源像距；ws为照射野设定范围中的宽度；hs为照射野设定范围中的高度；wc为照射野实际范围中的宽度；hc为照射野实际范围中的高度。
照射野宽度校准参数γw和照射野高度校准参数γh反映了实际和设定的准直器照射野的差异。可用于校准***误差，也可用于校准虚拟准直器的照射野，以使其与真实准直器照射野保持一致。可见，还可以对照射野的宽度和高度进行校准，使得照射野实际范围与照射野设定范围保持一致。
在一个示范性实施方式中，确定照射野设定范围以及对应于照射野设定范围的、校准板上的照射野实际范围包括下列方式：
方式(1)：基于用户输入确定照射野实际范围；调节出对应于照射野实际范围的、照射野设定范围。
比如，用户输入照射野实际范围为10*10平方厘米(cm2)。然后，调节X射线成像***中的照射野设定范围，直到人工观察校准板或对校准板的三维图片执行图像识别，发现校准板上的照射野实际范围为10*10(cm2)时，记录下此时的X射线成像***中的照射野设定范围，假定为11*11(cm2)，即为照射野设定范围。此时，照射野实际范围为10*10(cm2)；对应于10*10(cm2)的照射野实际范围的、照射野设定范围为11*11(cm2)。
方式(2)：基于用户输入确定照射野设定范围；测量对应于照射野设定范围的照射野实际范围。因此，可以通过多种方式确定照射野设定范围和照射野实际范围，适用于多种实施环境。
比如，用户输入的、X射线成像***中的照射野设定范围为10*10(cm2)。然后，人工观察校准板或对校准板的三维图片执行图像识别，发现校准板上的照射野实际范围为9*9(cm2)。则确定照射野实际范围为9*9(cm2)，对应于9*9(cm2)的照射野实际范围的、照射野设定范围为10*10(cm2)。
图2是根据本发明实施方式的X射线成像中的三维相机校准示意图。
在图2中，包含X射线球管71和束光器72的X射线发生组件，经由支撑件与伸缩管套79连接，伸缩管套79连接到天花板70。在束光器72的壳体上布置有三维相机81。控制主机60可以为设置在本地控制室中的控制主机，也可以为远程控制主机，如处于云端的控制主机等。
在地面20上布置有用于对三维相机81进行校正的校准板30。校准板30上布置有用于辅助定位的定位标志，定位标志的数目可以为一或多个。X射线球管71对准地面上的校准板30，X射线球管71的射线方向垂直于校准板30。校准板30与X射线球管71之间的距离，即为X射线球管71中的X射线源73到达校准板30的垂直高度。
图3是根据本发明实施方式确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标的第一示意图。
在图3中，校准板300上具有多个作为定位标志的圆点，在如图3所示的实施方式中以28个圆点进行举例说明。其中，28个圆点包括7行，每行包括4个圆点。每一行中的圆点都是等间距排列且间距为已知的定值D，而且不同行间的相邻圆点的间距也为D。比如，第一行左起第一个圆点和第一行左起第二个圆点为同行内相邻，间距为D；第一行左起第二个圆点和第一行左起第三个圆点为同行内相邻，间距为D；第一行左起第一个圆点和第二行左起第一个圆点为不同行间的相邻，间距为D；第一行左起第一个圆点和第二行左起第二个圆点为不同行间的相邻，间距为D。在图3中，任意两个相邻圆点的距离为已知的定值D。
校准板300的中心为点O。在校准板300上呈现的、X射线球管的照射野中心为点M。
通过校准板300的三维图片，可以得到每个圆点在三维相机坐标系中的三维坐标。可以相应地确定出每个圆点在X射线球管坐标系中的三维坐标，从而便于计算出三维相机的转换矩阵。
确定出每个圆点在X射线球管坐标系中的三维坐标的方式包括：
情形(1)：当观察到校准板上的点M与点O重合时，可以确定板中心点在X射线球管坐标系中的三维坐标为(0，0，h)，并可以便利地确定出每个圆点在X射线球管坐标系中的三维坐标。
举例，假定已知校准板300与X射线球管的X射线源的距离是180厘米(cm)，每两个相邻圆点之间的距离是5cm。那么，可以标定出校准板中心点O在X射线管坐标系中的坐标是(0，0，180)。相应地，中心点O左边的、第一个圆点301在X射线管坐标系中的坐标是(5，0，180)；中心点O右边的、第一个圆点302在X射线管坐标系中的坐标是(-5，0，180)。中心点O上边的、第一个圆点303在X射线管坐标系中的坐标是(0，5，180)，中心点O下边的、第一个圆点304在X射线管坐标系中的坐标是(0，-5，180)。类似地，可以确定出所有圆点在X射线管坐标系中的坐标。
情形(2)：当如图3所示，校准板300上的点M与点O不重合时，照射野中心(即点M)与校准板的中心(即点O)的距离向量为S。距离向量S在X轴上的分量为Δx，距离向量S在Y轴上的分量为Δy。可见，Δx的模为D，Δy的模为D。因此，结合到预先确定的坐标系方向指向，即可以确定出校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)，其中h为校准板300与X射线球管的X射线源的距离。然后，可以确定出每个圆点与校准板的中心的距离向量T，确定距离向量T在X轴上的分量x及在Y轴上的分量y，从而确定出每个圆点在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
图4是根据本发明实施方式确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标的第二示意图。
在图4中，校准板400上包含实施为同心圆401、同心圆402、同心圆403、同心圆404和同心圆405的定位标志。其中，同心圆401的半径为r；相邻同心圆之间的半径差都相同，假定半径差为d。校准板400的中心为点O。在校准板400上呈现的、X射线球管的照射野中心为点M。
通过校准板400的三维图片，可以得到每个同心圆的象限点(比如，上象限点、下象限点、左象限点和右象限点)在三维相机坐标系中的三维坐标。可以相应地确定出每个同心圆的象限点在X射线球管坐标系中的三维坐标，从而便于计算出三维相机的转换矩阵。
确定出每个同心圆的象限点在X射线球管坐标系中的三维坐标的方式包括：
情形(1)：当校准板400上的点M与点O重合时，可以确定板中心点在X射线球管坐标系中的三维坐标为(0，0，h)。然后，基于各个同心圆之间的几何关系运算，确定出每个同心圆的象限点在X射线球管坐标系中的三维坐标。
情形(2)：当如图4所示，点校准板400上的点M位于同心圆403的圆周上，且点M与点O不重合时，照射野中心(即点M)与校准板的中心(即点O)的距离向量为S，该距离向量的模为(r+2d)。基于目测或计算机视觉识别出的点M的方位，确定出距离向量S在X轴上的分量为Δx，距离向量S在Y轴上的分量为Δy。比如，假定点M与点O之间的连线与X轴为45度，Δx的模为
Figure BDA0003374535250000171
Δy的模同样为/>
Figure BDA0003374535250000172
因此，结合到预先确定的坐标系指向，即可以确定出校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)，其中h为校准板400与X射线球管的X射线源的距离。然后，可以确定出每个同心圆的像素点与校准板的中心的距离向量T，确定每个距离向量T在X轴上的分量x及在Y轴上的分量y，并基于各个同心圆之间的几何关系运算，确定出每个同心圆的每个像素点在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
图5是根据本发明实施方式X射线成像中的三维相机校准装置的结构图。
如图5所示，X射线成像中的三维相机校准装置500包括：
获取模块501，用于获取三维相机拍摄的、校准板的三维图像，其中校准板包含定位标志，校准板与X射线球管具有预定的距离；
第一确定模块502，用于基于三维图像，确定定位标志在三维相机坐标系中的第一三维坐标；
第二确定模块503，用于基于距离，确定定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标；
第三确定模块504，用于基于第一三维坐标和第二三维坐标，确定适配于对三维相机进行校准的转换矩阵。
在一个实施方式中，校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合；校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
获取模块，还用于在XY平面内移动校准板，直到校准板的中心与X射线球管的照射野中心重合。
在一个实施方式中，第二确定模块503，用于确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(0，0，h)；其中h为距离；确定定位标志与校准板的中心的距离向量T；确定距离向量T在X轴上的分量x及在Y轴上的分量y；确定第二三维坐标(x，y，h)。
在一个实施方式中，校准板的中心与X射线球管的照射野中心不重合；校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；第二确定模块503，用于确定校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)；其中h为距离；Δx为照射野中心点与校准板的中心的距离向量在X轴上的分量；Δy为照射野中心点与校准板的中心的距离向量在Y轴上的分量；确定定位标志与校准板的中心的距离向量T；确定距离向量T在X轴上的分量x及在Y轴上的分量y；确定定位标志的第二三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
在一个实施方式中，还包括第四确定模块505，用于确定照射野设定范围以及对应于照射野设定范围的、校准板上的照射野实际范围；确定照射野宽度校准参数γw和照射野高度校准参数γh；其中
Figure BDA0003374535250000181
H1为距离；SID为预先设定的源像距；ws为照射野设定范围中的宽度；hs为照射野设定范围中的高度；wc为照射野实际范围中的宽度；hc为照射野实际范围中的高度。
在一个实施方式中，第四确定模块505，用于基于用户输入确定照射野实际范围；调节出对应于照射野实际范围的、照射野设定范围；或，基于用户输入确定照射野设定范围；测量校准板上的、对应于照射野设定范围的照射野实际范围。
在一个实施方式中，第三确定模块504，还用于调整m次距离，并确定每次距离调整后的、第一三维坐标和第二三维坐标，m为至少为1的正整数；确定平移向量T和旋转矩阵R，其中：
Figure BDA0003374535250000191
其中/>
Figure BDA0003374535250000192
Figure BDA0003374535250000193
N是定位标志的数目；i是距离调整的序号；det是求行列式函数；U和V是/>
Figure BDA0003374535250000194
的奇异值分解；qi是第i次距离调整中确定的第二三维坐标；pi是第i次距离调整中确定的第一三维坐标；i的取值范围为[0，m]。
本发明实施方式还提出了一种具有处理器-存储器架构的、X射线成像中的三维相机校准装置。图6是根据本发明实施方式的具有处理器-存储器架构的、X射线成像中的三维相机校准装置的结构图。
如图6所示，部署工业边缘应用的装置600包括处理器601、存储器602及存储在存储器602上并可在处理器601上运行的计算机程序，计算机程序被处理器601执行时实现如上任一种的X射线成像中的三维相机校准方法。其中，存储器602具体可以实施为电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器(Flash memory)、可编程程序只读存储器(PROM)等多种存储介质。处理器601可以实施为包括一或多个中央处理器或一或多个现场可编程门阵列，其中现场可编程门阵列集成一或多个中央处理器核。具体地，中央处理器或中央处理器核可以实施为CPU或MCU或DSP，等等。
需要说明的是，上述各流程和各结构图中不是所有的步骤和模块都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或模块。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。各模块的划分仅仅是为了便于描述采用的功能上的划分，实际实现时，一个模块可以分由多个模块实现，多个模块的功能也可以由同一个模块实现，这些模块可以位于同一个设备中，也可以位于不同的设备中。
各实施方式中的硬件模块可以以机械方式或电子方式实现。例如，一个硬件模块可以包括专门设计的永久性电路或逻辑器件(如专用处理器，如FPGA或ASIC)用于完成特定的操作。硬件模块也可以包括由软件临时配置的可编程逻辑器件或电路(如包括通用处理器或其它可编程处理器)用于执行特定操作。至于具体采用机械方式，或是采用专用的永久性电路，或是采用临时配置的电路(如由软件进行配置)来实现硬件模块，可以根据成本和时间上的考虑来决定。
以上所述，仅为本发明的较佳实施方式而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种X射线成像中的三维相机校准方法(100)，其特征在于，包括：
获取三维相机拍摄的、校准板的三维图像，其中所述校准板包含定位标志，所述校准板与X射线球管具有预定的距离(101)；
基于所述三维图像，确定所述定位标志在三维相机坐标系中的第一三维坐标(102)；
基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标(103)；
基于所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，确定适配于对所述三维相机进行校准的转换矩阵(104)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内，
该方法(100)还包括：
在所述XY平面内移动所述校准板，直到所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心重合。
3.根据权利要求2所述的方法(100)，其特征在于，所述基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标(103)包括：
确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(0，0，h)，其中h为所述距离；
确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；
确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；
确定所述第二三维坐标(x，y，h)。
4.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
所述基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标(103)包括：
确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)；其中h为所述距离；Δx为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在X轴上的分量；Δy为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在Y轴上的分量；
确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；
确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；
确定所述定位标志的第二三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
5.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，还包括：
确定照射野设定范围以及对应于所述照射野设定范围的、所述校准板上的照射野实际范围；
确定照射野宽度校准参数γw和照射野高度校准参数γh；其中
Figure FDA0003374535240000021
H1为所述距离；SID为预先设定的源像距；ws为照射野设定范围中的宽度；hs为照射野设定范围中的高度；wc为照射野实际范围中的宽度；hc为照射野实际范围中的高度。
6.根据权利要求5所述的方法(100)，其特征在于，
所述确定照射野设定范围以及对应于所述照射野设定范围的、所述校准板上的照射野实际范围包括：
基于用户输入确定所述照射野实际范围；调节出对应于所述照射野实际范围的、照射野设定范围；或
基于用户输入确定所述照射野设定范围；测量对应于所述照射野设定范围的照射野实际范围。
7.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，还包括：
调整m次所述距离，并确定每次距离调整后的、所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，m为至少为1的正整数；
所述基于所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，确定适配于对所述三维相机进行校准的转换矩阵(104)包括：
确定平移向量T和旋转矩阵R，其中：
Figure FDA0003374535240000022
Figure FDA0003374535240000023
其中
Figure FDA0003374535240000024
N是定位标志的数目；i是距离调整的序号；det是求行列式函数；U和V是/>
Figure FDA0003374535240000025
的奇异值分解；qi是第i次距离调整中确定的第二三维坐标；pi是第i次距离调整中确定的第一三维坐标；i的取值范围为[0，m]；
基于所述平移向量T和旋转矩阵R，确定所述转换矩阵。
8.一种X射线成像中的三维相机校准装置(500)，其特征在于，包括：
获取模块(501)，用于获取三维相机拍摄的、校准板的三维图像，其中所述校准板包含定位标志，所述校准板与X射线球管具有预定的距离；
第一确定模块(502)，用于基于所述三维图像，确定所述定位标志在三维相机坐标系中的第一三维坐标；
第二确定模块(503)，用于基于所述距离，确定所述定位标志在X射线球管坐标系中的第二三维坐标；
第三确定模块(504)，用于基于所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，确定适配于对所述三维相机进行校准的转换矩阵。
9.根据权利要求8所述的装置(500)，其特征在于，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
所述获取模块(501)，还用于在所述XY平面内移动所述校准板，直到所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心重合。
10.根据权利要求9所述的装置(500)，其特征在于，
所述第二确定模块(503)，用于确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(0，0，h)；其中h为所述距离；确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；确定所述第二三维坐标(x，y，h)。
11.根据权利要求8所述的装置(500)，其特征在于，所述校准板的中心与所述X射线球管的照射野中心不重合；所述校准板布置在包含X轴和Y轴的XY平面内；
所述第二确定模块(503)，用于确定所述校准板的中心在X射线球管坐标系中的三维坐标(Δx，Δy，h)；其中h为所述距离；Δx为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在X轴上的分量；Δy为所述照射野中心点与所述校准板的中心的距离向量在Y轴上的分量；确定所述定位标志与所述校准板的中心的距离向量T；确定所述距离向量T在所述X轴上的分量x及在所述Y轴上的分量y；确定所述定位标志的第二三维坐标(Δx+x，Δy+y，h)。
12.根据权利要求8所述的装置(500)，其特征在于，还包括：
第四确定模块(505)，用于确定照射野设定范围以及对应于所述照射野设定范围的、所述校准板上的照射野实际范围；确定照射野宽度校准参数γw和照射野高度校准参数γh；其中
Figure FDA0003374535240000041
H1为所述距离；SID为预先设定的源像距；ws为照射野设定范围中的宽度；hs为照射野设定范围中的高度；wc为照射野实际范围中的宽度；hc为照射野实际范围中的高度。
13.根据权利要求12所述的装置(500)，其特征在于，
所述第四确定模块(505)，用于基于用户输入确定照射野实际范围；调节出对应于所述照射野实际范围的、照射野设定范围；或，基于用户输入确定照射野设定范围；测量校准板上的、对应于所述照射野设定范围的照射野实际范围。
14.根据权利要求8所述的装置(500)，其特征在于，
所述第三确定模块(504)，还用于调整m次所述距离，并确定每次距离调整后的、所述第一三维坐标和所述第二三维坐标，m为至少为1的正整数；确定平移向量T和旋转矩阵R，其中：
Figure FDA0003374535240000042
其中/>
Figure FDA0003374535240000043
N是定位标志的数目；i是距离调整的序号；det是求行列式函数；U和V是/>
Figure FDA0003374535240000044
的奇异值分解；qi是第i次距离调整中确定的第二三维坐标；pi是第i次距离调整中确定的第一三维坐标；i的取值范围为[0，m]。
15.一种X射线成像中的三维相机校准装置(600)，其特征在于，包括处理器(601)和存储器(602)；
所述存储器(602)中存储有可被所述处理器(601)执行的应用程序，用于使得所述处理器(601)执行如权利要求1至7中任一项所述的X射线成像中的三维相机校准方法(100)。
16.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其中存储有计算机可读指令，该计算机可读指令用于执行如权利要求1至7中任一项所述的X射线成像中的三维相机校准方法(100)。
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