CN108634924B - 一种基于vr技术的验光及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一种基于VR技术的验光及仿真方法，其包括以下步骤：对于被观察物体的同一个成像点，将各种可能的不同视场方向g定义在一个矢量空间K中，将常规验光中的特定视场方向g定义在另一个矢量空间K′中；定义两个空间的映射矩阵T:K′→K；将所述特定视场方向g的各种参数通过所述映射矩阵转换成K空间的参数，从而得出包含各种不同视场方向下的镜片最佳成像参数；根据所述镜片最佳成像参数制作出的镜片能满足实际使用的需求，即使佩戴者眼球转动到镜片边缘的视场方向，该镜片的成像效果依然很好。

Description

一种基于VR技术的验光及仿真方法

技术领域

本发明涉及验光技术领域，尤其涉及一种基于VR技术的验光及仿真方法。

背景技术

目前对于眼镜的设计，包括近视眼镜、老花镜、散光等眼镜的设计，一般是佩戴需求者先验光，然后根据验光结果得出的处方进行设计，目前的验光系统得到的处方一般包括度数、散光、轴位、棱镜度数等各种镜片最佳成像参数。

但是常规的验光过程中，人眼注视在前方的仪器，眼球只是在某一个特定转动角度(即特定视场方向)，所以这种验光得到的数据只是某一个特定的角度的参数，这种方式得到的眼镜处方无法对大视场下的使用产生指导意义。也就是说这种验光方法无法将不同的视场方向下(即眼球转动的不同角度条件)眼镜片的成像效果综合考虑，即无法将实际眼睛需要看到的整个幅面的图片以眼镜片处方的方式表现出来。根据常规验光得到的处方制作出的眼镜片只能在人眼眼球刚好处于上述特定转动角度时能表现出最佳的成像效果，若佩戴者人眼眼球转动了，眼镜片的成像效果必然不同或者成效效果很差，但是在实际使用过程中，人眼眼球的转动是随机发生的。所以通过常规验光方法而后制作出的眼镜片并不能完全满足实际需要。

而也有些验光用到了VR技术，如中国专利申请201710222691.3(专利名称：一种基于VR技术的验光方法及VR眼镜验光仪，专利申请公布号：CN106963334A，申请日：2017年4月7日)，其公开了一种基于VR技术的验光方法及VR眼镜验光仪，该方法在VR系统中建立验光专用图像，并采用拟合出人眼所看到的清晰图像的位置x与人眼度数y之间的关系式y＝f(x)，该方法还提出，在验光过程中，用户可以通过肢体或语言与VR系统进行交流、反馈，从而调整图像的清晰度。但是该方法所指的图像清晰度仍然和现有的验光技术中一样，得到的是某一个特定的眼球转动方向下(即某个特定的视场方向下)的最佳镜片设计参数。若验光人眼球转动到不同方向了，就没法进行正常验光了。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种基于VR技术的验光及仿真方法，其将人眼球的转动考虑在验光过程中。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于VR技术的验光及仿真方法，包括以下步骤：

第一步：在VR系统中模拟出光轴方向Z、被观察物体；

第二步、在VR系统中仿真设计出一镜片，将该镜片置于所述光轴方向上并使其位于人眼与被观察物体之间，人眼通过所述镜片观察被观察物体；

第三步：对于被观察物体的同一个成像点，将各种可能的不同视场方向g定义在一个矢量空间K中，将常规验光中的特定视场方向g定义在另一个矢量空间K′中；

第四步、定义两个空间的映射矩阵T:K′→K；

第五步、将所述特定视场方向g的各种参数通过所述映射矩阵转换成K空间的参数，从而得出包含各种不同视场方向下的镜片最佳成像效果参数。

定义在K′空间中，某一个眼球转动方向为g(a，b)矢量，在该方向完善成像，在这个矢量方向g(a,b)上，人眼捕捉到的光能量为I(a,b,λ)，其中λ为波长；在K空间中，人眼在矢量方向g(as,bs)上捕捉到的光能量为I(as,bs,λ)，根据上述映射矩阵T:K′→K，定义两空间K与K′光能量的映射矩阵G：I(a,b,λ)→I(as,bs,λ)，并根据以下公式计算镜片最佳成像效果参数：

I(as,bs,λ)＝∫∫_K'f(as,bs,a,b,λ)I(a,b,λ)dadb

式中，f(as,bs,a,b,λ)即代表点传递函数最终的点传递函数即包括所述镜片最佳成像效果参数。

上述计算公式使用在矢量空间中，由于人眼的眼球转动是有不同的角度，所以I(a,b,λ)和I(as,bs,λ)中的角度a和b有各种不同的值，因此将它们分别定义为I(a_j,b_j,λ)和I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m,其中，j＝1,...........m表示不同的角度。

根据上述计算公式，计算最终的点传递函数的公式计算包括以下步骤：

(1)在K空间，对于特定图片，选取一系列的I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m；

(2)计算映射矩阵G：I(aj,bj,λ)→I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m；

(3)计算点传递函数f(as,bs,a,b,λ)；

(4)在K′空间，对于上述特定图片，选取三种波长，迭代计算点传递函数f(as,bs,a,b,λ)；

(5)将上述第(2)步到第(4)步的计算结果代入到上述计算最终点传递函数的公式中，计算出最终的点传递函数f，所述最终的点传递函数f包含镜片最佳成像效果参数。

所述基于VR技术的验光及仿真方法，还包括镜片验证方法，所述镜片验证方法包括以下步骤：

第1步、所述VR系统根据上述第一步到第五步得出的镜片最佳成像效果参数对上述仿真设计出的镜片进行调整而形成为新镜片，该新镜片的各参数完全符合所述镜片最佳成像效果参数；

第2步、再模拟人眼通过所述新镜片观察被观察物体，且在贯观察过程中，通过不同方向角度转动眼球来验证新镜片的成像效果。

本发明的有益效果为：并发明利用VR技术仿真设计出镜片，并模拟人眼通过镜片观察待观察物体，将传统实际验光中的某一个特定视场方向下的各种参数，通过映射矩阵，转换成包含各种不同视场方向的最佳镜片成像参数；即是说，本发明将眼球转动的不同方向考虑在验光过程中，从而根据本发明验光及仿真方法得到的最佳镜片参数制作出来的镜片完全能满足实际使用中眼球转动不同方向的需要，即在佩戴者眼球转动到镜片边缘视场方向下，该镜片的成像效果同样很好，只会出现较小的像散、色差、畸变；即是说，本发明利用VR技术将验光与仿真结合起来，从而能为高精度验光、视力矫正提供完整的解决方案，解决了现有技术中单一视场方向下验光的问题。

附图说明

图1为本发明验光及仿真方法的流程框图；

图2为本发明方法中眼球某一个转动方向g矢量的示意图；

图3为本发明方法中在K与K′两个不同空间下眼球转动方向示意图；

图4为本发明方法中渐进多焦点镜片曲率的三维显示模型示意图；

图5为本发明方法中渐进多焦点镜片截面曲率显示示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于VR技术的验光及仿真方法包括以下步骤：

第一步：在VR系统中模拟出光轴方向Z、被观察物体；

第二步：在VR系统中仿真设计出一镜片，将该镜片置于所述光轴方向上并使其位于人眼与被观察物体之间，人眼通过所述镜片观察被观察物体；

第三步：对于被观察物体的同一个成像点，将各种可能的不同视场方向g定义在一个矢量空间K中，将常规验光中的特定视场方向g定义在另一个矢量空间K′中；

第四步、定义两个空间的映射矩阵T:K′→K；

第五步、将所述特定视场方向g的各种参数通过所述映射矩阵转换成K空间的参数，从而得出包含各种不同视场方向下的镜片最佳成像效果参数。

如图2所示，在角坐标系统中，矢量g(a,b)在YOZ平面的投影分量为g_y,在XOZ平面的投影分量为g_x，其中g_x和Z方向的夹角为a,g_x和Z方向的夹角为b,光轴的方向定义为Z方向,人眼位于0点所在位置。

如图3所示，人眼通过镜片观察被观察物体，光轴为z方向，被观察物体上有两点A、B，当人眼在某一个眼球转动角度下，即视场方向为g_A下，通过眼镜可以清晰地观察到A点，在视场方向为g_B下，通过眼镜可以清晰观察到B点，g_A和g_B为特定的方向，定义在上述矢量空间K′中。在矢量空间K中，有任意多的方向可以观察到物体上的A点，例如g_AS方向，同理，在矢量空间K中，有任意多的方向可以观察到物体上的B点，例如g_BS方向。可以理解为，在常规的验光系统中，只在K′空间中来评价眼镜的成像效果，如像散、色差、畸变等参数。而本发明则是将所述特定视场方向g的各种参数通过所述映射矩阵转换成K空间的参数，即是说将K′空间的参数通过映射矩阵T转换成K空间的参数，即将单一视场下的较好的成像条件转换成多个视场下的较好的成像条件。其中映射矩阵能反映在人眼眼球转动的条件下，镜片原有的成像质量(像散、色差、畸变等)是如何下降的。

在角坐标系统中，所述映射矩阵T:K′→K理解为T：(a,b)→(as,bs)。

为了更好地理解映射矩阵T，定义在K′空间中，某一个眼球转动方向，g(a，b)矢量方向可以完善成像，或者说在传统的验光方式下，眼镜的佩戴者在该方向可以清晰地观察到待观察物体，即镜片对像散、色差、畸变等都校正到一个比较合理的范围内。在这个矢量方向g(a,b)上，人眼捕捉到的光能量为I(a,b,λ)，其中λ为波长；在K空间中，人眼在矢量方向g(as,bs)上捕捉到的光能量为I(as,bs,λ)，根据上述映射矩阵T:K′→K，定义光能量的映射矩阵G：I(a,b,λ)→I(as,bs,λ)，并根据以下公式计算镜片最佳成像效果参数：

I(as,bs,λ)＝∫∫_K'f(as,bs,a,b,λ)I(a,b,λ)dadb

式中，f(as,bs,a,b,λ)即代表点传递函数，最终的点传递函数即包括所述镜片最佳成像效果参数，点传递函数可以理解为不同的单色图像的相关联关系函数。从上述计算公式可以看出，在K空间中，人眼捕捉到的光能量I(as,bs,λ)等于I(a,b,λ)和点传递函数f(as,bs,a,b,λ)的积分。

上述计算公式使用在矢量空间中，由于人眼的眼球转动是有不同的角度，所以I(a,b,λ)和I(as,bs,λ)中的角度a和b有各种不同的值，因此必须将它们分别定义为I(a_j,b_j,λ)和I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m,其中，j＝1,...........m是表示不同的角度。

根据上述公式计算镜片最佳成像效果参数包括以下步骤：

(1)在K空间，对于特定图片(即某一个视场方向下，通过传统验光人眼观察认为比较清晰的一种图片，如常用的各种方向的E子表格等)，选取一系列的I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m；

(2)计算映射矩阵G：I(a_j,b_j,λ)→I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m；

(3)计算点传递函数f(as,bs,a,b,λ)；

(4)在K′空间，对于上述特定图片，选取F、D、C三种光的波长，迭代计算点传递函数f(as,bs,a,b,λ)；

(5)将上述第(2)步到第(4)步的计算结果代入到上述计算公式中，计算出最终的点传递函数f，最终得到的点传递函数包含镜片最佳成像效果参数。

步映射矩阵G是I(a_j,b_j,λ)→I(as_j,bs_j,λ)，即将K′空间的参数转换到K空间中，所述第(1)步与第(2)则是已知K空间的参数，然后反向推K′空间内的参数。

所述F光为青光，波长为486nm,D光即为黄光，波长为589nm,C光即为红光，波长为656nm。

所述第(2)步与第(4)步计算的点传递函数是单色光条件下，最终的点传递函数f是考虑不同的波长下的最终结果。

综上所述，本发明将眼球转动考虑在验光过程中，将传统实际验光中的某一个特定视场方向下的各种参数，通过映射矩阵，转换成包含各种不同视场方向的最佳镜片成像参数，即将不同视场方向下，大幅面的图像成像清晰的条件将给出，从而解决了现有技术中单一视场下验光的问题。

如图4所示的渐进多焦点镜片的三维模型显示中，颜色不同代表不同的镜片曲率半径。

如图5所示的渐进多焦点镜片，在镜片的某一面，曲率半径不断变化，即眼球在不同的转动方向下，眼镜的度数不一样，对于这种不同半径值的平滑过渡，样条曲线显示出不同的曲率半径，曲率半径大小相对值通过指示线的相对长短来决定。

在图4、5所显示的这类平滑过渡的渐进多焦点镜片中，在不同视场方向下，镜片的度数不同，如果采用目前传统的验光发法将产生更多的误差，而利用本发明提供的验光及仿真方法，可以有效减小误差，提高此类镜片的验光精度。

以一个渐进多焦点的老花镜片为例进行说明，即如果配戴者需要的是一个视近区+5.0D的老花镜，同时在视远区有其它度数，在视近区和视远区之间存在过渡区，以及眼镜的周边区，对于常规的验光来说，在进行此类验光时，其准确度需要和被验光者准确配合才能完成，误差较大；而经过本发明方法得出的最佳镜片成像参数制作出来的+5.0D的老花镜，在距离眼镜40cm远，佩戴者眼球转动35度后，观察视场方向效果，该老花镜畸变小于2％，子午和弧矢方向的像散小于0.03D，验光精度非常高。

在本实施例中，较佳的，本发明基于VR技术的验光及仿真方法还包括镜片验证方法，所述镜片验证方法包括以下步骤：

第1步、所述VR系统根据上述第一步到第五步得出的镜片最佳成像效果参数对上述仿真设计出的镜片进行调整而形成为新镜片，该新镜片的各参数完全符合所述镜片最佳成像效果参数；

第2步、再模拟人眼通过所述新镜片观察被观察物体，且在贯观察过程中，通过不同方向角度转动眼球来验证新镜片的成像效果，如像散、色差、畸变等参数。

如此，通过镜片验证方法可以进一步确保通过本发明验光及仿真方法得出的镜片最佳成像效果参数的有效性。

Claims (2)

1.一种基于VR技术的验光及仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：在VR系统中模拟出光轴方向Z、被观察物体；

第二步、在VR系统中仿真设计出一镜片，将该镜片置于所述光轴方向上并使其位于人眼与被观察物体之间，人眼通过所述镜片观察被观察物体；

第三步：对于被观察物体的同一个成像点，将各种可能的不同视场方向g定义在一个矢量空间K中，将常规验光中的特定视场方向g定义在另一个矢量空间K′中；

第四步、定义两个空间的映射矩阵T:K′→K；

第五步、将所述特定视场方向g的各种参数通过所述映射矩阵转换成K空间的参数，从而得出包含各种不同视场方向下的镜片最佳成像效果参数；

定义在K′空间中，某一个眼球转动方向为g(a，b)矢量，在该方向完善成像，在这个矢量方向g(a,b)上，人眼捕捉到的光能量为I(a,b,λ)

其中λ为波长；在K空间中，人眼在矢量方向g(as,bs)上捕捉到的光能量为I(as,bs,λ)，根据上述映射矩阵T:K′→K，定义两空间K与K′光能量的映射矩阵G：I(a,b,λ)→I(as,bs,λ)，并根据以下公式计算镜片最佳成像效果参数：

I(as,bs,λ)＝∫∫_K'f(as,bs,a,b,λ)I(a,b,λ)dadb

式中，f(as,bs,a,b,λ)代表点传递函数，最终的点传递函数即包括所述镜片最佳成像效果参数，da,db代表对变量a,b进行积分；

上述计算公式使用在矢量空间中，由于人眼的眼球转动是有不同的角度，所以I(a,b,λ)和I(as,bs,λ)中的角度a和b有各种不同的值，因此将它们分别定义为I(a_j,b_j,λ)和I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m,其中，j＝1,...........m表示不同的角度；

根据上述计算公式，计算最终的点传递函数的公式计算包括以下步骤：

(1)在K空间，对于特定图片，选取一系列的I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m；

(2)计算映射矩阵G：I(aj,bj,λ)→I(as_j,bs_j,λ),j＝1,...........m；

(3)计算点传递函数f(as,bs,a,b,λ)；

(4)在K′空间，对于上述特定图片，选取三种波长，迭代计算点传递函数f(as,bs,a,b,λ)；

(5)将上述第(2)步到第(4)步的计算结果代入到上述计算最终点传递函数的公式中，计算出最终的点传递函数f，所述最终的点传递函数f包含镜片最佳成像效果参数。

2.根据权利要求1所述的基于VR技术的验光及仿真方法，其特征在于：还包括镜片验证方法，所述镜片验证方法包括以下步骤：

第1步、所述VR系统根据上述第一步到第五步得出的镜片最佳成像效果参数对上述仿真设计出的镜片进行调整而形成为新镜片，该新镜片的各参数完全符合所述镜片最佳成像效果参数；

第2步、再模拟人眼通过所述新镜片观察被观察物体，且在观察过程中，通过不同方向角度转动眼球来验证新镜片的成像效果。

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