一種用于近視患者立體視覺(jué)增強(qiáng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)技術(shù)中眼科學(xué)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一 種用于近視患者立體視覺(jué)增強(qiáng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人眼作為周圍環(huán)境的圖像傳感器，是人類70%_80%外界信息的接收通道[1]。影響 人眼成像質(zhì)量的因素有：離焦（即近視、遠(yuǎn)視)和散光、高階像差、衍射及散射。相對(duì)于離焦和 散光，后三者對(duì)視網(wǎng)膜成像質(zhì)量的影響很小[2]。近視（Myopia)也稱為短視，是指在屈光靜 止的前提下，遠(yuǎn)處的物體不能在視網(wǎng)膜會(huì)聚，而在視網(wǎng)膜之前形成焦點(diǎn)，因而造成視覺(jué)變形 (離焦)，導(dǎo)致遠(yuǎn)方的物體模糊不清。人眼立體視覺(jué)產(chǎn)生的機(jī)理是：由于人的兩眼水平平均距 離為65_左右，每只眼睛對(duì)于外部世界就具有不同的視點(diǎn)，對(duì)于同一個(gè)場(chǎng)景，將得到稍微 不同的畫(huà)面[3]。只要這種差異(視網(wǎng)膜視差）不超過(guò)一定的范圍，大腦就可以將兩幅不同 的圖像融合為一幅，從而產(chǎn)生立體知覺(jué)。近視患者由于雙目離焦造成的視覺(jué)模糊，會(huì)對(duì)大腦 融合生成立體感知產(chǎn)生較大影響，傳統(tǒng)的校正是通過(guò)物理光學(xué)的方法，在圖像進(jìn)入人眼之 前經(jīng)過(guò)佩戴不同屈光度的凹透鏡，從而改善圖像在視網(wǎng)膜成像的位置。這種方法能有效的 解決近視患者觀看圖像模糊的問(wèn)題。但現(xiàn)實(shí)生活中，佩戴近視眼鏡既不美觀，更不方便，隨 著"個(gè)人多媒體娛樂(lè)終端時(shí)代"的來(lái)臨[4]，人們對(duì)自身視覺(jué)質(zhì)量及視覺(jué)舒適度的要求越來(lái) 越高，如何為占全球1/3人口的近視患者解決不佩戴眼鏡也能在顯示器上融合生成清晰的 立體圖像，就成為一項(xiàng)具有深遠(yuǎn)意義的研究。
[0003] 隨著準(zhǔn)分子激光角膜屈光手術(shù)和晶狀體手術(shù)在近視治療領(lǐng)域的開(kāi)展[5]，波前像 差（Wavefront Aberration)技術(shù)在人眼屈光領(lǐng)域的應(yīng)用為屈光手術(shù)醫(yī)師評(píng)估患者的視覺(jué) 質(zhì)量提供了一種非常直觀的檢測(cè)手段。這其中點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF，Point Spread Function) 作為評(píng)價(jià)視覺(jué)質(zhì)量的一種客觀指標(biāo)，正逐漸引起人們的重視。當(dāng)人眼近似于一個(gè)線性移不 變（LSI，Linear Shift Invariant System)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)物點(diǎn)經(jīng)過(guò)眼球光學(xué)系統(tǒng)后在 視網(wǎng)膜面上的光強(qiáng)分布函數(shù)叫做人眼的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)[6]。
[0004] 經(jīng)文獻(xiàn)檢索，圖像預(yù)處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用投影儀離焦圖像的處理[7, 8]，但在人眼 領(lǐng)域的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)道。Adrien Bousseau在虛擬眼鏡技術(shù)中討論了幫助近視患者進(jìn)行顯示 器的圖像預(yù)處理想法，但并未有深入研究及論文報(bào)到[9]。
[0005] 參考文獻(xiàn)：
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[6] MI⑶EL ALONSO, J·，BARRETO, A·, AND CREMADES, J. G: Behaviour and information technology journal. Vol. 24(2005), p. 161.
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[9] Adrien Bousseaus. , Virtual Glasses: The Myopic Revenge。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決近視患者不佩戴眼鏡的情況下在顯示器上也能產(chǎn)生清晰的立體視覺(jué)，本發(fā) 明提供了一種用于近視患者立體視覺(jué)增強(qiáng)的方法。其技術(shù)方案為： 第1步：近視患者左右眼點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)值的估計(jì)； 第2步：用維納濾波器將原始圖像與估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)值進(jìn)行去卷積運(yùn)算； 第3步：將經(jīng)過(guò)維納濾波后的圖像壓縮至原圖像動(dòng)態(tài)范圍顯示； 第4步：將處理后的立體圖像對(duì)通過(guò)立體設(shè)備生成立體感知。
[0007] 進(jìn)一步，第1步借助離焦模糊圖像復(fù)原方法，采用圓盤(pán)離焦模型來(lái)近似離焦的點(diǎn) 擴(kuò)散函數(shù)；確定出離焦模糊圖像的模型參量就可以估算出離焦的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，然后利用維 納濾波的方法得到復(fù)原圖像；離焦模型參量在空域中得到，也可以在頻域中確定；頻域中 則通過(guò)尋找離焦模糊圖像頻譜值的零點(diǎn)位置來(lái)確定模糊參量，即這個(gè)離焦彌散盤(pán)的直徑是 由物距、焦距、像距和光學(xué)系統(tǒng)光圈的大小共同決定的；圓盤(pán)離焦模型用公式表示如下：
式中，Jl是離焦斑半徑，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后為：
式中，
是圓對(duì)稱的，它的第一個(gè)零點(diǎn)的軌跡形成一個(gè)圓，該圓的 半徑記為遽p，Jl則可表示為：
其中R為模型離焦參量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)根據(jù)離焦模糊圖像確定，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中近視患者在選 定適當(dāng)?shù)木嚯x看清楚圓盤(pán)邊緣，由此算出圓盤(pán)離焦模型參量R，從而確定離焦的點(diǎn)擴(kuò)散函 數(shù)。
[0008] 進(jìn)一步，第2步采用維納濾波器將雙目立體圖像對(duì)進(jìn)行預(yù)處理，其表達(dá)式為：
式中，#為復(fù)原圖像頻譜，:為離焦模糊圖像頻譜，
：為
傳輸圖像，
分別為噪聲和未失真圖像的功率譜密度，比值
起歸整化的作用，由于
：難以估計(jì)，故用以下公式 來(lái)近似維納濾波濾波復(fù)原：
將上式通過(guò)運(yùn)用Matlab中命令對(duì)圖像進(jìn)行去卷積，也可通過(guò)將算法植入通過(guò)VC++可 視化界面進(jìn)行處理。
[0009] 進(jìn)一步，第3步采用以下兩種算法對(duì)經(jīng)過(guò)維納濾波后的圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮處 理，最終將動(dòng)態(tài)范圍壓縮到原圖像0-255內(nèi)，具體使用Matlab程序中imshow命令，經(jīng)過(guò)動(dòng) 態(tài)范圍壓縮處理后的圖像壓縮至原圖像動(dòng)態(tài)范圍中，即可與原圖像一致正常顯示，
進(jìn)一步，第4步根據(jù)雙目視差原理，將預(yù)處理生成的左右眼圖像經(jīng)過(guò)PC機(jī)立體播放器 分別顯示在對(duì)應(yīng)的微顯芯片上，經(jīng)過(guò)雙目光學(xué)系統(tǒng)放大，即能夠產(chǎn)生清晰的立體感知。設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)PC機(jī)的設(shè)置參數(shù)為：屏幕分辨率為800 X 600,刷新率為60Hz ;使用Stereoscopic PI ay er 3D播放器，將預(yù)處理好的左右眼圖像通過(guò)PC機(jī)顯卡輸出的HDMI視頻信號(hào)輸入到左 右兩塊AM-OLED上；光學(xué)系統(tǒng)采用的是美國(guó)KOPIN公司的雙目顯示模塊BDM-922K，內(nèi)嵌一 對(duì)視角達(dá)32度、眼視舒解距為20mm及可測(cè)曈孔大小為IOmm的光學(xué)組件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察者 瞳距的大小，通過(guò)調(diào)節(jié)雙顯示芯片之間的距離和光學(xué)系統(tǒng)的焦距，即可實(shí)現(xiàn)近視患者不佩 戴眼鏡也可獲得較佳的立體效果。
[0010] 當(dāng)人眼近似于一個(gè)線性移不變系統(tǒng)時(shí)，一幅清晰的圖像經(jīng)過(guò)近視患者的眼球即相 當(dāng)于卷積了該患者眼球光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)過(guò)程，呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上的像為離焦模糊圖 像。公式（1)為這一過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其中
：:為清晰的二維圖像；
為 近視患者的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)值，圖像經(jīng)過(guò)近視人眼過(guò)程后最終形成在視網(wǎng)膜上的離焦模糊圖像 為
如果將顯示器上的
：:圖像在進(jìn)入人眼之前，即與患者眼球卷積運(yùn) 算前將圖像進(jìn)行預(yù)處理，如公式（2)所示，
：表示原始圖像
經(jīng)過(guò)與
::卷積后的預(yù)處理圖像，再經(jīng)過(guò)顯示器進(jìn)入人眼后卷積了該患者眼球光學(xué)系統(tǒng) 的尸57植
，那么最終成像在近視人眼視網(wǎng)膜上的就應(yīng)該是清晰的二維圖像。
根據(jù)現(xiàn)有的人眼屈光研究領(lǐng)域的波前像差技術(shù)，近視患者眼球光學(xué)系統(tǒng)的/^7植
:最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)波前像差儀直接測(cè)得，也可將近視人眼離焦模糊光學(xué)系統(tǒng) 近似抽象成圓盤(pán)離焦模型計(jì)算得出：圓盤(pán)離焦模糊幾何光路圖如圖1所示，從幾何光學(xué)的 觀點(diǎn)來(lái)看，點(diǎn)光源/ffi過(guò)理想成像系統(tǒng)所成的像應(yīng)為一個(gè)像點(diǎn)#，接近為產(chǎn)函數(shù)。但當(dāng)物 面、透鏡和像面間的間距不滿足高斯成像公式時(shí)，點(diǎn)光源的像將不再是一個(gè)點(diǎn)_而是一個(gè) 圓盤(pán)狀的彌散盤(pán)域，彌散盤(pán)中的灰度值均勻分布。離焦模型參量可以在空域中得到，也 可以在頻域中確定。頻域中則是通過(guò)