基于增强光场显示的视觉缺陷校正系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种视觉缺陷校正方法设备与系统，可为近视、远视、早期青光眼等典 型视觉缺陷提供一种基于增强光场显示的校正方案。
【背景技术】
[0002] 视觉是人类对于周围环境最重要的信息来源。屈光不正包括近视、远视、老视、散 光，以及高阶像差性屈光障碍，作为最普遍的视力障碍问题被视为引起全球视力损失的最 主要原因之一。其累及各年龄段人群，根据WH02005年的数据调查显示，全球约有20亿人 需要佩戴眼镜。考虑到人类寿命的延长与近方视觉任务的加重，预计需要佩戴眼镜矫正视 力的人群数量在未来会持续增多。除屈光不正外，依据2002年WHO流行病学调查与人口统 计计算，全球有超过一亿六千万人视力障碍，青光眼位列第一位不可逆性致盲眼病。
[0003] 目前对于屈光不正的视觉校正方法主要采用佩戴光学眼镜和手术来提高患者的 视敏度，然而这两种方法都有一定的局限性：眼镜仅能够对低阶像差如近视、远视进行校 正，不适用于高阶像差的视觉补偿；光学矫正有对眼睛产生一定刺激的可能性，难以被所有 用户接受；角膜激光手术或人工晶体植入术对视敏度提高的程度非常有限，并且源于其侵 入性方式存在引入手术并发症的风险，相对于疗效而言解决该类问题的性价比低；对于高 阶像差与早期青光眼视敏度下降与周边视野缺损等视觉缺陷问题无法实现校正或补偿。
[0004] 虽然国内外在计算成像、光场成像和光场显示方面已取得了一定进展。迄今为止， 国内外尚未出现完整的基于增强光场显示的视觉缺陷校正方法设备与系统方面的报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：针对目前临床中视觉缺陷校正方法的问题和不足，本 发明利用光场处理技术，通过视觉和深度信息获取、增强光场显示，为视觉缺陷患者提供 了一种新的高清晰度和高对比度的图像或三维场景生成机制，提供了一种自然、统一的非 侵入式视觉缺陷校正方法、设备和系统。
[0006] 本发明的目的是为近视、远视、花眼、散光、早期青光眼等典型视觉缺陷提供一种 基于增强光场显示的新型校正方法。
[0007] 本发明的技术解决方案为：一种基于增强光场显示的视觉缺陷校正系统，它包括 视觉和深度信息获取（1)视觉缺陷建模（2)以及增强光场显示（3)三个主要模块，其中视 觉和深度信息获取模块（1)采用数字图像技术获取拟要显示给用户的预期图像，同时采用 双目视觉立体成像方法，通过双目通道图像之间的差值获得场景中不同位置的三维坐标 值，作为深度信息显示给用户；视觉缺陷建模模块（2)将场景的深度信息和用户自身的视 觉缺陷类型作为基础参数，构建用户所感知的图像与预期图像在固定区域和深度范围内所 呈现出的图像退化参数，包括视觉缺陷参数设定模块和图像退化模型及光场计算处理模 块；增强光场显示模块（3)根据图像退化模型和待显示给用户的预期图像进行增强光场 显示，结合光场分享技术，最终使用户能够看到预期图像经过针对其自身视觉缺陷特点的 增强光场显示处理之后的效果，并能感受到真实的三维场景信息，从而使用户所感受到的 视觉效果接近或达到正常人眼的观察效果，该系统中各个模块的连接关系及信号走向具体 为：视觉和深度信息获取模块（1)为视觉缺陷建模模块（2)提供建立退化模型所需要的包 括光线和平面法向的角度，物体、平面或场景的深度，图像灰度值的动态分布或对比度，以 及图像中边缘的强度信息的参数集合；视觉缺陷建模模块（2)为增强光场显示模块（3)提 供针对不同视觉缺陷类型所对应的点扩展函数建立的退化模型；增强光场显示模块（3)根 据视觉缺陷建模模块（2)提供的退化模型，利用正则化预滤波方法计算光场显示结果并输 出。
[0008] 所述视觉和深度信息获取模块（1)可在双目视觉立体成像和数字图像结合物理 测距两种模式下工作，在第一种模式下，当用户观看真实三维场景时，视觉和深度信息获取 模块（1)采用双目视觉立体成像模式，利用双目相机获取对应于左、右眼的预期图像，基 于立体匹配方法获取场景的深度信息；在第二种模式下，当用户观看平面显示器图像显示 时，视觉和深度信息获取模块（1)采用数字图像结合微型激光和红外物理测距方法，以处 理前的原始清晰数字图像作为预期图像，测距模块（10)利用微型激光和红外物理测距仪， 实时测量视野中心范围内物体距离眼睛的距离，上述第二种模式中的测距模块（10)所获 取的距离信息可用于辅助估算第一种模式中获取的景深信息中位于不同深度的物体或目 标距离眼睛的距离。
[0009] 所述增强光场显示模块（3)可在数字图像结合物理测距和双目视觉立体成像两 种模式下工作，在第一种模式下，采用系统内部集成的LCD目视显示器；在第二种模式下， 利用正则化预滤波方法来确定光场显示结果，确保视觉缺陷患者能够看到预期的高清晰度 和高对比度的图像或三维场景，其中，正则化预滤波的具体实现方法为：
【主权项】
1. 一种基于增强光场显示的视觉缺陷校正系统，它包括视觉和深度信息获取（1)视觉 缺陷建模（2)以及增强光场显示（3)三个主要模块，其特征在于：视觉和深度信息获取模块 (1)采用数字图像技术获取拟要显示给用户的预期图像，同时采用双目视觉立体成像方法， 通过双目通道图像之间的差值获得场景中不同位置的三维坐标值，作为深度信息显示给用 户；视觉缺陷建模模块（2)将场景的深度信息和用户自身的视觉缺陷类型作为基础参数， 构建用户所感知的图像与预期图像在固定区域和深度范围内所呈现出的图像退化参数，包 括视觉缺陷参数设定模块和图像退化模型及光场计算处理模块；增强光场显示模块（3)根 据图像退化模型和待显示给用户的预期图像进行增强光场显示，结合光场分享技术，最终 使用户能够看到预期图像经过针对其自身视觉缺陷特点的增强光场显示处理之后的效果， 并能感受到真实的三维场景信息，从而使用户所感受到的视觉效果接近或达到正常人眼 的观察效果，该系统中各个模块的连接关系及信号走向具体为：视觉和深度信息获取模块 (1)为视觉缺陷建模模块（2)提供建立退化模型所需要的包括光线和平面法向的角度，物 体、平面或场景的深度，图像灰度值的动态分布或对比度，以及图像中边缘的强度信息的参 数集合；视觉缺陷建模模块（2)为增强光场显示模块（3)提供针对不同视觉缺陷类型所对 应的点扩展函数建立的退化模型；增强光场显示模块（3)根据视觉缺陷建模模块（2)提供 的退化模型，利用正则化预滤波方法计算光场显示结果并输出。
2. 根据权利要求1所述的基于增强光场显示的视觉缺陷校正系统，其特征在于：所述 视觉和深度信息获取模块（1)可在双目视觉立体成像和数字图像结合物理测距两种模式 下工作。在第一种模式下，当用户观看真实三维场景时，视觉和深度信息获取模块（1)采用 双目视觉立体成像模式，利用双目相机获取对应于左、右眼的预期图像，基于立体匹配方法 获取场景的深度信息；在第二种模式下，当用户观看平面显示器图像显示时，视觉和深度信 息获取模块（1)采用数字图像结合微型激光和红外物理测距方法，以处理前的原始清晰数 字图像作为预期图像，测距模块（10)利用微型激光和红外物理测距仪，实时测量视野中心 范围内物体距离眼睛的距离，上述第二种模式中的测距模块（10)所获取的距离信息可用 于辅助估算第一种模式中获取的景深信息中位于不同深度的物体或目标距离眼睛的距离。
3. 根据权利要求1所述基于增强光场显示的视觉缺陷校正系统，其特征在于所述增强 光场显示模块（3)可在数字图像结合物理测距和双目视觉立体成像两种模式下工作。在第 一种模式下，采用系统内部集成的LCD目视显示器；在第二种模式下，利用正则化预滤波方 法来确定光场显示结果，确保视觉缺陷患者能够看到预期的高清晰度和高对比度的图像或 三维场景，其中，正则化预滤波的具体实现方法为：
s.t.L(x?y? 9 ?d) ^0 其中，argr^n/(x)定义的是使得f(x)最小的x，定义的是f-范数的平方，A为正 则化参数，（x，y)和（u，v)分别为图像和卷积平面的二维坐标，0为光线和平面法向的角 度，d为平面的深度，L(x，y，0，d)为待显示的光场，Ijx，y)为预期图像，pd(x，y，u，v)为 当观测平面深度为d时，视觉缺陷类型所对应的点扩展函数，W(L(x，y，0，d))为针对光场 设备及光场自身特点设计的正则化项，L(x，y，0，d)彡0为非负性约束，对于有限强度光 场，" "为点乘算子，可定义如下正则化项： 屮（L(x，y，0，d)) =max|L(x，y，0，d) |， 对应的正则化预滤波模型可表示为 s.t.Lu，y，0，cu多u，
L(x,y, 0 ,d) ^h 其中，h为图像像素值上限，L(x，y，0，d) 为对图像像素值上界的约束。该模型可 以利用次梯度下降或迭代预滤波算法进行求解。
4. 根据权利要求1所述的基于增强光场显示的视觉缺陷校正系统，其特征在于所述视 觉缺陷建模模块（2)综合考虑视觉缺陷的类型、参数和场景的深度信息来建立图像退化模 型，以近视为例，退化模型的点扩散函数P,(x，y，u，v)的数学模型为
其中半径参数r(X，y)的表达式为：
式中(Ud，x，y)为预期成像距离，a为视网膜半径，d(x，y)为场景或图像深度，（x，y) 和（u，v)则分别为图像和卷积平面的二维坐标。
5. 根据权利要求4所述的视觉缺陷建模模块（2)，其特征在于：所述图像退化模型可以 是空域不变的，也可以是空域变化的；对于空域不变和空域变化的点扩散函数，建立一个通 用的广义可加卷积计算模型为：
其中h表示第i个基滤波器，fJPg逐点变换函数，其定义根据视觉缺陷的类型而 不同，C表示基滤波器数目，" ?"表示图像退化模型对应的广义线性算子，而?表示卷积运 算，（x，y)为图像平面的二维坐标，Pd(x，y，u，v)为退化模型的点扩散函数，Is(x，y)为输入 图像，I〇(x，y)为预期图像，kpfdPgi可由图像退化模型得到；广义可加卷积模型中若使C =1，则广义可加卷积模型转变为标准的空域不变退化模型，因而广义可加卷积模型可为空 域不变和空域变化的图像退化提供通用的解决方案。
【专利摘要】本发明为患有近视、远视、早期青光眼等视觉缺陷的患者提供一种基于增强光场显示的校正方案，包括视觉和深度信息获取、视觉缺陷建模和增强光场显示三个模块。所述视觉和深度信息获取模块包括两种方式：针对平面显示器情形采用数字图像作为输入并获取深度信息；针对真实场景采用双目立体视觉方式。所述视觉缺陷建模模块包括视觉缺陷参数设定模块和图像退化模型及光场计算处理模块。所述增强光场显示模块包括两种方式：针对平面显示器情形采用系统内部集成的LCD目视显示器；针对真实场景采用近目光场显示模块。
【IPC分类】H04N13-04, G06T7-00
【公开号】CN104618710
【申请号】CN201510007220
【发明人】左旺孟, 吕德生, 张宏志, 吴圣深, 邓红
【申请人】左旺孟, 吕德生, 张宏志
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月8日