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Flexible Three-dimensional Camera-based Reconstruction and Calibration of Tracked Instruments
(2016)
Navigated instruments commonly include applied parts, e.g. burrs or saw blades, that need to be calibrated with respect to the attached or integrated tracker. Since this calibration has to be very precise, it is often performed by the manufacturer. However, due to the great variety of instruments and the option to exchange the applied parts (e.g. burrs) there is a definite demand for flexible and generic calibration techniques. Furthermore, if we look into the medical field, there is also a need for calibrating sterile instruments. We propose a new and flexible camera-based calibration technique that addresses these demands by working contactlessly, precisely, and generically for a large variety of tracked instruments. This is realized using one or more tracked cameras which are calibrated with respect to an attached or integrated tracker. The tracked instrument is rotated in front of the camera(s) and its 3D geometry and surface are reconstructed from the 2D images in the coordinate system of the attached or integrated tracker. The 3D geometry of the navigated instrument was reconstructed with an accuracy of under 0.2 mm. The radius of a sphere-shaped instrument was reconstructed with an RMS deviation of 0.015mm.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibration einer Kamera (110) unter Nutzung eines Bildschirmes (120), wobei der Bildschirm (120) eine Menge von Bildpunkten (122) aufweist und die Kamera (110) eine Vielzahl von Pixeln (112) zur Darstellung des Bildes nutzt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritten (a) Darstellen zumindest eines Bildwertes (BW) in zumindest einem Bildpunkt (122) des Bildschirms (120) basierend auf einer Bildwertzuweisung; (b) Erfassen des zumindest einen Bildwertes (BW) durch einen Pixel (112a) der Kamera (110); und (c) Bestimmen der Position des zumindest einen Bildpunktes (122) auf dem Bildschirm (120) basierend auf dem zumindest einen erfassten Bildwert (BW) und der Bildwertzuweisung. Das Verfahren umfasst weiter ein Verschieben des Bildschirmes (120) oder der Kamera (110) in eine Richtung um einen Betrag, sodass der zumindest eine Bildpunkt (122) eine andere Entfernung zu dem Pixel (112a) der Kamera (110) aufweist als vor dem Verschieben, und ein Wiederholen zumindest der Schritte (b) und (c) für den verschobenen Bildschirm (120i). Die Kamera (110) umfasst einen variablen Fokus beim Verschieben des Bildschirmes (120) relativ zu der Kamera (110), und das Verfahren umfasst weiter ein Abspeichern einer Zuordnung bezüglich des Pixels (112) und der Positionen des zumindest einen Bildpunktes (122) für verschiedene verschobene Bildschirmpositionen (120i).
This work describes a non-parametric camera-based method for the calibration of Optical See-Through Glasses (OSTG). Existing works model the optical system through perspective projection and parametric functions. In the border areas of the displays such models are often inadequate. Moreover, rigid calibration patterns, that produce only a small amount of non-equidistant point correspondences, are used. In order to overcome these disadvantages every single display pixel is calibrated individually. The error prone user interaction is avoided by using cameras placed behind the displays of the OSTG. The displays show a shifting pattern that is used to calculate the pixels' locations. A camera mounted rigidly on the OSTG is used to find the relations between the system components. The obtained results show better accuracies than in previous works and prove that a second calibration step for user adaptation is necessary for high accuracy applications.
Die Verwendung von Kameras als Messmittel für medizinische Anwendungen setzt deren präzise Kalibrierung voraus. Gängige Verfahren modellieren die Abbildungseigenschaften einer Kamera mittels perspektivischer Projektion und parametrisierter Funktionen zur Beschreibung von Linsenverzerrung. In den Randbereichen des Kamerabildes sind diese Modelle oft unzureichend. Außerdem bedingt die Verwendung starrer Kalibriermuster eine in der Regel kleine Anzahl an nicht gleichmäßig verteilten Punktkorrespondenzen zur Bestimmung der Modellparameter. In der vorliegenden Arbeit wird ein vollkommen neues und nicht auf Modellen basierendes Kalibrierverfahren vorgestellt, bei dem jedes Kamerapixel unabhängig von jedem anderen kalibriert wird.
Neuroprosthetics 2.0
(2019)