끊김 없는 추적을 위한 다중 카메라 기반의 의료용 네비게이션 개발 :Development of multi camera based medical navigation for seamless object tracking

이근후

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이근후 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 이성온

발행연도: 2021

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이용수17

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

다중 카메라 기반의 의료용 네비게이션 개발

이근후 , 조성택 , 류우석 외 3명 한국통신학회 학술대회논문집 2021.02 학술대회자료

끊김 없는 추적을 위한 다중 카메라 기반의 의료용 네비게이션 개발

이근후 전자공학과 2021.01 학위논문

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최근 의료용 로봇의 사용이 증가하면서, 의료 영상정보를 이용하여 의료용 로봇 시술 및 수술의 정확도를 높이고자 하는 의료용 네비게이션(Medical Navigation) 연구가 활발히 진행되고 있다. 의료용 네비게이션은 획득한 영상 정보를 바탕으로 환자 또는 로봇의 위치와 자세를 파악하고 정확한 시술 지점을 그래픽으로 안내한다. 의료용 네비게이션에서 사용하는 스테레오 카메라는 각 카메라에서 얻은 영상의 차이를 이용하여 추적하고자 하는 목표의 깊이 정보를 파악할 수 있다. 이러한 스테레오 시스템에서 목표를 끊김없이 추적하는 것은 어려운 문제이다. 사람 또는 로봇의 움직임으로 카메라가 가려지는 경우 한개의 카메라로 목표의 깊이 정보를 파악할 수 없기 때문이다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 3대 이상의 적외선 카메라를 이용하여 넓은 각도에서 관측하여 카메라가 일부 가려지는 경우에도 끊김없이 목표의 위치와 자세를 파악하는 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 각 카메라에서 목표를 잇는 선을 생성하고, 각 카메라에서 생성된 선들의 교점을 통해 목표의 깊이 정보를 추정한다. 또한 캘리브레이션(Calibration)을 하기 위해 수동으로 조리개를 열어 주어야 했던 기존 시스템의 단점을 보완하여, 조리개를 여닫는 과정 없이 밝은 영상을 얻도록 하였다. 밝은 영상을 얻는 과정은 노출시간 조정과 이미지 중첩을 이용하여 영상의 밝기를 높이고, OpenCV의 양방향 필터(Bilateral Filter)를 사용하여 영상의 노이즈를 제거하였다.
로봇과 사람이 카메라를 가리는 경우에 대한 실험을 통해 기존 시스템에서는 인식하기 어려웠던 부분도 인식이 가능함을 확인하였고, 마커 등록(Marker Registration)시 시간을 단축할 수 있음을 확인하였다. 또한 캘리브레이션의 편의성 개선 및 시간을 단축하였다.

Recently, as the use of medical robots is increasing, medical navigation research is being actively conducted to improve the accuracy of medical robot procedures and surgery using medical image information. The medical navigation system identifies the patient or robot''s position and orientation based on the acquired image information and guides the precise treatment point in a graphic. Stereo cameras in medical navigation estimate the depth information of the target by using differences in images obtained from each camera. In this stereo system, it is a difficult problem to keep track of the target seamlessly. When the camera view is occluded by a person or a robot, the depth information of the target cannot be obtained with one camera.
In order to solve this occlusion problem, we propose a system that observes from a wide-angle using three or more infrared cameras to grasp the posture of the target without interruption even when the camera system is partially occluded. The proposed system can still creates a line of sight connecting the target from each camera and estimates the target''s depth information through the intersection of the lines generated from each camera.
Through various experiments where a robot and a person can occlude the camera, it was confirmed that the proposed system can track markers better than the existing stereo system and the time of patient registration for navigation was shortened
In addition to this solution, this paper also proposes a useful calibration technique for infrared cameras. One shortcoming of the existing infrared camera system is that we need to manually open the aperture a lot for calibration because the calibration checkerboard is not visible in its infrared detecting condition. Instead, here we propose a method to obtain bright images without adjustment of aperture. First, we improve the brightness of the image by increasing the exposure time. Then, we get a more bright image by overlapping those images. This image is bright enough, but still noisy because the raw images were very noisy. Finally, this noise is removed by the edge-preserving Bilateral Filter. This technique improves the convenience of the cameras calibration leading to deceased calibration time.

#전자공학

차례 ⅰ
LIST OF FIGURE ⅲ
LIST OF TABLE v
국문요지 ⅵ
제1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목표 4
1.3 논문 개요 5
제2장 다중 카메라 기반 네비게이션 시스템 6
2.1 소개 6
2.2 카메라 모듈 7
2.3 시스템 설계 9
2.4 카메라 시스템 비교 11
제3장 다중 카메라 기반 네비게이션 시스템 캘리브레이션 13
3.1 소개 13
3.2 영상 밝기 조절 16
3.3 영상 노이즈 제거 20
3.4 카메라 캘리브레이션 22
제4장 다중 카메라 기반 네비게이션 시스템 3차원 위치 추정 24
4.1 소개 24
4.2 카메라 원점 및 마커의 정규 좌표 검출 28
4.3 직선 교차점 검출 30
4.4 마커 위치 추정 33
제5장 다중 카메라 기반 네비게이션 시스템 성능 실험 36
5.1 실험 소개 36
5.2 Registration 실험 36
5.2.1 Registration 때 발생하는 시야 장애 측정 실험 37
5.2 .2 Registration 수행 시간 비교 실험 38
5.3 비침습 뇌 자극 로봇 실험 40
5.4 마커 인식 실험 43
제6장 결론 46
참고문헌 48
ABSTRACT 51
감사의 글 53

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