CN107014592B - 防护眼镜视野检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防护眼镜视野检测系统，在暗室中进行搭建，包括标准头模，标准头模的两个眼睛位置分别设置有水平向前的照射口，试验时将待测眼镜配戴在标准头模两个照射口位置，两个照射口与光纤光源连接，标准头模的两个眼睛目视前方依次设置有导光屏和CCD相机，CCD相机通过数据线与计算机连接。本发明还公开了一种防护眼镜视野检测方法，利用独创的图像处理模块，智能化测定防护眼镜的视野保存率以及防护眼镜的水平视角和垂直视角。本发明的装置及方法，结构简单，工作可靠，结果准确。
Description
技术领域
本发明属于眼镜视野检测技术领域，涉及一种防护眼镜视野检测系统，本发明还涉及一种防护眼镜视野检测方法。
背景技术
我国1982年颁布了视野检测的标准《过滤式防毒面具视野的试验方法》，其中采用医用视野计对戴在标准头型上防毒面具的视野保存率和各方位视野进行检测。将标准头型的眼球位置安装低压灯泡，使其光线外射的立体角，等于中国成年人平均视野的立体角。将眼镜戴到标准头型上以后，此外射光锥受到眼镜框的限制而缩小，用视野计从垂直或水平的任一方位开始每15-30°之间测量一点，直至全方位都测到，得到戴上眼镜后的视野图，然后用求积仪量出两眼共同的视野面积，求出它们占未戴防护眼镜时相应的百分比，用校正系数改正即可得到双目视野保存率。但此方法逐步对不同方位处的眼镜视野进行检测，整个过程手动式过于繁琐与机械化，容易引入误操作，并且量取面积时读数容易有误差，因而得到的结果不准确。
随着科技的发展，目前公开发明专利的视野检测装置都与微处理系统相结合，实现高精度的智能检测。名称为《四点视野检测装置及检测方法》的发明专利、公开号为CN101342072A、公开日为2009.01.14，公开了一种便携式、可对人群进行青光眼快速筛查的四点视野检测装置及检测方法，选取青光眼性视野缺损最易出现异常的四个点进行光敏感度检测。名称为《单眼视力障碍患者水平150度视野检测装置和检测的视标位点的设置方法》的发明专利、公开号为CN106264440A、公开日为2016.08.18，公开了利用程序构建视标位点，可以准确地确定单眼视力障碍患者在全程注视正前方固定视标的情况下，优眼所能看到的水平视野范围，特别是评估视野的水平范围以及视野范围内有无缺损。名称为《一种头戴式视野检查仪》的发明专利、公开号为CN106037626A、公开日为2016.07.12，公开了在仪器内部提供不同方位、不同光亮度的刺激点，在检测者将其带到头上后通过监测眼球运动实现快速的监测受检者的视野。
上述的三个专利文件提供的装置，都是以人为检测对象，而且都只是针对某一特定情况下的视野进行检测，将这几个装置用于检测防护眼镜视野时，无法实现对眼镜视野性能的全面检测，而且会因受测者自身眼睛健康状况而影响对眼镜视野性能的测定。因此，如何对防护眼镜的视野范围进行全面性的检测，并且实现准确化、智能化测定防护眼镜视野性能是迫切要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种防护眼镜视野检测系统，解决了现有检测系统检测过程中人为干扰的影响，以及系统检测不全面的问题。
本发明的另一目的是提供一种防护眼镜视野检测方法，解决了现有技术检测防护眼镜过程中检测结果不准确的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种防护眼镜视野检测系统，在暗室中进行搭建，包括标准头模，标准头模的两个眼睛位置分别设置有水平向前的照射口，试验时将待测眼镜配戴在标准头模两个照射口位置，两个照射口与光纤光源连接，标准头模的两个眼睛目视前方依次设置有导光屏和CCD相机，即导光屏竖直放在CCD相机与标准头模之间；CCD相机安装在磁座上，CCD相机通过数据线与计算机连接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种防护眼镜视野检测方法，按照以下步骤实施：
步骤1、在暗室中，依次设置标准头模、导光屏及CCD相机，并使三者轴心线在一条水平线上，标准头模与导光屏之间相距250mm，导光屏与CCD相机之间相距650mm，然后将CCD相机与计算机相连，将标准头模两个眼睛位置的照射口与光纤光源相连；
步骤2、打开光纤光源的开关，调整标准头模的位置使两个眼睛处照射出的光线投到导光屏上显示为部分重叠的两个椭圆，每个椭圆的长轴为320mm，短轴为250mm，两个椭圆的中心距离为264mm，椭圆的平面平行于标准头模后面的平坦部分；
然后将待测眼镜配戴到标准头模上，观察导光屏上视野区域的遮挡情况；若双椭圆光斑区域未出现遮挡，则眼镜合格；若双椭圆光斑区域出现遮挡，则眼镜不合格，进行下一步；
步骤3、利用计算机中预置的图像处理模块对导光屏上的图像进行采集与数据处理，精确计算眼镜视野保存率；
步骤4、将待测眼镜从标准头模上取下，放到标准头模的两个眼睛前方200毫米处对其投影，调整待测眼镜位置及角度，直到在导光屏上呈现清晰的待测眼镜整体轮廓图，通过步骤3采集此时导光屏上的待测眼镜投影图像和光源背景图像，再通过图像处理模块进行处理，得到待测眼镜的水平视野与垂直视野。
本发明的有益效果是，该种防护眼镜视野检测系统，标准头模与光纤光源相连，在导光屏上显示双椭圆光斑；CCD相机采集导光屏上的投影图像，计算机上独创的图像处理模块对投影图像进行处理。眼镜带到头模上，判断防护眼镜视野是否合格，通过计算机内置双椭圆精确计算眼镜视野保存率；眼镜放到光源前方，在导光屏上清晰投影，通过空间变换确定水平视角与垂直视角。该检测系统不仅能方便的测量出防护眼镜的视野范围，而且能准确检测出防护眼镜视野的保存率，使用过程方便快捷。具体分为几个方面：：
1)在暗室搭建的物理环境中，通过投影方法直观观察到眼镜对视野的遮挡情况，以投影图像为处理目标，实现了与计算机相结合达到智能化检测的目的。
2)本发明方法对系统参数进行标定，实现了屏上投影图像与计算机上图像的实时交互，标定参数可较长时间使用。减少了系统检测过程中机械化操作与人为经验判断的参与，使检测结果准确性更高。
3)通过标准头模的眼睛光源模拟出人的视野区域，减小了在人佩戴待测眼镜情况下由于每个人视力、眼睛健康情况等不同而造成的视野误差。通过图像转换构建计算机内置双椭圆，通过软件算法降低对光源的要求并保证检测准确性。
4)针对性的设计图像处理算法，通过差分方法消除背景灰度干扰达到对视野区域遮挡物的提取；通过聚类方法，区分光源背景、眼镜片及眼镜边框投影。
5)针对不同的检测需求设计不同的检测方法，将待测眼镜带到标准头模上，判断防护眼镜视野是否合格，通过计算机内置双椭圆精确计算眼镜视野保存率；将待测眼镜放到光源前方，在导光屏上清晰投影，通过空间变换确定水平视角与垂直视角。
附图说明
图1是本发明防护眼镜视野检测系统的结构示意图；
图2是本发明方法从标准头模眼睛发出的光源投影到导光屏上的视野区域；
图3是本发明方法涉及的成像关系图。
图中，1.标准头模，2.待测眼镜，3.导光屏，4.CCD相机，5.磁座，6.计算机，7.光纤光源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明防护眼镜视野检测系统的结构是，在暗室中进行搭建，
包括标准头模1，标准头模1的两个眼睛位置分别设置有水平向前的照射口，试验时将待测眼镜2配戴在标准头模1两个照射口位置，两个照射口与光纤光源7连接，标准头模1的两个眼睛目视前方依次设置有导光屏3和CCD相机4，即导光屏3竖直放在CCD相机4与标准头模1之间；CCD相机4安装在磁座5上，CCD相机4通过数据线与计算机6连接；
标准头模1、导光屏3、CCD相机4三者的轴线一致，保证检测准确性；导光屏3与标准头模1之间的距离为250mm，相当于人眼的明视距离；导光屏3与CCD相机4之间的距离为650mm；导光屏3作为图像显示屏可以匀化光源，同时投影到导光屏3上的图像，CCD相机4在另一端能够清晰捕获；标准头模1裸眼情况下，光纤光源7照射在导光屏3上成像为双椭圆光斑。
参照图2，标准头模1的眼睛处作为两个光源照射出口，当打开光纤光源7的光源开关后，从两个眼睛处照出的光源就会照射到导光屏3上，呈现一个双椭圆光斑区域，即代表了人眼的视野区域。将待测眼镜2戴到标准头模1上，若导光屏3上的双椭圆光斑区域未出现任何遮挡物，说明该待测眼镜2合格；若导光屏3上的双椭圆光斑区域出现遮挡物，说明该待测眼镜2不合格，则需要用计算机6中的图像处理集成模块计算待测眼镜2的视野保存率及水平视野与垂直视野。
参照图3，将已知长度的标准尺贴在导光屏3的中心处，在计算机6中预置有集成的图像处理模块，控制CCD相机4采集导光屏3上的标准尺图像并对其进行数据处理，得到物像比的关系系数，完成对系统参数的标定。根据对待测眼镜2投影时放置的位置和导光屏3放置的位置，然后由距离比得到投影大小与原物大小比例关系系数。通过确定这两个系数，完成导光屏3上投影图像和待测眼镜2与计算机6上图像的实时交互。
计算机6中预置有独创的图像处理模块，对CCD相机4采集的图像进行数据处理，图像处理模块包括图像观察模块、参数标定模块、视野合格率检测模块和视角测量模块。
图像观察模块：用于实时观察导光屏3上投影图像，以便调整系统状态；图像观察模块还可以给出图像纵横向中心线以及双椭圆图形区域，方便调整照射光源和CCD相机4的相对位置。
参数标定模块：用于计算CCD相机4采集的标准尺图像的像素与实际尺寸比例关系，完成对物像比例关系的标定并保存，为后面两个模块完成计算机6上的图像与导光屏3上投影图像的交互做准备，具体标定方法如下：
将已知长度的标准尺贴在导光屏3的中心处，通过CCD相机4获取此时导光屏3上的图像并用图像处理模块统计尺长的像素，利用式(1)得到每个像素代表的实际物理尺寸，完成系统参数的标定：
在式(1)中，L0为标准尺长度，M为尺长像素，k1为物像比的关系系数；在本系统中k1是定值，在图像处理算法中多次被使用，使得导光屏3上的图像与计算机6上的图像实时交互。
视野合格率检测模块：利用标定的参数，将导光屏3上投影得到的视野区域转换成计算机6上相对应的双椭圆视野图形，分别采集光源背景图像与戴上待测眼镜2后的图像；然后将这两幅图像中各点对应的像素值相减，并通过图像分割算法，消除背景灰度干扰达到对视野区域遮挡物的提取；最后统计遮挡物内像素点数和以及双椭圆内像素点数，计算遮挡物内存留的视野区域占据双椭圆视野区域的比率，即可得到眼镜视野保存率。
假设理想的投影图像，单个椭圆长轴为2a、短轴为2b、两椭圆中心相距2c；假设计算机6中图像显示界面宽为w、高为h，原始坐标系是以显示界面最左上角作为初始原点坐标，X轴向右，Y轴向下；在图像坐标系下，椭圆中心坐标为(-c/k1+w/2,h/2)，(c/k1+w/2,h/2)，通过公式构造出计算机6中对应的像素图像，计算公式如下：
然后计算双椭圆视野区域像素以及标准头模1戴上待测眼镜2后的视野区域像素，根据式(2)得到视野保存率：
Si表示佩戴眼镜后视野区域面积，S表示构建的理想椭圆视野区域面积。
视角测量模块：为保证待测眼镜2边缘投影清晰，将待测眼镜2放到两个眼睛前方200毫米投影，提取待测眼镜2的整体特征轮廓，进一步计算出图像中待测眼镜2的水平宽度与竖直宽度，然后根据事先标定的物像比例关系，转换得到实际待测眼镜2的宽度大小，由视角计算公式得到待测眼镜2的水平视角和竖直视角，
已知物体所在平面距光源距离L1，投影平面距光源距离L2，根据物体距离比，投影大小与原物大小比例关系系数k2计算式如下：
设图像处理后眼镜边框水平间距为x像素，竖直间距为y像素，将像素数转化为实际物理尺寸：
x0＝k1k2x，y0＝k1k2y， (4)
则眼镜竖直视角和水平视角计算公式如下：
在(5)式与(6)式中，眼睛中心水平向下或向上7mm处，待测眼镜距人眼的距离为d，眼睛瞳距为64mm。
本发明的防护眼镜视野检测方法，基于上述的系统结构及工作原理，按照以下步骤实施：
步骤1、在暗室中，如图1所示，依次设置标准头模1、导光屏3及CCD相机4，并使三者轴心线在一条水平线上，标准头模1与导光屏3之间相距250mm，导光屏3与CCD相机4之间相距650mm，然后将CCD相机4与计算机6相连，将标准头模1两个眼睛位置的照射口与光纤光源7相连。
步骤2、打开光纤光源7的开关，调整标准头模1的位置使两个眼睛处照射出的光线投到导光屏3上显示为部分重叠的两个椭圆，见图2所示，每个椭圆的长轴2a为320mm，短轴2b为250mm，两个椭圆的中心距离2c为264mm，椭圆的平面应当平行于标准头模1后面的平坦部分；
然后将待测眼镜2按照图1配戴到标准头模1上，观察导光屏3上视野区域的遮挡情况；若双椭圆光斑区域未出现遮挡，则眼镜合格；若双椭圆光斑区域出现遮挡，则眼镜不合格，进行下一步。
步骤3、利用计算机6中预置集成的图像处理模块对导光屏3上的图像进行采集与数据处理，具体步骤如下：
3.1)启动CCD相机4将导光屏3上的成像情况实时传输到计算机6上，对成像进行观察与保存；
3.2)如图3，通过步骤3.1)采集标准尺放置在导光屏3上的图像，用集成的图像处理模块对该标准尺图像进行数据处理，标定系统参数，计算过程如下：
对采集的标准尺图像进行尺长像素统计，由于该标准尺长度已知，利用式(1)计算得到每个像素代表的实际物理尺寸，完成对系统参数的标定，
其中涉及的算法如下：
式(1)中，L0为标准尺长度，M为尺长像素，k1为物像比的关系系数。
3.3)在计算机6的图像显示界面内显示双椭圆视野图像，通过步骤3.1)分别采集光源背景图像和标准头模1戴上待测眼镜2后的图像，然后对图像进行数据处理，最终得到待测眼镜2的视野保存率，计算过程如下：
利用椭圆数学公式及步骤3标定的参数，将导光屏3上的双椭圆光斑图像转换成计算机上的双椭圆图像，再计算双椭圆区域像素；对得到的光源背景图像与戴上待测眼镜2后的图像进行对应位置像素值相减运算，提取视野区域遮挡物，然后再计算遮挡物内的视野区域像素；最后根据式(2)计算得到视野保存率，
其中涉及的式(2)如下：
其中Si表示佩戴眼镜后视野区域面积，S表示构建的理想椭圆视野区域面积。
步骤4、将待测眼镜2从标准头模1上取下，放到标准头模1的两个眼睛前方200毫米处对其投影，调整待测眼镜2位置及角度，直到在导光屏3上呈现清晰的待测眼镜2整体轮廓图，通过步骤3.1)采集此时导光屏3上的待测眼镜2投影图像和光源背景图像，再通过图像处理模块进行处理，得到待测眼镜2的水平视野与垂直视野，具体过程如下：
对采集的光源背景图像与得到的待测眼镜2投影图像进行对应位置像素值相减，提取待测眼镜2边框形状，再计算待测眼镜2边框水平间距与竖直间距的像素，然后利用式(1)和式(3)将像素转化为待测眼镜2实际物理尺寸，最后利用式(4)和式(5)得到眼镜水平视野与垂直视野，
涉及的具体算法公式如下：
x0＝k1k2x，y0＝k1k2y， (4)
如图3，在式(3)中，k2为投影大小与原物大小比例关系系数，L1为物体所在平面距光源的距离，L2为投影平面距光源的距离；在式(5)与式(6)中，眼睛中心水平向下或向上7mm处，待测眼镜距人眼的距离为d，眼睛瞳距为64mm。
本发明的方法，在光源条件欠佳的情况下，通过图像转换构建计算机内置双椭圆，实现视野遮盖率的精确计算，通过软件算法降低对光源的要求并保证检测准确性。
Claims (10)
1.一种防护眼镜视野检测系统，其特征在于：在暗室中进行搭建，
包括标准头模(1)，标准头模(1)的两个眼睛位置分别设置有水平向前的照射口，试验时将待测眼镜(2)配戴在标准头模(1)两个照射口位置，两个照射口与光纤光源(7)连接，标准头模(1)的两个眼睛目视前方依次设置有导光屏(3)和CCD相机(4)，即导光屏(3)竖直放在CCD相机(4)与标准头模(1)之间；CCD相机(4)安装在磁座(5)上，CCD相机(4)通过数据线与计算机(6)连接。
2.根据权利要求1所述的防护眼镜视野检测系统，其特征在于：所述的标准头模(1)、导光屏(3)、CCD相机(4)三者的轴线一致；导光屏(3)与标准头模(1)之间的距离为250mm；导光屏(3)与CCD相机(4)之间的距离为650mm。
3.根据权利要求1所述的防护眼镜视野检测系统，其特征在于：所述的计算机(6)中预置有集成的图像处理模块，图像处理模块包括图像观察模块、参数标定模块、视野合格率检测模块和视角测量模块。
4.根据权利要求3所述的防护眼镜视野检测系统，其特征在于：所述的图像观察模块，用于实时观察导光屏(3)上投影图像，以便调整系统状态；图像观察模块还可以给出图像纵横向中心线以及双椭圆图形区域，方便调整照射光源和CCD相机(4)的相对位置。
5.根据权利要求3所述的防护眼镜视野检测系统，其特征在于：所述的参数标定模块，用于计算CCD相机(4)采集的标准尺图像的像素与实际尺寸比例关系，完成对物像比例关系的标定并保存，为后面两个模块完成计算机(6)上的图像与导光屏(3)上投影图像的交互做准备。
6.根据权利要求3所述的防护眼镜视野检测系统，其特征在于：所述的视野合格率检测模块，利用标定的参数，将导光屏(3)上投影得到的视野区域转换成计算机(6)上相对应的双椭圆视野图形，分别采集光源背景图像与戴上待测眼镜(2)后的图像；然后将这两幅图像中各点对应的像素值相减，并通过图像分割算法，消除背景灰度干扰达到对视野区域遮挡物的提取；最后统计遮挡物内像素点数和双椭圆内像素点数，计算遮挡物内存留的视野区域占据双椭圆视野区域的比率，即得到眼镜视野保存率。
7.根据权利要求3所述的防护眼镜视野检测系统，其特征在于：所述的视角测量模块，将待测眼镜(2)放到两个眼睛前方200毫米投影，提取待测眼镜(2)的整体特征轮廓，进一步计算出图像中待测眼镜(2)的水平宽度与竖直宽度，然后根据事先标定的物像比例关系，转换得到实际待测眼镜(2)的宽度大小，通过视角计算公式得到待测眼镜(2)的水平视角和竖直视角。
8.一种防护眼镜视野检测方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、在暗室中，依次设置标准头模(1)、导光屏(3)及CCD相机(4)，并使三者轴心线在一条水平线上，标准头模(1)与导光屏(3)之间相距250mm，导光屏(3)与CCD相机(4)之间相距650mm，然后将CCD相机(4)与计算机(6)相连，将标准头模(1)两个眼睛位置的照射口与光纤光源(7)相连；
步骤2、打开光纤光源(7)的开关，调整标准头模(1)的位置使两个眼睛处照射出的光线投到导光屏(3)上显示为部分重叠的两个椭圆，每个椭圆的长轴为320mm，短轴为250mm，两个椭圆的中心距离为264mm，椭圆的平面平行于标准头模(1)后面的平坦部分；
然后将待测眼镜(2)配戴到标准头模(1)上，观察导光屏(3)上视野区域的遮挡情况；若双椭圆光斑区域未出现遮挡，则眼镜合格；若双椭圆光斑区域出现遮挡，则眼镜不合格，进行下一步；
步骤3、利用计算机(6)中预置的图像处理模块对导光屏(3)上的图像进行采集与数据处理；
步骤4、将待测眼镜(2)从标准头模(1)上取下，放到标准头模(1)的两个眼睛前方200毫米处对其投影，调整待测眼镜(2)位置及角度，直到在导光屏(3)上呈现清晰的待测眼镜(2)整体轮廓图，通过步骤3采集此时导光屏(3)上的待测眼镜(2)投影图像和光源背景图像，再通过图像处理模块进行处理，得到待测眼镜(2)的水平视野与垂直视野。
9.根据权利要求8所述的防护眼镜视野检测方法，其特征在于，所述的步骤3中，具体步骤如下：
3.1)启动CCD相机(4)将导光屏(3)上的成像情况实时传输到计算机(6)上，对成像进行观察与保存；
3.2)通过步骤3.1)采集标准尺放置在导光屏(3)上的图像，用图像处理模块对该标准尺图像进行数据处理，标定系统参数，计算过程如下：
对采集的标准尺图像进行尺长像素统计，由于该标准尺长度已知，利用式(1)计算得到每个像素代表的实际物理尺寸，完成对系统参数的标定，
其中涉及的算法如下：
式(1)中，L0为标准尺长度，M为尺长像素，k1为物像比的关系系数；
3.3)在计算机(6)的图像显示界面内显示双椭圆视野图像，通过步骤3.1)分别采集光源背景图像和标准头模(1)戴上待测眼镜(2)后的图像，然后对图像进行数据处理，最终得到待测眼镜(2)的视野保存率，计算过程如下：
利用椭圆数学公式及步骤3标定的参数，将导光屏(3)上的双椭圆光斑图像转换成计算机上的双椭圆图像，再计算双椭圆区域像素；对得到的光源背景图像与戴上待测眼镜(2)后的图像进行对应位置像素值相减运算，提取视野区域遮挡物，然后再计算遮挡物内的视野区域像素；最后根据式(2)计算得到视野保存率：
其中，Si表示佩戴眼镜后视野区域面积，S表示构建的理想椭圆视野区域面积。
10.根据权利要求8所述的防护眼镜视野检测方法，其特征在于，所述的步骤4中，具体过程如下：
对采集的光源背景图像与得到的待测眼镜(2)投影图像进行对应位置像素值相减，提取待测眼镜(2)边框形状，再计算待测眼镜(2)边框水平间距与竖直间距的像素，然后利用式(1)和式(3)将像素转化为待测眼镜(2)实际物理尺寸，最后利用式(4)和式(5)得到眼镜水平视野与垂直视野：
x0＝k1k2x，y0＝k1k2y， (4)
在式(3)中，k2为投影大小与原物大小比例关系系数，L1为物体所在平面距光源的距离，L2为投影平面距光源的距离；在式(5)与式(6)中，眼睛中心水平向下或向上7mm处，待测眼镜距人眼的距离为d，眼睛瞳距为64mm。
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