本發(fā)明涉及一種眼鏡驗(yàn)光技術(shù)，具體涉及一種通過手機(jī)拍照進(jìn)行眼鏡片度數(shù)測量的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

一直以來眼鏡的驗(yàn)光技術(shù)，都是通過專業(yè)光學(xué)設(shè)備儀器的精確測量來實(shí)現(xiàn)和完成的。但信息化技術(shù)革命以來，一方面網(wǎng)絡(luò)購物越發(fā)普及，網(wǎng)上購買眼鏡的需求也呼之欲出，而用戶在家庭、辦公室等普通環(huán)境下(不具備光學(xué)設(shè)備儀器)，是無法獲取眼鏡的光學(xué)參數(shù)；另一方面，隨著智能手機(jī)越發(fā)普及，手機(jī)的傳感器越發(fā)高級(分辨率越來越高，陀螺儀越來越精確等)，利用智能手機(jī)完成定位、測圖的技術(shù)也層出不窮，例如當(dāng)下十分火爆的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)(ar)，實(shí)時(shí)定位測圖技術(shù)(slam)等，其本質(zhì)都是通過智能手機(jī)的相關(guān)傳感器(攝像頭、陀螺儀)，完成定位和測量。這一切，讓利用智能手機(jī)完成眼鏡驗(yàn)光的技術(shù)變成了可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種通過手機(jī)拍照進(jìn)行眼鏡片度數(shù)測量的方法及系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)一個(gè)特定的數(shù)據(jù)獲取、處理流程，僅僅利用智能手機(jī)設(shè)備和一面鏡子，簡化相關(guān)流程，完成了只有在實(shí)驗(yàn)室條件下可以完成的眼鏡驗(yàn)光流程。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了如下技術(shù)方案：

一種通過手機(jī)拍照進(jìn)行眼鏡片度數(shù)測量的方法，包括如下步驟：

s1在智能手機(jī)屏幕上顯示大小相同的兩個(gè)marker，分別標(biāo)記為marker1和marker2；

s2選擇一面固定的鏡子；

s3眼鏡片緊緊地貼住鏡子表面；

s4利用智能手機(jī)的前置攝像頭，手機(jī)與鏡面保持平行，拍攝一張影像，要求屏幕上的marker一個(gè)通過眼鏡鏡片發(fā)生變形，一個(gè)不通過眼鏡鏡片；

s5識別影像上的兩個(gè)marker，檢測兩個(gè)marker的同名點(diǎn)，features1和features2構(gòu)成同名點(diǎn)對集合，分別對應(yīng)變形前和變形后的點(diǎn)位坐標(biāo)，這樣就可以獲取marker變形之前和變形之后的尺寸；

s6根據(jù)features1和features2中每一對點(diǎn)之間的映射關(guān)系，計(jì)算出兩個(gè)features集合的縮放和旋轉(zhuǎn)矩陣m；

s7根據(jù)features1，計(jì)算手機(jī)距離鏡像的距離d；

s8根據(jù)平面鏡成像原理，得出物距u以及手機(jī)到透鏡的距離d，滿足u+d＝d,并且u＝d；

s9根據(jù)公式

計(jì)算球面鏡的屈光度；

式中，s為透鏡的屈光度，等于透鏡焦距的倒數(shù)；s為被拍攝物體與其經(jīng)過透鏡成像后虛擬物體在手機(jī)相片上的縮放比例；f為透鏡的焦距；u為被拍攝物體到透鏡的距離即物距，d為手機(jī)攝像頭到透鏡的距離；

在鏡片有散光的情況下，鏡片有一個(gè)球面透鏡和一個(gè)柱面透鏡合成，因此圖像縮放比例分為兩個(gè)軸向的縮放sx和sy，經(jīng)過眼鏡鏡片成像后得到的是一個(gè)橢圓形的marker，橢圓的長短軸就代表了圖像在兩個(gè)軸上的縮放比例，而橢圓與水平位置的夾角θ代表著軸位；獲取4組點(diǎn)對，包括原始點(diǎn)和變形后的點(diǎn)來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，假設(shè)：

式中，x、y為原始點(diǎn)坐標(biāo)，x′、y′為變形后的點(diǎn)坐標(biāo)，m為一個(gè)2*2的變形矩陣：

則其特征值：

其中，

m矩陣的特征值即代表兩個(gè)軸方向上的變形系數(shù)，在這里步驟s9公式中的s等于這里的1/λ,當(dāng)δ的計(jì)算值等于0時(shí)，兩個(gè)特征值相等，可計(jì)算得到兩個(gè)相關(guān)的屈光度數(shù)值,代表該鏡片只有近視，而沒有散光；當(dāng)δ小于0時(shí)，按δ等于0進(jìn)行處理；當(dāng)δ大于0時(shí)，則會得到兩個(gè)特征值λ1、λ2,根據(jù)步驟s9中公式可分別計(jì)算得到兩個(gè)屈光度s1和s2，那么近視sph，散光cly，軸位axi的計(jì)算公式為：

s10進(jìn)一步修正參數(shù)：考慮到我們使用了一面鏡子，因此實(shí)際上marker的變形是經(jīng)過兩次透鏡成像的，那么正確的近視和散光數(shù)值為s9中計(jì)算所得數(shù)值的一半；軸位的數(shù)值保持不變。

本發(fā)明還公開了一種通過手機(jī)拍照進(jìn)行眼鏡片度數(shù)測量的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)后處理模塊：

數(shù)據(jù)獲取模塊：

數(shù)據(jù)獲取模塊獲取智能手機(jī)前置攝像頭采集的marker1和marker2的圖像，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；

數(shù)據(jù)處理模塊：

數(shù)據(jù)處理模塊識別影像上的兩個(gè)marker，檢測兩個(gè)marker的同名點(diǎn)，features1和features2構(gòu)成同名點(diǎn)對集合，分別對應(yīng)變形前和變形后的點(diǎn)位坐標(biāo)，這樣就可以獲取marker變形之前和變形之后的尺寸；

根據(jù)features1和features2中每一對點(diǎn)之間的映射關(guān)系，計(jì)算出兩個(gè)特征點(diǎn)集合的縮放和旋轉(zhuǎn)矩陣m；

根據(jù)features1，計(jì)算手機(jī)距離鏡像的距離d；

根據(jù)平面鏡成像原理，得出物距u以及手機(jī)到透鏡的距離d，滿足u+d＝d,并且u＝d；

根據(jù)變形矩陣的兩個(gè)特征值，以及計(jì)算得到的物距u和手機(jī)到透鏡距離d,計(jì)算得到兩個(gè)屈光度s1、s2；

根據(jù)s1與s2絕對值的大小，確定近視sph,散光cly和軸位axi，并發(fā)送至數(shù)據(jù)后處理模塊；

數(shù)據(jù)后處理模塊：

由于使用了鏡子進(jìn)行成像，實(shí)際上這里的透鏡是兩個(gè)眼鏡片合成的，因此正確的近視和散光數(shù)值為數(shù)據(jù)處理模塊得到的近視和散光的一半；軸位保持不變；數(shù)據(jù)后處理模塊對數(shù)據(jù)處理模塊得到的近視值和散光值進(jìn)行處理，取值為近視值和散光值的1/2。

本發(fā)明公開的一種通過手機(jī)拍照進(jìn)行眼鏡片度數(shù)測量的方法及系統(tǒng)，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明選擇使用兩個(gè)相同的marker，在拍攝過程中，讓一個(gè)marker經(jīng)過鏡片發(fā)生變形，而另一個(gè)不經(jīng)過鏡片，這樣同時(shí)獲取了marker變形之前和變形之后的尺寸，而不需要拍攝兩張圖片(拿開眼鏡拍攝一張，透過眼鏡再拍一張，這個(gè)過程中，手機(jī)的位置姿態(tài)不可避免的發(fā)生改變，會影響測量的精確度)；

(2)本發(fā)明通過借助一面鏡子，利用鏡面成像原理，一方面，利用手機(jī)屏幕的鏡像直接作為marker，無需用戶通過打印等其他方式獲取marker(鏡子相對比較常見)，并且手機(jī)型號尺寸比較好獲??；另一方面，物距u和手機(jī)距離透鏡的距離d可同時(shí)獲得，避免了多步操作。

附圖說明

圖1是透鏡成像示意圖，

圖2是透鏡成像和相機(jī)成像示意圖，

圖3是球面鏡和柱面鏡縮放示意圖，

圖4是手機(jī)驗(yàn)光流程圖，

圖5是相關(guān)設(shè)備示意圖，

圖6是手機(jī)姿態(tài)校驗(yàn)側(cè)面示意圖，

圖7是手機(jī)姿態(tài)校驗(yàn)正面示意圖，

圖8是抓拍圖像側(cè)面示意圖，

圖9是抓拍圖像正面示意圖，

圖10是數(shù)據(jù)處理模塊流程圖，

圖11是指定marker區(qū)域示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參見圖1。眼鏡可以看作是一個(gè)薄透鏡，根據(jù)透鏡成像原理，透鏡的o點(diǎn)代表透鏡的光學(xué)中心，a點(diǎn)為空間中某一點(diǎn)，a′點(diǎn)為其經(jīng)過透鏡后的成像，a點(diǎn)到透鏡的距離為u(物距)，a′點(diǎn)到透鏡的距離為v(像距)，f點(diǎn)到透鏡的距離為f(焦距)。根據(jù)兩組相似三角形：

首先：

δoab～δoa′b′

得到：

同時(shí)又有：

δfeo～δfa′b′

同理得到：

公式(1)和公式(2)聯(lián)立可得到：

公式(4)即為透鏡成像的一般表達(dá)式，從公式中可以看出，如果知道物體與透鏡之間的距離(物距u)，成像與透鏡之間的距離(像距v)，便可以計(jì)算出透鏡的焦距(f)。

因此，本發(fā)明的首要目的便是通過智能手機(jī)設(shè)備完成相關(guān)距離(物距、像距)的測量，而其相關(guān)的成像原理，如圖2所示。

點(diǎn)c為攝影中心(手機(jī)攝像頭的位置)，距離fx為相機(jī)的焦距，距離d為攝影中心到透鏡的距離，點(diǎn)a1為a點(diǎn)在手機(jī)上的成像，點(diǎn)a2為a′點(diǎn)在手機(jī)上的成像，那么同理根據(jù)相似三角形原理：

首先，

δo′ca2、δb′ca′

得到：

又因?yàn)椋?/p>

30′ca1、δbca

得到：

公式(5)和公式(6)聯(lián)立得到：

令

則有：

又根據(jù)公式(4)有：

代入公式(7)，可以得到：

公式(8)即為利用智能手機(jī)獲取眼鏡相關(guān)參數(shù)的一般表達(dá)式，其中，s為被拍攝物體與其經(jīng)過透鏡成像后虛擬物體，在手機(jī)相片上的縮放比例，u為被拍攝物體到透鏡的距離(物距)，d為手機(jī)攝像頭到透鏡的距離。

可以看出，用智能手機(jī)進(jìn)行眼鏡驗(yàn)光的關(guān)鍵在于獲取圖像縮放比例s，物距u以及手機(jī)距離透鏡的距離。

因此圖像縮放比例分為兩個(gè)軸向的縮放sx和sy如圖3所示。

圖中的圓形代表marker的初始形狀，經(jīng)過眼鏡鏡片成像后(球面+柱面)得到的是一個(gè)橢圓形的marker，其中：

橢圓的長短軸就代表了圖像在兩個(gè)軸上的縮放比例，而橢圓與水平位置的夾角θ代表著軸位，一般而言，我們需要至少4組點(diǎn)對(原始點(diǎn)，變形后的點(diǎn))來進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，假設(shè)：

x為原始點(diǎn)，x’代表變形后的點(diǎn)，而m為一個(gè)2*2的變形矩陣:

則其特征值：

其中：

m矩陣的特征值即代表兩個(gè)軸方向上的變形系數(shù)，在這里步驟s9公式中的s等于這里的1/λ,當(dāng)δ的計(jì)算值等于0時(shí)，兩個(gè)特征值相等，可計(jì)算得到兩個(gè)相關(guān)的屈光度數(shù)值,代表該鏡片只有近視，而沒有散光；當(dāng)δ小于0時(shí)，按δ等于0進(jìn)行處理；當(dāng)δ大于0時(shí)，則會得到兩個(gè)特征值λ1、λ2,根據(jù)步驟s9中公式可分別計(jì)算得到兩個(gè)屈光度s1和s2，那么近視sph，散光cly，軸位axi的計(jì)算公式為：

考慮到我們使用了一面鏡子，因此實(shí)際上marker的變形是經(jīng)過兩次透鏡成像的，那么正確的近視和散光數(shù)值為s9中計(jì)算所得數(shù)值的一半；軸位的數(shù)值保持不變。

為了完成上述參數(shù)的獲取，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種通過手機(jī)拍照進(jìn)行眼鏡片度數(shù)測量的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)后處理模塊：

數(shù)據(jù)獲取模塊：

數(shù)據(jù)獲取模塊獲取智能手機(jī)前置攝像頭采集的marker1和marker2的圖像，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；

數(shù)據(jù)處理模塊：

數(shù)據(jù)處理模塊識別影像上的兩個(gè)marker，檢測兩個(gè)marker的同名點(diǎn)，features1和features2構(gòu)成同名點(diǎn)對集合，分別對應(yīng)變形前和變形后的點(diǎn)位坐標(biāo)，這樣就可以獲取marker變形之前和變形之后的尺寸；

根據(jù)features1和features2中每一對點(diǎn)之間的映射關(guān)系，計(jì)算出兩個(gè)特征點(diǎn)集合的縮放和旋轉(zhuǎn)矩陣m；

根據(jù)features1，計(jì)算手機(jī)距離鏡像的距離d；

根據(jù)平面鏡成像原理，得出物距u以及手機(jī)到透鏡的距離d，滿足u+d＝d,并且u＝d；

根據(jù)變形矩陣的兩個(gè)特征值，以及計(jì)算得到的物距u和手機(jī)到透鏡距離d,計(jì)算得到兩個(gè)屈光度s1、s2；

根據(jù)s1與s2絕對值的大小，確定近視sph,散光cly和軸位axi，并發(fā)送至數(shù)據(jù)后處理模塊；

數(shù)據(jù)后處理模塊：

由于使用了鏡子進(jìn)行成像，實(shí)際上這里的透鏡是兩個(gè)眼鏡片合成的，因此正確的近視和散光數(shù)值為數(shù)據(jù)處理模塊得到的近視和散光的一半；軸位保持不變；數(shù)據(jù)后處理模塊對數(shù)據(jù)處理模塊得到的近視值和散光值進(jìn)行處理，取值為近視值和散光值的1/2。

本發(fā)明實(shí)際操作過程如圖4所示：

①輸入，為實(shí)際操作過程中需要用到的設(shè)備，包括智能手機(jī)、需要驗(yàn)光的眼鏡、以及一面鏡子，如圖5所示；

②將手機(jī)緊緊貼住鏡子平面，保持靜止?fàn)顟B(tài)，按下手機(jī)音量鍵，記錄當(dāng)前手機(jī)的姿態(tài)信息，如圖6、圖7所示；

③眼鏡有兩個(gè)鏡片，考慮到手機(jī)屏幕的大小，本發(fā)明分為兩個(gè)重復(fù)步驟測量左右鏡片，全部完成后，進(jìn)入步驟⑨；

④將眼鏡的鏡片緊緊貼住鏡子平面，如圖8、圖9所示；

⑤手機(jī)移動距離鏡面大概一個(gè)鏡腿的距離，然后不斷調(diào)整手機(jī)的姿態(tài)；

⑥當(dāng)手機(jī)姿態(tài)與步驟②中記錄的姿態(tài)一致，且圖像滿足圖9中的正面示意圖，進(jìn)入步驟⑦，否則，繼續(xù)步驟⑤；

⑦抓拍當(dāng)前影像；

⑧解算數(shù)據(jù)，詳細(xì)見圖10數(shù)據(jù)處理模塊流程，進(jìn)入步驟③；

⑨輸出結(jié)果

數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖10所示：

①輸入數(shù)據(jù)為，手機(jī)抓拍的影像；

②考慮到鏡面反射，在環(huán)境復(fù)雜的情況下，出現(xiàn)無法識別marker的情況，在影像上指定兩個(gè)marker的區(qū)域，如圖11所示；

③分別根據(jù)marker區(qū)域，識別marker1和marker2；

④通過marker1和marker2的對應(yīng)關(guān)系，利用公式(9)計(jì)算變形矩陣；

⑤通過marker2，利用公式(6)計(jì)算相關(guān)距離；

⑥利用相關(guān)公式(8)(10)，(11)(12)、(13)計(jì)算相關(guān)參數(shù)；

⑦輸出結(jié)果。

相比背景技術(shù)中介紹的內(nèi)容，本發(fā)明選擇使用兩個(gè)相同的marker，在拍攝過程中，讓一個(gè)marker經(jīng)過鏡片發(fā)生變形，而另一個(gè)不經(jīng)過鏡片，這樣同時(shí)獲取了marker變形之前和變形之后的尺寸，而不需要拍攝兩張圖片(拿開眼鏡拍攝一張，透過眼鏡再拍一張，這個(gè)過程中，手機(jī)的位置姿態(tài)不可避免的發(fā)生改變，會影響測量的精確度)；

本發(fā)明通過借助一面鏡子，利用鏡面成像原理，一方面，利用手機(jī)屏幕的鏡像直接作為marker，無需用戶通過打印等其他方式獲取marker(鏡子相對比較常見)，并且手機(jī)型號尺寸比較好獲??；另一方面，物距u和手機(jī)距離透鏡的距離d可同時(shí)獲得，避免了多步操作。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，而非對其限制；應(yīng)當(dāng)指出，盡管參照上述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其依然可以對上述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或?qū)ζ渲胁糠只蛘呷考夹g(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改和替換，并不使相應(yīng)的技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。