針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統的製作方法
2023-06-03 22:22:51 2
針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，包括：用於安裝及連接該系統的各個部件以及方便用戶佩戴的頭戴式眼鏡支架；分別用於顯示左、右眼圖像的左、右眼顯示面板；以人眼的視角採集圖像的雙路圖像採集設備；用於檢測外部環境和檢查眼鏡狀態的各傳感器；用於該系統的總體控制，圖像的採集、處理及投影顯示，傳感器數據的接受和處理，以及相關的圖像處理算法實現的數據處理中心；配套的針對視覺障礙患者設計的為增強其視覺的圖像處理程序，以及為了治療不同視覺病症所設計的訓練與康復程序。本發明所述系統能夠實時地採集現實場景，對採集到的圖像進行處理，以視覺障礙患者更能接受的方式顯示，達到輔助視覺的目的。
【專利說明】針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及視覺輔助【技術領域】，具體地，涉及一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統。
【背景技術】
[0002]視覺障礙，亦稱「視力殘疾」、「視覺缺陷」、「視力損傷」，是指由各種原因導致視覺器官(包括眼球、眼神經)及大腦視神經中樞的構造或功能發生部分或全部障礙，表現為雙眼不同程度的視力損傷或視野縮小，而難以做到一般人所能從事的工作、學習和其他活動，以致限制或阻礙了根據其年齡、性別、社會與文化條件能發揮的正常作用。
[0003]根據世界衛生組織的估計，全世界有盲人4000萬到4500萬，低視力人口是盲人的3倍，約為1.4億人。我國8300多萬殘疾人中，視力殘疾人1233萬，盲人約500萬，低視力人口約710萬，是世界上盲人和低視力人口最多的國家之一。如何解決他們正常學習、工作和生活問題成為社會關注的焦點。
[0004]視覺障礙是由於先天或者後天原因致使視覺系統部分或全部喪失功能，以致無法對外界事物進行準確辨識。依據相關規定，視覺未達0.3，或視野在20°以內者即為視覺障礙。根據障礙程度不同，視覺障礙可以分為兩類:兩眼視力測定值在0.03以上未達0.3或其視野在20°以內為弱視；兩眼視力測定值未達0.03為全盲。弱視人群通常可以利用視覺進行日常生活，但是在視物方面有一定障礙，一般需要藉助光學輔助設備或特殊放大設備來觀察事物。但是弱視本身也有極大不同:既有缺乏立體感的，對光線敏感的，無法辨識色彩的，也有視野過於狹窄的。所以需要的光學輔助設備或特殊放大設備也有極大不同。全盲人群則完全不能依賴視覺進行日常生活，通常只能採取替代方式進行日常生活。例如，利用觸覺輔助設備、聽覺輔助設備和其它類型輔助設備來替代視覺。可以說，視覺障礙人群需要的輔助技術和設備是最多的。大多數信息無障礙技術和設備都可以應用於視覺障礙人群。幾乎所有的視力殘疾人都可以通過輔助器具補償功能，不同程度地提高生活質量，參與社會生活。然而，第二次抽樣調查顯示，我國的視力殘疾人中獲得輔助器具服務的僅佔7.97% ;其中城市 14.49%，農村 5.82%。
[0005]視覺障礙輔助器具可分為視覺性和非視覺性器具兩大類:
[0006]視覺性輔具是指可以通過視覺途徑幫助視障者提高視覺能力的設備或裝置，又分為光學、非光學、電子助視器三類。光學助視器比較常見，有手持、立式放大鏡，眼鏡式、單筒、雙筒望遠鏡等。光學助視器具有容易使用、攜帶方便、價格低等特點，也是低視力患者使用的主要助視器具；但它也存在一些使用上的局限性，如放大倍數低，閱讀範圍小，長期使用會引起姿勢不良，會受到光源的影響等。非光學助視器，指通過改善周圍的環境來提高視覺效果。如:放大的印刷品以改變閱讀物的大小，高強度的照射器以增加對比度，高對比度的物件以利於局部物品的區分等。電子助視器是一種電子視訊裝置，能將閱讀的文件、圖片、觀察的物品等通過攝影鏡頭，將影像傳送到屏幕上供使用者瀏覽。電子助視器種類豐富，包括:看遠的、看近的(放大)、近遠兩用的，口袋型的、可攜式的等。其特點是放大倍率、亮度、對比度等便於調整，能避免眩光的產生；有反白、半彩等多種顯示模式；符合人體工學設計，可提供較大工作空間等。
[0007]非視覺助視器，指充分利用視覺以外的功能，如聽覺、觸覺等功能來彌補視覺功能的缺陷從而提高視障者生存質量的輔助器具，涉及到視覺障礙者生活、工作、學習、娛樂等的方方面面。例如:用於日常生活的盲用手機和電話、發聲鐘錶；用於出行的盲杖、盲道；用於學習交流的盲文、點顯器、有聲讀物、各種讀屏軟體等。這類輔具，全盲的患者使用較多。
[0008]綜上所述，不同視覺障礙人群需要的輔助技術和設備也各有不同。現有的種類繁雜的視覺障礙輔助器具有功能單一、可擴展性差等特點，不符合易用、適用、簡單便攜、可擴展等原則。
【發明內容】
[0009]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，該系統可實時地採集現實場景，對採集到的圖像進行處理並以視覺障礙患者更能接受的方式顯示，提高視覺障礙患者獲取視覺信息的能力，達到輔助視覺的目的。
[0010]為實現以上目的，本發明提供一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，包括:
[0011]頭戴式眼鏡支架，用於安裝及連接系統的各個部件以及方便用戶佩戴；
[0012]顯示面板，嵌入在頭戴式眼鏡支架的鏡框上，用於顯示圖像；
[0013]圖像採集設備，設置在頭戴式眼鏡支架上；
[0014]多個傳感器，用於檢測外部信息和眼鏡所處狀態並將信號傳輸給數據處理中心；
[0015]數據處理中心，所述數據處理中心用於系統的總體控制，包括圖像採集設備的圖像的採集、處理及顯示面板的顯示，傳感器數據的接受和處理；其中的圖像處理通過圖像處理模塊實現，該圖像處理模塊實時地從圖像採集設備採集圖像，並對採集的圖像進行處理，針對視覺障礙患者的不同病患類型，利用圖像處理及機器視覺算法對圖像進行處理，將處理後的圖像以視覺障礙患者更能接受的形式進行實時顯示，從而達到視覺輔助的目的。
[0016]優選地，所述系統的顯示是雙眼顯示或單眼顯示；所述圖像採集設備是雙通道採集或單通道採集；如果是單眼、單通道，所述顯示面板、圖像採集設備都只需要一路。
[0017]進一步的，如果是雙眼、雙通道，所述顯示面板、圖像採集設備則為左右兩路，即:所述顯示面板包括:
[0018]左眼顯示面板，嵌入在頭戴式眼鏡支架的左眼鏡框上，用於顯示左眼圖像；
[0019]右眼顯示面板，嵌入在頭戴式眼鏡支架的右眼鏡框上，用於顯示右眼圖像；
[0020]所述雙路圖像採集設備，由兩個微型攝像頭組成，分布在頭戴式眼鏡支架的左右兩側。
[0021]優選地，所述系統的顯示方式為投影式或非投影式；如果採用投影式顯示，所述系統還包括投影裝置，投影裝置投影在顯示面板上，在人眼前方一定距離形成虛擬的圖像；所述投影裝置為一路或者左右兩路；如果採用非投影式顯示方式，圖像直接顯示在顯示面板的屏幕上。
[0022]更優選地，所述非投影式顯示方式的顯示面板可以是高清液晶顯示屏，也可以是LED點陣顯示器，顯示器的選擇根據患者的病患實際情況來調整。
[0023]更優選地，如果採用投影式顯示方式顯示面板採用可穿透式，投影在顯示面板上形成的圖像與現實場景疊加達到視覺改善的效果。
[0024]優選地，所述系統的顯示可以是雙眼也可以是單眼；圖像採集設備可以是雙通道採集也可以是單通道採集。
[0025]優選地，所述的雙路圖像採集設備以人眼的視角分別採集左、右眼看到的現實場景，經過所述數據處理中心處理後實時地投影到所述左、右顯示面板上。
[0026]優選地，所述的數據處理中心圖像處理算法根據所需功能不同，而有不同的設定；針對不同的患者有不同的圖像處理算法與之對應。
[0027]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0028]本發明為可穿戴式設備，具有簡單便攜、易擴展等優點，可以讓視覺障礙患者在日常生活中使用；同時，採用了智能控制器，除了視覺輔助功能外，還可以擁有智能設備的其他功能；此外，本發明所公開的硬體可以作為一個視覺障礙輔助器具平臺，對於不同類型及不同程度的視覺障礙，可以針對性地設計配套的圖像處理程序，達到輔助與增強視覺的目的。同時對於不同類型及不同程度的視覺障礙，可以針對性地設計配套的程序，用於相應視覺障礙的治療與康復訓練。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0030]圖1為本發明一較優實施例的結構示意圖；
[0031]圖2為本發明一較優實施例的工作原理框圖；
[0032]圖3為本發明一實施例以弱視為例的效果圖；其中:圖(a)為攝像頭採集到的現實場景圖片，圖(b)為經過圖像處理(圖像放大)後投影顯示的圖片。
[0033]圖中:1為頭戴式眼鏡支架，2為左眼眼鏡鏡片，3為左眼顯示面板，4為左眼投影裝置；5為右眼眼鏡鏡片，6為右眼顯示面板，7為右眼投影裝置，8為雙路圖像採集設備，9為數據處理中心，10為雙路圖像採集設備採集到的現實場景圖片，11為經過處理後投影顯示的圖片，12、13為傳感器。
【具體實施方式】
[0034]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
[0035]如圖1所示，為本發明一較優實施例的針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統結構示意圖，圖中:頭戴式眼鏡支架1、左眼眼鏡鏡片2、左眼顯示面板3、左眼投影裝置4、右眼眼鏡鏡片5、右眼顯示面板6、右眼投影裝置7、雙路圖像採集設備8、數據處理中心9、傳感器12，13，其中:
[0036]所述的頭戴式眼鏡支架1用於安裝、連接和固定系統的各個部件，以及方便用戶佩戴；
[0037]所述的左眼眼鏡鏡片2和所述的右眼眼鏡鏡片5用於分別固定左眼顯示面板3和右眼顯示面板6，左眼眼鏡鏡片2和右眼眼鏡鏡片5為可穿透式的，用戶除了可以看到投影顯示的畫面之外還可以透過鏡片看到現實場景；
[0038]所述的左眼顯示面板3和所述的右眼顯示面板6，如果採用投射顯示方式，投影設備以一定的角度和距離嵌入在透明的眼鏡鏡片中，該顯示面板也是可穿透式的，投影顯示的虛擬圖像和透過鏡片看到的顯示場景是疊加的；如果採用非投影顯示方式，顯示的圖像為實像；
[0039]所述的左眼投影裝置4和所述的右眼投影裝置7分別與左眼顯示面板3和右眼顯示面板6相配合，分別向左眼顯示面板3和右眼顯示面板6投影圖像，在人眼前方形成一幅虛擬圖像；
[0040]所述的雙路圖像採集設備8是兩個攝像頭，兩個攝像頭分別安裝於頭戴式眼鏡支架I的左右兩側，可以實時地以人眼的視角分別採集左、右眼看到的現實場景並傳輸給數據處理中心9，經過數據處理中心9處理後再實時地分別投影到左眼顯示面板3和右眼顯示面板6上，形成虛擬的場景；此外，由於雙路圖像採集設備8是以人眼的視角進行雙路的圖像採集，而且採集到的左、右眼畫面經過處理後分別投影到左眼顯示面板3和右眼顯示面板6進行顯示，所以人眼看到的虛擬場景是3D場景；
[0041]所述的數據處理中心9用於系統的總體控制，圖像的採集、處理及投影顯示；數據處理中心9用於系統的總體控制及各個模塊的驅動。
[0042]本實施例中，所述的數據處理中心9可以是市面上現有的處理數據處理設備，t匕如智慧型手機、便攜電腦等，也可以是自行開發的數據處理終端，其中的圖像處理算法根據所需功能不同而有不同的設定。比如數據處理中心9除了針對色盲患者的圖像矯正和標定任務外，還可以有智能設備所具備的其他功能。
[0043]本實施例中，所述的數據處理中心9可以通過數據線與眼鏡連接，也可以直接以無線方式與眼鏡連接。
[0044]本實施例中，所述的傳感器12、13用於檢測外部信息和眼鏡所處狀態並將信號傳輸給數據處理中心；包括紅外傳感器，加速度計，陀螺儀等各種傳感器，它們各自將採集到的數據傳給數據處理中心9，圖像處理及機器視覺算法會利用這些數據進行分析。其中，紅外傳感器用於採集紅外信號，以用於可能的夜間視野探測、或者用於障礙物距離檢測；加速度計和陀螺儀分別採集眼鏡的各個方向加速度以及角度。通過分析這些傳感器採集的數據，數據處理中心可以對將要顯示的圖像做出相應的處理。
[0045]本實施例所述系統的主要功能是為視覺障礙患者提供一個視覺輔助的系統，該系統不僅可以對不同的視覺病症有不同的視覺增強效果，讓患者在生活中依靠該儀器的輔助提高視覺，而且在數據處理中心中可以對症地設計出不同的糾正和治療的程序，讓患者在練習的過程中改善其自身的視覺能力。
[0046]本實施例所述系統除了以上所述的實體部件外，還包含配套的針對視覺障礙患者設計的圖像處理模塊。本模塊從雙路圖像採集設備8實時地採集圖像，傳輸到數據處理中心9後利用圖像處理模塊對採集的圖像進行處理，針對不同的視覺障礙患者，利用相應的圖像處理及機器視覺算法對圖像進行處理，再將更加直觀的視覺障礙患者更能接受的圖像進行投影顯示，視覺障礙患者可以通過本系統觀看處理後的圖像，從而達到輔助視覺的目的。具體的:
[0047]針對夜盲症患者，通過提高對比敏感度，增加患者夜間視覺；
[0048]針對年齡相關性黃斑變性、中心性漿液性視網膜病，白內障等視物變形的患者，通過圖像變形反而使患者產生正常的圖像，比如在眼鏡裡顯示網格圖，讓患者自行調整，使每條線都是直線(其實調整後正常人看到是彎曲的線)，然後通過圖像處理讓攝像機捕捉的圖像產生同樣的形變；
[0049]針對紅綠色盲患者，讓計算機將紅色和綠色改變為患者能區別的顏色，如黃藍兩色；
[0050]針對高度近視等的低視力患者，讓計算機能將圖像放大，方便閱讀；
[0051]對於運動物體增加對比度並發聲提示，讓病人有所警覺等；
[0052]針對其他病症引起的視覺障礙，使用相應的算法，改善或者治療患者的視力。
[0053]還有其他的病患以及對應的圖像處理方法在此不一一列舉，改變圖像處理算法並不影響本系統的實質。圖像處理的算法可以採用現有技術，也可以採用為了適應本視覺輔助系統而創新的算法。
[0054]如圖2所示，為系統的工作原理框圖，工作流程包括如下步驟:
[0055]一、圖像採集
[0056]該部分由雙路圖像採集設備8的兩個攝像頭完成，左、右兩路攝像頭分別以人眼的視角採集現實場景的圖像，攝像頭採集到的現實場景圖片10以視頻流的形式傳輸至數據處理中心9 ；
[0057]二、圖像處理
[0058]該部分由系統的數據處理中心9完成，數據處理中心9利用相關的圖像處理算法對從雙路圖像採集設備8採集到的圖像進行特定的處理，如:放大、增強、顏色校正等；該步驟中需要利用圖像處理及機器視覺相關算法；本系統對相關的圖像處理算法性能要求較高，要求能夠達到實時性的要求，所以在進行圖像處理算法設計時要考慮到實時性的問題，不能採用複雜度過高、無法滿足實時要求的算法；如果有一些較為複雜的算法也要針對本系統做出相應的簡化或者創新，以使算法更好地配合本系統。圖像處理的算法可以採用現有技術，也可以採用為了適應本視覺輔助系統而創新的算法。對雙路圖像採集設備8採集到的圖像實時地進行處理，再分別傳輸至左眼顯示面板3和右眼顯示面板6 ；
[0059]三、投影顯示(對於透射式顯示方法)或利用顯示屏顯示(對於非投射式顯示方式)，
[0060]本發明系統的顯示方式可以是投影式，也可以是非投影式。如果採用投影式顯示，其中左右眼投影裝置分別投影在左右顯示面板3、6上，在人眼前方一定距離形成虛擬的圖像；如果採用非投影式顯示方式，其形成的是實像，但是需要在眼鏡與左右顯示面板3、6中間加入凸透鏡使成像更清晰。非投射式顯示的顯示面板可以是高清液晶顯示屏，也可以是LED點陣顯示器，顯示器的選擇可以根據患者的病患實際情況來調整。這並不影響本系統的實質。具體的:
[0061]1)投影顯示(對於透射式顯示方法)
[0062]該部分由左、右眼投影裝置4、7和左、右眼顯示面板3、6完成，左、右眼投影裝置4、7將數據處理中心9傳輸過來的經過色盲圖像校正、標定後的左、右眼畫面分別投影至左、右眼顯示面板3、6，使用戶從左、右眼顯示面板3、6上看到的畫面是利用圖像處理及機器視覺相關算法處理後的圖像；
[0063]2)利用顯示屏顯示(對於非投射式顯示方式)
[0064]該部分由左、右顯示面板3、6顯示畫面完成，左、右眼顯示面板3、6將數據處理中心9傳輸過來的經過色盲圖像校正、標定後的左、右眼畫面分別顯示，使用戶從左、右顯示面板3、6上看到的畫面是利用圖像處理及機器視覺相關算法處理後的圖像。
[0065]如圖3所示，為以弱視為例的效果圖，其中:圖(a)為雙路圖像採集設備採集到的現實場景圖片10，圖(b)為經過相關圖像處理(圖像放大)後投影顯示的圖片11。
[0066]與傳統的視覺障礙輔助器具相比，本發明為可穿戴式設備，具有簡單便攜、易擴展等優點，可以讓視覺障礙患者在日常生活中使用；此外，本發明所公開的硬體可以作為一個視覺障礙輔助器具平臺，對於不同類型及不同程度的視覺障礙，可以針對性地設計配套的圖像處理程序和治療程序，達到輔助視覺與治療疾病的目的。
[0067]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，包括: 頭戴式眼鏡支架，用於安裝及連接系統的各個部件以及方便用戶佩戴； 顯示面板，嵌入在頭戴式眼鏡支架的鏡框上，用於顯示圖像； 圖像採集設備，設置在頭戴式眼鏡支架上； 多個傳感器，用於檢測外部信息和眼鏡所處狀態並將信號傳輸給數據處理中心； 數據處理中心，所述數據處理中心用於系統的總體控制，包括圖像採集設備的圖像的採集、處理及顯示面板的顯示，傳感器數據的接受和處理；其中的圖像處理通過圖像處理模塊實現，該圖像處理模塊實時地從圖像採集設備採集圖像，並對採集的圖像進行處理，針對視覺障礙患者的不同病患類型，利用圖像處理及機器視覺算法對圖像進行處理，將處理後的圖像以視覺障礙患者更能接受的形式進行實時顯示，從而達到視覺輔助的目的。
2.根據權利要求1所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，所述系統的顯示是雙眼顯示或單眼顯示；所述圖像採集設備是雙通道採集或單通道採集；如果是單眼、單通道，所述顯示面板、圖像採集設備都只需要一路。
3.根據權利要求2所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，如果是雙眼、雙通道，所述顯示面板、圖像採集設備則為左右兩路，即:所述顯示面板包括: 左眼顯示面板，嵌入在頭戴式眼鏡支架的左眼鏡框上，用於顯示左眼圖像； 右眼顯示面板，嵌入在頭戴式眼鏡支架的右眼鏡框上，用於顯示右眼圖像； 所述雙路圖像採集設備，由兩個微型攝像頭組成，分布在頭戴式眼鏡支架的左右兩側。
4.根據權利要求1所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，所述系統的顯示方式為投影式或非投影式； 如果採用投影式顯示，所述系統還包括投影裝置，投影裝置投影在顯示面板上，在人眼前方一定距離形成虛擬的圖像；所述投影裝置為一路或者左右兩路； 如果採用非投影式顯示方式，圖像直接顯示在顯示面板的屏幕上。
5.根據權利要求4所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，如果採用非投影式顯示方式，進一步在眼睛與顯示面板中間加入凸透鏡以使成像更加清晰。
6.根據權利要求5所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，所述非投影式顯示方式的顯示面板是高清液晶顯示屏，或是[￡0點陣顯示器。
7.根據權利要求4所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，所述的顯示面板採用可穿透式，投影在顯示面板上形成的圖像與現實場景疊加達到視覺改善的效果。
8.根據權利要求2所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，所述的雙路圖像採集設備以人眼的視角分別採集左、右眼看到的現實場景，經過所述數據處理中心處理後實時地投影到所述左、右顯示面板上。
9.根據權利要求1-8任一項所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，所述的數據處理中心圖像處理算法根據所需功能不同，而有不同的設定；針對不同的患者有不同的圖像處理算法與之對應。
10.根據權利要求9所述的一種針對視覺障礙患者的頭戴式視覺輔助系統，其特徵在於，針對夜盲症患者，通過提高對比敏感度，增加患者夜間視覺； 針對年齡相關性黃斑變性，中心性漿液性視網膜病，白內障這些視物變形的患者，通過圖像變形，使患者產生正常的圖像； 針對紅綠色盲患者，讓計算機將紅色和綠色改變為患者能區別的顏色； 針對低視力患者，讓計算機能將圖像放大，方便閱讀； 對於運動物體增加對比度並發聲提示，讓病人有所警覺； 針對其他病症引起的視覺障礙，使用相應的算法，改善或者治療患者的視力。
【文檔編號】A61F9/00GK104306102SQ201410531536
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】楊小康, 翟廣濤, 李鐸, 閔雄闊 申請人:上海交通大學