嵌入式红外摄影验光系统研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 3.26MB 73 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 引言
婴幼儿早期视力检查越来越受到人们的关注，幼儿弱视、斜视及屈光不正的
发病率很高。而弱视、斜视治疗的效果，取决于幼儿开始治疗的年龄的早晚，治
疗越早，效果越好[1]。如何对婴幼儿进行视力检查则是一个比较难的课题，因为婴
幼儿无法像成人那样配合检测。偏心摄影验光法是一种测量人眼屈光误差的新型
验光法，它与传统的验光法相比，快速、简便，无需被测者配合，特别适合于婴
幼儿的早期视力普检，因此备受国内外专家的关注。早期普查、及时发现和矫治
儿童弱视成为眼科当务之急[2]。
摄影验光方法是通过采集光源在眼瞳的反射图像来确定人眼的屈光度，它的
优点在于不需要被测者的严格配合，只需采集眼瞳图像即可，这样我们就可以方
便地检测儿童的视力情况，而排除由于他们表达能力所带来的误差[3]。
摄影验光虽然存在着些许问题，但我们可以看到它发展的前景，随着图像处
理技术以及电子技术在现代的飞速发展，这些问题迟早会被解决，在排除这些技
术上的难关之后，它给我们带来的方便是不言而喻的，它可以方便检测人眼的视
力状况，尤其对于那些不善于表达的低龄儿童，这样可以更为精确的检测他们的
视力状况，及早的发现他们所存在的视力问题，它对预防和检测儿童视力问题会
起到很大的帮助，这项技术在不久的将来一定会广泛的得到应用，造福于我们的
社会。
§1.2 摄影验光的基本方式及发展
摄影验光方法在发展过程中按工作原理可分为中心摄影验光和偏心摄影验光
两种方式。中心摄影验光指的是光源放置在光轴中心的测量方法，相反，偏心摄
影验光即光源安放的位置与光轴有一定的偏心距。偏心摄影验光方式是我们现在
主要采用的方式。
§1.2.1 偏心摄影验光方式
1974年美国神经生物学学者Howard C.Howland[2]撰文首先提出摄影验光这一
概念[4]。1979年，芬兰学者Kaakinen把光源放置在光轴一侧，距离光轴有一定的偏
心距来检测人眼的屈光度，从而发明了偏心摄影验光方法。采用这种验光方式，
光源发出的光线投射到人眼眼底，根据眼睛的屈光状态不同，反射光线经过放置
在摄像镜头前的半圆形光阑在摄像机成像平面上形成不同形状的眼瞳图像。
光源一般采用钨灯或闪光灯等强光源，所成的眼瞳图像为一新月形，具体形
状按照光源、光阑的放置位置和被测者的屈光状态而不同。不同屈光度的眼瞳在
光源的照射下所表现的情况式完全不同的，可以从眼瞳的亮暗区域来分别，近视
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和远视的亮区域的位置和边界都有所不同，并且其区域大小和边界与屈光度都有
着对应的关系，这也是我们通过图像处理的方法来对屈光度进行标定的依据，1985
年，
Howland 利用光线追迹方法具体推导出了偏心摄影验光的理论公式，得出了结
论：被测眼的屈光度是检测距离、光源偏心距、被测眼瞳的尺寸以及眼瞳图像亮
暗比例的函数。这一结论被业内广泛接受，至今为止一直是研制偏心摄影验光仪
的理论依据。
在偏心摄影验光方式被人采用的同时，此时大多数的系统都采用了高功率的
可见光源，但可见光源存在很多弊端，高亮度的可见光源虽可得到较为清晰的图
像，但对人眼的刺激较大，这就违背了此系统所开发的初衷，而且考虑到高功率
的可见光源不易于瞬时通断电，而偏心摄影验光需要的是瞬间通断一组光源。这
样，点亮时间的不准确也会造成最后测量上的不准确。
为了解决上述的问题，
1987 年，德国学者 Frank Schaeffel 与Howland 等人合作
[5]，在 Howland 的理论基础上，对原有的实验装置作了改进，把点光源改成发射峰
值为 880
m的高功率红外 LED 组合。红外检影装置被安装在摄像机镜头前，由
于单个红外 LED 发光强度较弱，所拍摄的图像无法满足后期处理要求，因此
Schaeffel 采用了红外 LED 组合，以增加光源的功率。红外 LED 组合沿着半圆形的
黑色光阑边缘按不同偏心距(2、6.2、10.5、14.5、18.9 ㎜)被排成 5行。工作时各行
红外 LED 组合轮流点亮，相同行内的红外 LED 串联驱动。不同行的红外 LED 数
量根据补偿不同偏心距引起眼瞳图像的照度分布衰减而配置，即使得不同行的红
外LED 点亮时所拍摄的眼瞳图像的照度是基本相同的。在实验中 Schaeffel 发现，
由于人眼眼底对红外光线的散射作用和一些其他的未知因素，采用红外光源拍摄
人眼时，所获得的眼瞳图像的亮暗区域的界线分辩不甚明显。因此，该装置在实
际工作时根据光源的不同偏心距设置采用分时扫描驱动，获得一系列动态的亮暗
增减的图像，对定性分析被测眼的屈光状态极为有利。
§1.2.2 国内外对摄影验光的研究
自芬兰学者 Kaakinen 创立做偏心摄影验光法（Eccentric Photorefraction）之后。
日本学者三本敏雄和 Sjostrand 等也对该方法进行了一系列的研究。1984 年中国学
者王光霁讨论了偏心摄影验光法的光学原理，导出了公式，对 Kaakinen 方法作了
较大改进，从而提高了偏心摄影验光法的敏感性和特异性。1985 年，一系列的公
式被 Bobier,Braddick 和Howland 提出来了[6]，以上研究的原理主要以瞳孔几何光
路成像的公式推导出屈光度。在 1991 年，Vozato 在对光源强度分布的研究分析后，
第一次提及了光强度斜率的概念，他改进了 TOPCON 公司的 PR-1000 型近红外摄
影验光仪，随后又改进了 TOPCON 公司的 PR-2000 型产品，他将光源做了较大的
第一章 绪论
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改进，扩展源作为光源被提出来了，Schaeffel et al 将光源改成一圈 LED 轮流循环
发光，并且在让 LED 同时工作时测量出光强度的斜率，算出了光强度分布的梯度
与眼睛屈光度线性相关在
5D 左右，但这只是实验室的观察。在 1993 年，
Schaeffel
和他的合著者表述多个裂隙的使用时光强度分布的梯度与屈光度的线性相关度更
好，但这只是经验的观察和总结，还没有被理论证明[7]。1999 年，Costa 报道了他
们用数字图像处理技术改进了偏心摄影验光仪，对幼儿视力作分类检查的工作，
但对测量误差没有进行分析。此外，Roord 介绍了光线追击的方法来分析光强度的
分布和瞳孔的像差。近年来，随着研究的进一步深入，Gekeler 提出了一种新型的
近红外摄影验光仪（A New Infrared Photorefractionoscope）
,光源改成了近红外发光
二极管，峰值波长在 850 纳米，这个摄影验光仪使用了六个三对连续的红外 LED
在30
0
，90
0
和150
0
的瞳孔面的子午面上，来测量屈光度。同时，A.M.Thompson, T.Li,
L.B.Peck, H.C.Howland, R.Counts and W.R.Bobier,使用了两个近红外 LED，发明了
The Fortune Optical(Tomey VIVA)VRB-1000 视频摄影验光仪。Weiss 和Schaeffel 随
后继续改善由 Gekeler et al 提出的设计，并且已经开发出便携式摄影验光仪的产品，
在此设计中，关于瞳孔光强度分布的理论描述已被 Roorda et al 提出来了，但是还
有一些问题有待解决，每个不同直径的瞳孔影响测量结果，所以不同的瞳孔直径
需要不同的技术标准。但是，由于瞳孔本身具有的特性，仍还有一些问题有待解
决。
在国内，温州医学院,曾对摄影验光仪做过研究，并研制出适用于儿童验光的
摄影验光仪样机，但由于稳定性低，精度差，最终没能够形成产品得到应用。上
海理工大学近年来对摄影验光做了一系列的研究，曾在 2000 年提出双裂隙结构，
对人眼屈光度进行测量，结构中采用 2个裂隙，并且使用闪光灯作为光源，此方
法用明暗区域边界来判断人眼屈光度，但由于采用光源对人眼刺激较大，并且仪
器体积庞大，随后做了进一步的改进。之后，光源设计中采用了红外[8,9]LED 代替
闪光灯，减低了光源对人眼的刺激，在光学结构中也是用了 6组不同方向的 LED
轮询点亮，拍摄不同角度的图像来弥补不对称所带来的误差。但此方案中，整个
系统仍采用计算机作为处理系统，整个设备仍处于实验室设备的阶段，对于屈光
度标定和人眼测量上也存在一定的不足。由于采用计算机的方案，与实用医疗设
备仍具有一定的差距。
随着计算机技术和电子技术的迅速发展，嵌入式系统已经越来越深入到我们
的生活。在医疗器械中，嵌入式技术同样得到了越来越广泛的使用。由嵌入式系
统所构成的产品其体积小，价格成本相对较低，功能定制更为专业。国外对于验
光仪的研制同样也朝着嵌入式、小型化而进一步发展。本课题的主要任务也就是
嵌入式红外摄影验光系统研究
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对红外摄影验光系统作进一步的改进。
§1.3 本次课题的主要任务
本论文所需要研究的便是红外摄影验光系统的嵌入式开发，我们需要根据嵌
入式平台来完成我们系统的相应的功能。
1、首先根据嵌入式系统原理，完成嵌入式系统的芯片的选型，方案的设计，并且
完成基于 ARM9 的嵌入式系统设计方案以及红外 LED 光源的控制电路。
2、对红外摄影验光原理进行进一步分析，并且推导出散光测量的相关公式。
3、完成在嵌入式平台下操作系统的移植，分析和使用嵌入式操作系统 WinCE，并
且完成系统在 WinCE 下的 BSP 的修改，定制系统的设备驱动。设计系统图像
采集端口 CamIF 的驱动，完成基于 CMOS 图像采集芯片的图像采集。
4、使用 EVC 开发工具，完成基于嵌入式操作系统 WinCE 的系统应用软件的开发，
包括对系统设备驱动的访问，完成应用程序中的图像相关功能。完成串口类和
图像类的设计，分别完成串口通信以及图像处理的相关函数。同时，完成单片
机对红外光源的控制以及与系统软件的交互。
5、采用模拟眼对系统进行定标和重复性测量实验，完成在不同干扰条件下的测量
分析，提出相应的解决方案。完成基于模拟眼的散光测量。
6、对于人眼测量，提出自动测量方案，对于人眼在图像中完成人眼的识别，中心
点的定位，以及不同方向的边界离中心点距离的自动获取的相关算法及实验分
析。最后完成对人眼的测量实验。
第二章 系统原理及整体方案
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第二章 系统原理及整体方案
本论文的系统中采用的是红外偏心摄影的检测方法，并且在红外偏心摄影验
光的理论基础上，设计一个嵌入式设备的整体结构方案。
§2.1 偏心摄影验光的工作原理
嵌入式红外摄影验光系统的原理主要是基于偏心摄影验光的原理。摄影验光
系统可以分解为两部分光学成像系统，如图 2-1：
第一部分光学系统，由光源和人眼组成，人眼的角膜是该系统的成像元件，
光源为一线光源，与人眼的距离为 d，该系统的孔径光阑为人眼的瞳孔，视场光阑
为光源的形状 L。
按照几何光学定义，当人眼注视远方时，所能看到最远距离的所在面称为远
点面，正常眼的远点面位于无穷远，而近视眼的远点面位于人眼前方有限距离处，
远视眼的远点面位于人眼后方有限距离处。假设人眼为近视眼，线光源 L从距轴 h
高度照亮人眼，通过人眼的角膜 C，在视网膜 R上形成一个离焦像（只有当人眼
的远点面与光源所在的面重合时才可能在视网膜上形成光源的清晰像）。人眼的视
网膜可看作一个漫反射体，其上所形成的离焦像此时又作为一发光物面经眼角膜
再次成像，由共轭关系可知，视网膜的像将形成在人眼视力屈光度所决定的远点
面S上，其大小和形状由线光源照射眼瞳时的包络线所决定，在子午面上为线段
aa。由于该面是虚拟的，所有出自眼瞳并会聚于远点面的光线将继续沿着各自的方
向传播。这一远点面上的视网膜像同时也构成了系统二的虚拟视场光阑。
第二部分光学系统，由眼瞳、半口径光阑 Z、摄象机组成。眼瞳是摄象机的被
摄目标（即被成像物体），与摄象机的距离为 d。该系统的孔径光阑为摄象机前面
的半口径光阑 Z，视场光阑是由系统的远点面视网膜形成的虚拟光阑。
当照相镜头对人眼的瞳孔 C进行拍摄时，理论上讲整个眼瞳都能成像，但是
由于受到光源照明的影响，眼瞳的成像光束取自于系统一的眼视网膜成像光束。
由系统一眼瞳出射的光经 S面后，受其原有的光束方向及摄象机处狭缝光阑的共
同限制，只有部分光线能够进入摄像镜头。如果此时有人从摄象机处通过狭缝观
察被测眼睛，系统一获得的视网膜像 aa 就像视网膜一样限制了成像的范围，由于
该视场光阑与系统二处于非共轴，所以只能看到部分眼瞳，这是这部分眼瞳能够
通过虚拟的视场光阑被狭缝光阑后面的照相镜头所接受。由光路图 2-1 可以看到，
这部分眼瞳区域在子午面上为 bb 线段。
将上述两组光学系统组合构成验光系统，系统一的线光源和系统二的半口径
光阑位于同一面上，其中线光源位于光轴外，构成轴外照明方式，半口径光阑位
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于光束以下，摄象机与人眼共轴，只有阴影部分的光线是最终被 CCD 接收的成像
光束。
根据前述光学原理，对于近视眼，通过线光源的照明，可以获得不同大小的
两眼瞳 bb 图象，其亮暗区域大小的变化取决于远点面 S的位置。因此，根据眼瞳
暗区的范围大小可以计算得到人眼远点面的位置。它们之间的关系可通过简单的
几何运算得到：
rd
r
h
bbD
(2-1)
则：
( )d D bb
rD bb h
 
 
(2-2)
式中 D为眼瞳的直径，远点面距离 r的倒数即为人眼的视力屈光度。
图 2-1 偏心摄影验光原理图
此原理图中所用到的是偏心摄影验光方式中亮暗区域边界的方法，此方法在实际
测量时并不准确。
而在本系统中我们主要的是采用斜率法，此方法会在后面详细讨论。
§2.2 红外摄影验光的图像检测方法
红外摄影验光系统另一个关键的组成部分就是在系统采集完图像后对图像的
处理方法。由前面所说的原理，我们可以知道，我们所采集到的眼瞳图像可以看
到眼瞳区域是有明显的亮暗区域的，反映到图像处理上也就是说眼瞳区域的灰度
第二章 系统原理及整体方案
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值在变化，而且对于不同屈光度的眼瞳而言亮暗区域的面积是不同的，换句话说，
他们的亮暗区域的边界是不同的，如同前面我们已经证明过了，在检测距离以及
光源偏心距的情况相同时，眼瞳的屈光度和亮暗区域的比例是成一定的比例关系
的，但是理论上我们已经论证过了，但用在实际用途上我们却有几种选择方式，
因为对于灰度值变化的图像我们也有多种的检测手段，在本系统的实验中我们也
对其中的几种方法做了探讨，并且相应选择了更好的方法作为最后的标定方法。
在偏心摄影验光的测量方法中，原先有一种较为简单的测量明暗区域的方法，
它在操作上非常简单，利用相应编制的软件，测试出亮区域的最长长度以及整个
眼瞳的长度，然后利用公式(2-1)，式中 D为眼瞳的直径，远点面距离 r的倒数即
为人眼的视力屈光度。这种方法理论上成立，但在计算机自动测量时会出现一些
不确定因素，其中最典型的问题是暗区的边界不容易确定，这是因为光线受到限
制是逐渐的过程，因此光亮的衰减也是一个渐变的过程。其次，就是人眼的大小
并不统一，暗区的大小还与人眼大小有关，必须对人眼的大小作精确测量。这些
都对图像处理提出了较高的要求，没有一个比较精确的处理方法也易于引起误差。
在过去的实验中我们也发现了使用这种方法所测量的结果误差也较大，所以这种
方法只是原理上实验的方法。
虽然按照上述眼瞳明暗区域的大小来测量[11]，对于不同大小的眼瞳，有缺通
用的测量标准。但眼瞳在成像过程中的光线受限过程也提示我们，根据眼瞳区域
明暗分布的其他特性也能反映出屈光度的变化，并找出更为合适的测量方法。
§2.2.1 图像灰度值总和法
在实验的初期，我们的第一步尝试是计算图像灰度值的总和，因为眼瞳区域
同时存在亮区域和暗区域，虽然对于不同屈光度的眼瞳亮、暗区域的比例有着非
常明显的变化，而且从理论上我们也论证过存在一定的数学关系，但是也正是我
们上面所提到的，在实际应用时亮区域的边界我们很难精确的确定，而且我们在
实验中所采用的是红外 LED 光源，拍摄到的人眼眼瞳图像如图 2-2 所示：
图 2-2 人眼图像
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在图中我们很容易发现两区域的边界我们很难找到，所以我们很难从亮暗区
域的比例入手，所以我们要从别的方面出发。我们再来看一组不同屈光度的模拟
眼图像，如图 2-3 所示
(a) 0D (b) 1.0D (c) 2.0D (d) 3.0D
图 2-3 不同屈光度的模拟眼图像
从图中我们可以看到的是虽然边界我们无法精确找到，但是不同屈光度的眼
瞳亮区域的大小在很明显的变化，我们可以固定眼瞳区域，来测量灰度值的总和，
因为从理论分析而言，既然眼瞳大小固定，并且对于不同屈光度的眼瞳来说，经
过红外 LED 照射的眼瞳亮区域的大小不同，相应的不同大小的灰度值所占的区域
大小也是不同的，我们可以粗略的猜测到对于不同屈光度的眼瞳它所经过同样条
件照射的情况下，他们所对应的灰度值总和是不同的，并且有可能存在着一个相
互对应的关系，即可能存在着不同屈光度对应不同灰度值之和的关系。我们通过
实验采集数据然后再得出结论。
我们首先使用 CCD 对不同屈光度的眼瞳进行图像的采集，并且将这些图片进
行图像分析，在实验的初期，我们首先所选用图像分析软件是 MATLAB，利用
MATLAB 编制程序时我们可以较为快速的找到结果。
表2-1 屈光度-灰度总和表
屈光度
0D
-1D
-2D
-3D
-4D
-5D
1D
灰度总和
441136
394150
400156
422999
475646
483746
457114
屈光度
1.5D
2D
2.5D
3D
3.5D
4D
4.5D
灰度总和
471105
495214
497290
498008
509264
507618
500703
从表 2-1 可以看出，虽然不同屈光度的图像对应的灰度值在变化，但他们很难
有一个对应的关系。因为在低度数时随着屈光度度数的增加，灰度值总和也在增
加，在表中的－1D 到－5D 的部分的确呈现了这样的关系，但是在正屈光度区域
我们可以看到从 2D 以后的屈光度对应的灰度值的和的变化就很小了，甚至在 3.5D
以后的灰度和出现了交迭，即高度数的灰度和低于了低度数的灰度和，这样的情
况对我们的测量是相当不利的，因为我们现在所测的模拟眼的跨度最小也要在
0.5D 如果不能准确的定标区分的话，对于更精确的读数则无法准确读出，而且在
高度数区域所呈现的交迭对于测量则更增加了困难的成分。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1引言婴幼儿早期视力检查越来越受到人们的关注，幼儿弱视、斜视及屈光不正的发病率很高。而弱视、斜视治疗的效果，取决于幼儿开始治疗的年龄的早晚，治疗越早，效果越好[1]。如何对婴幼儿进行视力检查则是一个比较难的课题，因为婴幼儿无法像成人那样配合检测。偏心摄影验光法是一种测量人眼屈光误差的新型验光法，它与传统的验光法相比，快速、简便，无需被测者配合，特别适合于婴幼儿的早期视力普检，因此备受国内外专家的关注。早期普查、及时发现和矫治儿童弱视成为眼科当务之急[2]。摄影验光方法是通过采集光源在眼瞳的反射图像来确定人眼的屈光度，它的优点在于不需要被测者的严格配合，只需采集眼瞳图...

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