Documentación de Proyecto de Grado Ingeniería Eléctrica

264 Pages·2012·12.35 MB·Spanish

MIRA
Documentación de Proyecto de Grado
Ingeniería Eléctrica
Guillermo Carbajal
Gastón Marín
María Clara Pérez
Tutor: Álvaro Gómez
FacultaddeIngeniería
UniversidaddelaRepública
Montevideo,Uruguay
Febrero2010
MIRA
II
Agradecimentos
Anuestrasfamilias.
AlDr.RamiroLimaporelgenerosotiempobrindadoysusvaliososcomentarios.
AlpersonaldelHospitaldeTacuarembóporlabuenapredisposiciónacolaborar
mostradaentodomomento.
AlDr.ÁlvaroVillar.
Especialmente a Álvaro Gómez y Pablo Cancela por sus sabios consejos y
compañerismo.
III
MIRA Agradecimentos
IV
Tabla de Contenidos
TabladeContenidos V
ListadeFiguras XI
ListadeTablas XVII
1. Introducción 1
1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Marcodelproyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Objetivosdelproyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4. ResumendelProyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5. Organizacióndeladocumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2. CirugíaGuiadaPorImágenes 11
2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Adquisicióndeinformaciónprevioalaoperación . . . . . . . . . . 12
2.3. Localizaciónyseguimientodeinstrumentos . . . . . . . . . . . . . 12
2.4. TécnicasdeRegistrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5. Visualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.1. Representacióndelestudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2. Visualizaciónenunsistemadeguiadoporimágenes . . . . 17
2.6. Actualizacióndeinformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3. Descripcióndelosequipos 21
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2. Descripcióndelosequiposenlasaladeoperaciones . . . . . . . . 22
3.2.1. LocalizadorPolarisSpectra . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.2. Microscopios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.3. Tarjetasadquisidoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3. Descripcióndelosequiposenellaboratorio . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.1. Cámarasdellaboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
V
MIRA TabladeContenidos
4. Calibración 29
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2. Modelopinhole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3. Métodosdecalibracióndecámaras . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3.1. MétododecalibracióndeZhang . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.2. TransformaciónLinealDirecta-AlgortimoDLT . . . . . . 41
4.3.3. MétododeBouguet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5. ImplementacióndelaCalibración 47
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.1. Eleccióndelmodelopinhole . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2. Particularidadesdelacalibracióndelmicroscopio . . . . . . . . . . 48
5.3. Métodosdecalibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3.1. Primeravariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.2. Segundavariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3.3. Terceravariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4. Cronologíadelprocesodecalibración . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4.1. Sobreelmétododeevaluacióndelacalibración . . . . . . . 55
5.4.2. Primerasdecisionessobreelmodelo . . . . . . . . . . . . . 55
5.4.3. Automatizacióndelaadquisicióndedatos . . . . . . . . . . 56
5.5. Procedimientodecalibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.6. ResultadosdeCalibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.7. Evaluacióndelprocesodecalibración . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.7.1. Descripcióndelprocedimientodeevaluación . . . . . . . . 63
5.7.2. Experienciasconcámaradelaboratorio . . . . . . . . . . . 64
5.7.3. Experienciasconelmicroscopio . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.7.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6. RealidadAumentada 81
6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.1.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.1.2. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.1.3. SoftwarelibreparaRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2. CreacióndelMundoVirtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.1. Creacióndelmundo3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.2. EscenaOpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.3. Haciendoqueparezcareal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3. Alineacióndelmundovirtualconelreal . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.1. Modelosdelacámaras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.2. Correspondenciaentreambosmodelos . . . . . . . . . . . 87
VI
MIRA TabladeContenidos
7. RealidadAumentadaenelMicroscopio 91
7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2. Estadodelarte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3. Descripcióndelsistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.4. Tareasfueradesala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4.1. Colocacióndefiduciarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4.2. Realizacióndelestudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4.3. Segmentacióndelestudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4.4. Calibracióndelpuntero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.4.5. Calibracióndelpatrón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.4.6. Calibracióndelmicroscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5. Tareasdentrodesala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5.1. RegistradodelPaciente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5.2. Aplicaciónprincipal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.6. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.7. Reslicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.8. Fuentesdeerror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.9. Métodosdevalidacióndelosresultados . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.10. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.11. Trabajoparahacerenelfuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8. ReconstrucciónEstéreo 111
8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.2. Visiónestéreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.2.1. Noinvertibilidaddelprocesodeformacióndelaimagen . . 111
8.3. Descripcióndelageometríadeunparestéreo . . . . . . . . . . . . 112
8.4. Matrizesencialymatrizfundamental. . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.5. Reconstrucciónestéreoydisparidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.6. Explicacióndetalladadelprocesodereconstrucción . . . . . . . . . 118
8.7. Calibraciónestéreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.7.1. Rectificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.8. Correspondientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.9. Algunosalgoritmosparaelcálculodeladisparidad . . . . . . . . . 127
8.10. Triangulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.10.1. Disparidadyresolucióndeprofundidad . . . . . . . . . . . 131
8.11. Algoritmosutilizadosparabúsquedadecorrespondientes . . . . . . 132
9. ImplementaciónEstéreo 147
9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.2. Descripcióndedispositivosestéreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.2.1. Parestéreoconcámarasweb . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.2.2. Parestéreoconcámarasanalógicasdistintas. . . . . . . . . 149
9.2.3. ParestéreodelMicroscopiodelHospitaldeTacuarembó . . 153
9.2.4. Unasolacámara+localizadorPolaris . . . . . . . . . . . . 154
VII
MIRA TabladeContenidos
9.3. Problemasconcámarasdistintas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9.4. Reconstrucciónconunacámara+localizadorPolaris . . . . . . . . 161
9.5. Reconstruccióndelassuperficies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.6. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.7. Evaluaciónderesultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.7.1. ErrorcometidoenelEjemplo1 . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.7.2. ErrorcometidoenelEjemplo2 . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.8. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
10.IGSTK-Softwareparacirugíaguiadaporimágenes 175
10.1. IGSTK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.2. SistemadeSeguimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
10.2.1. ComunicaciónconellocalizadorPolaris . . . . . . . . . . . 179
10.2.2. Creacióndeherramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
10.3. Objetosysusrepresentaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10.4. CapturadeVideo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
10.4.1. VideoImagercomponent:unaclaseunpocomásgeneral . . 182
10.4.2. ModificacionesRealizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
10.5. Reslicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.6. Lecturadeparámetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
10.7. IntegraciónconelNeuronavegadordesarrolladoporelIIE . . . . . 189
10.7.1. Nuevaclase:igstk::ViewAR . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
11.Conclusionesytrabajoafuturo 193
11.1. Calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
11.2. Realidadaumentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
11.2.1. Trabajoparahacerenelfuturo . . . . . . . . . . . . . . . . 196
11.3. Reconstrucciónestéreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
A. Descripcióndelsoftwareimplementado 199
A.1. Libreríasutilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
A.1.1. OpenCV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
A.1.2. IGSTK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
A.2. Repositorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
A.3. Instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
A.3.1. Páginasdedescarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
A.4. Contenidodelasolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
A.4.1. AspectosgeneralesdelaSolución . . . . . . . . . . . . . . 202
A.4.2. CalibracionDamero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
A.4.3. TestCalcularH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
A.4.4. TestCalcularHvs2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
A.4.5. CalibracionConCubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
A.4.6. RegistradoCabeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
A.4.7. HelloWorld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
VIII
MIRA TabladeContenidos
A.4.8. StereoUnaCamara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
A.4.9. DisparidadyReconstruccion . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
A.4.10.EvalCalib . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
A.4.11.evalStereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
B. Calibracióndepatrones 227
C. Basesmatemáticas 233
C.1. Representacióndepuntosylíneasencoordenadashomogéneas . . . 233
C.1.1. Método de Bouguet: cálculo de la estimación inicial de los
parámetrosintrínsecos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Bibliografía 239
IX
MIRA TabladeContenidos
X