技术领域
[0001] 本
发明属于医疗验光设备技术领域，尤其涉及一种智能便携式手持视力筛查仪及验光方法。
背景技术
[0002] 从医疗卫生发展的方向看，自动化/智能化、精确化、数字化和远程化是今后医疗发展的必然趋势。国外在上世纪就进行了数字化、自动化、远程化的改造，国内医疗现在在各个行业进行远程化、智能化、数字化的改进。随着
物联网技术的发展，传统医疗方式逐渐出现自动化程度低、医疗资源受限等不足之处，这就必然导致医疗检测工具的不断革新。智慧医疗是物联网在医疗健康行业应用的结果，它整合了医疗检测技术、物联网技术、
大数据技术，实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动。
[0003] 随着
电子技术的发展，目前青少年、学龄儿童近视的人越来越多，因此针对婴幼儿、青少年、社会人员体检验光筛查的技术日渐被大家重视起来。
[0004]
现有技术中，深圳市斯尔顿科技有限公司的
专利名称一种自助式红外偏心摄影验光仪及自助验光方法，如图1所示，通过中央处理单元控制集成器运动，调节至合适的距离并接收成像透镜的
位置反馈
信号，直到人眼处于工作位置；
控制器控制阳光系统与摄像系统动作拍照。在整个过程中，中央处理设备通过控制集成控制器来实现整个自助验光的过程；无需他人配合。现有技术主要具有以下几个缺点：该装置使用时忽略人眼的瞳间距，计算误差较大；该设备自助使用时，对于人眼位置的识别比较难，该装置调
节距离的时间较长，需要多次调节透镜位置，对于孩子、老人等人员来说使用时较难操作；该产品在大量人群使用时，区别个人信息较为复杂，易出错，而且数据量较大，记录不方便。该产品忽略人体三维平面，直接按照二维空间计算，误差较大且不能很好地检测患者斜视。
[0005] 手持自动验光仪在幼儿、儿童、青少年群体可以测出球径、柱径屈光度，寻找出弱视高危人群和可疑人群。当前的测试仪主要是使用者测试不方便，需要坐在固
定位置，固定距离，调节摄像机时间较长，人为操作误差较大。并且用户量大时，个人信息填写等工作量巨大，信息填写复杂，易出错。
发明内容
[0006] 针对现有技术中存在的
缺陷，本发明涉及电子信息检测和
生物医疗技术两个学科，针对目前人眼视力筛查基本采用专业人员通过台式验光设备或者自动验光设备来进行筛查的现象，本发明具有无线通信和生物识别的功能，可以通过刷卡将人员信息与人眼或人脸或指纹绑定，减少大量的数据记录并大大降低出错概率；本发明通过可见光镜头实现
人脸识别或
虹膜识别、并可根据
图像识别条形码、二维码、身份证等图形文字信息与个人身份相关联；双镜头可以对人双眼部分进行3D重建，人眼部位和鼻梁是三维的，单独一个镜头的采集的二维图像存在误差，而通过3D重建能更精确测量单眼瞳距，判断是否存在显斜，提高验光
精度。本发明通过屏幕前面设置有全彩LED
和声音模
块，不同
颜色发光体针对不用年龄段的人进行不同
频率和
亮度的闪光配合不同的音频信息来吸引人的注意力，尤其是吸引儿童以及配合不良好的人员的注意力。
[0007] 本发明涉及一种智能便携式手持视力筛查仪，包括分别与中央处理单元连接的验光系统、摄像系统、集成控制系统、无线通信系统；其中验光系统由
光源、光阑、透镜组成，实现光源的发出、光阑隔离、透镜透射；
超声波测距与
温度传感器相结合能实现测距和测温功能，并能够根据温度调节
算法公式的参数；验光系统通过红外镜头和可见光镜头拍摄人眼图像，实现人眼屈光
数据采集和人眼虹膜数据采集、人眼颜色信息采集；集成控制系统实现不同的预览模式、拍照模式、查阅模式的功能，并且提示验光者在合适的位置拍照，进行声、光、语音和文字报警以及指示，显示屏显示预览模式以及测试结果，并可进行触摸操作及进行指纹采集；无线通信系统实现社保卡、就医卡的读卡功能及无线传输数据的功能，实现个人信息绑定、无线打印；中央处理单元实现数据采集处理、图像识别、灰度分析和屈光度计算。
[0008] 更进一步的，本发明中的智能便携式手持视力筛查仪通过无线通信与智能医疗
云平台相连接，对数据进行大
数据处理，结果通过数据终端如PC机、手机、PAD以及其他网络设备显示，医生可通过医疗云平台查看数据结果，用户可通过扫描二维码或者绑定手机用户等方式查询及打印测试结果，也可登录网络查询响应数据结果。智能医疗平台以云计算为
基础，患者实现网上预约、查询等自助服务，医疗机构之间实现同级检查结果互认，节省医疗资源，减少患者重复检查和检验的负担。
[0009] 更进一步的，本发明中的验光系统采用正六边形光阑，光源采用LED红外光。采用改进的光阑结构，光阑采用正六边形分布，红外镜头中心有一个红外LED，在测试开始阶段发光，作为人眼定位用，其他6组红外LED光阵列呈正六边形布置，每组LED光阵列具有4组红外光源，4组红外光源均匀分布于由正六边形中心向
外延伸的直线上，。相邻两组红外LED光阵列之前设置有吸引配合的可见光LED阵列，每组可见光LED阵列包括3组或3组以上可见光光源，呈等边三
角形或其它对称图形，按照不同的频率循环指示，吸引用户的注意力。红外镜头设置于正六边形中心，
超声波传感器设置于红外镜头正上方且距红外镜头约1-5cm，并且位于两组红外LED光阵列中间，用于测量人体额头部分与视力筛查仪间的距离，可见光镜头位于一组
水平设置的红外LED光阵列外侧延长线上，该光阑结构及双镜头能够快速拍照，1-2s即可完成拍照验光。
[0010] 更进一步的，本发明的摄像系统采用双镜头模式，红外镜头用来拍摄红外LED光阵列光源发出的红外光在
眼底的成像照片，可见光镜头用来拍摄人眼部照片，通过可见光镜头能够进行人眼识别，纪录人眼虹膜信息进行虹膜识别技术，另外可以测量人眼瞳孔间距，进一步提高屈光度计算精度；人体生物特征具有随身携带和难以伪造的优点，在安全保密、便捷识别上有优势，且终身保持不变，
稳定性好。
[0011] 可见光镜头可以识别不同的瞳孔颜色，不同人种眼睛色彩不同，因此计算式进行
图像处理的照片也会有不同的计算公式，可见光镜头可以根据不同的瞳孔颜色进行补偿算法，进行分类处理，有效提高计算的准确度。双镜头可以对人双眼部分进行3D重建，人眼部位和鼻梁是三维的，单独一个镜头采集的二维图像存在误差，而通过3D重建能更精确测量单眼瞳距，判断是否存在显斜。目前的设备中都不具有该类功能。
[0012] 设备设计有声光装置，以提示使用者正确与否，并能够在采集图像时，吸引使用者的注意力，引导使用者看向镜头，准确采集图像。两个镜头距离为6cm，按照人眼之间的瞳距设计。
[0013] 更进一步的，本发明采用超声波测距系统，超声波测距测量人额头平面到镜头之间的距离，通过3D模型修正人眼平面到镜头之间的距离，人脸部分额头相对较为平整、对称，个人差异较小，测量人到镜头距离误差小。超声波
指向性强，
能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到精度要求。由于对人眼验光精度的要求较高，为了使超声波测距精度达到1mm，本发明把超声波传播的
环境温度考虑进去，超声波测距系统还设置有环境温度传感器，使得系统可以根据环境温度来自动计算，大大提高超声波测距的计算精度。
[0014] 更进一步的，本发明利用无线通信系统，支持设备进行无线刷卡功能，可识别社保卡、就诊卡等一卡通信息，并将其与个人虹膜信息进行绑定，进行个人身份认定，目前的设备中都不具有该类功能。
[0015] 设备支持数据的无线收发，将个人的眼睛采集信息进行处理后可以上传至云平台，并进行数据保存、纪录，为医院和使用机构节省很多数据备份、保存时间，能够很好的进行管理统计数据，并能对个人的眼睛数据进行长期
跟踪，适用于眼部
疾病人员以及学生等长期监测，对于医疗机构和政府部
门来说，能够很容易得出幼儿、青少年等不同人群的横向数据对比，对于政府和医疗机构来说很具有社会意义。设备可支持无线打印功能，支持测试结果数据无线打印。
[0016] 更进一步的，本发明中的中央处理单元具有低功耗设计，支持设备长时间运行；能够根据测距控制红外led光阵列灯亮并控制镜头进行拍照，对测距进行计算，通过图像位置与面积计算近视和
散光度数。
[0017] 更进一步的，本发明涉及一种利用智能便携式手持视力筛查仪的验光方法，验光方法为：在验光仪处于预览状态下，通过超声波测距能够提示被测者距离并在
触摸屏上显示距离，通过可见光镜头识别人眼位置，当人眼与摄像平面距离调节至100cm时触摸屏有字幕提示及声音提示；然后，集成控制器控制照明光源和摄像元件同步闪灯及拍照，完成对人眼
图像采集，通过计算最终完成自动验光，并在触摸屏上显示验光结果；在整个过程中，
中央处理器通过检测位置及距离调整来实现整个自动验光的过程；整个过程自动完成并将数据显示存储于被测人的信息中心，该过程无需他人配合。
[0018] 更进一步的，本发明的验光方法中利用改进的光阑结构，采用适应因结构的偏心摄影验光算法：光源发出光线，在
视网膜上形成发射图像，图像的亮暗区域可以根据眼睛的屈光度不同有不同的位置和面积大小的变化；采用大量的红外光光源短时间发光，红光
照相机同步拍照照片，并通过照片拍摄的人眼灰度
图像分析光斑的亮度、位置、面积来计算人眼的屈光度。
[0019] 有益效果：
[0020] 智能便携式手持视力筛查仪在幼儿、儿童、青少年群体可以测出球径、柱径屈光度，寻找出弱视高危人群和可疑人群。与传统手持自动验光仪不同，为提高产品性能，本设备增加超声波测距传感器，能有效校准人体与镜头之间的距离，提高产品精度；本产品采用双镜头技术，增加彩色LCD镜头，通过人脸识别方式识别双眼自动拍照，实现自动检测功能；另外通过先进的虹膜识别技术，提取虹膜信息，通过
读卡器读取社保卡或者医疗卡等相关卡片，在检测时时与个人信息关联，减少医务人员大量冗繁的信息登记。大量冗余信息进行复杂的算法校准，进而得到准确的近视度数，筛查儿童、青少年的近视、散光度数，尽早做到
预防和
治疗。
生物识别技术是一种新兴技术，国内外虹膜技术已经开始应用智能医疗等方向，得益于新的芯片和新的算法带来的计算能力的提升，在该类型设备中首次使用该技术。
[0021] 本发明的智能便携式手持视力筛查仪能够自动测距拍照，一个人就可以方便使用验光设备，简化验光流程；增加超声测距和环境温度传感器，能够通过超声测距并加以温度补偿算法，有效准确的测量人脸到摄像平面的距离；通过可见光镜头采集的人眼瞳距的计算，结合人脸平面到摄像平面的距离计算人眼到摄像平面的距离用来计算屈光度更精确，有效提高计算精度；根据可见光镜头采集的人眼瞳仁颜色，采用色彩补偿算法，提高不同瞳色人种的计算精度；智能化验光设备的无线通信技术适应现代智能医疗的需求，精准测量并保存信息至云平台，与目前发展的智能医疗系统接轨。
附图说明
[0022] 图1现有技术
[0023] 图2眼睛成像原理
[0024] 图3智能便携式手持视力筛查仪的组成示意图
[0025] 图4光阑结构及双镜头位置示意图
[0027] 图6眼睛到镜头之间的距离
[0028] 图7预览界面提示
具体实施方式
[0029] 偏心摄影验光系统原理如图2所示，该部分主要由光源、眼瞳、光阑及摄像机组成。光线通过光源发出，投射到人眼，根据眼睛的屈光度不同，反射光线经过摄像镜头前的光阑在摄像平面上形成不同的眼瞳图像。
[0030] 正常人眼睛屈光没有异常，光源发出的光线经过聚焦在视网膜上；近视眼眼球前后轴加长，眼
角膜变凸(瞳孔的角膜外凸)，外接光线聚焦在视网膜前面；远视眼眼球前后轴变短、眼角膜变凹(瞳孔的角膜凹陷)，外接光线聚焦在视网膜后面。在光源后面的红外镜头在光源发光的同时对人眼进行拍照，然后对拍摄的图像进行图像处理分析，计算出屈光度。光源到摄像的距离＝r+2L，其中r是镜头镜面到摄像期间之间的距离，L是人眼到光源的距离。设备通过双镜头通过图像建立人脸3D模型，相比之前的单镜头二维图像，该设计精确计算人眼到额头平面的距离、人眼瞳间距，提高人眼屈光度的计算精度。
[0031] 如图3所示为智能便携式手持视力筛查仪的组成示意图，包括分别与中央处理单元连接的验光系统、摄像系统、集成控制系统、无线通信系统；其中验光系统由光源、光阑、透镜组成，实现光源的发出、光阑隔离、透镜透射；超声波测距与温度传感器相结合能实现测距和测温功能，并能够根据温度调节算法公式的参数；验光系统通过红外镜头和可见光镜头拍摄人眼图像，实现人眼屈光数据采集和人眼虹膜数据采集、人眼颜色信息采集；集成控制系统实现不同的预览模式、拍照模式、查阅模式的功能，并且提示验光者在合适的位置拍照，进行声、光、语音和文字报警以及指示，显示屏显示预览模式以及测试结果，并可进行触摸操作及进行指纹采集；无线通信系统实现社保卡、就医卡的读卡功能及无线传输数据的功能，实现个人信息绑定、无线打印；中央处理单元实现数据采集处理、图像识别、灰度分析和屈光度计算。
[0032] 智能便携式手持视力筛查仪通过无线通信与智能医疗云平台相连接，对数据进行大数据处理，结果通过数据终端如PC机、手机、PAD以及其他网络设备显示，医生可通过医疗云平台查看数据结果，用户可通过扫描二维码或者绑定手机用户等方式查询及打印测试结果，也可登录网络查询响应数据结果。智能医疗平台以云计算为基础，患者实现网上预约、查询等自助服务，医疗机构之间实现同级检查结果互认，节省医疗资源，减少患者重复检查和检验的负担。
[0033] 如图4所示为光阑结构及双镜头位置示意图，验光系统采用正六边形光阑，光源采用红外光。本发明采用改进的光阑结构，光阑采用正六边形分布，红外镜头中心有一个红外LED，在测试开始阶段发光，作为人眼定位用，其他6组红外LED光阵列呈正六边形布置，每组LED光阵列具有4组红外光源，4组红外光源均匀分布于由正六边形中心向外延伸的直线上，相邻两组红外LED光阵列之前设置有吸引配合的可见光LED阵列，每组可见光LED阵列包括3组或3组以上可见光光源，呈等边三角形或其它对称图形，按照不同的频率循环指示，吸引用户的注意力。红外镜头设置于正六边形中心，
超声波传感器设置于红外镜头正上方且距红外镜头约1-5cm，并且位于两组红外LED光阵列中间，用于测量人体额头部分与视力筛查仪间的距离，可见光镜头位于一组水平设置的红外LED光阵列外侧延长线上，该光阑结构及双镜头能够快速拍照，1-2s即可完成拍照验光。
[0034] 摄像系统采用双镜头模式，红外LCD镜头用来拍摄红外LED阵列光源发出的红外光在眼底的成像照片，可见光镜头用来拍摄人眼部照片，通过可见光镜头能够进行人眼识别，纪录人眼虹膜信息进行虹膜识别技术，人体生物特征具有随身携带和难以伪造的优点，在安全保密、便捷识别上有优势，且终身保持不变，稳定性好。
[0035] 可见光镜头可以识别不同的瞳孔颜色，不同人种眼睛色彩不同，因此计算式进行图像处理的照片也会有不同的计算公式，但是可见光镜头可以根据不同的瞳仁色彩进行补偿算法，进行分类处理，有效提高计算的准确度。双镜头可以对人双眼部分进行3D重建，人眼部位和鼻梁是三维的，单独一个镜头的采集的二维图像存在误差，而通过3D重建能更精确测量单眼瞳距，判断是否存在显斜，进一步提高屈光度计算精度；镜头可识别医院条码、二维码、身份证等自动对应患者信息。目前的设备中都不具有该类功能。
[0036] 设备设计有声光装置，以提示使用者正确与否，并能够在采集图像时，吸引使用者的注意力，引导使用者看向镜头，准确采集图像。两个镜头距离为6cm，按照人眼之间的瞳距设计。
[0037] 如图5所示为设备使用流程图，在验光仪处于预览状态下，通过超声波测距能够提示被测者距离并在触摸屏上显示距离，通过可见光镜头识别人眼位置，当人眼与透镜距离调节至100cm时触摸屏有字幕提示及声音提示；然后，集成控制器控制照明光源和摄像元件同步闪灯及拍照，完成对人眼图像采集，通过计算最终完成自动验光，并在触摸屏上显示验光结果；在整个过程中，中央处理器通过检测位置及距离调整来实现整个自动验光的过程；整个过程自动完成并将数据显示存储于被测人的信息中心，该过程无需他人配合。
[0038] 如图6所示为验光仪所使用算法中的眼睛到镜头之间的距离，计算原理：我们设定人眼到摄像平面的固定距离100cm计算。由图6可知，眼睛平面到摄像机镜头平面的距离L’2＝L2+(D/2)2。其中L’是眼睛平面到摄像机镜头平面的距离，L是超声波安装平面到到人脸平面的测量距离；D是双眼的瞳距。目前很多计算都是去除眼睛瞳间距，这样的话误差比较大。
[0039] 根据检测到的人与镜头的距离L’：我们设定人眼到摄像平面的固定距离100cm，设备根据超声波测距测出人脸平面与镜头平面之间的距离，双镜头可以对人脸部分进行3D重建，人眼平面对人额头平面是一个三维的，二维图像存在误差，而通过3D重建能更精确测量眼平面与镜头之间的间距，提高测量精度。并通过声音或者文字、灯光提示我们向前/向后移动，为了吸引婴幼儿并保护儿童眼睛，我们采用红绿蓝色等颜色较为艳丽的旋转灯光旋转显示并配合轻柔的音乐。
[0040] 颜色是
计算机视觉中的重要信息，在特种提取、目标识别、
运动跟踪等领域中常用到，但是真实的场景中，光源不是理想的，光源的颜色和亮度以及环境的变化都会使目标的颜色在图像中有变化。本发明拍摄后对于人眼形成的图像光斑的图片来说，主要是查找光斑的边缘以及去除瞳孔的影响。在实际操作中我们先对图片进行截取，截取合适尺寸的眼底图片，进行基本的滤波处理，然后使用颜色补偿技术，根据可见光镜头识别人眼瞳孔的颜色对黑白图片的图像进行补偿，采取
边缘检测算法滤波方法进行边界查找，然后根据最小二乘法方式拟合逼近亮暗边界和瞳孔边界。
[0041] 如图7所示为预览界面提示，超声波测距测量人额头平面到镜头之间的距离，通过3D模型修正人眼平面到镜头之间的距离，根据瞳孔间距提示我们向左/向右移动，以达到人眼平面与镜头平行的位置。该验光仪只需要根据在预览模式下根据采集到的图像对比提示我们向前/向后/向左/向右移动即可。该设备使用时，对于人眼位置的识别非常容易，调节距离的时间短，对于孩子、老人等使用非常简单。
[0042] 本发明的智能手持验光仪能够自动测距拍照，一个人就可以方便使用验光设备，简化验光流程；增加超声测距和环境温度传感器，能够通过超声测距并加以温度补偿算法，有效准确的测量人脸到摄像平面的距离；通过可见光镜头采集的人眼瞳距的计算，结合人脸平面到摄像平面的距离计算人眼到摄像平面的距离用来计算屈光度更精确，有效提高计算精度；根据可见光镜头采集的人眼瞳仁颜色，采用色彩补偿算法，提高不同瞳色人种的计算精度；双镜头可以对人脸部分进行3D重建，人眼部位和鼻梁是三维的，人眼部位对于额头部分也是三维的，单独一个镜头的采集的二维图像存在误差，而通过3D重建能更精确测量单眼瞳距，判断是否存在显斜，提高测量精度；智能化验光设备的无线通信技术适应现代智能医疗的需求，精准测量并保存信息至云平台，实现医疗机构之间的数据共享，并实现个人的网上预约、查询、打印功能，与目前发展的智能医疗系统接轨。
