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dc.contributor.advisor Hong, Jae Seung -
dc.contributor.author Choi, Hyun Seok -
dc.date.accessioned 2017-05-10T08:50:47Z -
dc.date.available 2016-05-18T00:00:00Z -
dc.date.issued 2014 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002262561 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/1368 -
dc.description.abstract The augmented reality (AR) guidance system have been developed for image guided intervention, very intuitive and states of art technique in the surgical navigation. The microscope is preferred equipment in ENT surgery, thus we tried to apply the AR system into microscope. To use the AR in the microscope, the intrinsic parameters and hand-eye parameters should be obtained, which are essential parameters to calculate the position and orientation of microscope from the patient. Particularly, those parameters are changed according to variation of the magnification levels. Moreover, it is hard to predict the variation of those parameters due to nonlinearity of zoom lens. Therefore, we developed photogrammetric feedback system to find camera parameters accurately during a surgery. In the proposed system, camera calibration and hand-eye calibration are only performed in the low magnification level. It did not use parameter table, thus there is no need to calibrate a camera in other magnification levels. In this system, several images of calibration board are required to estimate the camera parameters when the magnification level is changed. The proposed photogrammetric feedback technique was used to find the intrinsic and hand-eye parameters in certain magnification level from the images and initial parameters which are taken from the lowest magnification level. Through the experiments, performance of the proposed technique were tested, the results showed sufficient stability and accuracy. Particularly, the proposed system are suitable to the microscope that is hard to use the inner encoder system. ⓒ 2014 DGIST -
dc.description.tableofcontents Ⅰ. INTRODUCTION 1 --
1.1 Introduction of Surgical Navigation system based on Augmented Reality 1 --
1.2 Microscopic AR systems in ENT and neurosurgery 2 --
1.3 The estimation of the variable parameters in the microscope 2 --
1.4 The proposed method 4 --
Ⅱ. Methods 5 --
2.1 The overview of surgical navigation system 5 --
2.2 The basic AR system using external tracker 7 --
2.3 Patient to image registration 8 --
2.4 camera calibration 9 --
2.4.1 Pin-hole camera model 9 --
2.4.2 Camera calibration 11 --
2.4.3 Camera calibration results 12 --
2.5 Hand-eye calibration 14 --
2.5.1 The concept of hand-eye calibration 14 --
2.5.2 Quaternion 15 --
2.5.3 Dual quaternion 15 --
2.5.4 The screw transformation with dual quaternion 16 --
2.5.5 Hand-eye calibration results 19 --
2.6 Zoom-lens camera system 21 --
2.6.1 The characteristics of the zoom lens system 21 --
2.6.2 The relationship between intrinsic and hand-eye matrix in the zoom lens 18 --
2.6.3 Initial parameters for the estimation system 23 --
2.6.4 The focal length estimation method using photogrammetric feedback 23 --
2.6.5 The optimization of the AR parameters 26 --
2.7 The evaluation method for the proposed system 29 --
2.7.1 Experimental setup for evaluation of proposed system 29 --
2.7.2 Evaluation of the initial parameters 30 --
2.7.3 Evaluation of feedback system and estimated AR parameters 30 --
2.8 Rendering system 31 --
2.8.1 The configuration of real and virtual space 31 --
2.8.2 The graphic display of AR system 32 --
2.9 Software system 34 --
Ⅲ. Results and discussion 36 --
3.1 The evaluation of the initial parameters 36 --
3.1.1 The vision area of the camera 36 --
3.1.2 The re-projection errors of conventional method 37 --
3.2 The results of the estimated AR parameters 38 --
3.3 The phantom study 40 --
Ⅳ. Conclusions 41
-
dc.format.extent 41 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject Augmented reality -
dc.subject Surgical navigation -
dc.subject Microscope -
dc.subject Photogrammetric feedback -
dc.subject 현미경 -
dc.subject 캘리브레이션 -
dc.subject 증강현실 -
dc.subject 수술 내비게이션 -
dc.title Zoom Lens Calibration for Microscopic based Augmented Reality -
dc.title.alternative 현미경에서의 증강현실 구현을 위한 줌-렌즈 캘리브레이션 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.2262561 -
dc.description.alternativeAbstract 수술용 증강현실 시스템은, 가상의 장기를 환자의 실제 장기에 겹쳐서 표시할 수 있게 해 준다. 그러므로 증강현실 시스템을 이용하면 체내에 있는 장기들의 위치를 직관적으로 파악할 수 있을 뿐만 아니라 목표로 하는 장기를 주변 장기들과 뚜렷하게 구별할 수 있다. 증강현실은 이비인후과 수술에도 많이 사용되며 다수의 수술에서 주로 현미경을 사용하므로, 현미경을 통해 증강현실을 구현할 수 있는 방법을 알아보았다. 특히 현미경에서는 배율에 따라 렌즈의 파라미터가 변화하므로 증강현실을 구현하기 위해서는 각각의 배율에 해당하는 렌즈의 파라미터를 예측할 수 있어야 한다. 현미경 렌즈의 파라미터를 알아내기 위해 현재까지 많은 캘리브레이션 방법이 개발되어 왔으나, 대부분의 캘리브레이션 방법은 원근 투영변환을 기반으로 한 파라미터 계산법을 사용한다. 하지만 현미경 등에서 사용되는 고 배율 줌렌즈에서는 배율이 커질수록 원근감이 없어지며, 직교투영 효과가 뚜렷하게 나타난다. 이러한 고 배율에서 기존의 캘리브레이션 방법을 사용하게 되면 카메라 캘리브레이션이 불가능하거나 많은 오차가 발생하게 된다. 따라서 우리는 현미경의 투영모델 변화에 영향을 받지 않는 파라미터 예측 알고리즘을 개발하였다. 우리는 먼저 배율의 변화에 따른 파라미터들의 상호 변환관계를 찾아내었으며 이를 기반으로 한 피드백 방식의 파라미터 예측기법을 개발하였다. 현미경의 배율이 바뀔 경우 체스보드를 현미경 앞에 두고, 현미경을 통해 얻어지는 체스보드의 실제 면적과, 파라미터 추정 알고리즘을 통해 얻어진 가상의 체스보드의 면적을 비교하여 추정된 파라미터의 오차를 좁혀 나갔으며 그 후 최적화 기법을 이용하여 추정된 모든 파라미터들의 정확도를 향상시켰다. 우리는 실험을 통하여 제안한 기법의 정확도와 안정성을 평가하였다. 실험에서, 현미경의 배율을 8단계로 나누어 각각의 배율에 따른 정확도를 평가하였으며, 모든 배율에 대해서 1mm 미만의 오차를 보여주었다. 기존의 방법들과 비교하였을 때 평균 이상의 높은 정확도를 보여주었으며 안정성 또한 뛰어났다. 특히 우리가 제안한 방법은 현미경의 엔코더를 이용하지 않으므로 어떠한 형태의 현미경에서도 사용이 가능하며, 파라미터 테이블 등을 만들 필요가 없어서 사용하기도 간편하다. ⓒ 2014 DGIST -
dc.description.degree Master -
dc.contributor.department Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Kim, Min Young -
dc.date.awarded 2014. 2 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.date.accepted 2016-05-18 -
dc.contributor.alternativeDepartment 대학원 로봇공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Choi, Hyun Seok -
dc.contributor.affiliatedAuthor Hong, Jae Seung -
dc.contributor.alternativeName 최현석 -
dc.contributor.alternativeName 홍재승 -
dc.contributor.alternativeName 김민영 -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Master

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