发明内容

本发明的目标是提供一种改进的非触觉配准方法和一种改进的配准装置。

关于配准方法，此目标是通过用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的配准方法来实现的，其中所述方法包括以下步骤

-利用包括至少一个运动传感器和/或至少一个位置传感器的图像传感器单元捕获对象的表面的图像，

-通过处理由所述运动传感器提供的运动传感器信号和/或由所述位置传感器提供的位置信号来确定所述图像传感器单元的捕获位置，

-从所捕获的图像以摄影测量生成所述对象的表面模型，以及

-将以摄影测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中。

在本说明书的框架内，术语“捕获位置”是指图像传感器单元在捕获对象的图像时的位置。例如，术语“捕获位置”是指在捕获图像时作为图像传感器单元的一部分的相机的入射光瞳(entrance pupil)的位置。

在这些步骤中，步骤“利用图像传感器单元捕获对象的表面的图像”、“确定图像传感器单元的捕获位置”和“从所捕获的图像以摄影测量生成对象的表面模型”的顺序无关紧要。因此，可以首先拍摄对象的表面的图像，并且仅在之后确定图像传感器单元的捕获位置。甚至可以在以摄影测量生成对象的表面模型之后确定图像传感器单元的捕获位置。然而，需要图像传感器单元的捕获位置，以便将以摄影测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中。下文将更详细地解释这一点。

本发明包括这样的认识：一般来说，非触觉配准方法具有以下优点：可避免在借助于指针仪器的已知配准方法的情况下由于例如患者的柔软皮肤在与指针仪器接触期间可能变形而出现的问题。此外，由于表面模型的光学生成允许同时检测身体部位或对象的表面的较大部分，因此也可以更快速地且同时更准确地执行配准。

当捕获表面的图像时，优选的是将图像传感器单元布置在距对象的表面的足够距离处。这通常意味着电磁位置检测系统的电磁场在图像传感器单元的捕获位置处太弱，而不允许借助于电磁位置检测系统确定图像传感器单元的位置。

确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的一般构思可以描述如下：

优选地，由图像传感器单元以摄影测量生成对象的表面模型。表面模型可以由点云表示，其中点云的点的坐标在表面模型的坐标系中定义。表面模型的坐标系是图像传感器单元的固有坐标系，或更准确地是图像传感器单元中包括的相机的固有坐标系。优选地，表面模型的坐标系被定义为使得其原点在图像传感器单元的相机的入射光瞳的位置处。

表示对象的表面的点云的点在表面模型的坐标系和位置检测系统的坐标系两者中均具有坐标。

通过从所捕获的图像以摄影测量生成表面模型，首先在表面模型的坐标系中获得点云的点的坐标。可以通过变换获得表示点云的这些点在位置检测系统的坐标系中的坐标。

为了执行此类变换，变换函数可用于将表面模型的坐标系中定义的点云的点的相应坐标变换成位置检测系统的坐标系中的坐标。变换函数可以包括变换矩阵或者可以由变换矩阵表示。

为了获得用于将图像传感器单元的坐标系的坐标变换成位置检测系统的坐标系的坐标的变换函数，需要图像传感器单元在捕获图像的时刻的位置和取向。这是因为图像传感器单元的坐标系在图像传感器单元上居中，特别是在图像传感器单元的入射光瞳上居中。

就位置检测系统的坐标而言，图像传感器单元的位置(即捕获位置)可通过布置在图像传感器单元上的传感器(例如，运动传感器或位置传感器)获得。通常，此类传感器相对于图像传感器单元的入射光瞳具有偏移。因此，以捕获位置为其原点的图像传感器单元的坐标系与运动传感器和/或位置传感器的坐标系具有偏移，其中捕获位置的坐标由非平凡矢量(non-trivial vector)限定。这种偏移(即矢量)可以通过校准来确定，并且可以通过图像传感器单元的坐标系的坐标或通过布置在图像传感器单元上的传感器的传感器的坐标系的坐标来表示。因此，借助于校准，可以确定捕获位置在运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标。然后，图像传感器单元的坐标系可以以其原点(即表面模型的坐标系中的捕获位置)“附着”到捕获位置在运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标。

因此，在表面模型的坐标系中表示表面模型的点云的点的坐标可以经由运动传感器或位置传感器的坐标系变换到位置检测系统的坐标系中。

在下文中描述了根据本发明的配准方法的优选变体。

如果图像传感器单元包括位置传感器，则可以通过检测位置传感器的位置和取向来确定图像传感器单元的平移和旋转。因此，可以在位置检测系统的坐标系中直接确定捕获位置在位置传感器的坐标系中的坐标及其取向。可以根据位置传感器的坐标系的取向确定图像传感器单元的旋转。

如果图像传感器单元仅包括运动传感器(且不包括位置传感器)，则可以间接地确定图像传感器单元相对于位置检测系统的平移和旋转。使得能够间接确定图像传感器单元的位置和取向的一种方式是使图像传感器单元沿着路径从在位置检测系统的坐标系中已知坐标的位置移动或移动到所述位置。运动传感器的路径上的点可以与位置检测系统的坐标系中的该已知位置相互关联。因此，可以通过检测运动传感器的坐标系相对于位置检测系统的坐标系的位置和取向来确定图像传感器单元的平移和旋转。因此，可以确定运动传感器的坐标系相对于位置检测系统的坐标系的位置和取向。通过将运动传感器校准到入射光瞳的位置，可以确定捕获位置在运动传感器坐标系中的坐标。由此可以确定捕获位置在检测系统的坐标系中的坐标。

运动传感器和/或位置传感器的坐标系与表面模型的坐标系具有固定关系，因为图像传感器单元的相机与布置在图像传感器单元上的运动传感器和/或位置传感器之间的相对距离和取向保持恒定。因此，可以确定校准矢量，该校准矢量表示表面模型的坐标系与运动传感器和/或位置传感器的坐标系之间的偏移。这可以通过将相机(例如，相机的入射光瞳的位置)校准到运动传感器和/或位置传感器来完成。校准可包括确定表面模型的坐标系与运动传感器或位置传感器的坐标系之间的变换函数。由此可以确定捕获位置在运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的相应坐标。

特别地，如果图像传感器单元相对靠近位置检测系统定位，则可以通过使用附接到图像传感器单元的位置传感器来确定捕获位置，其可以与位置检测系统一起定位以定位图像传感器单元的位置和取向。在将位置传感器校准到图像传感器单元的入射光瞳的位置之后，可以将位置传感器的坐标系中确定的捕获位置的坐标变换到位置检测系统的坐标系中。在这些实施例中，可以使用电磁或光学位置检测系统直接跟踪图像传感器单元的位置和取向。然而，仅使用位置传感器来确定图像传感器单元的捕获位置不允许确定电磁位置检测系统的电磁场太弱(即，在位置检测系统的工作空间外部)的捕获位置。

因此，在图像传感器单元包括位置传感器的这些实施例的一些实施例中，图像传感器单元还包括运动传感器是有益的。如果图像传感器单元包括位置传感器和运动传感器两者，则位置传感器可用于例如确定用户所选路径的起始位置，图像传感器单元沿着所述用户所选路径移动。然后，可以使用位置传感器或运动传感器或这两个传感器跟踪图像传感器单元移动所沿的路径。

替代地或另外，还可以通过使用位置传感器检测与图像传感器单元分开定位的位置检测系统的坐标系中的位置和取向来确定捕获位置。此类参考位置传感器可附接到对象本身或放置在与对象的相对距离处，使得当捕获对象的图像时，参考位置传感器在该图像中与对象一起可见。参考位置传感器接着在该图像中提供对位置检测系统的坐标系中的坐标的参考，从而允许将表面模型上的点与位置检测系统的坐标系中的坐标相互关联。由此，表面模型的任何点的坐标可变换成位置检测系统的坐标系中的相应坐标。此方法还可以与配准方法的实施例组合，其中图像传感器单元包括位置传感器和/或运动传感器。

替代地或另外，还可以通过将图像传感器单元固定到例如由在位置检测系统的坐标系中已知的图像传感器单元保持器的位置限定的预定义位置来确定捕获位置。预定义位置也可以通过将图像传感器单元直接安装到电磁位置检测系统的场发生器来定义。在将图像传感器单元固定到在位置检测系统的坐标系中已知坐标的预定义位置的情况下，可以捕获图像。捕获位置接着可校准到预定义位置，例如，包括在保持器中的位置传感器的位置。然后可以确定捕获位置在位置检测系统的坐标系中的坐标。固定到预定义位置的图像传感器单元还可以包括位置传感器和/或运动传感器本身。还可以捕获图像，使得附接到对象或相对于对象放置的参考位置传感器在所捕获的图像上与对象一起可见。

在根据本发明的配准方法的各种实施例中，并且特别还在图像传感器单元包括位置传感器的配准的此类实施例中，所述配准方法可包括以下步骤

-提供至少一个图像传感器单元，所述至少一个图像传感器单元包括用于独立于所述位置检测系统检测随时间推移的线性加速度和/或转速的至少一个运动传感器。

在图像传感器单元包括运动传感器的这些各种实施例中的一些实施例中，“确定图像传感器单元的捕获位置”的步骤包括以下子步骤

-相对于位置检测系统沿着空间路径移动图像传感器单元，

-通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录图像传感器单元的所述路径，

-将所述确定的路径的至少一个点与所述位置检测系统的坐标系中的坐标相关，以及

-基于所述确定的路径以及所述确定的路径上的至少一个点与所述坐标的已知空间关系确定图像传感器单元的捕获位置。

这些子步骤指的是在相对于位置检测系统移动所述图像传感器单元时确定图像传感器单元的位置。可以在捕获图像之前或在已捕获图像之后执行这些子步骤。

可以由用户选择图像传感器单元移动所沿的路径，即，不需要沿着某一预定路径。

将所述确定的路径的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的坐标相关，以及基于所述确定的路径以及所述确定的路径上的至少一个点与所述坐标的已知空间关系来确定图像传感器单元捕获对象的图像的捕获位置的子步骤用于确定所记录的路径在位置检测系统的坐标系中的位置和取向。具体地说，将所述确定的路径的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的坐标相关的子步骤独立于是否已捕获图像而起作用。因此，可以在不捕获图像或在已捕获图像之前记录图像传感器单元的路径。然而，为了确定捕获位置，特别是在位置检测系统的坐标系中的捕获位置，需要确定图像传感器单元已移动到捕获位置或远离捕获位置移动所沿的路径，并且所确定的路径上的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的坐标的空间关系是已知的。

将所述确定的路径的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的坐标相关可以以各种方式实现。例如，可以通过沿着路径从位置检测系统的坐标系中的已知位置移动图像传感器单元或将使图像传感器单元移动到所述已知位置来建立所述路径的一个点与坐标系的坐标之间的空间关系。一旦图像传感器单元到达位置检测系统的坐标系中的具有已知坐标的位置，建立位置检测系统的坐标系中的坐标与所述确定的路径的至少一个点之间的已知空间关系。当处于已知位置时，运动传感器可以被复位。

从至少一个所捕获的图像以摄影测量生成对象的表面模型的步骤仅需要已捕获图像，且可在图像已被捕获之后的任何时间执行。

在图像传感器单元包括运动传感器的各种实施例中，也在图像传感器单元包括附加位置传感器的配准方法的其它变体中，“将以摄影测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系”的步骤包括以下子步骤

-通过校准，将所生成的表面模型的至少一个点与所述运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标相关。

对于摄影测量来说，相机的入射光瞳(也称为前节点)通常被选择为表面模型的摄影测量生成的参考。图像传感器单元的入射光瞳与图像传感器单元中包括的运动传感器和/或位置传感器具有固定的相对距离和取向。这导致图像传感器单元的坐标系与传感器的坐标系之间的偏移。此偏移可通过校准来确定。

捕获位置，例如入射光瞳的位置，优选地设置为图像传感器单元的坐标系的原点。通过确定图像传感器单元与位置或运动传感器之间的偏移，可以确定运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的捕获位置。

由此，最初由图像传感器单元的坐标系中的坐标定义的所生成的表面模型的点可以与传感器的坐标系中的相应坐标相关，并且继而与位置检测系统的坐标系中的相应坐标相关。

该子步骤要求已生成表面模型且因此已捕获图像。可以在已生成表面模型之后的任何时间执行该子步骤。

优选地，将所生成的表面模型的至少一个点与运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标相关的此子步骤包括

-通过校准确定变换函数，所述变换函数用于所述运动传感器的坐标系和/或位置传感器的坐标系与所述图像传感器单元的坐标系之间的坐标的变换，并且

-分别在所述运动传感器和/或所述位置传感器的坐标系中确定所述图像传感器单元的捕获位置的坐标。

因此，获得捕获位置在运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标。当运动传感器和/或位置传感器并且因此传感器的坐标系相对于位置检测系统的坐标系的位置和取向已知(或可以被确定)时，也可以确定捕获位置在位置检测系统的坐标系中的坐标。通过使用变换函数，在表面模型的(图像传感器单元的)坐标系中以摄影测量生成的表面模型的坐标可以变换到位置检测系统的坐标系中。

特别地，利用根据图像传感器单元包括运动传感器的各种实施例的配准方法，可以克服当前非触觉配准方法的限制。例如，如在US 9208561 B2中所述的非触觉配准方法需要用于检测位置检测系统的坐标系中的位置和取向的位置传感器联接到图像传感器单元或组成图像传感器单元。借助于位置传感器，可以直接在位置检测系统的坐标系中确定图像传感器单元的位置和取向。

本发明包括另一认识：图像传感器单元联接到位置传感器或包括位置传感器的这种当前非触觉配准方法仅在位置传感器实际上能够由位置检测系统可靠地检测时才起作用。因此，此类非触觉配准方法的应用通常限于位置检测系统的工作空间。位置检测系统的工作空间是例如位置检测系统的光或电磁场具有某一场强且足够均匀以可靠地确定位置传感器的位置和取向的空间。然而，如果联接到位置传感器或包括位置传感器的图像传感器单元与位置检测系统有一定距离(在此，位置检测系统的光或电磁场的工作空间相当弱或工作空间相当不均匀)，则当前非触觉配准方法预期将丧失准确性，并且可能不再以可靠方式应用。

使用根据图像传感器单元包括至少一个运动传感器的各种实施例的配准方法，不需要图像传感器单元本身包括位置传感器或联接到位置传感器。利用运动传感器或优选地包括若干运动传感器的运动传感器布置(例如由加速度计或陀螺仪或还有磁力计组成的惯性传感器)，可以检测移动体的线性加速度和转速。运动传感器提供运动传感器信号，该运动传感器信号表示随时间推移检测到的线性加速度和转速。运动传感器信号可以例如由跟踪单元处理，例如整合，从而确定图像传感器单元移动所沿的路径。图像传感器单元相对于位置检测系统移动所沿的路径包括随时间推移的位置序列。特别地，此路径是相对于位置检测系统自由选择的路径。借助于运动传感器对图像传感器单元的移动的跟踪独立于位置检测系统工作。

尽管运动传感器独立于位置检测系统工作，但是特别地，使用根据图像传感器单元包括至少一个运动传感器的各种实施例的非触觉配准方法，仍可以确定对象相对于位置检测系统的位置和取向。这是因为通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录图像传感器单元移动所沿的路径，并且因为所述确定的路径的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的坐标有关。因此，对于所确定的路径的至少一个点，可以确定位置检测系统的坐标系中的坐标。为了确定对象相对于位置检测系统的位置和取向，具体而言，需要在位置检测系统的坐标系内确定图像传感器单元捕获对象的图像的捕获位置。当在位置检测系统的坐标系中确定包括运动传感器的图像传感器单元的捕获位置时，至少图像传感器单元的所确定的路径和所确定的路径上的至少一个点与所述坐标的已知空间关系必须是已知的。

此外，运动传感器的位置或在传感器布置的情况下运动传感器必须校准到图像传感器单元的相机的入射光瞳。如果图像传感器单元包括多于一个相机或者如果一个相机包括多于一个入射光瞳，若干入射光瞳必须彼此校准且校准到一个或多个运动传感器。如果图像传感器单元中还包括如同一个或多个位置传感器的另外传感器，则入射光瞳也必须校准到这些位置传感器。校准是指确定用于两个元件(例如入射光瞳和/或传感器)的坐标系之间的变换的变换函数。这些变换函数通常必须确定一次，因为相应入射光瞳和/或传感器之间的相对距离和取向在它们已经安装在例如图像传感器单元中之后不会改变。

在这方面已经强调，图像传感器单元优选地包括3-D相机，例如光学立体相机或光学多相机或飞行时间相机。

从捕获位置处捕获的图像，以摄影测量生成表面模型。然后，通过校准将此表面模型的点与运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标相关。这可包括确定变换函数，所述变换函数用于将运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标变换成表面模型的坐标系中的对应坐标。

在校准之后，可以将表面模型的坐标系中限定的表面模型上的点分配给位置检测系统的坐标系中的坐标。特别地，可以将表面模型的坐标系中定义的表面模型上的点分配给位置检测系统的坐标系中的与所述路径上的至少一个点具有已知空间关系的坐标。可以通过从位置检测系统的坐标系中已知的位置移动图像传感器单元或将图像传感器单元移动到所述位置来建立这种空间关系。在校准之后，可以将所生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系，并且因此配准到该坐标系。

使用根据本发明的非触觉配准方法，并且具体地，使用根据图像传感器单元包括运动传感器的各种实施例的配准方法，可以以高精度确定对象相对于位置检测系统的位置和取向。此外，可以相对容易且快速地，并且(特别是关于图像传感器单元包括运动传感器的各种实施例)在不受位置检测系统的工作空间的空间限制的情况下执行配准方法。因此，配准方法的特定优点是，图像传感器单元可以相对自由地且独立于位置检测系统的工作空间移动，同时仍可以可靠方式确定对象相对于位置检测系统的位置和取向。因此，这允许在最合适的捕获位置处捕获对象的图像。通常，最合适的捕获位置可以位于位置检测系统的工作空间之外，并且现在可以可靠地接近。

优选地，将相机的入射光瞳的位置校准到包含在图像传感器单元中的传感器的位置。由于可以确定传感器相对于位置检测系统的位置和取向，因此可以将捕获位置在图像传感器单元的坐标系中的坐标变换到位置检测系统的坐标系中。

传感器在捕获图像时的位置可以是路径的起点或终点，但也可以对应于位于轨迹的起点与终点之间的路径上的任何其它点。

所述确定的路径上的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的所述坐标的已知空间关系可以是从所述确定的路径上的至少一个点到位置检测系统的坐标系中的所述坐标的相对距离。优选地，位置检测系统的坐标系中的所述坐标是先前已知的或在移动图像传感器单元之前定义的。例如，如果图像传感器单元从位置检测系统的坐标系中已知的位置移动或移动到所述位置，则位置检测系统的坐标系中的坐标与所述确定的路径的至少一个点之间的已知空间关系建立。根据这种已知空间关系和路径相对于位置检测系统的已知取向，所记录的路径上的任何其它点可以变换到位置检测系统的坐标系中。

优选地，通过将所述确定的路径的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的坐标相关，获得从所述路径的至少一个点到位置检测系统的坐标系中的坐标的相对距离以及所述路径在位置检测系统的坐标系中的取向。在一些实施例中，这需要将所述确定的路径的至少两个点分别与位置检测系统的坐标系中的不同坐标相关。根据所确定的路径的至少一个点到位置检测系统的坐标系中的坐标的相对距离以及路径在位置检测系统的坐标系中的取向，可以在位置检测系统的坐标系中确定路径上的任何点的相对距离，特别是传感器在捕获图像时的位置。

可以用不同的位置检测系统，例如光学、电磁或基于超声的位置检测系统执行根据本发明的配准方法。然而，优选地，根据本发明的配准方法用电磁位置检测系统执行。

与路径上的至少一个点具有已知空间关系的坐标可以由例如位置检测系统本身的场发生器或光源的位置限定。例如，场发生器的位置可以被认为是由电磁位置检测系统跨越的坐标系的原点。与路径上的至少一个点具有已知空间关系的坐标也可以由位于相对于场发生器或光源一定距离，例如位于固定位置处的位置传感器的位置限定。此类位置传感器可附接到对象。位置传感器也可包括在用于图像传感器单元的图像传感器单元保持器中。与路径上的至少一个点具有已知空间关系的坐标，位置传感器包括在触摸点中。图像传感器单元可以移动到触摸点并与其接触。当沿着路径移动图像传感器单元远离触摸点时，路径上的每个点可优选地与触摸点相互关联，且具体地与触摸点的位置传感器相互关联。如果图像传感器单元本身包括位置传感器，则与路径上的至少一个点具有已知空间关系的坐标也可以由在位置检测系统的坐标系内检测到的位置传感器以及因此图像传感器单元的特定位置或记录的路径限定。例如，如果图像传感器单元本身另外包括用于检测位置检测系统的坐标系中的位置和取向的位置传感器，则位置传感器的任意位置可以被限定为与路径上的至少一个点具有已知空间关系的坐标。从该坐标开始，图像传感器单元可以沿着路径移动，通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录所述路径。

可以由图像传感器单元或者替代地由作为相应配准装置的一部分的位置确定单元计算从至少一个所捕获的图像以摄影测量生成的对象的表面模型。

对象(从其捕获图像)可以是患者的身体部位，例如患者的面部。

在图像传感器单元包括运动传感器的各种实施例中的一些实施例中，图像传感器单元沿着一路径移动，该路径在位置检测系统的坐标系中已知的位置的所述坐标处开始，并在传感器捕获图像的位置处结束。优选地，接着基于所记录的路径和至少路径的起点与所述坐标的已知空间关系，在位置检测系统的坐标系中确定传感器捕获图像的位置。

位置检测系统的坐标系中的图像传感器单元开始移动的坐标位于位置检测系统的工作空间内。可以移动图像传感器单元远离该已知位置甚至到工作空间外部的位置。因为图像传感器单元移动所沿的路径在已知起始位置处开始，所以如果已知位置检测系统的坐标系中的路径的取向，则可以计算从所述路径上的任何点到已知起始位置的相对距离。这意味着可以在位置检测系统的坐标系中确定路径上的任何点，特别是相对于位置检测系统的捕获图像的任何传感器位置，该位置位于此路径上。路径的一部分可以位于工作空间之外，并且仍然因为通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录路径，所以也可以在位置检测系统的坐标系中确定位于工作空间之外的路径上的任何点。特别地，仍然可以在位置检测系统的坐标系中确定也位于位置检测系统的工作空间之外的捕获位置。

在图像传感器单元包括运动传感器的各种实施例的一些替代实施例中，图像传感器单元移动所沿的路径在捕获位置处开始，并且在位置检测系统的坐标系中的所述已知坐标处结束，并且在图像已被捕获之后，沿着此路径移动图像传感器单元。优选地，接着基于所记录的路径和至少所述路径的终点与所述坐标的已知空间关系在位置检测系统的坐标系中确定捕获位置。

在这些替代实施例中，与先前描述的实施例相比，移动图像传感器单元和捕获图像的步骤是反向时序，其中图像传感器单元沿着一路径移动，所述路径在位置检测系统的坐标系的所述坐标处开始且在捕获位置处结束。先前描述的实施例和这些替代实施例均可产生相同结果。

在图像传感器单元也包括运动传感器的各种实施例的这些替代实施例中，捕获位置可以位于位置检测系统的工作空间之外。但是，当通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录从捕获位置到位置检测系统的坐标系中描绘此路径的终点的所述坐标的路径时，如果位置检测系统的坐标系中的路径的取向是已知的，则可以在已捕获图像之后基于运动传感器信号计算从任何点并且具体地从捕获位置到终点的相对距离。

通过将图像传感器单元移动到位置检测系统的坐标系中的已知位置或从所述已知位置移动图像传感器单元，位置检测系统的坐标系与运动传感器的移动路径之间的空间关系建立。一般来说，在图像传感器单元包括运动传感器的实施例中，捕获图像的捕获位置可以仅基于位置检测系统的坐标系中的坐标与通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号记录的路径上的点之间的已知空间关系来确定。在这种情况下，不需要位置传感器来确定捕获位置。特别地，可以通过沿着路径将图像传感器单元从捕获位置移动到位置检测系统的坐标系中位置已知的终点，或通过沿着路径将图像传感器单元从位置检测系统的坐标系中位置已知的起点移动到捕获位置来实现所需的空间关系。

根据本发明的配准方法还可以包括以下步骤：在捕获图像时检测对象的移动，并且借助于位置传感器提供表示所检测的移动以及时间戳的移动信号，以检测布置在对象上的位置检测系统的坐标系中的位置和取向。如果在捕获图像期间检测到对象的移动，则可以触发警报信号以向用户发出在捕获图像时对象已移动的信号。

用于实现此步骤的合适位置传感器可以被配置成提供表示所检测的移动以及时间戳的传感器信号。传感器信号可例如传递到配准装置的位置确定单元。位置确定单元可以被配置成通过将所检测的移动作为校正值应用于与相应传感器信号具有相同时间戳的图像传感器单元的位置，使用传感器信号来补偿在图像捕获期间检测到的对象的移动。由此，可使用校正的捕获位置将所生成的表面模型的至少一个点与运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标相关。

特别地，在图像传感器单元不包括用于检测位置检测单元的坐标系中的位置和取向的位置传感器的这些实施例中，或者在图像传感器单元位于位置检测系统的工作空间外部的实施例中，优选地仅通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录图像传感器单元移动所沿的路径。

然而，如果图像传感器单元还包括可选的位置传感器，则所述配准方法可包括检测组成图像传感器单元的位置传感器在位置检测系统的坐标系中的位置和取向的步骤。可以从位置传感器的所确定的位置和取向，计算图像传感器单元在所述位置检测系统的坐标系中的位置和取向。

如果图像传感器单元包括运动传感器和位置传感器，优选地，通过检测位置传感器的位置和取向，将路径(图像传感器单元移动所沿的并且通过处理运动传感器信号来记录的路径)的起点或终点确定为位置检测系统的坐标系中的坐标。由此，路径上的任何点以及具体地传感器捕获图像的位置在空间上可以与位置检测系统的坐标系中的坐标已知的位置相互关联。

如果图像传感器单元还包括位置传感器，则可以在位置检测系统的坐标系中直接用位置传感器跟踪图像传感器单元的位置和取向。因此，只要包括位置传感器的图像传感器单元在位置检测系统的工作空间内移动，就可以在位置检测系统的坐标系内直接确定图像传感器单元的位置和取向。此外，可以通过确定位置传感器的位置和取向，在位置检测系统的坐标系中直接确定由运动传感器跟踪的轨迹的起点。可以在位置检测系统的坐标系内确定轨迹的起点的事实可以例如在显示器上或以声学方式向用户发信号。另外，可以通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号和表示由位置传感器提供的位置值的位置信号两者来记录或跟踪图像传感器单元移动所沿的路径。例如，为了记录图像传感器的路径，如果运动传感器在某些情况下接管位置传感器或支持位置传感器，或可用于校正位置传感器提供的位置值，则是有益的。

只要图像传感器单元在位置检测系统的工作空间内移动，就可以基于由运动传感器提供的运动传感器信号和表示由位置传感器提供的位置值的位置信号两者来确定对象相对于位置检测系统的位置和取向。

如果处理运动传感器信号和位置信号两者包括比较两个信号以提高记录图像传感器单元移动所沿的路径的准确性，则是有益的。

如果图像传感器单元在工作空间之外移动，则位置传感器停止提供可靠的位置值。然而，还在离开工作空间时，仍可以通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号以可靠方式记录图像传感器单元的路径。例如，运动传感器可以从位置传感器接管路径的跟踪。由此，图像传感器单元可在其中移动以便确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的空间相对于位置检测系统的工作空间增大。这允许捕获在最合适位置处的对象的图像，所述最合适位置通常可能位于位置检测系统的工作空间之外。

根据本发明的配准方法还可以包括以下步骤：捕获对象以及相对于对象定位的参考位置传感器的图像；以及从所捕获的图像以摄影测量生成表面模型与参考位置传感器，使得可确定参考位置传感器在以摄影测量生成的表面模型的坐标系中的位置，同时根据位置检测系统的坐标系的坐标提供位置信息。参考位置传感器因此可提供校准的基准点。此类参考位置传感器可另外用于附接到对象的位置传感器。同样，参考位置传感器可用于定义与路径上的点具有已知空间关系的坐标。特别地，如果位置传感器不附接到对象上并且图像传感器单元中也不包括位置传感器，则捕获图像使得该图像显示参考位置传感器以及对象可以是有利的，使得参考位置传感器可在以摄影测量生成的表面模型的坐标系中识别。然后，参考位置传感器在对象的表面模型的坐标系中以摄影测量生成，并且提供在位置检测系统的坐标系内先前已知的另一参考位置。因此，可以改进配准准确性。

此外，如果

-参考位置传感器相对于对象定位，并且

-在表面模型的坐标系中以摄影测量生成参考位置传感器的位置，

则根据位置检测系统的坐标系的坐标提供的位置信息可用于在已将表面模型变换到位置检测系统的坐标系之后，通过计算基于经处理的运动传感器信号和/或位置信号的所述确定的位置与所述参考位置传感器在位置检测系统的坐标系中的位置的偏差，验证基于经处理的运动传感器信号和/或位置信号的所生成的表面模型在位置检测系统的坐标系中的确定的位置。

优选地，图像传感器单元的成像特性是事先已知的。

尽管图像传感器单元优选地包括3-D相机，但在一些实施例中，如果图像传感器单元包括单焦图像传感器则是有益的。如果图像传感器单元包括单焦图像传感器，优选地，在配准方法中，在移动单焦图像传感器的同时，分别在位于轨迹上的不同捕获位置处捕获对象的多个图像。因此，特别地，如果图像传感器单元包括单焦图像传感器，则图像传感器单元优选地在不同捕获位置处捕获对象的表面的多个图像时移动。例如，可以在配准过程期间在待检测的对象的表面上连续地引导图像传感器单元。此处，记录图像传感器单元相对于对象(更准确地：相对于位置检测系统)的相对位置-即图像传感器单元的位置-以及以摄影测量检测到的信息(即，大体上，光学检测到的图像数据表示所捕获的图像)。

有利地，可以以这样的方式执行连续配准，即不再需要相对于对象静止的参考位置传感器。相反，运动传感器或(如果另外存在)组成图像传感器单元的位置传感器将在相应时间承担所述功能。

优选地，将由例如运动传感器信号和/或位置值表示的位置信息以及光学检测到的图像数据馈送到迭代算法。此算法检测光学检测到的图像数据中(例如，单个图像中)的对象(边缘、线、圆等)，并且还能够在各种单个图像上使所述对象彼此相互关联。因此，产生由包括单焦图像传感的图像传感器单元从不同观察方向和观察位置记录的对象的列表。

优选地，随后使用能够从这些数据确定对象的空间位置的另一算法。在包括单焦图像传感器的图像传感器单元的情况下，一定已经从至少两个不同的观察方向和观察位置记录对象。然后，可以通过三角测量来确定对象位置。

如果确定了足够数量的对象及其位置，则可以执行常规表面配准。

虽然在一些情况下，使用单焦图像传感器单元是有益的，但在许多其它情况下，可以通过使用优选的3-D相机作为图像传感器单元来改进配准方法。利用3-D相机，可以从一开始就三维地记录待检测的表面。如在图像传感器单元包括如上所述的单焦图像传感器的情况下所需的，从二维图像数据重建表面形式则变得多余。已知的3-D相机借助于正测量的红外光脉冲的传播时间来记录三维表面形式。由于对象的表面上的各个点与图像传感器单元的红外光源并且还与其红外图像传感器具有不同距离，这导致光源与图像传感器之间的不同长度的脉冲传播时间。这些脉冲传播时间(或相移)包含与图像传感器单元和对象的表面上的相应点之间的距离有关的信息。这种类型的记录也称为TOF(飞行时间)过程。

图像传感器单元也可以实现为以三维方式记录待检测的对象的表面的光学立体相机或光学多相机。光学立体相机可以由安装在固定已知基部上的两个或更多个相机的相机组件实现。如果图像传感器单元包括多于一个入射光瞳，则入射光瞳优选地彼此校准。

优选地使用天然照明，即原位存在的照明来执行表面的摄影测量检测。

然而，在一些情况下，将图案投射到对象的表面上，同时捕获图像以产生对象的表面的增强图像记录可能是有益的。

在此类情况下，配准方法优选地包括以下步骤：在捕获图像时，将图像传感器单元可检测的图案投射到对象的表面上。

为了将图案投射到对象上，图像传感器单元可以(优选地以刚性方式)连接到配准装置的图案投影仪。图像传感器单元与图案投影仪之间的相对位置以及图案投影仪的成像特性优选地是事先已知的。替代地，图案投影仪还可以以这样的方式连接(优选地以刚性方式连接)到运动传感器和/或位置传感器，使得图像传感器单元与图案投影仪之间的相对位置可以始终根据分别由图案投影仪的运动传感器和/或位置传感器提供的运动传感器信号和/或位置值以及由图像传感器单元的运动传感器提供的运动传感器信号来确定。然后，图案投影仪可以有利地独立于图像传感器单元移动，使得图像传感器单元能够在每种情况下以良好可评估的图案畸变记录特别有意义的单个图像。

图案投影仪可用于将尺寸已知的人工结构(图案，例如条带图案)投射到图像传感器单元的捕获区域中的目标表面上。投射到表面上的图案可由图像传感器单元光学检测，使得显示投射到表面上的图案的单个图像出现，其中，由表面的形状引起图案的畸变。可以基于图案的畸变在每个单个图像中建立三维表面。也就是说，可以通过使用重叠区域组合单个图像的三维部分表面来确定总表面。然后可以将该总表面与常规表面配准一起使用。

图案投影仪可以被配置成使用红外光或紫外光投射图案。在这种情况下，图像传感器单元优选地配备有红外敏感或紫外敏感图像传感器。该实施例变体是有利的，因为所投射的图案对于外科医生是不可见的，并且因此不会干扰。

代替图案投影仪或除了图案投影仪之外，还可以提供给自粘图案膜。该膜紧固在目标区域中。由于膜上的已知图案，可以检测膜的形式，并且因此还可以检测表面结构。

配准方法还可以包括在对象的表面上布置多个红外标记的步骤。

红外标记可以由配备有红外敏感图像传感器的图像传感器单元检测。通过定位布置在对象的表面上的红外标记，可以基于红外标记从所捕获的图像以摄影测量生成表面局部解剖。这允许检测表面并以摄影测量生成对象的表面模型，即使可见光不足以检测表面。

所述配准方法还可以包括为每个所捕获的图像分配时间戳的步骤。例如，图像传感器单元可以被配置成将所捕获的图像和时间戳一起传输到配准装置的位置确定单元。

所述配准方法还可以包括传递位置值以及时间戳的步骤。此步骤可利用位置检测系统实施，所述位置检测系统被配置成将位置值和时间戳一起传递到配准装置的位置确定单元。也可能是，配准装置的位置确定单元被配置成从位置检测系统请求位置值和/或从运动传感器请求运动传感器信号，以及将时间戳附加到位置值和/或运动传感器信号中的相应一者。

运动传感器可以被配置成将运动传感器信号和时间戳一起传递到配准装置的跟踪单元。例如，如果位置传感器布置在对象上，并且被配置成在捕获图像时检测对象是否移动，优选地，由位置传感器提供的位置值和用图像传感器单元捕获的图像以及时间戳一起传递到位置确定单元。位置确定单元可以被配置成将位置值分配给携带相同时间戳的图像。然后，可以通过由位置值作为校正值表示为捕获位置的检测到的移动来校正已捕获图像的捕获位置，即入射光瞳相对于对象的位置的校正值。

另外或替代地，所述配准方法还可以包括流式传输表示所捕获的图像的图像数据的步骤。此步骤可以用图像传感器单元来实施，所述图像传感器单元被配置成将表示所捕获的图像的图像数据流式传输到配准装置的位置确定单元。图像流可以在配准装置的监视器上显现。

在根据本发明的配准方法中，也可以在自动化触发器上捕获图像。自动化触发器可以基于对来自图像传感器单元的流式传输图像数据的分析。例如，图像传感器单元可以分析流式传输图像数据，并且如果相对于图像传感器单元在某一位置识别对象，则给出自动化触发器。例如，图像传感器单元可以捕获自动化触发器上的图像，该图像基于对所确定的图像传感器单元相对于附接到对象的参考位置传感器的位置的分析。例如，如果图像传感器单元相对于参考位置传感器处于某一位置，则可以给出自动化触发器并且捕获图像。

所述配准方法还可以包括通过以摄影测量检测位于不同位置的多个位置传感器或可移动位置传感器来确定交变电磁场的畸变，所述可移动位置传感器在用所述图像传感器单元捕获图像时移动，其中所述多个位置传感器或所述可移动位置传感器在位置检测系统的坐标系中的位置和取向可经由位置检测系统直接确定。

为了能够在配准方法的所有先前描述的实施例中确定位置检测系统的交变电磁场的可能畸变，使用在不同位置的多个位置传感器或可移动位置传感器，所述可移动位置传感器在对象或身体部位的表面的摄影测量检测期间移动，并且同样以摄影测量检测所述可移动位置传感器或多个位置传感器的位置。然后，可以从可移动位置传感器或多个位置传感器的相应的摄影测量检测到的位置以及从由相应的位置传感器本身借助于位置检测系统确定的位置确立交变电磁场的畸变。然后，可以这样说以摄影测量测量交变电磁场本身。

关于配准装置，本发明的目标通过用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的配准装置来实现。所述装置包括位置检测系统、至少一个图像传感器单元、跟踪单元、位置确定单元和坐标变换单元。

位置检测系统被配置成确定位置传感器的位置和取向，并且至少一个图像传感器单元包括至少一个运动传感器。图像传感器单元被配置成捕获对象的图像并且用于从至少一个所捕获的图像以摄影测量生成对象的表面模型。运动传感器被配置成提供运动传感器信号，所述运动传感器信号表示随时间推移的移动的图像传感器单元相对于位置检测系统的位置序列。

跟踪单元被配置成通过处理由运动传感器提供的运动传感器信号来记录图像传感器单元的所述路径。

位置确定单元被配置成将所述确定的路径的至少一个点与位置检测系统的坐标系中的坐标相关，基于所述确定的路径和所述确定的路径上的至少一个点与所述坐标的已知空间关系确定图像传感器单元的捕获位置，并且通过校准将所生成的表面模型的至少一个点与运动传感器和/或位置传感器的坐标系中的坐标相关。

坐标变换单元被配置成将所生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中。

所述装置还可以包括图案投影仪，所述图案投影仪连接到至少一个图像传感器单元或包括至少一个图像传感器单元，并且其中图案投影仪被配置成将图案投射到身体上。

优选地，图像传感器单元包括立体相机或多相机布置或飞行时间相机。然而，在某些实施例中，图像传感器单元还可以包括单个相机。

优选地，图像传感器单元连接到位置确定单元。优选地，运动传感器连接到跟踪单元。位置确定单元还连接到位置检测系统。位置确定单元连接到坐标变换单元。部件之间的至少一些连接可以实施为通用串行总线(USB)连接。然而，部件之间的至少一些连接也可以实施为无线连接，例如蓝牙连接。

运动传感器可以是传感器装置或陀螺仪和加速度计阵列，其传递表示六个自由度的运动参数(例如，三个线性加速度和三个角速度)的运动传感器信号。

配准装置的部件优选地是计算机或其它数据处理系统的元件。

任选地，所述装置还可以包括图像传感器单元保持器，该图像传感器单元保持器包括被配置成在预定义和固定位置中可重复地接受图像传感器单元的形状拟合适配器。图像传感器单元保持器相对于位置检测系统的位置和取向优选地是先验已知的或可借助于位置检测系统确定。

例如，可以附接到图像传感器单元保持器使得该位置检测器的位置和取向的位置传感器可以由位置检测系统检测。从检测到的位置传感器的位置和取向，可以计算图像传感器单元保持器的位置和取向。如果图像传感器单元由保持器保持，也可以计算图像传感器单元相对于位置检测系统的位置和取向。有利地，配备有位置传感器的图像传感器单元保持器可以自由地定位在位置检测系统的工作空间内，并且用于提供位置检测系统的坐标系中的已知位置，图像传感器单元可以沿着路径从所述已知位置移动或移动到所述已知位置，所述路径可以通过处理例如运动传感器信号来记录。由此，可以确定捕获图像的捕获位置，并且该捕获位置用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向。

如果图像传感器单元保持器不包括位置传感器，则图像传感器单元保持器相对于位置检测系统的位置和取向优选地通过相对于位置检测系统固定图像传感器单元保持器而先验已知。图像传感器单元保持器接着固定于与位置检测系统或甚至直接与位置检测系统的恒定相对距离和取向处。然后，可以足以将图像传感器单元保持器一次校准到位置检测系统，使得图像传感器单元保持器相对于位置检测系统的位置和取向是已知的。

根据可独立于本文所述的其它方面实现且因此自身构成本发明的另一方面，本发明的目标通过用于确定对象相对于电磁位置检测系统的位置和取向的替代配准方法来实现。根据该方面的方法包括以下步骤

-提供刚性地固定到电磁位置检测系统的场发生器的图像传感器单元，

-通过校准确定变换函数，所述变换函数用于表面模型的坐标系与所述电磁位置检测系统的坐标系之间的变换，

-利用所述图像传感器单元捕获对象的表面的图像，

-从所捕获的图像以摄影测量生成所述对象的表面模型，

-将以摄影测量生成的表面模型变换到位置检测系统的坐标系中。

此替代配准方法不需要使用一个或多个运动传感器和/或位置传感器来确定捕获位置在位置检测系统的坐标系中的坐标。由于图像传感器单元与场发生器组合在固定装置中，因此仅需要将图像传感器单元校准到场发生器，以便确定对象相对于位置检测系统的位置和取向，并且因此确定将图像传感器单元的坐标系的坐标变换成位置检测系统的坐标系的坐标所需的变换函数。然而，任选地，图像传感器单元可包括运动传感器和/或位置传感器。优选地，图像传感器单元包括光学立体相机或光学多相机或飞行时间相机。

根据该另一方面的替代配准方法可包括以下步骤：在捕获图像时，将图像传感器单元可检测到的图案投射到对象的表面上。

根据该另一方面的替代配准方法还可以包括为每个所捕获的图像分配时间戳。

替代地或另外，根据该另一方面的替代配准方法可包括将表示所捕获的图像的图像数据从图像传感器单元流式传输到跟踪单元。

任选地，根据该另一方面的替代配准方法可包括以下步骤

-捕获对象以及相对于对象定位的参考位置传感器的图像，所述参考位置传感器用于检测布置在对象上的位置检测系统的坐标系中的位置和取向，以及

-从所捕获的图像以摄影测量生成表面模型以及参考位置传感器，使得确定参考位置传感器在以摄影测量生成的表面模型的坐标系中的位置，同时根据位置检测系统的坐标系的坐标提供位置信息。

关于配准装置，本发明的目标还通过用于确定对象相对于位置检测系统的位置和取向的替代配准装置来解决，所述位置检测系统可独立于前面描述的其它方面来实现，并且因此自身构成本发明，所述替代配准装置包括

-电磁位置检测系统，该电磁位置检测系统包括用于生成交变电磁场的场发生器，

-刚性地固定到所述场发生器的图像传感器单元，其中所述图像传感器单元被配置成捕获所述对象的图像并且从至少一个所捕获的图像以摄影测量生成所述对象的表面模型，以及

-校准单元，所述校准单元被配置成通过校准确定变换函数，所述变换函数用于表面模型的坐标系与所述电磁位置检测系统的坐标系之间的变换，以及

-坐标变换单元，所述坐标变换单元被配置成采用变换函数将所述表面模型的坐标系中的表示所述表面模型的坐标变换到所述位置检测系统的坐标系中。

通常，位置检测系统的坐标系由相应位置检测系统的场发生器或光源跨越或与所述场发生器或光源相关联。

此替代配准装置还可以包括图案投影仪，该图案投影仪连接到图像传感器单元或包括图像传感器单元，并且其中图案投影仪被配置成将图案投射到身体上。此替代配准装置的图像传感器单元可包括运动传感器和/或位置传感器。