一種用于近視患者立體視覺增強的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學技術中眼科學及計算機圖形學中數(shù)字圖像處理領域，特別涉及一 種用于近視患者立體視覺增強的方法。
【背景技術】
[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 人眼成像質量的因素有：離焦（即近視、遠視)和散光、高階像差、衍射及散射。相對于離焦和 散光，后三者對視網膜成像質量的影響很小[2]。近視（Myopia)也稱為短視，是指在屈光靜 止的前提下，遠處的物體不能在視網膜會聚，而在視網膜之前形成焦點，因而造成視覺變形 (離焦)，導致遠方的物體模糊不清。人眼立體視覺產生的機理是：由于人的兩眼水平平均距 離為65_左右，每只眼睛對于外部世界就具有不同的視點，對于同一個場景，將得到稍微 不同的畫面[3]。只要這種差異(視網膜視差）不超過一定的范圍，大腦就可以將兩幅不同 的圖像融合為一幅，從而產生立體知覺。近視患者由于雙目離焦造成的視覺模糊，會對大腦 融合生成立體感知產生較大影響，傳統(tǒng)的校正是通過物理光學的方法，在圖像進入人眼之 前經過佩戴不同屈光度的凹透鏡，從而改善圖像在視網膜成像的位置。這種方法能有效的 解決近視患者觀看圖像模糊的問題。但現(xiàn)實生活中，佩戴近視眼鏡既不美觀，更不方便，隨 著"個人多媒體娛樂終端時代"的來臨[4]，人們對自身視覺質量及視覺舒適度的要求越來 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，就成為一項具有深遠意義的研究。
[0003] 隨著準分子激光角膜屈光手術和晶狀體手術在近視治療領域的開展[5]，波前像 差（Wavefront Aberration)技術在人眼屈光領域的應用為屈光手術醫(yī)師評估患者的視覺 質量提供了一種非常直觀的檢測手段。這其中點擴散函數(shù)（PSF，Point Spread Function) 作為評價視覺質量的一種客觀指標，正逐漸引起人們的重視。當人眼近似于一個線性移不 變（LSI，Linear Shift Invariant System)光學系統(tǒng)時，一個物點經過眼球光學系統(tǒng)后在 視網膜面上的光強分布函數(shù)叫做人眼的點擴散函數(shù)[6]。
[0004] 經文獻檢索，圖像預處理技術已廣泛應用投影儀離焦圖像的處理[7, 8]，但在人眼 領域的應用未見報道。Adrien Bousseau在虛擬眼鏡技術中討論了幫助近視患者進行顯示 器的圖像預處理想法，但并未有深入研究及論文報到[9]。
[0005] 參考文獻：
[1] FUJII, K., GR0SSBERG, M., AND NAYAR, S: In Proc. IEEE Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition, (2005), p. 814.
[2] BROWN, M. S., SONG, P., AND CHAM, T. J: Proceedings of the 2006 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, (2006), p. 1956.
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[4] FULLERTON, Μ. , AND PELI, E: Journal of the Society for Information Display. Vol. 14(2006), p. 15.
[5] LEVIN, A., FERGUS, R., DURAND, F., AND FREEMAN, ff. T: ACM TOG (Proceedings of SIGGRAPH 2007) .Vol. 26(3) (2007), p. 70.
[6] MI⑶EL ALONSO, J·，BARRETO, A·, AND CREMADES, J. G: Behaviour and information technology journal. Vol. 24(2005), p. 161.
[7]林芳、潘哲朗.維納濾波在去卷積上的應用[J].科學咨詢期刊，2010, 25(3): 225-226.
[8] 許錄平.數(shù)字圖像處理[M].北京：科學出版社，2007.
[9] Adrien Bousseaus. , Virtual Glasses: The Myopic Revenge。
【發(fā)明內容】
[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生清晰的立體視覺，本發(fā) 明提供了一種用于近視患者立體視覺增強的方法。其技術方案為： 第1步：近視患者左右眼點擴散函數(shù)值的估計； 第2步：用維納濾波器將原始圖像與估計出的點擴散函數(shù)值進行去卷積運算； 第3步：將經過維納濾波后的圖像壓縮至原圖像動態(tài)范圍顯示； 第4步：將處理后的立體圖像對通過立體設備生成立體感知。
[0007] 進一步，第1步借助離焦模糊圖像復原方法，采用圓盤離焦模型來近似離焦的點 擴散函數(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擴散函數(shù)，然后利用維 納濾波的方法得到復原圖像；離焦模型參量在空域中得到，也可以在頻域中確定；頻域中 則通過尋找離焦模糊圖像頻譜值的零點位置來確定模糊參量，即這個離焦彌散盤的直徑是 由物距、焦距、像距和光學系統(tǒng)光圈的大小共同決定的；圓盤離焦模型用公式表示如下：
式中，Jl是離焦斑半徑，經過傅里葉變換后為：
式中，
是圓對稱的，它的第一個零點的軌跡形成一個圓，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，通過實驗根據離焦模糊圖像確定，實驗過程中近視患者在選 定適當?shù)木嚯x看清楚圓盤邊緣，由此算出圓盤離焦模型參量R，從而確定離焦的點擴散函 數(shù)。
[0008] 進一步，第2步采用維納濾波器將雙目立體圖像對進行預處理，其表達式為：
式中，#為復原圖像頻譜，: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，故用以下公式 來近似維納濾波濾波復原：
將上式通過運用Matlab中命令對圖像進行去卷積，也可通過將算法植入通過VC++可 視化界面進行處理。
[0009] 進一步，第3步采用以下兩種算法對經過維納濾波后的圖像進行動態(tài)范圍壓縮處 理，最終將動態(tài)范圍壓縮到原圖像0-255內，具體使用Matlab程序中imshow命令，經過動 態(tài)范圍壓縮處理后的圖像壓縮至原圖像動態(tài)范圍中，即可與原圖像一致正常顯示，
進一步，第4步根據雙目視差原理，將預處理生成的左右眼圖像經過PC機立體播放器 分別顯示在對應的微顯芯片上，經過雙目光學系統(tǒng)放大，即能夠產生清晰的立體感知。設計 實驗平臺PC機的設置參數(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，將預處理好的左右眼圖像通過PC機顯卡輸出的HDMI視頻信號輸入到左 右兩塊AM-OLED上；光學系統(tǒng)采用的是美國KOPIN公司的雙目顯示模塊BDM-922K，內嵌一 對視角達32度、眼視舒解距為20mm及可測曈孔大小為IOmm的光學組件，根據實驗觀察者 瞳距的大小，通過調節(jié)雙顯示芯片之間的距離和光學系統(tǒng)的焦距，即可實現(xiàn)近視患者不佩 戴眼鏡也可獲得較佳的立體效果。
[0010] 當人眼近似于一個線性移不變系統(tǒng)時，一幅清晰的圖像經過近視患者的眼球即相 當于卷積了該患者眼球光學系統(tǒng)的點擴散函數(shù)過程，呈現(xiàn)在視網膜上的像為離焦模糊圖 像。公式（1)為這一過程的數(shù)學表達式，其中
：:為清晰的二維圖像；
為 近視患者的點擴散函數(shù)值，圖像經過近視人眼過程后最終形成在視網膜上的離焦模糊圖像 為
如果將顯示器上的
：:圖像在進入人眼之前，即與患者眼球卷積運 算前將圖像進行預處理，如公式（2)所示，
：表示原始圖像
經過與
::卷積后的預處理圖像，再經過顯示器進入人眼后卷積了該患者眼球光學系統(tǒng) 的尸57植
，那么最終成像在近視人眼視網膜上的就應該是清晰的二維圖像。
根據現(xiàn)有的人眼屈光研究領域的波前像差技術，近視患者眼球光學系統(tǒng)的/^7植
:最簡單的方法是通過波前像差儀直接測得，也可將近視人眼離焦模糊光學系統(tǒng) 近似抽象成圓盤離焦模型計算得出：圓盤離焦模糊幾何光路圖如圖1所示，從幾何光學的 觀點來看，點光源/ffi過理想成像系統(tǒng)所成的像應為一個像點#，接近為產函數(shù)。但當物 面、透鏡和像面間的間距不滿足高斯成像公式時，點光源的像將不再是一個點_而是一個 圓盤狀的彌散盤域，彌散盤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