CN109061883A - 一种自动测量瞳距的头戴式显示设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动测量瞳距的头戴式显示设备和方法，该装置包括框架、两个目镜、摄像装置、照明装置和图像处理模块，两目镜对称安装于框架正对着用户的一侧上，摄像装置和照明装置均有两个，两摄像装置对称安装于框架上，两摄像装置分别位于两目镜的外侧，两摄像装置的镜头位于框架外对着用户的眼睛，两照明装置对称安装于框架上，两照明装置分别位于两目镜的外侧，两摄像装置分别与图像处理模块连接。该方法依托于上述的装置，利用二维空间标定法测量瞳距。该设备结构简单，操作方便。该测量方法简单，精确度和准确度高。

Description

一种自动测量瞳距的头戴式显示设备和方法
技术领域
本发明涉及头戴式显示设备技术领域，具体设备一种自动测量瞳距的头戴式显示设备和方法。
背景技术
瞳距测量是眼科检查的基本项目之一。与此同时，在新兴的头戴式显示技术中，为了降低用户长时间使用设备而产生的视觉疲劳现象，设备的两个目镜中心应该和用户的瞳孔中心对准。因此，实现实时监测用户的瞳孔中心位置，自动测量瞳距的功能，可以大幅提高用户使用头戴式近场显示设备的舒适度。
目前的瞳距测量方法，一般是在用户裸眼的情况下，用尺子或者其他眼科工具直接测量，这些测量方法都只是在一维空间上对瞳距进行测量，测量精度低，测量结果不准确，因此，在使用头戴式显示设备时，上述方法测量的瞳距结果，并不能保证用户的瞳孔和设备目镜的中心对准。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种自动测量瞳距的头戴式显示设备和方法，该设备结构简单，操作方便。
该测量方法简单，精确度和准确度高。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种自动测量瞳距的头戴式显示设备，包括框架和两个目镜，两目镜对称安装于框架正对着用户的一侧上，还包括摄像装置、照明装置和图像处理模块，摄像装置和照明装置均有两个，两摄像装置对称安装于框架上，两摄像装置分别位于两目镜的外侧，两摄像装置的镜头位于框架外，且两摄像装置分别聚焦于的用户左右眼瞳孔所在的位置处，两照明装置对称安装于框架上，两照明装置分别位于两目镜的外侧，两照明装置分别为两摄像装置摄像时提供光照，两摄像装置分别与图像处理模块连接。
所述的照明装置为LED环形灯，两LED环形灯分别环绕在两目镜外围。
所述的摄像装置为相机或摄像头，两摄像装置分别位于两目镜的正下方。
一种自动测量瞳距的方法，包括如下步骤：
1、取一个标准网格工具，所述的标准网格工具为绘制有标准正方形网格的平板或纸张，将标准正方形网格左边中间位置处的一个网格交叉点标注为左实际原点O，并以左实际原点O为基准绘制实际X轴和实际Y轴，其中实际X轴和实际Y轴分别与穿过实际左原点O的两条网格线重合，以最小正方形网格的边长作为实际坐标轴的单位长度，建立左实际坐标系，左实际坐标系中任意一点M都有确定的实际坐标值(XM、YM)；
将标准正方形网格右边中间位置处的一个网格交叉点标注为右实际原点O’，并以右实际原点O’为基准绘制实际X’轴和实际Y’轴，其中实际X’轴和实际Y’轴分别与穿过右实际原点O’的两条网格线重合，以最小正方形网格的边长作为坐标轴的单位长度，建立右实际坐标系，右实际坐标系中任意一点M’都有确定的实际坐标值(XM’、YM’)；
实际X轴和实际X’轴平行，实际Y轴与实际Y’轴平行，则右实际坐标系中的任意一点(X'，Y’)在左实际坐标系中对应的的坐标(X，Y)可以通过下面的公式进行转换：
其中(DX、DY)是右实际原点O’在以左实际原点O为原点的坐标系中的坐标值；
2、将标准网格工具放置于用户眼睛所在的默认位置处，此时，左实际坐标系中实际X轴为左右方向的水平直线，实际Y轴为上下方向的竖直直线，用两摄像装置分别同时对标准网格工具进行拍照，将左边的摄像装置拍摄到的含左实际坐标系的图像定义为左眼定标图像，将右边的摄像装置拍摄到的含右实际坐标系的图像定义为右眼定标图像；
3、提取左眼定标图像中N个网格交叉点对应的图像的像素坐标值，通过最小二乘法，可获得左眼定标图像中的左像素坐标系与左实际坐标系之间的映射关系，提取右眼定标图像中N个网格交叉点对应的图像的像素坐标值，通过最小二乘法，可获得右眼定标图像中的右像素坐标系与右实际坐标系之间的映射关系，映射关系设置在图像处理模块中；
4、将头戴式显示设备戴在用户头上，用户的双眼处于默认位置处，两摄像装置分别对左眼和右眼摄像，得到左眼的左测量图像和右眼的右测量图像；
5、将左测量图像和右测量图像分别发送给图像处理模块，图像处理模块抓取左眼瞳孔中心和右眼瞳孔中心的图像点，并获得左眼瞳孔中心图像点的像素坐标值(PXL，PYL)，右眼瞳孔中心图像点的像素坐标(PXR’，PYR’)；
6、图像处理模块利用映射关系可以计算出左眼瞳孔像素坐标值(PXL，PYL)对应在左实际坐标系中的坐标值(XL，YL)，右眼瞳孔像素坐标值(PXR’，PyR’)对应在右实际坐标系中的坐标值(XR’，YR’)，从而由得到右实际坐标系中的坐标值(XR’，YR’)在左实际坐标系中的坐标值(XR，YR)；
4.7、图像处理模块根据所得的左实际坐标系中的双眼瞳孔中心的坐标值(XL，YL)和(XR，YR)，利用下式可计算出用户的瞳距PD：
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：
1、该方法对两个摄像头直接对用户眼睛拍摄的图像进行分析，由于摄像头距离眼睛非常近，采集到的图像通常有较大畸变，而该方法对图像水平和垂直两个方向(二维空间上)同时进行标定和校正，可以得到更为精确的测量结果。
2、该装置可单独作为瞳距仪器设备使用，也可作为功能模块用于近眼显示设备，或头戴式眼科检查设备(如视野计，眼底相机，验光仪，弱视治疗仪，等等)，在这些应用中，该模块获得用户瞳距数值的同时，还可以作为用户调整眼睛和设备的相对位置的参考依据。
附图说明
图1为自动测量瞳距的头戴式显示设备的结构示意图。
图2为用户佩戴自动测量瞳距的头戴式显示设备时的示意图。
图3为标准网格工具用自动测量瞳距的头戴式显示设备摄像时的示意图。
图4为标准正方形网格的示意图。
图5为左眼定标图像和右眼定标图像的示意图。
其中，1-框架、2-目镜、3-LED环形灯、4-摄像头、5-显示屏、6-标准网格工具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的自动测量瞳距的头戴式显示设备进行详细说明。
本发明提供的自动测量瞳距的头戴式显示设备的结构如图1所示，该设备包括框架1、目镜2、LED环形灯3、摄像头4、图像处理模块和显示屏5。目镜2、LED环形灯3和摄像头4均有两个。两目镜2对称安装于框架1上正对着用户的一侧上，显示屏5固定于框架1上背对着用户的一侧上。
两LED环形灯3对称安装于框架1上，且两LED环形灯3分别环绕在两目镜3外围，两LED环形灯3分别为两摄像头4摄像时提供光照。
两摄像头4对称安装于框架1上，且两摄像头4分别位于两目镜2的正下方，两摄像头4的镜头位于框架1外，且两摄像头4分别聚焦于的用户左右眼瞳孔所在的位置处。两摄像头4和显示屏5均与图像处理模块连接。
实施例1
下面结合上述的头戴式显示设备对利用其测量瞳距的方法进行详细说明。
1、取一个标准网格工具6，所述的标准网格工具为绘制有标准正方形网格的平板或纸张，如图4所示，将标准正方形网格左边中间位置处的一个网格交叉点标注为左实际原点O，并以左实际原点O为基准绘制实际X轴和实际Y轴，其中实际X轴和实际Y轴分别与穿过实际左原点O的两条网格线重合，以最小正方形网格的边长作为实际坐标轴的单位长度，建立左实际坐标系，左实际坐标系中任意一个网格交叉点M都有确定的实际坐标值(XM、YM)；
将标准正方形网格右边中间位置处的一个网格交叉点标注为右实际原点O’，并以右实际原点O’为基准绘制实际X’轴和实际Y’轴，其中实际X’轴和实际Y’轴分别与穿过右实际原点O’的两条网格线重合，以最小正方形网格的边长作为坐标轴的单位长度，建立右实际坐标系，右实际坐标系中任意一个网格交叉点M’都有确定的实际坐标值(XM’、YM’)；
左实际原点O和右实际原点O’位于同一条网格线上，实际X轴和实际X’轴重合，实际Y轴与实际Y’轴平行，则右实际坐标系中的任意一点(X'，Y’)的坐标值在左实际坐标系中对应的坐标(X，Y)可以通过下面的公式进行转换：
其中(DX、0)是右实际原点O’在以左实际原点O为原点的坐标系中的坐标值；
2、如图3所示，将标准网格工具放置于用户眼睛所在的默认位置处，此时，左实际坐标系中实际X轴为左右方向的水平直线，实际Y轴为上下方向的竖直直线，用两摄像头分别同时对标准网格工具进行拍照，将左边的摄像头拍摄到的含左实际坐标系的图像定义为左眼定标图像，将右边的摄像头拍摄到的含右实际坐标系的图像定义为右眼定标图像，如图5所示；
3、提取左眼定标图像中N个网格交叉点对应的图像的像素坐标值，通过最小二乘法，可获得左眼定标图像中的左像素坐标系与左实际坐标系之间的映射关系，提取右眼定标图像中N个网格交叉点对应的图像的像素坐标值，通过最小二乘法，可获得右眼定标图像中的右像素坐标系与右实际坐标系之间的映射关系，映射关系设置在图像处理模块中；
4、如图2所示，将头戴式显示设备戴在用户头上，用户的双眼处于默认位置处，两摄像装置分别对左眼和右眼摄像，得到左眼的左测量图像和右眼的右测量图像；
6、将左测量图像和右测量图像分别发送给图像处理模块，图像处理模块抓取左眼瞳孔中心和右眼瞳孔中心的图像点，并读取左眼瞳孔中心图像点的像素坐标值(PXL，PyL)，右眼瞳孔中心图像点的像素坐标(PXR’，PyR’)；
7、图像处理模块利用映射关系可以计算出左眼瞳孔像素坐标值(PXL，PYL)对应在左实际坐标系中的坐标值(XL，YL)，右眼瞳孔像素坐标值(PXR’，PyR’)对应在右实际坐标系中的坐标值(XR’，YR’)，从而由得到右实际坐标系中的坐标值(XR’，YR’)在左实际坐标系中的坐标值(XR，YR)；
8、图像处理模块根据所得的左实际坐标系中的双眼瞳孔中心的坐标值(XL，YL)和(XR，YR)，利用下式可计算出用户的瞳距PD：：

Claims (4)

1.一种自动测量瞳距的头戴式显示设备，包括框架和两个目镜，两目镜对称安装于框架正对着用户的一侧上，其特征在于：还包括摄像装置、照明装置和图像处理模块，摄像装置和照明装置均有两个，两摄像装置对称安装于框架上，两摄像装置分别位于两目镜的外侧，两摄像装置的镜头位于框架外，且两摄像装置分别聚焦于的用户左右眼瞳孔所在的位置处，两照明装置对称安装于框架上，两照明装置分别位于两目镜的外侧，两照明装置分别为两摄像装置摄像时提供光照，两摄像装置分别与图像处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的自动测量瞳距的头戴式显示设备，其特征在于：所述的照明装置为LED环形灯，两LED环形灯分别环绕在两目镜外围。
3.根据权利要求1所述的自动测量瞳距的头戴式显示设备，其特征在于：所述的摄像装置为相机或摄像头，两摄像装置分别位于两目镜的正下方。
4.一种自动测量瞳距的方法，其特征在于包括如下步骤：
4.1、取一个标准网格工具，所述的标准网格工具为绘制有标准正方形网格的平板或纸张，将标准正方形网格左边中间位置处的一个网格交叉点标注为左实际原点O，并以左实际原点O为基准绘制实际X轴和实际Y轴，其中实际X轴和实际Y轴分别与穿过实际左原点O的两条网格线重合，以最小正方形网格的边长作为实际坐标轴的单位长度，建立左实际坐标系，左实际坐标系中任意一点M都有确定的实际坐标值(XM、YM)；
将标准正方形网格右边中间位置处的一个网格交叉点标注为右实际原点O’，并以右实际原点O’为基准绘制实际X’轴和实际Y’轴，其中实际X’轴和实际Y’轴分别与穿过右实际原点O’的两条网格线重合，以最小正方形网格的边长作为坐标轴的单位长度，建立右实际坐标系，右实际坐标系中任意一点M’都有确定的实际坐标值(XM’、YM’)；
实际X轴和实际X’轴平行，实际Y轴与实际Y’轴平行，则右实际坐标系中的任意一点(X'，Y’)在左实际坐标系中对应的的坐标(X，Y)可以通过下面的公式进行转换：
其中(DX、DY)是右实际原点O’在以左实际原点O为原点的坐标系中的坐标值；
4.2、将标准网格工具放置于用户眼睛所在的默认位置处，此时，左实际坐标系中实际X轴为左右方向的水平直线，实际Y轴为上下方向的竖直直线，用两摄像装置分别同时对标准网格工具进行拍照，将左边的摄像装置拍摄到的含左实际坐标系的图像定义为左眼定标图像，将右边的摄像装置拍摄到的含右实际坐标系的图像定义为右眼定标图像；
4.3、提取左眼定标图像中N个网格交叉点对应的图像的像素坐标值，通过最小二乘法，可获得左眼定标图像中的左像素坐标系与左实际坐标系之间的映射关系，提取右眼定标图像中N个网格交叉点对应的图像的像素坐标值，通过最小二乘法，可获得右眼定标图像中的右像素坐标系与右实际坐标系之间的映射关系，映射关系设置在图像处理模块中；
4.4、将头戴式显示设备戴在用户头上，用户的双眼处于默认位置处，两摄像装置分别对左眼和右眼摄像，得到左眼的左测量图像和右眼的右测量图像；
4.5、将左测量图像和右测量图像分别发送给图像处理模块，图像处理模块抓取左眼瞳孔中心和右眼瞳孔中心的图像点，并获得左眼瞳孔中心图像点的像素坐标值(PXL，PYL)，右眼瞳孔中心图像点的像素坐标(PXR’，PYR’)；
4.6、图像处理模块利用映射关系可以计算出左眼瞳孔像素坐标值(PXL，PYL)对应在左实际坐标系中的坐标值(XL，YL)，右眼瞳孔像素坐标值(PXR’，PyR’)对应在右实际坐标系中的坐标值(XR’，YR’)，从而由得到右实际坐标系中的坐标值(XR’，YR’)在左实际坐标系中的坐标值(XR，YR)；
4.7、图像处理模块根据所得的左实际坐标系中的双眼瞳孔中心的坐标值(XL，YL)和(XR，YR)，利用下式可计算出用户的瞳距PD：
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