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基于FPGA的手术导航红外光学空间定位系统的设计研究

作　者: 党潇
导　师: 王广志
学　校: 清华大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 手术导航光学定位 CMOS FPGA & SOPC 硬件加速
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 84次
引　用: 2次
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内容摘要

近些年来,现代医学手术向着精确化、微创化方向发展,也因此带动了手术导航系统的相关研究。使用面阵CMOS传感器的光学定位系统由于其同时兼容主动式和被动式跟踪,并且具有高精度和易用性的优点,成为手术导航系统中光学定位设备的主要发展方向。本论文通过对双目视觉定位原理及嵌入式硬件系统的深入研究,搭建了一套基于FPGA和SOPC系统的红外光学定位系统,实现了对空间中标志点的实时定位和跟踪。论文主要完成工作包括:[1]将直接线性变换方法(DLT)和极限约束方法应于面阵CMOS系统对空间坐标的三维重建中,给出和论证了如何使用直接线性变换方法对光学定位系统进行标定,以及分别计算每一摄像机的内外参数。[2]设计并研制了一套基于双目视觉原理的红外光学定位系统样机,完成了系统样机的软硬件设计。系统开发从最前端的CMOS传感器开始,使用FPGA完成了图像传感器的驱动设计,标志点的中心提取。为方便系统调试,设计了图像缓存和VGA显示功能。另外,为样机设计了机械结构用于系统的固定和封装。[3]针对Nios II处理器计算性能不足的问题,提出了使用硬件加速提高三维解算速率的解决方案,系统的定位跟踪速率得到大幅度提升,使得标志点的解算工作能够在嵌入式硬件平台上完成。[4]搭建高精度实验平台,设计并完成了对系统的标定实验,获得了较好标定精度。解决了标定实验流程中的图像存取等关键问题。综上所述,论文针对手术导航系统中定位跟踪的特殊应用,完成了对空间多点三维坐标的实时高精度定位技术的研究和系统开发。测试结果表明系统取得了亚毫米的定位精度和60Hz的刷新速率。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章引言  10-25
  1.1 手术导航系统（IGS）的背景和意义.  10-15
    1.1.1 手术导航系统（IGS）的组成和工作流程.  10-12
    1.1.2 手术导航中的定位方法  12-15
  1.2 手术导航系统发展现状  15-20
    1.2.1 手术导航系统国外发展现状  15-18
    1.2.2 手术导航系统国内发展现状  18-19
    1.2.3 手术导航系统发展现状小结  19-20
  1.3 光学定位系统发展现状  20-24
    1.3.1 概述  20
    1.3.2 NDI —Polaris 与Optotrak 系统.  20-21
    1.3.3 Motion Analysis —Hawk-i 动作捕捉分析系统  21-22
    1.3.4 其他光学定位产品  22-24
  1.4 课题研究目的  24
  1.5 论文各部分内容  24-25
第2章双目立体视觉测量原理  25-36
  2.1 光学摄像机的数学模型  25-29
    2.1.1 成像平面坐标系  25-26
    2.1.2 小孔成像与摄像机坐标系  26-27
    2.1.3 摄像机坐标系到世界坐标系  27-28
    2.1.4 小孔成像数学模型建立  28-29
  2.2 摄像机的标定与三维重建  29-33
    2.2.1 直接线性变换法（DLT）  29-30
    2.2.2 标定过程  30-32
    2.2.3 三维重建过程  32-33
  2.3 多标志点的匹配识别  33-34
    2.3.1 极线约束方法（Epipolar Constraints）  33-34
    2.3.2 实际使用的匹配方法  34
  2.4 小节  34-36
第3章基于FPGA 的红外光学定位系统  36-66
  3.1 引言  36
  3.2 设计思路  36-38
  3.3 FPGA 和SOPC 技术简介  38-45
    3.3.1 FPGA 器件  38-39
    3.3.2 FPGA 的设计流程  39-41
    3.3.3 SOPC 技术  41-43
    3.3.4 SOPC 开发流程  43-45
  3.4 基于FPGA 的系统硬件设计  45-48
    3.4.1 系统总体结构和工作流程  45-47
    3.4.2 硬件电路系统设计框架  47-48
  3.5 系统硬件各部分说明  48-62
    3.5.1 CMOS 光学传感器  48-49
    3.5.2 DE2-70 开发平台  49-51
    3.5.3 光学透镜和红外滤光片  51-52
    3.5.4 CMOS 驱动电路  52-55
    3.5.5 图像缓存和VGA 显示  55-56
    3.5.6 标志点的中心坐标提取  56-59
    3.5.7 三维解算在Nios II 中的实现  59-60
    3.5.8 纯硬件的USB 控制器实现  60-62
  3.6 系统机械结构设计  62-65
    3.6.1 自制红外摄像头双目系统  62-63
    3.6.2 视场计算  63-65
  3.7 小结  65-66
第4章三维定位算法的硬件加速  66-74
  4.1 引言  66
  4.2 硬件加速的可行性分析  66-67
  4.3 硬件加速方法  67-70
    4.3.1 浮点数自定义指令  67-68
    4.3.2 紧密耦合寄存器技术  68-69
    4.3.3 多核流水线处理技术  69-70
  4.4 实验测试及实验结果  70-73
    4.4.1 实验设计  70-71
    4.4.2 实验结果  71-72
    4.4.3 结果讨论  72-73
  4.5 小结  73-74
第5章标定实验和精度分析  74-96
  5.1 引言  74
  5.2 标定流程  74-86
    5.2.1 红外LED 的选择  74-76
    5.2.2 摄像头图像的读取  76-79
    5.2.3 控制点三维世界坐标的生成  79-83
    5.2.4 标志点像坐标提取  83-85
    5.2.5 标定流程总结  85-86
  5.3 标定实验结果分析  86-91
    5.3.1 F 矩阵的计算和极线约束  86-87
    5.3.2 系统精度评定  87-91
  5.4 系统测试  91-95
    5.4.1 系统稳定性测试  91
    5.4.2 空间测距精度测试  91-93
    5.4.3 动态测量性能测试  93-94
    5.4.4 系统的性能指标  94-95
  5.5 小结  95-96
第6章总结与展望  96-99
  6.1 论文工作总结  96-97
  6.2 工作展望  97-99
参考文献  99-103
致谢  103-104
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  104

基于FPGA的手术导航红外光学空间定位系统的设计研究

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