数字化LED检眼镜设计的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.42MB 57 页 15积分

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摘要

随着科学技术的进步以及眼科检查设备数字化的发展，传统直接检眼镜面临

数字化的变迁。直接检眼镜检查简单方便，但检查效果差、无法进行图像记录、

卤素灯光源稳定性差等。针对检眼镜存在的不足，提出一种数字化 LED 检眼镜的

研究方案，设计高效的 LED 光源驱动装置，以嵌入式 ARM 处理器 S3C6410 为核

心，搭配 USB 摄像头，结合嵌入式 Linux 构建图像采集系统，实现检眼镜数字化

图像的采集和保存。

本文首先对检眼镜系统的总体结构做了简要描述，并给出了系统实施的硬件

平台和软件平台。根据检眼镜的参数及相关行业标准要求，进行了光源特征参数

的分析及选择；然后设计驱动装置，包括 LED 驱动、调光、充电管理电路，并且

通过实验对电路性能进行了验证；之后对 Linux 设备驱动、USB 设备及系统内核

进行了说明，并对系统内核进行了配置。对 USB 摄像头设备驱动程序的编码框架

以及 Video for Linux2（V4L2）视频标准进行了介绍，根据 V4L2 标准进行驱动程

序的设计，然后在 Linux 下完成 Qt/Embedded 开发环境的搭建，进行 Qt 界面窗口

的设计。驱动程序经过交叉编译工具编译成可以在 ARM 平台上运行的可执行程序，

最后将可执行程序移植到开发板上运行。

结果表明，该系统实现了 LED 的驱动调光功能，调光范围为 2.41%-97.43%。

采用 V4L2 标准实现了嵌入式 Linux 平台下 USB 摄像头的驱动，并且运用 GUI 界

面工具 Qt 实现了界面设计，经编译调试后应用程序可移植到 ARM 平台上运行，

实现数字图像的采集和保存。

关键词：检眼镜 LED USB 摄像头嵌入式 Linux

ABSTRACT

With the progress of technology and the development of ophthalmologic

examination equipment digitization, traditional direct ophthalmoscope faced with the

change of digitizing. It is simple and convenient to use direct ophthalmoscope for

fundus examination, but the effect of check is poor and unable to record image and

Halogen light source is not stable, etc. In this paper, proposed a scheme about digital

LED ophthalmoscope for the disadvantage of direct ophthalmoscope. We design

efficient LED light source driver circuit. With embedded ARM processor S3C6410 as

the core and combining with USB camera and Linux to build an embedded image

acquisition system. The purpose of the system is to realize the ophthalmoscope

collection and preservation of digital image.

This paper firstly made a brief description on the system overall structure and gives

the hardware platform and software platform of system implementation. Then according

to parameters of ophthalmoscope and relevant industry standards, testing parameters of

light source and analyze the data then select the source.Then design actuating device,

including the LED driver, dimmer, charge management and other circuits, and tested by

experiments. Then illustrate Linux device driver, USB device and the embedded system

kernel and configure the system kernel. Then introduce the coding framework of device

driver and Video for Linux2 (V4L2) video standard. Then design the driver program

based on V4L2 video standard and design the Qt interface window. Set up

Qt/Embedded development environment under the Linux system and compile the driver

program through the cross compile tools into executable programs to run on ARM

platform, and transplant the executable programs to the development board to run.

The result shows that the system is feasible. Implement the design of the LED

driver circuit and the dimming range is 2.41% to 97.43% of the driver device, and using

the V4L2 video standard implement the USB camera image acquisition based on the

embedded Linux platform. Using GUI interface tool Qt to design the interface window

and implement transplantation and running of the program on the ARM platform.

Key Words：Ophthalmoscope ，LED ，USB Camera，Embedded Linux

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 研究背景及意义 ............................................................................................... 1

1.2 国内外研究现状 ............................................................................................... 2

1.3 论文研究内容 ................................................................................................... 3

第二章开发平台简介 .................................................................................................... 4

2.1 检眼镜的总体设计 ........................................................................................... 4

2.2 硬件平台 ........................................................................................................... 5

2.3 软件平台 ........................................................................................................... 7

2.3.1 Linux 操作系统 ....................................................................................... 7

2.3.2 图形界面系统 ...................................................................................... 10

第三章光源选择及驱动装置的设计 .......................................................................... 13

3.1 光源选择 ......................................................................................................... 13

3.1.1 光源基本参数 ...................................................................................... 13

3.1.2 LED 光学特性的分析及选择 .............................................................. 13

3.2 驱动装置的设计 ............................................................................................. 16

3.2.1 设计方案 .............................................................................................. 16

3.2.2 驱动电路的设计 .................................................................................. 16

3.2.3 PWM 调光电路的设计 ......................................................................... 18

3.2.4 充电管理电路的设计 .......................................................................... 19

3.3 实验验证 ......................................................................................................... 20

3.3.1 驱动调光的测试 .................................................................................. 20

3.3.2 光学参数的测试 .................................................................................. 21

第四章 Linux 设备驱动及内核配置 ............................................................................ 23

4.1 设备驱动 ......................................................................................................... 23

4.1.1 驱动与系统 .......................................................................................... 23

4.1.2 设备驱动基本操作 .............................................................................. 24

4.2 USB 设备 .......................................................................................................... 25

4.2.1 USB 的总体结构 .................................................................................. 25

4.2.2 USB 的传输 .......................................................................................... 26

4.3 Linux 内核 ........................................................................................................ 26

4.4 系统内核配置 ................................................................................................. 27

4.4.1 USB 设备相关的内核配置 .................................................................. 27

4.4.2 新内核下查看设备 .............................................................................. 31

第五章摄像头驱动的设计与实现 .............................................................................. 32

5.1 驱动程序的设计 ............................................................................................. 32

5.1.1 驱动程序框架 ...................................................................................... 32

5.1.2 V4L2 简介 ............................................................................................. 33

5.1.3 程序的实现过程 .................................................................................. 33

5.2 Qt 终端设计 ..................................................................................................... 39

5.2.1 交叉编译环境 ...................................................................................... 40

5.2.2 Qt 开发环境的建立 .............................................................................. 41

5.2.3 基于 Qt 的GUI 设计 ........................................................................... 42

5.2.4 Qt 界面的测试 ...................................................................................... 44

5.3 程序在开发板上的移植 ................................................................................. 45

5.3.1 摄像头的识别 ...................................................................................... 45

5.3.2 应用程序的编译与移植 ...................................................................... 46

第六章总结与展望 ...................................................................................................... 49

6.1 总结 ................................................................................................................. 49

6.2 展望 ................................................................................................................. 49

参考文献 ........................................................................................................................ 51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 54

致谢 ................................................................................................................................ 55

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1851 年，德国物理学家 Helmholtz 发明了直接检眼镜（Ophthalmoscope），使

得瞳孔后的眼底世界呈现在人们眼前，从此医学眼底检查成为可能，眼底的变化

成为医生诊断疾病的重要依据。由于检眼镜检查简单方便，因此它作为眼底检查

最常用的工具一直沿用至今。

直接检眼镜包括照明系统和观察系统两部分，内部结构如图 1-1 所示。照明系

统由卤素灯、透镜 1、光阑、透镜 2和45°反射镜组成[1]，光阑的大小决定照明光

束落在眼角膜上的面积；观察系统包含窥孔和聚焦补偿部分，补偿镜的作用是对

被检者（若近视或远视）眼底反射过来的图像进行聚焦。

图1-1 检眼镜内部结构

由图 1-1 可见，卤素灯发出的光线经透镜 1变成平行光，经过光阑到达透镜 2。

透镜 2将平行光线聚在 45°倾斜的反射镜斜面上，然后光线被反射到被检者的眼

睛，照亮眼底部分区域。被照亮区域反射过来的光线离开眼角膜，通过窥孔和补

偿透镜到达观察者眼睛，从而观察到被检者的眼底图像。

传统检眼镜采用卤素灯作为照明光源，虽然卤素灯成本低廉、对物体的显色

能力好（显色指数 Ra=95-99），但卤素灯发光效率低、发热量大（仅有 12%-18%

转化为光能，其余部分以热能形式散失）、石英玻璃材质易碎、寿命短（额定寿命

20-25 小时），给医疗器械的维护带来额外负担。另外，传统检眼镜依靠人眼通过

观察孔直接观察眼底，对观察到的眼底图像无法进行保存，不便对病人不同时期

病变情况进行直观比较。

上海理工大学硕士学位论文

随着半导体技术、计算机技术和数字图像技术的发展，新的发光器件和计算

机技术应用于眼科检查设备正成为当前发展的一个趋势。针对传统检眼镜存在的

不足可改进的有两个方面。首先，采用 LED 光源替代传统的卤素灯。LED 属于冷

光源[2]，发光效率高（接近 60%转化为光能），环氧树脂材料能够承受高强度的冲

击和振动，额定寿命几万小时，与卤素灯相比具有更高的安全性和可靠性。为了

满足医生检查时对于光照强度的要求，可通过 LED 驱动电路实现连续调光。其次，

实现检眼镜的数字化成像代替人眼观察，CMOS （Complementary

Metal-Oxide-Semiconductor）数字图像传感器技术的迅速发展为直接检眼镜的数字

图像化创造了条件。数字化图像系统可以使眼底图像在 LCD（Liquid Crystal Display）

屏幕上显示、保存或者打印成相片，记录下病变的细节，便于医生进行病例分析、

会诊及治疗效果的判断。

因此，数字化检眼镜的研发对于眼科设备的发展和临床眼科疾病的诊断具有

重要意义。

1.2 国内外研究现状

目前国外很多公司都进行检眼镜的研发、改进及生产，包括美国的伟伦公司，

英国的 keeler 公司，德国的海尼公司等，基本上都是在传统直接检眼镜的基础上

进行相关的光学改进，极少对数字化成像的检眼镜进行研究。近几年，一些研究

者对于直接检眼镜的数字化提出了新的想法与构思。2011 年美国 Daniel

M.Goldenholz[6]提出利用数字图像传感器（CMOS、sCMOS、CCD 或其他）与检

眼镜的光学系统紧密结合来获取眼底图像，从眼底反射出来的光线全部被图像传

感器接收，然后通过图像处理器输出到显示器（如 LCD、OLED）上显示。2013

年Marc Ellman[7]发表的专利核心思想和 Daniel 的构想一样，在 Daniel 的基础上给

出了外观设计的模型。二者没有给出数字化检眼镜系统的可实施平台及相关操作

的实现机制。

在国内，绝大部分生产的检眼镜以梅式检眼镜原理为基础进行改进，国内研

究者在理论设计或传统直接检眼镜改进的研究上已有相关专利和论文发表。2007

年刘木清、梅毅[3]等人提出将传统检眼镜的卤素灯光源替换为 LED，光源仍由电

源直接供电，光路部分和观察部分保持不变，未提及 LED 的参数要求。同年，宥

永胜、金成鹏等人设计了直接检眼镜的数字化图像系统，系统加入了传像光纤束、

彩色数字式摄像机、图像采集装置以及电子计算机[4]，由于需要光纤以及额外的图

片采集软件，整个系统比较庞大、复杂。2009 年，孔繁盛、王勤美[5]等人提出一

种手持屏幕式直接检眼镜的专利，该专利主要对直接检眼镜的观察系统进行了改

进，观察部分除了包含检眼镜本来的窥孔和补偿透镜外还加入微摄像模块、模数

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摘要随着科学技术的进步以及眼科检查设备数字化的发展，传统直接检眼镜面临数字化的变迁。直接检眼镜检查简单方便，但检查效果差、无法进行图像记录、卤素灯光源稳定性差等。针对检眼镜存在的不足，提出一种数字化LED检眼镜的研究方案，设计高效的LED光源驱动装置，以嵌入式ARM处理器S3C6410为核心，搭配USB摄像头，结合嵌入式Linux构建图像采集系统，实现检眼镜数字化图像的采集和保存。本文首先对检眼镜系统的总体结构做了简要描述，并给出了系统实施的硬件平台和软件平台。根据检眼镜的参数及相关行业标准要求，进行了光源特征参数的分析及选择；然后设计驱动装置，包括LED驱动、调光、充电管理电路，并且通过实验...

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