基于眼模型的折/衍混合眼底相机设计

本文应用二元衍射光学理论,设计了一个基于Gullstrand-Le Grand眼光学模型的折/衍混合免散瞳手持式数字眼底相机。该相机的视场角28°,摄影系统由五片透镜构成,其中包含一个二元面,在综合考虑人眼本身和外部系统的像差后,实现了全视场200万像素的高清晰成像。而且,具有较大调焦能力,对-10D至7D屈光度人眼普遍适用。结果显示,该系统成像分辨率高于120lp/mm,场曲值小于0.75mm,畸变仅为7.0%。同时,衍射光学元件的引入,有效地简化了系统,减小了重量和体积。     

基于眼模型的便携式眼底荧光相机设计

设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式眼底荧光相机.该相机选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统,综合考虑了人眼光学结构和外部系统的像差进行综合设计,实现了全视场200万像素的高清晰成像.采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式,获得了眼底均匀照明.结果显示:本相机具有较大的调节能力,对-10D～+8D人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120lp/mm,负畸变值小于5.3%.     

大视场手持式免散瞳眼底照相机光学设计

设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源,采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8μm,场曲小于0.2mm,畸变小于0.6%,在70lp/mm处各视场处的调制传递函数均高于0.4。使用Zemax光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰地再现了原图。该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。     

大视场免散瞳手持式眼底照相机光学设计

研究设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源。采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8μm,场曲小于0.2mm,畸变小于0.6%,在70lp/mm处各视场处的MTF均高于0.4。使用ZEMAX光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰的再现了原图,该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。     

便携式立体成像眼底相机的光学系统设计

设计了一个视场角为30°的免散瞳立体成像眼底相机的光学系统。系统由成像系统和照明系统组成,在成像系统中,设计了新型眼底立体成像光学结构,并加入前置物镜来提高成像分辨率;在照明系统中,通过设置环形光阑来避免角膜反射光的产生,并加入黑点板来消除网膜物镜产生的杂散光。研究结果表明,该系统不仅可以实现眼底视网膜图像的多角度同步采集,还可以实现眼底视网膜6×10~6 pixel的高清成像。系统对正常人眼的物方分辨率高于200 lp/mm,系统总长为290 mm,场曲值小于28μm,畸变仅为-4.9%。系统具有较强的调焦能力,能对-7～+5 m~(-1)屈光度人眼的眼底进行清晰成像。     

用于活体人眼视网膜观察的自适应光学成像系统

利用自适应光学技术,研制了两套活体人眼视网膜高分辨力成像系统,在实时校正人眼波前误差的基础上,实现活体人眼视网膜细胞尺度的高分辨力成像。这两套系统分别采用19和37单元小型压电变形反射镜作为波前校正元件,哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器测量波前误差,用眼底反射的半导体激光作为波前探测的信标。在用计算机控制自适应光学系统实现人眼波前误差校正后,触发闪光灯照明视网膜,用CCD相机记录视网膜的高分辨力图像。校正后的残余波前误差的均方根值已分别小于1／6和1／10波长,相当于视网膜上成像分辨力分别为3．4μm和2．6μm,接近衍射极限。试验表明37单元系统的成像质量更好。     

基于智能手机的眼底成像系统

眼底成像技术可检测临床视网膜组织状态,其检测结果已成为多种眼底疾病诊断的重要依据。然而,传统的眼底成像系统需要专业医护人员操作,且具有体积大、价格昂贵等缺点。随着智能手机的图像采集、存储、数据传输等功能的不断提升,基于智能手机的眼底成像系统可有效弥补传统眼底成像系统的上述缺陷。在本研究中,我们设计了照明和成像光路并利用3D打印技术将其小型化,通过与智能手机相结合实现了对人眼视网膜图像的采集。结果表明,基于智能手机的眼底相机距离模拟眼的工作距离约为17 mm,安置于体积仅为88 mm×79 mm×42 mm(长×宽×高)的手机外设配件中。随后,利用Zemax对系统光学参数进行了进一步优化。经优化后的成像系统,畸变保持在0. 2%范围内,场曲小于10μm。该系统具有便携性良好、无创、价格低廉等优点,未来可用于多种眼底疾病的社区筛查工作。     

双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像系统

如何有效校正随人群起伏很大的人眼像差,提高视网膜高分辨率成像技术的人群适用范围是临床应用面临的最大难题。现有的单一波前校正器无法同时清除高阶和低阶视觉像差。针对人眼高阶像差校正需求,研制成功了169单元3 mm极间距分立式压电变形镜,并与大行程Bimorph变形镜组合,建立了一套双变形镜的人眼视网膜成像系统。系统可实现对离焦小于±4.5 D、散光小于±3.0 D的低阶像差及前8阶Zernike像差的有效校正,极大地提高了系统的人群适用范围和成像质量。以低阶像差大小作为入选标准,进行小样本量人眼视网膜成像实验,获得了近衍射极限的视网膜图像。该系统适用范围明确,便于后续临床应用。     

可诱导人眼自动调焦的眼底相机光学系统设计

基于自适应光学设计了一款可诱导人眼自动调焦的眼底相机,包括视度调节系统、照明系统和自适应成像系统。在视度调节系统中,通过设置视标诱导人眼自动调焦,校正人眼初级像差,将人眼残余像差控制在自适应成像系统的校正范围内。在照明系统中,采用轴锥镜组产生环形光照明人眼,消除人眼角膜的强反射光,通过调节轴锥镜之间的距离使环形光束内径连续变化以适应不同的人眼。在自适应成像系统中,使用哈特曼-夏克波前传感器作为波前探测器,使用变形镜作为波前校正器,校正人眼的高阶像差。仿真结果表明,眼底照明均匀度可达95%,自适应成像系统在截止频率76lp/mm处,各视场调制传递函数(MTF)值均大于0.36。系统畸变小于1%,能够对在-6 D~+8 D(D表示屈光度数)之间的人眼眼底清晰成像。     

两档变焦测量电视光学系统的设计

基于切换式两档变焦光学装置,设计了一种焦距600ram／1200mm可变,靶面尺寸10．4mm×7．6mm,工作波段400nm～700nm,通光口径为136．6mm／170mm,最大畸变小于0．2％,传递函数值在空间频率60lp／mm处不低于209／5的光学系统,该系统经指标及像质测试、环境例行试验、实景成像试验的验证,系统各项技术指标均满足某军用测量设备的要求。     

头盔显示器视差自动测量中眼位点的自动对准

自动测量头盔显示器的视差时，用CCD相机取代人眼的主观读取，由于机器视觉不如人眼灵活，CCD相机在人眼观察点才能确保移动时采集的图像是完整的，从而保证全视场的视差测量。该文提出采用模式搜索法在头盔显示器光学平面内实现CCD相机自动对准人眼观察点(眼位点)，从而实现头盔显示器全视场视差的自动测量。对该自动测量系统的测量原理，以及CCD相机自动对准眼位点的实现过程进行了详细论述与说明，对测量精度与效率，对准精度与重复定位精度进行了实验分析。实验结果表明，该方法能够快速、准确、自动地对准眼位点，定位精度为±0.071°，与摆头法测量视差系统进行对比实验，全视场视差测量效率高，重复精度高。     

基于激光点云多条件约束的相机检校方法

为了克服相机检校对二维/三维检校场的依赖,提出一种基于激光点云多条件约束的相机检校方法。该方法通过对相机获取的多视影像进行光束法平差获得初始相机参数;利用影像点云与其最邻近的激光点云之间的位置关系,以共线方程为基础模型,建立多条件约束的相机检校数学模型;使用不等式约束的最小二乘方法平差迭代解算相机参数。将本文方法与基于三维控制场的检校精度进行了实验对比分析,结果表明本文方法与基于三维控制场的检校精度相当,两者反投影平均误差相差小于0.1 pixel,验证了本文方法在没有传统检校场的情况下进行相机检校的可行性。     

Retinal axial focusing and multi-layer imaging with a liquid crystal adaptive optics camera

With the help of adaptive optics(AO) technology, cellular level imaging of living human retina can be achieved.Aiming to reduce distressing feelings and to avoid potential drug induced diseases, we attempted to image retina with dilated pupil and froze accommodation without drugs. An optimized liquid crystal adaptive optics camera was adopted for retinal imaging. A novel eye stared system was used for stimulating accommodation and fixating imaging area. Illumination sources and imaging camera kept linkage for focusing and imaging different layers. Four subjects with diverse degree of myopia were imaged. Based on the optical properties of the human eye, the eye stared system reduced the defocus to less than the typical ocular depth of focus. In this way, the illumination light can be projected on certain retina layer precisely.Since that the defocus had been compensated by the eye stared system, the adopted 512 × 512 liquid crystal spatial light modulator(LC-SLM) corrector provided the crucial spatial fidelity to fully compensate high-order aberrations. The Strehl ratio of a subject with-8 diopter myopia was improved to 0.78, which was nearly close to diffraction-limited imaging. By finely adjusting the axial displacement of illumination sources and imaging camera, cone photoreceptors, blood vessels and nerve fiber layer were clearly imaged successfully.     

Configuration of virtual cameras for ground based 360° three-dimensional display

Most technologies provide three-dimensional (3D) display in the front of screens which are in parallel with the walls, and the sense of immersion is decreased. To get the right ground based 3D imaging, cameras’ imaging planes should be parallel to the public focus plane, and the cameras’ optical axes should be shifted to the center of the public focus plane in both vertical and horizontal directions. Virtual cameras are used to display 3D model in computer system. Two virtually capturing methods for ground based 3D display are presented. The position of virtual camera is determined by the observer's eye positions in the real world. When the observer stands in the displayed circumcircle on the ground, off-axis perspective projection virtual cameras are used. If the observer stands out the circumcircle, offset perspective projection virtual cameras and the orthogonal projection virtual cameras are adopted. An experimental system for ground based 360° 3D display is demonstrated for viewing horizontally, which provides high-immersion 3D visualization. The displayed heights are compared with the measured results.     

单摄像机下基于眼动分析的行为识别

眼动信息是识别观看视频、浏览网页等以视觉任务为主的行为的关键信息. 针对传统的可穿戴传感器普遍具有侵入性, 而现有基于视觉的眼动仪存在价格昂贵、校准过程复杂等问题, 本文尝试使用单一的标准网络摄像头获取眼动信息用于行为识别, 并评估了该方法的可行性. 提出一种针对低质量视频图像的虹膜跟踪算法以获取眼动信号, 然后分别从水平和垂直方向的眼动信号中提取出五种新的眼动特征, 并从中选择出最优特征子集, 最后采用支持向量机分类器评价了本文方法的可行性. 针对不同应用背景设计了三组验证实验: 留一交叉验证、k折交叉验证及单独校准测试, 三组实验中, 对不同参与者三种行为的平均识别正确率分别为68.4%, 79.3%及84.1%, 证明了基于视频图像的眼动分析用于行为识别是一种很有希望的传感形式, 并有望用于更为复杂的传感任务. 关键词： 物联网 行为识别 眼睛跟踪 传感     

基于暗瞳图像的人眼视线估计

虹膜外边缘受眼睑遮挡较为严重时, 会给虹膜中心的准确提取造成很大的困难. 为此, 提出利用放置在相机轴外的红外光源产生的暗瞳图像估计瞳孔中心, 该方法避免了提取虹膜外边缘遇到的遮挡问题. 首先利用角膜反射光斑在相机像面中的位置估计角膜所在球体中心的三维空间坐标, 作为眼球的平动信息; 然后考察瞳孔中心与角膜球体中心在相机成像面投影位置的相对偏移, 作为眼球的转动信息; 最后利用人工神经网络完成视线特征向量与注视点坐标间的映射. 在人眼区域定位的问题上, 利用两部大视场相机, 采用自适应增强算法和主动表观模型算法实现眼部区域的准确定位, 该步骤可以将提取反射光斑和瞳孔中心需要考虑的图像区域限定在较小的范围内. 实验结果表明, 本文视线估计方法在水平方向上的平均误差为0.62°, 在竖直方向上的平均误差为1.05°, 是解决视线点估计的有效方法. 关键词： 暗瞳 人工神经网络 自适应增强 主动表观模型     

A new image processing method for evaluating the pupillary responses in a HMD-type eye-tracking device

In this paper, a new image processing method for evaluating the pupillary responses is described. This system is based on an eye-tracking system, using eye tracking and pattern recognition techniques with appropriate hardware and software. This pupillary response evaluation system includes a head-mounted display and a pinhole CCD camera. When the subject uses the head-mounted display to browse the screen of a computer, the CCD camera catches images of the subject's eye and transmits it to the computer. The program in the computer calculates the location and size of the pupil in the images. The pupil area calculation weighting function, visual fatigue detection, concentration detection, and eye/HMD slide compensation are included in the system. This allows the system to detect the pupil under different conditions. This system will know if anyone is using the system, then it evaluates the operating conditions of the subject, if the adjustment is correct, and guides the operator in using the system. The experimental results verified that this image system provides an economical and effective method for evaluating pupillary responses.     

Probability analysis of position errors using uncooled IR stereo camera

This paper analyzes the random phenomenon of 3D positions when tracking moving objects using the infrared (IR) stereo camera, and proposes a probability model of 3D positions. The proposed probability model integrates two random error phenomena. One is the pixel quantization error which is caused by discrete sampling pixels in estimating disparity values of stereo camera. The other is the timing jitter which results from the irregular acquisition-timing in the uncooled IR cameras. This paper derives a probability distribution function by combining jitter model with pixel quantization error. To verify the proposed probability function of 3D positions, the experiments on tracking fast moving objects are performed using IR stereo camera system. The 3D depths of moving object are estimated by stereo matching, and be compared with the ground truth obtained by laser scanner system. According to the experiments, the 3D depths of moving object are estimated within the statistically reliable range which is well derived by the proposed probability distribution. It is expected that the proposed probability model of 3D positions can be applied to various IR stereo camera systems that deal with fast moving objects.     

近景大视场角分区域标定方法研究

针对飞行试验测量视场大相机标定精度低的问题,提出一种高精度CCD相机分区域标定方法。该方法首先通过将标靶均匀布置在摄像机视场内,使得标靶尽可能均匀错落地充满整个视场范围,再结合人眼判读的方式求解靶标的像面位置,最终与全站仪三维坐标形成精确的空间标定点集。接着,将像平面按横向方向等间距分割成Ｎ个区域,并结合后方交会的方法分别对每个子区域进行相机参数的计算。实验结果表明：经过分区域标定,相机采集点的总误差比单区域标定法降低了4％(Ｎ＝3)。算法可实现指定区域的相机参数计算,基本满足中高等精度的工业测量要求。所本文研究可应用于位置相对固定不变的工业视觉测量,特别是大工件测量领域。