用於流式波前的快速算法的製作方法

2023-05-21 09:07:56

專利名稱：用於流式波前的快速算法的製作方法
用於流式波前的快速算法本發明總體涉及圖像處理領域，並且更具體地涉及用於確定目標尤其是人眼的光 學特性的方法和設備。哈特曼一夏克波前傳感器目前被認為是用於確定目標，尤其是人眼，的波前的尖 端技術，即使諸如Tracy波前傳感器的一些其它概念基於例如Tscherning原理的不同的 概念。哈特曼_夏克波前傳感器典型地包括微透鏡陣列，其將從眼睛出射的部分未變形或 變形的波前成像到(XD檢測器/相機上。如

圖1中示例性地示出的，由微透鏡陣列產生 的圖像包括在預定位置的稱為質心的小光點的陣列。在異常波前的情形中，至少一些質 心相對於光點圖像的參考位置發生移位。質心的位移與從眼睛的瞳孔出射的波前的局部 (localized)斜率有關。將Zernike多項式或其它數學工具用於根據這些質心距它們預先 定義的位置的這些位移導出眼睛的像差參數。為了提供高水平的解析度，在過去，波前傳感 器的發展導致增加質心的數量來更精確地確定波前誤差。原則上，進行以下步驟來獲取並顯示波前像差數據。首先，由相機捕獲圖像，分析 獲得的數據，即，確定質心的位置。根據質心圖像的此分析，即根據質心的位置(位移)，計 算並能顯示波前圖。在該一系列步驟中，就定時來說的關鍵步驟為質心圖像的分析。需要 確定每個單獨的質心的位置，且尤其是在眼科學領域中，通常施加健康檢查。就計算時間而 言，這些步驟中的性能水平，即質心位置和健康檢查的確定，直接取決於待分析的質心的數 量。眾所周知，這樣的波前像差的每個單個的測量為眼睛的實際像差配置的快照，且 眼睛的像差中存在動態量。該動態分量基於多種因素，諸如，透鏡的不間斷的微調節、眼睛 的微運動以及甚至心動周期。因此，期望擁有「流式波前」概念，換句話說，其意味著擁有實 時波前感測，通過該實時波前感測實時捕獲、分析以及最終顯示實際波前誤差，以便為一定 時間間隔的波前數據的平均提供基礎，或者以便應用所述健康檢查來確保用於進一步應用 的最終像差數據代表所檢查的眼睛的普遍狀態。然而，質心的數量的增加導致較高量的處 理操作並因此導致增加的處理時間。因此，由於上述提到的原因，擁有實時波前的概念並且 因此最小化的處理量是關鍵的。本發明的目的是提供以減小的處理量根據質心圖像確定得到的波前的一種方法 和一種設備，而不管設備的具體技術細節。該目標由權利要求的特徵實現。本發明公開了一種用於光學系統的實時波前感測的方法和設備，該方法和設備利 用至少兩個算法進行質心檢測。根據本發明的一方面，第一算法檢測所有質心的初始位置， 以及第二算法檢測由所述第一算法檢測的質心的遞增量。獲取並分析第一質心圖像以便於利用所述第一質心確定算法優選地確定所有質 心的位置。根據隨後獲取的質心圖像，利用所述第二質心確定算法確定質心的位置，其中， 所述第二質心確定算法參照第一和/或先前獲取的質心圖像中的相應的質心的位置，確定 每個質心的位置。第二質心確定算法比第一質心確定算法快，這是因為不必對整個圖像分 析潛在的質心位置。優選地，第二質心確定算法僅搜索先前確定的質心附近的預定區域。根據本發明的一方面，在流式波前獲取的開始應用一次使用第一質心確定算法的耗時的質心位置檢測。在一旦已經檢測位置後，僅僅追蹤隨後的圖像中的位置變化，以便確 定質心位置和得到的波前。由第二質心確定算法這樣完成的對位置變化的確定導致數據處 理量降低並因此導致計算時間降低。由於本發明的特徵，顯著改善波前確定的可靠性並提高測量結果的處理速度是可 能的。根據本發明的另一方面，可對兩個或更多個測量結果，甚至數百個測量結果進行平 均。因此，可對測量結果進行補償，其由統計學調節產生，即評估測量結果，其示出等效球鏡 (spherical equivalent)中的最大值。可選擇地或附加地，能夠確定並消除眼睛波動和跳 動(saccade)。根據本發明的一方面，可在線觀看波前圖，這例如允許將注入式雷射調整到 幹擾效應被消除的位置。舉例來說，如果圓錐形角膜的大多異常角膜區域受到注入式雷射 的撞擊，則波前可能會受到幹擾。本發明描述了獨立於基本算法的普遍概念，該基本算法用於檢測基礎質心位置並 因此可應用於各種現有的波前傳感器。該算法優選地適用於具有例如低於10mm的小焦距 的小透鏡。在這種情形下，不同圖像之間的質心位置的變化通常不大。根據以下詳細描述，本發明的這些以及其它目的將變得更顯而易見。然而，應當理 解，闡明本發明的優選實施例的細節描述以及具體實例僅僅是通過示例的方式給出，這是 因為基於此處的描述和附圖以及待定的權利要求，在本發明範圍內的各種變化以及修改， 對於本領域技術人員將變得顯而易見。圖1示出了哈特曼-夏克傳感器的示例性質心圖像；圖2a示出了根據圖1的位於網格上的質心圖像；圖2b示出了根據圖2a的具有質心的球形(global)運動的質心圖像；圖3a示例了位於確定的質心位置上的十字準線；圖3b示例了在圖3a中示出的十字準線；圖3c示例了圖3b中示出的十字準線以及相應的新捕獲的質心；圖4a示例了根據圖3c的十字準線和質心以及每個十字準線的分析區域；圖4b示例了位於如圖4a中示出的質心上的十字準線；圖4c示例了與圖4b中示出的質心位置有關的十字準線；圖5示出了根據本發明的利用第一慢速算法給第二快速算法提供基礎的基本概 念；以及圖6示例了根據本發明的方法的流程圖。在圖1中，示出了哈特曼-夏克波前傳感器的示例性質心圖像，其由相機捕獲。能 夠將處於圖1情形中的測量目標視為無像差的參考目標或者圖1情形中的測量目標可為質 心，該質心處於非異常波前檢查的最佳預計算位置，這是因為相鄰的質心1分別在x和y方 向上具有恆定距離。該示例用於闡述本發明的所述概念的起點。根據本發明，起始圖像也 能夠是異常波前的檢查。圖2a示例了在x和y方向具有網格線2的質心圖像，其中，如圖1中示出的質心 位於網格線2的交叉點上。圖2b示出了圖2a中示例的質心1朝向由箭頭D指示的具體方 向的球形運動。質心1的該球形運動可由眼睛內部的動態量(透明晶狀體(clear lens)、 眼內壓(I0P)變化，等等)上的固有波動，以及由可改變並引起波動的淚膜變化所引起。根 據本發明的優選實施例，提供一系列圖像的平均值來補償該波動，以便於提高波前讀數的可靠性。本發明也可用於監測光學系統對於一種調節刺激的調節響應。本發明利用這樣的事實，質心1將示出從先前獲取的圖像到隨後獲取的圖像中的 它們的位置的位置偏差，但是實際的移位在一定的範圍內。實際的移位基本上由傳感器的 焦距以及波前中的預期的變化給出。一旦利用第一質心確定算法初始地確定了質心的位 置，則第二質心確定算法僅搜索與已經確定為第一質心位置的位置的直接鄰域有關的預定 區域。優選地，由第二質心確定算法以同樣的方式處理任何隨後接下來的質心圖像。圖3a示出了對應於待分析的眼睛的質心圖像的質心1的子集。應當注意到，以下 方法適用於質心圖像的所有質心1，且參考質心的子集僅僅為了簡化本發明的描述。由第 一質心確定算法確定的初始質心位置由相應的十字準線3標記。優選地，僅將圖3b中示為 十字準線3的質心1的位置存儲在存儲介質中，該存儲介質可為由軟體應用分配的存儲器。 如在圖3c中所示，隨後獲取的質心圖像的質心的相同子集的質心位置將不同於所存儲的 質心位置，但是質心1不會顯示出明顯的位移。該差異由待分析的眼睛的任何變化所導致， 改變化例如是眼睛的不同調節狀態。因此，根據除初始確定之外的任何質心圖像確定質心位置的搜索算法能夠限制於 第一和/或先前位置的周圍區域，以便於搜索來檢測新的質心位置。該限制的待搜索的區 域降低了識別新位置所需的總時間，這是因為它導致了處理量的減小。圖4a中，十字準線3和質心1的位置與圖3c中的相同。另外，限定每個質心的鄰 近區域4的預定搜索區域示例為圍繞每個十字準線的圓形區域。鄰近區域4可具有其它的 形式和/或尺寸。與下一個/隨後的質心圖像相關的質心1位於鄰近區域4內，並從而能 夠利用第二質心確定算法對其進行檢測。在圖4b示例的另一步驟中，十字準線3』設置在 圖4a中示出的質心1的確定出的質心位置上。新識別的位置將用於產生新的波前像差圖。 然後，如4c中示出的十字準線3』的位置用作質心位置的下一個確定的開始點，其中，重複 參考圖3b-圖4c描述的前述步驟。那時，可以存在質心位置的另一差異，其可以是待分析 的眼睛的進一步的變化的結果，進一步的變化例如是眼睛的進一步調節。如果，例如預定比例的，一個或多個質心1位於鄰近區域4的外部，即不能由第二 質心確定算法定位，則優選地，捕獲新的質心圖像並由第二質心確定算法分析。在不能由第 二質心確定算法分析預定數量的隨後的質心圖像地情況下，優選地應用第一質心確定算法 分析質心圖像，並從而提供新的基礎用於分析隨後的質心圖像時，利用第二質心確定算法。與鄰近於第一和/或先前質心圖像中的質心的位置的區域相關的鄰近區域4為優 選地由偏差dx和dy確定的直接鄰域。確定第一和/或先前質心圖像中質心的位置的鄰域 的偏差dx、dy優選地分別等於(amount to) x方向上兩個相鄰質心的距離X和y方向上兩 個相鄰質心的距離Y的0、1%-10%。該鄰近區域可以是圓形形式、矩形形式或質心鄰域的 其它合適的描述形式。在圖5中，示例了本發明的總體概念。在第一步驟S1中，對應於上述的第一質心檢 測算法的慢速算法檢測質心圖像的所有質心的初始位置。在該初始確定中，分析由相機提 供的整個質心圖像，其意味著大的處理量。第一質心檢測算法的間歇(tact)周期位於1Hz 到2Hz的範圍內，其對於實時波前採樣來說太慢了。在檢測所有質心的初始位置之後，在步 驟S2中將與上述第二質心檢測算法相關的快速算法應用於隨後的質心圖像，以檢測所有質心位置相對於初始質心位置的遞增量。第二質心檢測算法的間歇周期可位於10Hz-15Hz 的範圍內，其明顯比第一間歇周期快。前述的間歇周期為示例並可隨著系統參數而變化，尤 其是隨用於執行慢速算法和快速算法的計算時間而變化。於是，在步驟S3中，基於一定的 參數，例如新捕獲的質心1是否位於先前捕獲的質心圖像中的相應的質心1的鄰近區域4 內，執行快速算法是否仍然適用的檢查。在肯定時(S3- 「是」路徑)，獲取新的質心圖像並 由快速算法對其進行分析。在快速算法不再適用地情況下(S3-「否」路徑)，再次應用慢速 算法檢測所有質心的初始位置。圖6提供了本發明的一方面的更詳細的流程圖，並將在下面進行討論。該方法在 步驟S11開始。在步驟S12中捕獲質心圖像之後，在步驟S13中，應用第一質心算法檢測所 有質心1的初始位置。第一質心算法分析整個質心圖像。然後，在步驟S14應用質心檢查， 其中，評估獲取的質心圖像的基本質量。典型的驗收準則可以基於待分析的眼睛，例如，檢 查的瞳孔的尺寸大於3. 0mm和/或質心組內部的潛在的質心間隙的大小的直徑小於0. 5mm。 其他的標準可為圖像噪聲、背景值或可檢測的質心的絕對數量。在質心檢查失敗的情況下 (S14- 「不可以」路徑)，該方法在步驟S12處繼續並將捕獲新的質心圖像。進一步在步驟 S13處，將應用第一質心算法。否則(S14- 「可以」路徑)，在步驟S15中將存儲確定的質心 位置Z(Xi，yi)作為初始質心位置。在步驟S16中將存儲與先前確定的質心位置Z(Xi，yi)對 應的捕獲時間tl。示為圖6的框的隨後步驟S17-S22與在不必應用第一質心檢測算法的情形下執行 的步驟循環相關。在步驟S17中，捕獲進一步的質心圖像，並在步驟18中由第二質心確定 算法進行分析。在步驟18中，優選地確定步驟S13中所確定的每個質心的新的位置。優選 地，通過在鄰近於第一和/或先前質心圖像中的相應的質心位置的區域中搜索，即在鄰近 區域4中搜索，第二質心確定算法確定在步驟S17中捕獲的下一個質心圖像中的質心的位 置。如前述的，第二質心確定算法的間歇周期可位於10Hz-15Hz的範圍內，其大約比第一質 心確定算法快10倍。通常，不同計算時間之間的因子可在2-100的範圍內，優選為5-20。在步驟S19存儲與先前在步驟S18中確定的質心相關的捕獲時間t2之後，在步驟 S20中將由第二質心確定算法確定的質心的位置與存儲的原始質心位置和/或存儲的先前 的質心位置進行比較。在偏差沒有超過預定值的情況下(S20-「可以」路徑)，即正如所討論 的，質心位於先前確定的質心的鄰近區域4中，例如參考圖4a，在步驟22中存儲由第二質心 算法確定的質心位置。然後，在步驟S23中評估質心和波前的差異。在步驟S23中，評估質 心和波前的差異，即，基於每個隨後的質心圖像的質心位置的變化確定波前的變化AW(x， y)。在判斷步驟S24中，判斷是否終止該方法以及是在步驟S25結束還是繼續步驟S16。隨 後，在步驟S16中，存儲與步驟S22中存儲的質心位置相關的捕獲時間tl。如果在步驟S20中，第二質心算法確定的質心位置與原始質心位置的比較表明偏 差超過預定值(S20-「不可以」路徑)，隨後進行到步驟S21。在步驟S21中，確定是否在預先 給定的時間內任何進一步隨後的質心圖像的偏差超過預先給定的容差，即是否存在t2-tl > t (max), t (max)為預先給定的最大時間。如果沒有超過該時間限制(S21- 「否」路徑)， 則該方法將在步驟S17繼續並捕獲將由第二質心算法分析的進一步的質心圖像。如果在步 驟S21中確定，超過最大時間(S21-「是」路徑)，則該方法前進到步驟S12並捕獲將由第一 質心確定算法分析的新的質心圖像。如上所述，參照圖4，另一個標準能夠是，預定數量的隨後的質心圖像不能由第二質心確定算法分析。從而，在步驟S21中能夠檢查利用第二算法 分析隨後的質心圖像的嘗試的數量是否等於預定的數量nmax，其中，可以在2-50的範圍 內，優選地在4-25的範圍內，且最優選地約為10。 雖然已經選擇某些實施例來示例本發明，但是本領域技術人員將理解，可以不脫 離如所附的權利要求中所限定的本發明的範圍作出改變和修改。
權利要求
一種用於光學系統的實時波前感測的方法，其包括以下步驟(a)獲取第一質心圖像並使用第一質心確定算法確定所述第一質心圖像中的質心的位置；(b)獲取下一質心圖像並使用第二質心確定算法確定所述下一質心圖像中的質心的位置，其中，所述第二質心確定算法參考所述第一質心圖像中的相應的質心的位置確定每個質心的位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中，通過在與所述第一質心圖像中的所述相應的質心 的位置相鄰的區域中搜索，所述第二質心確定算法確定所述下一質心圖像中的質心的位置。
3.如權利要求2所述的方法，其中，與所述第一質心圖像中的質心的位置相鄰的所述 區域限定為由偏差dx和dy確定的直接鄰域。
4.如權利要求3所述的方法，其中，確定所述第一質心圖像中的質心的位置的所述鄰 域的所述偏差dx、dy分別等於χ方向上兩個相鄰質心的距離X和y方向上兩個相鄰質心的 距離 Y 的 0、1% -10%。
5.如權利要求1-4中的任一項所述的方法，還包括以下步驟(c)獲取進一步的質心圖像並使用所述第二質心確定算法確定所述進一步的質心圖像 中的質心的位置，其中，通過參考先前獲取的質心圖像中的所述相應的質心的位置，確定所 述進一步的質心圖像中的質心的位置。
6.如權利要求5所述的方法，還包括以下步驟將隨後的質心圖像中的質心的位置與 所述第一質心圖像中的所述相應的質心的位置進行比較，並且如果所述相應的質心的位置 的偏差大於預先給定的容差，或者如果一些質心缺失，則使用下一隨後的質心圖像。
7.如權利要求6所述的方法，還包括以下步驟確定在預先給定的時間內任何進一步 隨後的質心圖像的偏差是否大於預先給定的容差，並且如果所有進一步隨後的質心圖像的 偏差都大於預先給定的容差，則使用所述第一質心確定算法評估下一質心圖像。
8.如權利要求1-7中的任一項所述的方法，還包括以下步驟對每個隨後的質心圖像， 基於質心位置的變化確定波前的變化AW(x，y)。
9.如權利要求1-8中的任一項所述的方法，其中，所述第一質心確定算法工作於 1Ηζ-2Ηζ。
10.如權利要求1-9中的任一項所述的方法，其中，所述第二質心確定算法工作於 10Hz-15Hz。
11.一種用於光學系統的實時波前感測的設備，其包括(a)用於獲取質心圖像的獲取裝置；(b)用於使用第一質心確定算法確定第一質心圖像中的質心的位置的第一確定裝置；(c)用於使用第二質心確定算法確定下一質心圖像中的質心的位置的第二確定裝置， 其中，所述第二質心確定算法參考所述第一質心圖像中的相應的質心的位置確定每個質心 的位置。
12.如權利要求11所述的設備，其中，所述第二確定裝置適於通過參考先前獲取的質 心圖像中的相應的質心的位置，確定進一步的質心圖像中的質心的位置。
13.如權利要求11或12所述的設備，其中，所述第一確定裝置工作於1Ηζ-2Ηζ。
14.如權利要求11-13中的任一項所述的設備，其中，所述第二質心確定裝置工作於 10Hz-15Hz。
全文摘要
本發明總體涉及圖像處理領域，並且更具體地涉及用於確定目標尤其是人眼的波前的方法和設備。本發明公開了用於光學系統的實時波前感測的方法和設備，該方法和設備利用兩個不同算法檢測質心圖像的質心，質心圖像如由哈特曼-夏克波前傳感器提供。第一算法檢測所有質心的初始位置以及第二算法檢測由所述第一算法檢測的所有質心的遞增量。
文檔編號A61B3/103GK101959447SQ200980107677
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月13日 優先權日2008年3月14日
發明者G·優素福, H-J·波蘭德 申請人:博士倫公司