基于无源标记的光学跟踪方法和系统

摘要

一种椭圆形、光学跟踪标记包括内部标记本体，所述内部标记本体填充有相对于所述内部标记本体的中心点而径向扩散的色谱点。根据在穿过所述内部标记本体的所述中心点的水平线与穿过所述内部标记的所述中心点以及给定像素的线之间所限定的角度来计算所述内部标记本体的每个谱点的颜色值，其方式为使得，所述对应谱点的所述颜色值沿着围绕所述中心点的椭圆形路径、具体地沿着以所述中心点为圆心的圆形路径根据正弦图案而变化。一种用于确定对象在空间中的3D位置的方法和系统通过检测并分析所述正弦图案来使用此标记的特点。

权利要求

1.一种确定对象在空间中的3D位置的方法，所述方法包括以下步骤：-将光学跟踪标记附接至所述对象，所述光学跟踪标记包括具有椭圆形形状和几何中心的内部标记本体(404)，所述内部标记本体(404)填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值，-使用第一相机来捕获所述光学跟踪标记的第一数字图像并且使用另一相机来捕获所述光学跟踪标记的另一数字图像，-在所述第一数字图像和所述另一数字图像内检测所述光学跟踪标记的边缘(201)，-在所述第一数字图像和所述另一数字图像中的对应检测边缘集合内检测斑点(202)，-在对应检测斑点集合内检测椭圆(203)，-在所述检测椭圆中的每个检测椭圆内分析(204)正弦图案，-基于所述分析确定(205)所述光学跟踪标记在所述第一数字图像和所述另一数字图像中的每一者中的2D位置，以及-基于在所述第一数字图像和所述另一数字图像中的每一者中的所述2D位置确定所述光学跟踪标记在空间中的3D位置。

2.一种确定对象在空间中的3D位置的方法，所述方法包括以下步骤：-将至少两个光学跟踪标记附接至所述对象上，所述至少两个光学跟踪标记各自包括具有椭圆形形状和几何中心的内部标记本体(404)，所述内部标记本体(404)填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值，-使用至少一个相机来捕获所述至少两个光学跟踪标记的数字图像，-在所述数字图像内检测所述至少两个光学跟踪标记的边缘(201)，-在对应检测边缘集合内检测斑点(202)，

-在对应检测斑点集合内检测椭圆(203)，

-在所述检测椭圆中的每个检测椭圆内分析(204)正弦图案，-基于所述分析确定(205)所述至少两个光学跟踪标记的2D位置，以及-基于所述2D位置确定所述对象在空间中的3D位置。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述对应谱点的所述颜色值沿着围绕所述中心点的椭圆形路径、具体地沿着以所述中心点为圆心的圆形路径根据所述正弦图案而变化。

4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，基于在所述椭圆内对所述正弦图案的分析来估计所述对应光学跟踪标记的所述中心点，以便确定所述对应光学跟踪标记的所述

2D位置。

5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，提供了多个预期，所述预期表示所述光学跟踪标记的预期图像，并且其中，通过将所述捕获的数字图像与所述预期进行比较来确定所述光学跟踪标记的所述2D位置。

6.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述对应光学跟踪标记包括标识符，所述标识符基于在所述椭圆内对所述正弦图案的分析而被确定。

7.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述对应光学跟踪标记为灰度标记。

8.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述谱点的所述颜色值各自包括三个不同的颜色分量。

9.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述内部标记本体(404)为圆形。

10.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述内部标记本体的半径被划分成至少两个部分，并且其中，不同的颜色生成函数应用于不同的部分。

11.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，根据以下等式来计算每个谱点的所述颜色值：其中，

R、G、B——为颜色分量；

C——为定义R、G、B的平均值的固定系数；

A——为诸如正弦等几何函数的振幅值；

f——为频率，假设值1、2、3……N为正弦分量的数量，其中，N≤10，并且优选地N≤5，并且甚至更优选地N≤3；

θ——为在穿过所述内部标记本体的所述中心点的水平线与穿过所述内部标记的所述中心点以及给定像素的线之间所限定的角度；

——为初始相位——针对θ＝0的正弦函数的参数；

R、G、B——参考颜色分量的索引。

12.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述光学跟踪标记进一步包括外环(402)和/或背景部分(403)，所述外环和/或背景部分从所述内部标记本体(404)径向延伸。

13.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述对象是工具。

14.一种用于确定对象在空间中的3D位置的系统，所述系统包括：至少一个光学跟踪标记，所述至少一个光学跟踪标记被配置为附接至所述对象，所述光学跟踪标记包括具有椭圆形形状和几何中心的内部标记本体(404)，所述内部标记本体(404)填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值，至少一个相机，所述至少一个相机用于捕获所述光学跟踪标记的至少一张数字图像，以及处理单元，所述处理单元被配置成用于执行如权利要求1至13之一所述的步骤。

15.一种用于确定对象在空间中的3D位置的光学跟踪标记，所述标记包括具有椭圆形形状和几何中心的内部标记本体(404)，所述内部标记本体(404)填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值，其中，所述对应谱点的所述颜色值沿着围绕所述中心点的椭圆形路径、具体地沿着以所述中心点为圆心的圆形路径根据正弦图案而变化。

16.一种存储计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括程序代码，所述程序代码被配置成用于当在计算机上运行所述计算机程序时执行如权利要求1至13之一所述的全部步骤。

说明书

基于无源标记的光学跟踪方法和系统

背景技术

[0001] 本发明涉及基于无源标记的光学跟踪系统和方法。具体地，本发明涉及改进无源标记本身，并且涉及提高基于无源标记的方法和系统的准确性。

[0002] 现有技术光学系统利用从图像传感器捕获的数据来确定由一个或多个相机成像的对象的3D位置，所述一个或多个相机被校准以用于提供重叠投影。传统上使用附接至对象或粘附至对象的特殊标记来实现数据采集。这些系统针对每个标记产生具有3个自由度的数据，并且通常应当从三个或更多个标记的相对朝向中推断旋转信息。例如由US 2011/0254922 A1或WO 2004/002352 A2公开了一些现有技术系统。

[0003] 已知的无源光学系统使用涂覆有逆反射材料的标记来反射在相机镜头附近生成的光。可调整相机的阈值，从而使得将仅对明亮的反射区域进行采样。

[0004] 通常，已知的标记具有方格明暗图案。通常由在交替的明暗区域之间形成的直边的交点来限定标记的质心。将质心估计为所述标记在捕获的二维图像中的位置。

[0005] 具有附接在已知位置处的标记的对象用于校准相机并且获得其位置，并且对每个相机的镜头失真都进行测量。如果两个校准的相机看到标记，则可获得三维固定位置(来源：维基百科)。

[0006] 然而，存在需要高准确度的光学跟踪应用，诸如医疗应用、高精度机械应用、精确的构造部件测量。例如，置换手术的成功很大程度上取决于对置换植入物的恰当定位。

[0007] 计算机辅助手术(Computer Assisted Surgery，CAS——来源：维基百科)表示一种手术概念以及一组方法，其使用计算机技术进行术前计划并且引导或执行手术介入。CAS亦被称为计算机辅助手术(Computer Aided Surgery)、计算机辅助介入(Computer Assisted Intervention)、图像引导手术(Image Guided Surgery)和手术导航(Surgical Navigation)，但是这些术语或多或少与CAS是同义词。CAS已经成为机器人手术发展的主导因素。在CAS中，计算机化的模型用于确保正确的对象(诸如骨骼)对准。跟踪有关患者解剖结构的手术器械和部件也很重要。

[0008] 将有利的是，在应用成本有效的无源标记的同时提升测量准确性。

[0009] 题为“Method and device for checking a marking  element  for displacement(用于检查移位标记元件的方法和设备)”的公开US 6877239 B2公开了一种用于检查有关固持结构(特别是骨骼)的移位的标记元件的方法，此标记元件固定在所述固持结构上，所述标记元件用于在导航手术中确定位置，并且所述标记元件以最大可能的精度运行，提出了选择与所述固持结构成唯一关系的朝向点并且监测所述朝向点在所述标记元件的参考系统中的位置。

[0010] 根据‘239，可经由导航台来确定标记元件在空间中的位置。例如，出于此目的，标记元件包括大量的发射器，诸如超声发射器或红外发射器，其信号可由接收器记录。具体地，为所述三个空间坐标提供了三个接收器。

[0011] ‘239的缺点是使用了有源标记，诸如超声发射器或红外发射器。这使得所述系统更加昂贵，并且所述标记设备在操作区域中相比无源标记需要更多的空间。

[0012] 题为“Non-imaging，computer assisted navigation system for hip replacement surgery(用于髋置换手术的非成像、计算机辅助导航系统)”的另一公开US 
7780681 B2公开了一种定位系统，所述系统包括：计算机，所述计算机与所述定位系统对接并且采用患者的髋几何结构的通用计算机模型来解释跟踪对象的位置；软件模块，所述软件模块在计算机上是可执行的，其通过对至少三个骨盆标记进行定位来限定患者的骨盆平面，而无需参考先前获得的放射性数据；以及骨盆跟踪标记，所述骨盆跟踪标记可固定到所述骨盆骨骼并且可由所述定位系统来限定，以便实时跟踪所述限定的骨盆平面的朝向。优选地，所述系统还包括：股骨跟踪标记，所述股骨跟踪标记通过非穿透性结扎固定地可附接至患者的股骨并且可由所述定位系统来跟踪以便检测腿长变化和股骨偏移。

[0013] 题为“Neuro-navigation system(神经导航系统)”的另一公开US 6351659 B1公开了一种神经导航系统，所述神经导航系统包括：包括无源反射器的反射器参考系统以及具有标记或标记的标记系统，其中，就其形状、尺寸和材料选择及其在本体部分上以用于手术治疗且在手术器械上的安排或附接，所述反射器以及所述标记被配置为使得对其位置进行映射基本上得到促进或者能够由具有图形显示终端的计算机/相机单元来进行更准确地定位以及在此单元的辅助下进行手术治疗。

[0014] ‘659专利公开还公开了一种用于手术器械和手术治疗装置的参考系统，所述系统包括：红外辐射源；多个相机，所述多个相机用于检测反射的红外辐射；计算机，所述计算机连接至所述相机；多个适配器，每个适配器被配置成可移除地附接至对应的手术器械或手术治疗装置；以及多组至少三个红外反射器，所述红外反射器，固定至所述多个适配器。所述多组至少三个红外辐射反射器包括至少一个球面反射器。

[0015] ‘681和‘659公开公开了利用多个反射球面的合适的光学标记的应用。这种无源反射标记反射由合适的红外照明器发射的光。

[0016] 当前所使用的反射球面的缺点包括需要在一次性使用或者甚至在较长手术过程中进行置换。进一步地，所述反射球面难以在术中清洁。

[0017] 上述US 2011/0254922 A1和DE 10 2006 060 716 A1各自公开了光学标记，所述光学标记具有提供相交边缘的内部标记区域并且具有包围所述内部标记区域的外标记区域。所述外标记区域可以具有用作标识符的单独明暗图案。虽然这些无源标记系统避免了有源标记系统的缺点，但是将期望的是改进这些已知的系统以便以成本高效的方式获得更高的准确性。

发明内容

[0018] 因而，本发明的一个目标是提供一种经改进的基于无源标记的光学跟踪方法和系统，允许以成本有效的方式来提高准确性。

[0019] 根据本发明的第一方面，提供了一种确定对象在空间中的3D位置的方法，所述方法包括以下步骤：将光学跟踪标记附接至所述对象，所述光学跟踪标记包括具有椭圆形状和几何中心的内部标记本体，所述内部标记本体填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值；使用第一相机来捕获所述光学跟踪标记的第一数字图像并且使用另一相机来捕获所述光学跟踪标记的另一数字图像；在所述第一数字图像和所述另一数字图像内检测所述光学跟踪标记的边缘；在所述第一数字图像和所述另一数字图像中的对应检测边缘集合内检测斑点(或BLOB)；在对应检测斑点集合内检测椭圆；在所述检测椭圆中的每个检测椭圆内分析正弦图案；基于所述分析确定所述光学跟踪标记在所述第一数字图像和所述另一数字图像中的每一者中的2D位置；以及基于在所述第一数字图像和所述另一数字图像中的每一者中的所述2D位置确定所述光学跟踪标记在空间中的3D位置。

[0020] 根据第二方面，提供了一种确定对象在空间中的3D位置的方法，所述方法包括以下步骤：将至少两个光学跟踪标记附接至所述对象上，所述至少两个光学跟踪标记各自包括具有椭圆形状和几何中心的内部标记本体，所述内部标记本体填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值；使用至少一个相机来捕获所述至少两个光学跟踪标记的数字图像；在所述数字图像内检测所述至少两个光学跟踪标记的边缘；在对应检测边缘集合内检测斑点；在对应检测斑点集合内检测椭圆；在所述检测椭圆中的每个检测椭圆内分析正弦图案；基于所述分析确定所述至少两个光学跟踪标记的2D位置；以及基于所述2D位置确定所述对象在空间中的3D位置。

[0021] 根据又另一目标，提供了一种用于确定对象在空间中的3D位置的系统，所述系统包括：至少一个光学跟踪标记，所述至少一个光学跟踪标记被配置为附接至所述对象，所述光学跟踪标记包括具有椭圆形形状和几何中心的内部标记本体，所述内部标记本体填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值；至少一个相机，所述至少一个相机用于捕获所述光学跟踪标记的至少一张数字图像；以及处理单元，所述处理单元被配置成用于执行上述方法中的至少一种方法中的步骤。

[0022] 优选地，分析所述正弦图案的步骤包括检查经检测的正弦图案是否与从所述至少一个标记的已知特征中得出的预定义预期相匹配的步骤。

[0023] 根据又另一目标，还提供了一种用于确定对象在空间中的3D位置的光学跟踪标记，所述标记包括具有椭圆形形状和几何中心的内部标记本体，所述内部标记本体填充有相对于所述几何中心而径向扩散的色谱点，其中，根据在穿过所述中心点的水平线与穿过所述中心点以及所述内部标记本体的每个谱点的另一条线之间所限定的角度来计算所述对应谱点的颜色值，其中，所述对应谱点的所述颜色值沿着围绕所述中心点的椭圆形路径、具体地沿着以所述中心点为圆心的圆形路径根据正弦图案而变化。

[0024] 根据又另一方面，提供了一种存储计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括程序代码，所述程序代码用于当在计算机上运行所述程序时执行上述方法中的至少一种方法的全部步骤。所述计算机程序可以存储在非瞬态、有形的计算机可读介质上。

附图说明

[0025] 通过附图中示出的优选实施例的以下详细描述，本发明的进一步细节和特征、其本质和各优点将变得更明显，在附图中：

[0026] 图1呈现了根据本发明的实施例的系统的简图；

[0027] 图2呈现了根据本发明的实施例的解释方法的简图；

[0028] 图3A至图3C呈现了根据本发明的实施例的无源标记的示例；

[0029] 图4以简化的形式示出了根据本发明的实施例的无源标记的一般实施例；以及[0030] 图5呈现了根据本发明的实施例的在其上具有无源标记的设备的示例。

[0031] 符号和术语

[0032] 随后的具体实施方式的一些部分是关于对计算机存储器执行的对数据位的操作的数据处理程序、步骤或其他符号表示而呈现的。因此，计算机执行这种逻辑步骤，从而需要对物理量的物理操纵。

[0033] 通常，这些量采用能够在计算机系统中存储、转移、组合、比较及以其他方式操纵的电信号或磁信号的形式。出于常见用法的原因，这些信号被称为比特、分组、消息、值、元素、符号、字符、项、数字等。

[0034] 另外，所有这些术语和相似术语与适当的物理量相关联并且仅仅是应用于这些量的方便标签。术语诸如“处理”或“创建”或“转移”或“执行”或“确定”或“检测”或“获得”或“选择”或“计算”或“生成”等指代计算机系统的动作和过程，所述计算机系统操纵并将计算机的寄存器和存储器内的被表示为物理(电子)量的数据转换成存储器或寄存器或其他这种信息存储设备内的类似地被表示为物理量的其他数据。

[0035] 计算机可读(存储)介质(诸如在此引用的)通常可以是非瞬态的和/或包括非瞬态设备。在此上下文中，非瞬态存储介质可以包括可以是有形的设备，这意味着所述设备具有具体的物理形式，尽管所述设备可以改变其物理状态。因此，例如，非瞬态指设备即使状态发生变化但仍然是有形的。

具体实施方式

[0036] 图1呈现了根据本发明的实施例的系统的简图。所述系统包括至少一个无源标记、至少一个相机(被定位为使得所述至少一个无源标记在其视场内)以及处理单元。在本发明的有利实施例中，具有三个相机，所述三个相机位于例如假想圆上并且间隔开120度角。然而，取决于系统数据处理能力和通信接口数据吞吐量可以使用两个或多于三个相机。

[0037] 针对标记检测而相关的相机参数为分辨率、敏感度、光敏传感器尺寸、镜头焦距、每秒捕获的帧数。

[0038] 优选地，输出监测器连接至处理系统以用于呈现光学跟踪结果。所述相机以及所述监测器通常将安装在合适的底座中。

[0039] 可以使用专用部件或定制FPGA或ASIC电路来实现所述系统。所述系统包括双向通信地耦合至存储器104的数据总线101。另外，所述系统的其他部件通信地耦合至所述系统总线101，从而使得它们可以由控制器105来安排。

[0040] 所述存储器104可以存储由所述控制器105执行的一个或多个计算机程序以便执行根据本发明的方法的步骤。

[0041] 所述系统进一步包括提供图像输入的输入接口102，所述图像由所述相机来捕获。有利地，立体图像将被提供为左右相机图像对。图像可以存储在存储器104中以供处理。

[0042] 可以经由输出接口103(诸如音频/视频信号输出接口，例如HDMI)输出经处理的数据和结果。

[0043] 所述系统还结合了校准模块107，所述校准模块被配置成用于处理配置数据并且存储系统配置数据以供未来参考。

[0044] 校准可以执行如下。首先，必须执行内部校准，即对每个相机进行校准以便确定以下参数：fx、fy(像素的焦距——像素的尺寸可以垂直地且水平地不同)、cx、cy(像素的传感器点的坐标，相机镜头的光轴经由所述传感器点穿过)、k(径向失真系数)、p(正切失真系数)。可以通过不同的方法来实现这种校准，例如，分析以不同角度拍摄的棋盘照片。

[0045] 作为第二校准步骤，执行外部校准以便确定所述测量系统的几何结构。此步骤优选地在所述测量系统的每个设置变化上被执行并且包括将参考图案放置在所有相机的视场中(其可以是采用给定空间配置的一组标记(具有已知的标识符和尺寸))。此过程可以是全自动的。

[0046] 图2呈现了根据本发明的实施例的方法的简图。所述方法在步骤201处从在数字图像内进行标记的边缘检测开始，所述边缘检测跟随在检测的边缘集合内检测斑点202之后。在计算机视觉领域中，斑点(或者“二进制大对象”的简称BLOB)检测指数学方法，所述数学方法旨在检测数字图像中性能不同(诸如亮度或颜色)的区域，与包围那些区域的区域相比。非正式地，斑点(或BLOB)是数字图像的区域，在所述区域中，一些性能是恒定的或者在规定的值范围内发生变化；斑点中的所有点在某种意义上可被认为是彼此相似的。

[0047] 随后，在步骤203处，在经识别的斑点集合内检测椭圆(或圆)。接着，在步骤204处，在所述椭圆(或圆)中的每个椭圆(或圆)内分析正弦图案。基于前述分析，确定标记的标识符和2D位置205。可以通过分析标记的图像并且对限定标记的(多个)等式中存在的标记参数进行识别来自动确定标记的标识符，即C，A1，f1， A2，f2， 如在本说明书的剩余部分中限定的。

[0048] 随后，在步骤206处，执行由(多个)其他相机获得的(多张)其他图像中的相同标记的2D位置的确定。当确定了标记的至少一个2D位置时，可以在步骤207处确定此标记的3D位置。

[0049] 两种场景是可能的：1)当由至少两个相机来确定工具(包括至少一个标记)的位置(2D位置)时，可以在步骤207处确定其在空间中的3D位置；2)当由至少一个相机来确定工具(包括至少两个标记)的位置(2D位置)时，可以在步骤207处确定其在空间中的3D位置。

[0050] 图3A至图3D呈现了根据本发明的无源标记的示例。每个标记具有内部标记本体，所述内部标记本体填充有相对于所述内部标记本体的几何中心而径向扩散的色谱点。所述内部标记本体可以具有椭圆形状，所述椭圆形状因此为圆的一般化，其为特殊类型的在同一位置具有两个焦点的椭圆。

[0051] 根据在穿过所述内部标记本体的所述中心点的水平线与穿过所述内部标记的所述中心点以及给定像素的线之间所限定的角度来计算所述内部标记本体的每个点的颜色值。换言之，每个点的颜色值取决于其角度位置，所述角度位置可以采用极坐标系的极坐标来表达，所述极坐标系以标记的中心点为中心。在一些实施例中，具有相同角度位置(即位于同一径向线上)的谱点的颜色值是相同的。

[0052] 可选地，填充有相对于所述内部标记本体的几何中心而径向扩散的色谱点的所述内部标记本体可以为使得半径可以被划分成至少两个部分并且优选地不多于5部分，其中，不同的颜色生成函数应用于不同的部分。这种标记的优点将是更大的信息容量，由此允许在给定的监测区域(诸如手术室)中使用更多的标记。

[0053] 在本发明的优选实施例中，根据以下等式来计算每个标记点的颜色值：

[0054]

[0055]

[0056]

[0057] 其中，

[0058] R、G、B——为颜色分量；

[0059] C——为定义R、G、B的平均值的固定系数；

[0060] A——为诸如正弦等几何函数的振幅值；

[0061] f——为周角单元内的振动数或频率，假设值1、2、3......N为正弦分量的数量，其中，N≤10，并且优选地N≤5，并且甚至更优选地N≤3；

[0062] θ——为在穿过所述内部标记本体的所述中心点的水平线与穿过所述内部标记的所述中心点以及给定像素的线之间所限定的角度；

[0063] ——为初始相位——针对θ＝0的正弦函数的参数；

[0064] R、G、B——参考颜色分量的索引。

[0065] 图3A至图3D中示出的标记为灰度标记，其中，R＝G＝B，并且其中，从而，优选实施例的标记的点具有颜色值，所述颜色
值沿着围绕对应标记的中心点的椭圆形路径并且优选地沿着圆形路径根据正弦图案而变化，其中，所述正弦图案包括具有不同频率、不同相位和/或不同振幅的一个或两个正弦分量。

[0066] 在一些示例性实施例中，正弦图案可以表示对应标记的单独标识符。优选地，正弦图案还用作用于确定标记在捕获图像中的2D位置的基础。因此，可以对每个标记的正弦图案进行分析以用于以下两者：对具有不同正弦图案的一组标记之中的单独标记进行识别；以及确定捕获的图像中的对应标记的2D位置。

[0067] 新方法和系统的一些实施例可以采用以下步骤：通过分析所述正弦图案从检测的椭圆或圆形的中心点确定捕获的图像中的标记的2D位置。可替代地或另外，多个预期(例如，采用预期标记图像或这种预期标记图像的参数的形式)可以从所述标记的已知特征而得出并且可以存储在计算机的存储器中，并且可以通过将所述捕获图像与所述预期进行比较来确定所述标记的2D位置。

[0068] 根据一个示例性实施例的标记参数的示例可以如下：

[0069] f1＝3

[0070] f2＝5

[0071] C＝0.25

[0072] A1＝0.25

[0073] A2＝0.25

[0074]

[0075]

[0076]

[0077] 在标记具有其被划分成多个部分的半径的情况下，标记参数的示例可以如下：

[0078] 针对半径Rn[0，0.5]：

[0079] f1＝3；

[0080] f2＝5；

[0081] C＝0.5；

[0082] A1＝0.25；

[0083] A2＝0.25；

[0084]

[0085]

[0086] 针对半径Rn[0.5，1]：

[0087] f1＝3；

[0088] f2＝5；

[0089] C＝0.5；

[0090] A1＝0.5；

[0091] A2＝0.5；

[0092]

[0093]

[0094]

[0095] 根据本发明的实施例，可以将RGB颜色空间改变为HSL/HSV、CMYK等，即改变为任何其他合适的颜色空间。

[0096] 图4示出了根据本发明的实施例的无源标记的一般实施例。根据图3A至图3C描绘了包括标记本体404的多部分标记。另外，所述无源标记优选地包括外环402，所述外环可以具有等于所述内部标记本体404的半径的1/4的宽度(然而，其他比例是可能的)。例如，所述内部标记本体半径可以具有16mm，而所述环为4mm。

[0097] 进一步地，所述标记可以具有优选地为均匀颜色的背景403。

[0098] 所述外环402允许易于检测标记的外围边缘，而所述背景403是所述外环402周围的对比区域，允许易于检测所述外环。相对于标记的尺寸，外环可以具有不同的尺寸。背景和外环两者可以具有不同的颜色。

[0099] 还应注意的是，在RGB颜色空间的情况下，R＝G＝B，这产生了灰度标记。在其他有利实施例中，所述标记为具有正弦图案的灰度标记，所述正弦图案具有一个、两个或更多个(优选地不多于三个)正弦分量，其中，所述正弦图案是仅从单色谱点创建的，所述单色谱点具有根据所述正弦图案而不同的强度值。在又进一步实施例中，所述标记为具有正弦图案的灰度标记，所述正弦图案是通过改变黑点和白点的密度而创建的。

[0100] 根据本发明的标记的优点是：相对于相机，它们是可以以大角度识别的，诸如高达150°。

[0101] 进一步地，存在许多不同的标记配置，并且由此易于在扫描场景中将单独标记识别为不同的标记。

[0102] 另外，相对于扫描场景，根据本发明的标记可以相对较小。

[0103] 根据本发明的系统具有众多优点：手术台的真实场景(由于人眼视觉相机的应用，而非红外)、对污染物或障碍物(诸如血液等)的高抵抗性、在手术环境中更长的寿命、标记集合的低成本。

[0104] 借助于Hamamatsu相机，针对根据本发明的实施例的单个无源标记，在大约4.7m的距离处，结果为std(z)＝0.35mm，并且在大约1.6m的距离处，优良std(z)＝0.02mm。在多个标记的情况下，测量的准确性要好很多。

[0105] 图5呈现了根据本发明的实施例的在其上具有无源标记的设备的示例。已使用了三个标记来增加测量精度。如果标记附接至长指针(其中，所述指针尖端的位置(与所述标记间隔开)是相关的)，则最小的角标记位置确定误差变换为甚至更大的指针尖端误差。因此，提供包括多个标记的工具将增加测量精度。优选地，所述对应标记尽可能远离彼此而被定位。通常，三个标记将被用作工具的工效与测量精度之间的折衷。

[0106] 可以限定具有单个标记的全功能性工具，只要所述测量系统包括两个相机。自然，相对于具有两个或更多个标记的工具，测量精度将降低。

[0107] 工具上的标记的优选配置如此，其中，标记尽可能远地彼此间隔开，所述工具的尖端尽可能靠近所述标记，并且存在尽可能多的标记。

[0108] 本发明提供在三维空间中对距离的准确且成本有效的光学跟踪和测量(点、区段以及平面之间的绝对距离和角度)。因此，本发明提供了有用、具体且明确的结果。

[0109] 本发明可应用于特定机器并且将图像数据转换成光学跟踪数据。因此，实现了所述机器或转换测试，并且所述想法不是抽象的。

[0110] 本领域技术人员容易认识到的是，用于光学跟踪的上述方法可以由一个或多个计算机程序来执行和/或控制。通常通过利用计算设备中的计算资源来执行这种计算机程序。应用被存储在非瞬态介质上。非瞬态介质的示例为非易失性存储器，例如闪存，而易失性存储器的示例为RAM。所述计算机指令由处理器来执行。这些存储器是用于存储计算机程序的示例性记录介质，所述计算机程序包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令执行根据在此所呈现的技术概念的计算机实现的方法的所有步骤。

[0111] 虽然已经描绘、描述并且已经参考具体优选实施例限定了在此所呈现的本发明，但是这种参考以及前述说明书中的实现方式的示例并不暗示对本发明的任何限制。然而，在不背离技术概念的更广泛范围的情况下，将明显的是可以对其做出各种修改和变化。所呈现的优选实施例仅是示例性的，并且并不穷尽在此所呈现的技术概念的范围。

[0112] 因而，保护范围不限于说明书中描述的优选实施例，而是仅由以下权利要求书来进行限制。