基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的視覺缺陷校正系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種視覺缺陷校正方法設(shè)備與系統(tǒng)，可為近視、遠(yuǎn)視、早期青光眼等典 型視覺缺陷提供一種基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的校正方案。
【背景技術(shù)】
[0002] 視覺是人類對(duì)于周圍環(huán)境最重要的信息來源。屈光不正包括近視、遠(yuǎn)視、老視、散 光，以及高階像差性屈光障礙，作為最普遍的視力障礙問題被視為引起全球視力損失的最 主要原因之一。其累及各年齡段人群，根據(jù)WH02005年的數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，全球約有20億人 需要佩戴眼鏡?？紤]到人類壽命的延長(zhǎng)與近方視覺任務(wù)的加重，預(yù)計(jì)需要佩戴眼鏡矯正視 力的人群數(shù)量在未來會(huì)持續(xù)增多。除屈光不正外，依據(jù)2002年WHO流行病學(xué)調(diào)查與人口統(tǒng) 計(jì)計(jì)算，全球有超過一億六千萬人視力障礙，青光眼位列第一位不可逆性致盲眼病。
[0003] 目前對(duì)于屈光不正的視覺校正方法主要采用佩戴光學(xué)眼鏡和手術(shù)來提高患者的 視敏度，然而這兩種方法都有一定的局限性：眼鏡僅能夠?qū)Φ碗A像差如近視、遠(yuǎn)視進(jìn)行校 正，不適用于高階像差的視覺補(bǔ)償；光學(xué)矯正有對(duì)眼睛產(chǎn)生一定刺激的可能性，難以被所有 用戶接受；角膜激光手術(shù)或人工晶體植入術(shù)對(duì)視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術(shù)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，相對(duì)于療效而言解決該類問題的性價(jià)比低；對(duì)于高 階像差與早期青光眼視敏度下降與周邊視野缺損等視覺缺陷問題無法實(shí)現(xiàn)校正或補(bǔ)償。
[0004] 雖然國(guó)內(nèi)外在計(jì)算成像、光場(chǎng)成像和光場(chǎng)顯示方面已取得了一定進(jìn)展。迄今為止， 國(guó)內(nèi)外尚未出現(xiàn)完整的基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的視覺缺陷校正方法設(shè)備與系統(tǒng)方面的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對(duì)目前臨床中視覺缺陷校正方法的問題和不足，本 發(fā)明利用光場(chǎng)處理技術(shù)，通過視覺和深度信息獲取、增強(qiáng)光場(chǎng)顯示，為視覺缺陷患者提供 了一種新的高清晰度和高對(duì)比度的圖像或三維場(chǎng)景生成機(jī)制，提供了一種自然、統(tǒng)一的非 侵入式視覺缺陷校正方法、設(shè)備和系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的目的是為近視、遠(yuǎn)視、花眼、散光、早期青光眼等典型視覺缺陷提供一種 基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的新型校正方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的視覺缺陷校正系統(tǒng)，它包括 視覺和深度信息獲?。?)視覺缺陷建模（2)以及增強(qiáng)光場(chǎng)顯示（3)三個(gè)主要模塊，其中視 覺和深度信息獲取模塊（1)采用數(shù)字圖像技術(shù)獲取擬要顯示給用戶的預(yù)期圖像，同時(shí)采用 雙目視覺立體成像方法，通過雙目通道圖像之間的差值獲得場(chǎng)景中不同位置的三維坐標(biāo) 值，作為深度信息顯示給用戶；視覺缺陷建模模塊（2)將場(chǎng)景的深度信息和用戶自身的視 覺缺陷類型作為基礎(chǔ)參數(shù)，構(gòu)建用戶所感知的圖像與預(yù)期圖像在固定區(qū)域和深度范圍內(nèi)所 呈現(xiàn)出的圖像退化參數(shù)，包括視覺缺陷參數(shù)設(shè)定模塊和圖像退化模型及光場(chǎng)計(jì)算處理模 塊；增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊（3)根據(jù)圖像退化模型和待顯示給用戶的預(yù)期圖像進(jìn)行增強(qiáng)光場(chǎng) 顯示，結(jié)合光場(chǎng)分享技術(shù)，最終使用戶能夠看到預(yù)期圖像經(jīng)過針對(duì)其自身視覺缺陷特點(diǎn)的 增強(qiáng)光場(chǎng)顯示處理之后的效果，并能感受到真實(shí)的三維場(chǎng)景信息，從而使用戶所感受到的 視覺效果接近或達(dá)到正常人眼的觀察效果，該系統(tǒng)中各個(gè)模塊的連接關(guān)系及信號(hào)走向具體 為：視覺和深度信息獲取模塊（1)為視覺缺陷建模模塊（2)提供建立退化模型所需要的包 括光線和平面法向的角度，物體、平面或場(chǎng)景的深度，圖像灰度值的動(dòng)態(tài)分布或?qū)Ρ榷龋?及圖像中邊緣的強(qiáng)度信息的參數(shù)集合；視覺缺陷建模模塊（2)為增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊（3)提 供針對(duì)不同視覺缺陷類型所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)建立的退化模型；增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊（3)根 據(jù)視覺缺陷建模模塊（2)提供的退化模型，利用正則化預(yù)濾波方法計(jì)算光場(chǎng)顯示結(jié)果并輸 出。
[0008] 所述視覺和深度信息獲取模塊（1)可在雙目視覺立體成像和數(shù)字圖像結(jié)合物理 測(cè)距兩種模式下工作，在第一種模式下，當(dāng)用戶觀看真實(shí)三維場(chǎng)景時(shí)，視覺和深度信息獲取 模塊（1)采用雙目視覺立體成像模式，利用雙目相機(jī)獲取對(duì)應(yīng)于左、右眼的預(yù)期圖像，基 于立體匹配方法獲取場(chǎng)景的深度信息；在第二種模式下，當(dāng)用戶觀看平面顯示器圖像顯示 時(shí)，視覺和深度信息獲取模塊（1)采用數(shù)字圖像結(jié)合微型激光和紅外物理測(cè)距方法，以處 理前的原始清晰數(shù)字圖像作為預(yù)期圖像，測(cè)距模塊（10)利用微型激光和紅外物理測(cè)距儀， 實(shí)時(shí)測(cè)量視野中心范圍內(nèi)物體距離眼睛的距離，上述第二種模式中的測(cè)距模塊（10)所獲 取的距離信息可用于輔助估算第一種模式中獲取的景深信息中位于不同深度的物體或目 標(biāo)距離眼睛的距離。
[0009] 所述增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊（3)可在數(shù)字圖像結(jié)合物理測(cè)距和雙目視覺立體成像兩 種模式下工作，在第一種模式下，采用系統(tǒng)內(nèi)部集成的LCD目視顯示器；在第二種模式下， 利用正則化預(yù)濾波方法來確定光場(chǎng)顯示結(jié)果，確保視覺缺陷患者能夠看到預(yù)期的高清晰度 和高對(duì)比度的圖像或三維場(chǎng)景，其中，正則化預(yù)濾波的具體實(shí)現(xiàn)方法為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的視覺缺陷校正系統(tǒng)，它包括視覺和深度信息獲?。?)視覺 缺陷建模（2)以及增強(qiáng)光場(chǎng)顯示（3)三個(gè)主要模塊，其特征在于：視覺和深度信息獲取模塊 (1)采用數(shù)字圖像技術(shù)獲取擬要顯示給用戶的預(yù)期圖像，同時(shí)采用雙目視覺立體成像方法， 通過雙目通道圖像之間的差值獲得場(chǎng)景中不同位置的三維坐標(biāo)值，作為深度信息顯示給用 戶；視覺缺陷建模模塊（2)將場(chǎng)景的深度信息和用戶自身的視覺缺陷類型作為基礎(chǔ)參數(shù)， 構(gòu)建用戶所感知的圖像與預(yù)期圖像在固定區(qū)域和深度范圍內(nèi)所呈現(xiàn)出的圖像退化參數(shù)，包 括視覺缺陷參數(shù)設(shè)定模塊和圖像退化模型及光場(chǎng)計(jì)算處理模塊；增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊（3)根 據(jù)圖像退化模型和待顯示給用戶的預(yù)期圖像進(jìn)行增強(qiáng)光場(chǎng)顯示，結(jié)合光場(chǎng)分享技術(shù)，最終 使用戶能夠看到預(yù)期圖像經(jīng)過針對(duì)其自身視覺缺陷特點(diǎn)的增強(qiáng)光場(chǎng)顯示處理之后的效果， 并能感受到真實(shí)的三維場(chǎng)景信息，從而使用戶所感受到的視覺效果接近或達(dá)到正常人眼 的觀察效果，該系統(tǒng)中各個(gè)模塊的連接關(guān)系及信號(hào)走向具體為：視覺和深度信息獲取模塊 (1)為視覺缺陷建模模塊（2)提供建立退化模型所需要的包括光線和平面法向的角度，物 體、平面或場(chǎng)景的深度，圖像灰度值的動(dòng)態(tài)分布或?qū)Ρ榷?，以及圖像中邊緣的強(qiáng)度信息的參 數(shù)集合；視覺缺陷建模模塊（2)為增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊（3)提供針對(duì)不同視覺缺陷類型所對(duì) 應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)建立的退化模型；增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊（3)根據(jù)視覺缺陷建模模塊（2)提供 的退化模型，利用正則化預(yù)濾波方法計(jì)算光場(chǎng)顯示結(jié)果并輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的視覺缺陷校正系統(tǒng)，其特征在于：所述 視覺和深度信息獲取模塊（1)可在雙目視覺立體成像和數(shù)字圖像結(jié)合物理測(cè)距兩種模式 下工作。在第一種模式下，當(dāng)用戶觀看真實(shí)三維場(chǎng)景時(shí)，視覺和深度信息獲取模塊（1)采用 雙目視覺立體成像模式，利用雙目相機(jī)獲取對(duì)應(yīng)于左、右眼的預(yù)期圖像，基于立體匹配方法 獲取場(chǎng)景的深度信息；在第二種模式下，當(dāng)用戶觀看平面顯示器圖像顯示時(shí)，視覺和深度信 息獲取模塊（1)采用數(shù)字圖像結(jié)合微型激光和紅外物理測(cè)距方法，以處理前的原始清晰數(shù) 字圖像作為預(yù)期圖像，測(cè)距模塊（10)利用微型激光和紅外物理測(cè)距儀，實(shí)時(shí)測(cè)量視野中心 范圍內(nèi)物體距離眼睛的距離，上述第二種模式中的測(cè)距模塊（10)所獲取的距離信息可用 于輔助估算第一種模式中獲取的景深信息中位于不同深度的物體或目標(biāo)距離眼睛的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的視覺缺陷校正系統(tǒng)，其特征在于所述增強(qiáng) 光場(chǎng)顯示模塊（3)可在數(shù)字圖像結(jié)合物理測(cè)距和雙目視覺立體成像兩種模式下工作。在第 一種模式下，采用系統(tǒng)內(nèi)部集成的LCD目視顯示器；在第二種模式下，利用正則化預(yù)濾波方 法來確定光場(chǎng)顯示結(jié)果，確保視覺缺陷患者能夠看到預(yù)期的高清晰度和高對(duì)比度的圖像或 三維場(chǎng)景，其中，正則化預(yù)濾波的具體實(shí)現(xiàn)方法為：
s.t.L(x?y? 9 ?d) ^0 其中，argr^n/(x)定義的是使得f(x)最小的x，定義的是f-范數(shù)的平方，A為正 則化參數(shù)，（x，y)和（u，v)分別為圖像和卷積平面的二維坐標(biāo)，0為光線和平面法向的角 度，d為平面的深度，L(x，y，0，d)為待顯示的光場(chǎng)，Ijx，y)為預(yù)期圖像，pd(x，y，u，v)為 當(dāng)觀測(cè)平面深度為d時(shí)，視覺缺陷類型所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，W(L(x，y，0，d))為針對(duì)光場(chǎng) 設(shè)備及光場(chǎng)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)的正則化項(xiàng)，L(x，y，0，d)彡0為非負(fù)性約束，對(duì)于有限強(qiáng)度光 場(chǎng)，" "為點(diǎn)乘算子，可定義如下正則化項(xiàng)： 屮（L(x，y，0，d)) =max|L(x，y，0，d) |， 對(duì)應(yīng)的正則化預(yù)濾波模型可表示為 s.t.Lu，y，0，cu多u，
L(x,y, 0 ,d) ^h 其中，h為圖像像素值上限，L(x，y，0，d) 為對(duì)圖像像素值上界的約束。該模型可 以利用次梯度下降或迭代預(yù)濾波算法進(jìn)行求解。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的視覺缺陷校正系統(tǒng)，其特征在于所述視 覺缺陷建模模塊（2)綜合考慮視覺缺陷的類型、參數(shù)和場(chǎng)景的深度信息來建立圖像退化模 型，以近視為例，退化模型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)P,(x，y，u，v)的數(shù)學(xué)模型為
其中半徑參數(shù)r(X，y)的表達(dá)式為：
式中(Ud，x，y)為預(yù)期成像距離，a為視網(wǎng)膜半徑，d(x，y)為場(chǎng)景或圖像深度，（x，y) 和（u，v)則分別為圖像和卷積平面的二維坐標(biāo)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的視覺缺陷建模模塊（2)，其特征在于：所述圖像退化模型可以 是空域不變的，也可以是空域變化的；對(duì)于空域不變和空域變化的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，建立一個(gè)通 用的廣義可加卷積計(jì)算模型為：
其中h表示第i個(gè)基濾波器，fJPg逐點(diǎn)變換函數(shù)，其定義根據(jù)視覺缺陷的類型而 不同，C表示基濾波器數(shù)目，" ?"表示圖像退化模型對(duì)應(yīng)的廣義線性算子，而?表示卷積運(yùn) 算，（x，y)為圖像平面的二維坐標(biāo)，Pd(x，y，u，v)為退化模型的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，Is(x，y)為輸入 圖像，I〇(x，y)為預(yù)期圖像，kpfdPgi可由圖像退化模型得到；廣義可加卷積模型中若使C =1，則廣義可加卷積模型轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的空域不變退化模型，因而廣義可加卷積模型可為空 域不變和空域變化的圖像退化提供通用的解決方案。
【專利摘要】本發(fā)明為患有近視、遠(yuǎn)視、早期青光眼等視覺缺陷的患者提供一種基于增強(qiáng)光場(chǎng)顯示的校正方案，包括視覺和深度信息獲取、視覺缺陷建模和增強(qiáng)光場(chǎng)顯示三個(gè)模塊。所述視覺和深度信息獲取模塊包括兩種方式：針對(duì)平面顯示器情形采用數(shù)字圖像作為輸入并獲取深度信息；針對(duì)真實(shí)場(chǎng)景采用雙目立體視覺方式。所述視覺缺陷建模模塊包括視覺缺陷參數(shù)設(shè)定模塊和圖像退化模型及光場(chǎng)計(jì)算處理模塊。所述增強(qiáng)光場(chǎng)顯示模塊包括兩種方式：針對(duì)平面顯示器情形采用系統(tǒng)內(nèi)部集成的LCD目視顯示器；針對(duì)真實(shí)場(chǎng)景采用近目光場(chǎng)顯示模塊。
【IPC分類】H04N13-04, G06T7-00
【公開號(hào)】CN104618710
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510007220
【發(fā)明人】左旺孟, 呂德生, 張宏志, 吳圣深, 鄧紅
【申請(qǐng)人】左旺孟, 呂德生, 張宏志
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月8日