CN107890336B - 基于智能手持设备的屈光度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人眼视力检测领域，公开了一种基于智能手持设备的屈光度检测系统，包括：眼镜；红外发射装置，用于发射单色光线；以及智能手持设备，该智能手持设备包括摄像头和显示屏，当使用者穿戴所述眼镜后，所述智能手持设备用于使用摄像头实时计算摄像头与眼镜之间的距离，当所述距离达到预定距离时，操作所述摄像头拍下所述使用者的至少眼部图像，并对图像进行分析以确定所述使用者的眼睛的屈光度。

Description

基于智能手持设备的屈光度检测系统

技术领域

本发明涉及人眼视力检测领域，尤其涉及一种基于智能手持设备的屈光度检测系统。

背景技术

屈光不正是指人眼在调节放松状态下，平行光线经过人眼的屈光系统后，不能准确聚焦在视网膜上并形成清晰的象。屈光不正的类型包括近视、远视、散光。其中，尤以近视最为流行和常见。在2009年，中国仅有10％-20％的人为近视眼，而在2015年，90％以上的青少年为近视眼。高度近视与病理性近视也有显著关联，后者可导致不可逆的视觉损害，并为个人和社会带来沉重的负担。因此，加强近视的筛查与防控，是当前健康卫生机构刻不容缓的义务。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于智能手持设备的屈光度检测系统，包括：

眼镜；红外发射装置，用于发射单色光线；以及智能手持设备，该智能手持设备包括摄像头和显示屏，当使用者穿戴所述眼镜后，所述智能手持设备用于使用摄像头实时计算摄像头与眼镜之间的距离，当所述距离达到预定距离时，操作所述摄像头拍下所述使用者的至少眼部图像，并对图像进行分析以确定所述使用者的眼睛的屈光度。

可选地，所述红外发射装置包括：红外发射模块，用于发射单色光线；所述红外发射模块包括能够发射波长为770nm至1mm的单色光线的点光源。

可选地，所述点光源的外部覆盖有透光的平光片，所述平光片的表面涂有阻光材料，该阻光材料使得所述平光片的透光率在垂直方向上从靠近所述摄像头的一端至远离所述摄像头的一端从0％线性渐变至100％。

可选地，所述红外发射装置还包括：用于连接所述红外发射模块与所述手持智能设备的电源接口的电源线；以及用于将所述红外发射模块固定到所述手持智能设备的夹持件。

可选地，当所述红外发射模块固定到所述手持智能设备时，所述红外发射模块最前端的点光源与所述摄像头之间的距离为2mm。

可选地，所述眼镜的镜片上设置有环形标记。

可选地，所述眼镜的镜片是度数为+4.07D的正透镜。

可选地，所述智能手持设备确定所述使用者的眼睛的屈光度包括：识别所述图像中的瞳孔以确定所述瞳孔的中心点；以所述瞳孔的中心点为轴心，确定垂直经线以及偏离所述垂直经线不同角度的多条经线；对所述瞳孔的图像进行灰度值转化；测量所述垂直经线以及所述多条经线中的每条经线上的非零灰度值，从所述垂直经线和所述多条经线中选择最大灰度值与最小灰度值的差值最大的一条经线；获取所选经线上的灰度值，使用获取的灰度值以最小二乘法拟合直线y＝kx+b，其中y表示所选经线上的每一个像素点的灰度值，x表示像素点到所选经线与所述瞳孔边缘的交点的距离，k表示斜率，b表示常数，并求出拟合方程，以得到斜率k；根据预先确定的斜率k与屈光度之间的关系确定与得到的斜率k对应的屈光度。

可选地，所述智能手持设备确定所述使用者的眼睛的屈光度包括：对所述瞳孔的图像进行灰度值转化；根据公式(1)计算所述屈光度：

公式(1)其中，r为瞳孔的半径，s为瞳孔中出现的相对深色区域的高度，e为所述点光源到所述镜头边缘的距离，d为所述镜头到瞳孔之间的距离，x为人眼折光系统的焦距，x的倒数为屈光度。

可选地，使用所述深色区域中沿垂直方向的颜色变化率来代替所述高度s。

通过上述技术方案，本发明的实施方式仅需一台装有配套软件的智能手持设备、一根带有红外发射器的连接线、一副眼镜，就能实现视力自我监测因此体积小巧，非常便于携带。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施方式的一种智能手持设备的屈光度检测系统的结构示意图；

图2为本发明的实施方式的拍摄到的正常人眼的瞳孔图像；

图3为本发明的实施方式的拍摄到的近视眼的瞳孔图像；

图4为本发明的实施方式的拍摄到的远视眼的瞳孔图像；

图5为本发明的实施方式的一般近视检测原理光学作图；

图6为本发明的实施方式的极限条件下的一般近视检测原理光学简图；

图7为本发明的实施方式的近视光路图简化图；

图8为本发明的实施方式的一般远视检测原理光学作图；

图9为本发明的实施方式的眼镜放大率光学作图；

图10为本发明的实施方式的屈光度-斜率关系图；

图11a-c为本发明的实施方式的确定屈光度的原理光学作图。

附图标记说明

1 红外发射装置 2 眼镜

3 电源接口 4 夹持件

5 红外发射模块 6 环形标记

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参照附图所示的上、下、左、右。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。

图1为本发明实施方式的一种智能手持设备的屈光度检测系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式提供了一种基于智能手持设备的屈光度检测系统，可以包括：

眼镜2；

红外发射装置1，用于发射单色光线；以及

智能手持设备，该智能手持设备包括摄像头和显示屏，

当使用者穿戴眼镜2后，智能手持设备用于使用摄像头实时计算摄像头与眼镜2之间的距离，当该距离达到预定距离时，操作摄像头拍下使用者的至少眼部图像，并对图像进行分析以确定使用者的眼睛的屈光度。

在本发明的实施方式中，红外发射装置1可以包括：红外发射模块5，用于发射单色光线；红外发射模块5包括能够发射波长为770nm至1mm的单色光线的点光源。

在本发明的进一步实施方式中，点光源的外部覆盖有透光的平光片，平光片的表面涂有阻光材料，该阻光材料使得平光片的透光率在垂直方向上从靠近摄像头的一端至远离摄像头的一端从0％线性渐变至100％。

在本发明的进一步实施方式中，红外发射装置1还可以包括：

用于连接红外发射模块5与手持智能设备的电源接口3的电源线；以及

用于将红外发射模块5固定到手持智能设备的夹持件4。

智能手持设备的示例可以包括但不限于：智能手机、平板电脑、个人数字助理(PDA)等。

夹持件4可以包括例如固定夹，固定夹的顶端可以具有一空缺，用于在固定夹夹持在智能手持设备(例如智能手机)上时能够暴露出摄像头由此不会遮挡摄像头拍摄。当红外发射模块5固定到手持智能设备时，红外发射模块5最前端的点光源与摄像头之间的距离可以为2mm至5mm，优选为2mm。

为了在操作中能够便利地将摄像头与使用者的面部对准，眼镜2的镜片上可以设置有环形标记6(例如圆环)。

在本发明的实施方式中，眼镜2的镜片可以是度数为+4.07D(屈光度)的正透镜，其作用将在下文进一步描述。

本发明的实施方式的屈光度检测系统的操作步骤可以如下。

1、将电源接口3插入手持设备的相应接口，此时红外发射模块5开始发射红外光线。

2、将夹持件4夹在手持设备的外壳上，且最前端的红外光源与手机摄像头之间的距离可以控制在2mm，夹持件4长轴与手持设备边缘垂直。

3、进入暗室环境。

4、打开预装在手持设备中的相应的软件，开启手持设备的拍照功能(例如智能手机的自拍功能)，此时在手持设备的屏幕上可以看到黑白画面。

5、戴上眼镜2。

6、根据眼镜2表面圆环6的大小，与软件可以实时计算眼镜2与手持设备之间的距离；当距离为25cm时，操作者的注视方向应尽量朝向手持设备的摄像头，然后拍下照片。

7、软件自动对图片进行瞳孔识别和图像分析；可计算-1D以上的近视、屈光参差，瞳孔大小，判定有无斜视。

在本发明的实施方式中，智能手持设备确定眼镜2与智能手持设备之间的距离的测量方法可以如下。

为了保证测量结果尽可能的接近真实值，操作者在使用智能手持设备自拍的时候，可以使智能手持设备位于一个‘标准位’。对该‘标准位’的描述可以为：使智能手持设备拍摄到的眼镜2片的‘两个校准圆环6的中点’位于即时图像中心5％范围以内，并保证智能手持设备的摄像头到眼镜2片的‘两个校准圆环6的中点’的距离为例如23.5cm。以下为基于智能手持设备的‘标准位’的获取方法：

启动相应软件。

在摄像头拍摄的实时图像中，以图像的左下角为原点，建立直角坐标系。

软件自动识别眼镜2片表面的两个圆环6，并将两个圆环6的中心点的连线中点，设为即时坐标A1(x1，y1)。实时图像的中心点为固定坐标A2(x2,y2)。图片的横轴分辨率为X，纵轴分辨率为Y(如图11a所示)。

冠状面位置确定(图11a)：

如果x1-x2≤-0.025X，说明眼镜2位于人的标准位的右侧(图像标准位的左侧)，反之，如果x1-x2≥+0.025X，说明眼镜2位于人的标准位的左侧(图像标准位的右侧)。

如果y1-y2≤-0.025Y，说明眼镜2位于人的标准位的下方，反之，如果y1-y2≥+0.025Y，说明眼镜2位于人的标准位的上方。

根据相应的结果，软件将指导操作者上下或左右移动智能手持设备。

最后，如果满足

说明眼镜2位于允许测量误差范围之内的‘标准位’的冠状面内。

矢状面位置确定(图11b)：

设智能手持设备的水平拍摄角度为2α，眼镜2与智能手持设备之间的距离为L，手机所拍摄到的眼镜2所在冠状面的水平宽度为2D(单位为米)，校准圆环6的直径为g，圆环6在即时图像中的直径(以分辨率为单位)为g1，即时图像的水平宽度为X，可得出：

最终得出实时距离：

在本发明的实施方式中，智能手持设备确定使用者的眼睛的屈光度可以包括：

识别图像中的瞳孔以确定瞳孔的中心点。

以瞳孔的中心点为轴心，确定垂直经线以及偏离垂直经线不同角度的多条经线；例如，以瞳孔的中心点为轴心，确定垂直经线，并在偏离经线左右2.5°和5°的位置，再作4条经线(如图11c中所示)。

对瞳孔的图像进行灰度值转化。

测量垂直经线以及多条经线中的每条经线上的非零灰度值，从垂直经线和多条经线中选择最大灰度值与最小灰度值的差值最大的一条经线作为测量所需经线；如图11c所示，一共可以获取5条经线，测量每条经线上的非零灰度值，并各自以最大灰度值减最小灰度值，差值最大的经线，即为屈光度测量所需经线。

获取所选经线上的灰度值，使用获取的灰度值以最小二乘法拟合直线y＝kx+b，其中y表示所选经线上的每一个像素点的灰度值，x表示像素点到所选经线与瞳孔边缘的交点的距离，k表示斜率，b表示常数，并求出拟合方程，以得到斜率k；

根据预先确定的斜率k与屈光度之间的关系确定与得到的斜率k对应的屈光度。

斜率k与屈光度之间的关系可以通过模拟眼球屈光结构的物理光学模型来实测。图10示出了大致的斜率k与屈光度(dioper)之间的关系。

在本发明的实施方式中，智能手持设备可以使用其他方式确定使用者的眼睛的屈光度。

具体地，对瞳孔的图像进行灰度值转化；

根据公式(1)计算屈光度：

其中，r为瞳孔的半径，s为瞳孔中出现的相对深色区域的高度，e为点光源到镜头边缘的距离，d为镜头到瞳孔之间的距离，x为人眼折光系统的焦距，x的倒数为屈光度。在该实施方式中，r和s可以对所拍的照片上的图像进行分析来确定，该确定r和s的技术可以是本领域技术人员所知的技术，此处不再进行赘述。

还可以通过该方法检测近视。

具体地，参考图5，红外光源Q发出入瞳光线QM、QT，于眼内O点相交(像聚焦在视网膜前)后分别投射到眼底的B点和A点。对于B点，反射回的出瞳光线BT经人眼的折光系统后投射到远离镜头和红外光源的下方。对于A点，反射回的出瞳光线GN、MH于空中相交于点P，P点到瞳孔的距离即为人眼的焦距(这里需要注意的是，当人眼的近视度数足够大时，A点到T、G之间的任意一点的光线，在出瞳以后均投射到镜头的边缘N点的下方。而A点到G、M之间的任意一点的光线，在出瞳以后均投射到镜头的边缘N点的上方，H点的下方)。当人眼的近视度数足够大时，G-M即形成瞳孔中，光源相对于镜头的同侧方向的弯月(参见图3)。弯月在图像中表现为相对其他区域灰度值较深的区域。在本发明的一个实施方式中，在摄像头拍摄的图像中没有弯月的区域的灰度值可以为0。弯月区域的灰度值不为0。根据几何光学的作图原理，△PTG∽△PQN，可得出以下公式(1)(不考虑几何光学符号规则)：

其中，r为瞳孔的半径，s为瞳孔中‘弯月’的高度(即图5中的GM)，e为光源到镜头边缘之间的距离(以下简称偏心距)，d为镜头到瞳孔之间的距离，x为人眼折光系统的焦距，其倒数即为屈光度。

当人眼的近视度数不够高时，图5中的出瞳光线MH无法抵达镜头，即无法在人眼的瞳孔中看到弯月。现考虑s＝0，即人眼中即将出现弯月时的情形(参见图6)。同样可得出以下公式(2)：

假设在黑暗的环境中，人眼的瞳孔半径为3mm，偏心距e＝2mm，镜头到人眼之间的距离d为25cm，可得出屈光度

为+5.33D。若我们的目标是要检测出-1D以上的近视，则应该直接在人眼附加5.33-1＝+4.33D的度数(可以理解为在人眼的角膜表面贴了一个+4.33D的正透镜)。但是对于大部分人来说，隐形眼镜2的佩戴是非常难受的，因此本发明实施方式使用框架眼镜2替代角膜接触镜(光路简图见图7)。根据框架眼镜2与角膜接触镜之间的关系式(考虑符号规则)：

可换算出等价的框架眼镜2的度数为+4.07D。

在理想情况下，根据拍摄的图像的人眼瞳孔半径r、偏心距e、镜头到人眼之间的距离d，弯月的高度s，即可直接计算出人眼的度数。但是由于人眼相差的影响，得出的瞳孔的影像信息并不完全符合真实情况，误差较大，因此，在本发明的一个实施方式中，用弯月的颜色在垂直径向上的变化率来替代s计算人眼的屈光度，该方法受到相差的影响较小。屈光度与变化率之间的大致关系见图10。

本发明的实施方式还可以检测远视，远视检测原理与近视检测类似(见图8)，可得出公式(3)：

为了达到在25cm的距离下能够检测到弯月(见图4)的目的，本发明实施方式使用了度数为+4.07D的正透镜，因此，在进行图像分析时，可能需要考虑到镜片对人眼的图像放大效应(见图9)。图中T为实物，T'为虚像，F为眼镜2的焦点，f为眼镜2的焦距。根据四边形TGFO面积+三角形TT'G面积＝三角形T'OF面积，可得：

将

l＝0.015代入得h′＝1.065h。即框架眼镜2的放大率为1.065倍。因此，当需要计算瞳孔的大小或瞳孔中弯月的高度时，需要将获取的图像的大小除以1.065。

本发明实施方式提供的方案有益效果可以为：

1、成本低廉，适用于以个人或家庭为单位进行大规模推广并监控人眼的视力情况，监控的内容包括：-1D以上的近视、屈光参差，瞳孔大小，有无斜视。

2、操作简单，以例如智能手机之类的智能手持设备自拍的方式即可获取人眼的视力情况。

3、体积小巧，便于携带。

4、结果可视化：对于视力度数小于-1D的患者，仅能在角膜的中间和镜片的表面可以看到两个高亮的反射光点；对于视力度数在-1D及以上的近视患者，可以在瞳孔与光源相对于摄像头的同侧方向看到一轮颜色逐渐变化的‘弯月’；而对于远视，由于增加了正球镜的缘故，虽然缩短了检测距离，但是也导致了远视的检测临界值超过了+4D，因此无法用于远视的屈光筛查；最后由计算机对颜色进行灰度值转换并计算其在垂直径向上的变化率，最终得出具体的度数。5.由于红外光源外附加了透光率梯度变化的平光片，使得拟合方程的k值变化率放缓，从而放大了近视检测的范围，并增加了检测的精确度(见图10)。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于智能手持设备的屈光度检测系统，其特征在于，包括：

眼镜，所述眼镜的两个镜片上分别设置有环形标记；

红外发射装置，用于发射单色光线；

智能手持设备，该智能手持设备包括摄像头和显示屏，

当使用者穿戴所述眼镜后，将所述智能手持设备调整至标准位置，当所述智能手持设备调整至标准位置后，操作所述摄像头拍下所述使用者的眼部图像，并对眼部图像进行分析以确定所述使用者的眼睛的屈光度，所述标准位置被定义为：使所述智能手持设备拍摄到的两个环形标记的中心点的连线中点位于即时图像中心的预设范围以内，并保证所述摄像头到所述两个环形标记的中心点的连线中点的距离为预设距离，其中，所述预设范围为所述即时图像中心的5％，所述预设距离为23.5cm；

其中，将所述智能手持设备调整至标准位置具体包括：

启动相应软件；

所述摄像头实时拍摄即时图像；

以所述即时图像的左下角为原点，建立直角坐标系；

软件自动识别所述即时图像中的所述两个环形标记，并将所述两个环形标记的中心点的连线中点定义为即时坐标A1(x1，y1)；

识别所述即时图像的中心点，并将所述即时图像的中心点定义为固定坐标A2(x2,y2)；

根据所述即时坐标A1(x1，y1)、所述固定坐标A2(x2,y2)以及所述即时图像的横轴分辨率X和纵轴分辨率Y确定眼镜的冠状面位置，其中，根据所述即时坐标A1(x1，y1)、所述固定坐标A2(x2,y2)以及所述即时图像的横轴分辨率X和纵轴分辨率Y确定眼镜的冠状面位置具体包括：

如果x1-x2≤-0.025X，说明眼镜位于人的标准位的右侧，即所述标准位置的左侧，反之，如果x1-x2≥+0.025X，说明眼镜位于人的标准位的左侧，即所述标准位置的右侧；

如果y1-y2≤-0.025Y，说明眼镜位于人的标准位的下方，反之，如果y1-y2≥+0.025Y，说明眼镜位于人的标准位的上方；

最后，如果满足

说明眼镜位于允许测量误差范围之内的标准位置的冠状面内；

所述摄像头的水平拍摄角度为2α，眼镜的两个环形标记的中心点的连线中点与所述摄像头之间的距离为L，所述摄像头所拍摄到的眼镜所在的冠状面的水平宽度为2D，环形标记的直径为g，环形标记在所述即时图像中的直径为g1，所述即时图像的水平宽度为M，根据公式(1)至公式(3)计算所述眼镜的两个环形标记的中心点的连线中点与所述摄像头之间的距离L，

2.根据权利要求1所述的屈光度检测系统，其特征在于，所述红外发射装置包括：

红外发射模块，用于发射单色光线；所述红外发射模块包括能够发射波长为770nm至1mm的单色光线的点光源。

3.根据权利要求2所述的屈光度检测系统，其特征在于，所述点光源的外部覆盖有透光的平光片，所述平光片的表面涂有阻光材料，该阻光材料使得所述平光片的透光率在垂直方向上从靠近所述摄像头的一端至远离所述摄像头的一端从0％线性渐变至100％。

4.根据权利要求2所述的屈光度检测系统，其特征在于，所述红外发射装置还包括：

用于连接所述红外发射模块与所述智能手持设备的电源接口的电源线；以及

用于将所述红外发射模块固定到所述智能手持设备的夹持件。

5.根据权利要求4所述的屈光度检测系统，其特征在于，当所述红外发射模块固定到所述智能手持设备时，所述红外发射模块最前端的点光源与所述摄像头之间的距离为2mm。

6.根据权利要求1所述的屈光度检测系统，其特征在于，所述眼镜的镜片是度数为+4.07D的正透镜。

7.根据权利要求3所述的屈光度检测系统，其特征在于，所述智能手持设备确定所述使用者的眼睛的屈光度包括：

识别所述眼部图像中的瞳孔以确定所述瞳孔的中心点；

对所述瞳孔的图像进行灰度值转化；

根据公式(4)计算所述屈光度：

其中，r为瞳孔的半径，s为瞳孔中出现的相对深色区域的高度，e为所述点光源到所述摄像头的边缘的距离，d为所述摄像头到瞳孔的距离，f为人眼折光系统的焦距，f的倒数为屈光度。

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