包覺異常定量檢測儀的製作方法

2023-05-06 02:03:26

專利名稱：包覺異常定量檢測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於檢測人體色覺是否正常的儀器及檢測方法，屬醫療檢測設備製造領域。
背景技術：
目前色覺異常的檢查方法主要有顏色混合器測定法，該儀器的工作原理是基於瑞利的顏色混匹配方程紅(R)+綠(B)＝黃(Y)，即紅光與綠光混合可以匹配出黃光。該色覺異常檢查儀的圓形觀察窗分為左右兩個半視場，右半視場中直接提供黃光，其亮度(明度)可調；左半社場中則同時投射紅光和綠光，因此實際上左半視場中顯示的是紅光和綠光的混合色。對於正常色覺者而言，既可以同時分辯紅、綠、黃等顏色，也可以用適當的比例的紅光和綠光混合匹配出黃光，最終看到左右兩半視場的黃色完全一致。而對異常色覺而言，可能既不能正常分辯紅色、綠色或黃色，也不能用紅色光和綠色光匹配黃色光，或者即使能用紅光和綠光匹配出黃光，但所用的紅光和綠光的比例失調。比例失調的程度取決於色弱或色盲的嚴重程度，如綠色弱者需要更多的綠色才能匹配出黃色，紅色弱者需要更多的紅色，二色覺者可以用任何比例的紅光和綠光混合「匹配」出黃光，但實際上並不是真正意義上的顏色匹配，而只是感受的灰度相同罷了。最早的Nagel型色覺異常檢查儀(顏色混合器)中的紅光波長為670nm，綠光和黃光波長分別採用於35nm和589.3nm。實用化的顏色混合器採用的波長為670.8nm(紅)、546(綠)和589.3nm(黃)。該儀器主要用於檢查紅、綠色弱和色盲，而且顏色匹配方式固定，測定結果對操作過程和光源等硬體有較大的相關性，對被測者的顏色理解力和文化程度等個人因素也有一定的依賴性，所以檢測結果的客觀性和有效性受到影響，此外該方法對藍(紫)色覺者異常不能進行直接的測定。

發明內容
設計目的採用計算機控制的彩色CRT顯示器模擬色仿真技術，設計一種全新的計算機控制色覺異常自動定量檢測儀。
設計方案本發明主要由主計算機PC、高性能真彩色CRT顯示器、光電標準人眼定標系統、專用應答鍵盤、印表機、遮光罩以及下鄂支撐架等部分組成，人眼與顏色刺激之間的距離(觀察距離)為50cm，在功能上主要包括顯示器光色參數自動定標、計算機模擬色仿真顯示以及顏色辨別特性心理物理定量測試等功能模塊組成。
技術方案1色覺異常定量檢測儀由計算機PC、高性能彩色CRT顯示器、光電標準人眼定標系統、專用應答鍵盤、印表機、遮光罩及下鄂支撐架組成，計算機PC輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器、輸出的列印指令至印表機，光電標準人眼定標系統檢測的自動檢測信號至計算機PC的數據接口，專用應答鍵盤的信號輸出端至計算機PC的鍵盤輸入接口。光電標準人眼定標系統由光譜三刺激值曲線的光色傳感器、光電信號放大與A/D變換等信號處理與採集單元、PC接口與數據通訊以及供電單元等模塊構成，光譜三刺激值曲線的色度型光色傳感器從彩色CRT顯示器螢光屏上獲得的顏色剌激的光電信號，經高精度快速放大和A/D轉換，由微處理機系統讀入所採集到的數位訊號，並進行數據處理後，經由串行接口與主機PC進行數據通訊；專用應答鍵盤由微處理機進行監控管理，並利用共享的串行接口RS-232與主機通訊，其專用鍵盤包括開始/中止、左上、左下、右上、右下以及相同等專用按鈕，分別用於啟動和中止色覺閾值測試過程、應答測試顏色刺激所在四個小正方形色塊位置以及無法辯別顏色刺激色塊時的按鍵。光譜三刺激值曲線的光色傳感器包含X、Y、Z三個顏色通道，其輸出的光電信號分別由三路放大電路進行電流-電壓轉換(A1)和電壓放大(A2)，經過放大的模擬電壓信號由多通道高分辯率A/D變換器轉換成數位訊號，使三路光電信號在微處理機系統的控制下準確地讀入二級單片機，微處理機系統讀入光電數位訊號並進行數據處理後，將結果通過串行接口RS-232送至主計算機PC，從而完成顏色信息的一次光電採集過程；光電傳感器響應特性的光度色度定標系統自動存儲於定標系統內部基於I2C總線可電擦除只讀存儲器E2PROM中，RESET電路為微處理機系統提供可靠的上電復位信號，外部晶振電路OSC為單片機系統提供準確的工作時鐘，復位與外部晶振電路(RSTOSC)、可電擦除只讀存儲器(E2PROM)等外圍電路與單片機主體晶片CPU一併組成微處理單片機系統。
技術方案2色覺異常定量檢測設計方法，如權利要求1所述，首先對彩色CRT顯示器的R、G、B三色螢光粉發光特性進行測定和分析，建立其γ曲線的數學模型，利用R、G、B三色電子槍的激發特性和三色螢光粉的色品坐標構成三色緩衝器顏色輸入值與CIE標準色度系統之間的特徵矩陣及其映射關係實現顏色的仿真顯示。光電標準人眼定標系統的光度色度校正與測試包括光電定標系統調試和顏色信號發生器，首先用帶望遠鏡系統的高精度彩色亮度計或光譜光度計，對光電標準人眼定標系統中符合(CIE)標準光譜三刺激值曲線的X、Y、Z三個色度通道光電傳感器進行光度色度校正，修正係數自動存入定標系統內部基於I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，使光電定標系統與測試軟體之間參數分離，其次利用顏色信號發生器提供的中心十字線標誌將標準光譜光度計和光電控頭分別瞄準和定位於CRT屏幕的中央，然後根據需要將屏幕的顏色設置成白、黑、紅、黃、綠、藍等各種單色或混色，並用標準光譜光度計測出該屏幕顏色的色度參數(三刺激值或色度坐標)，接著，將光電探頭對準屏幕，由光電定標系統調試和校正軟體測定CRT上顯示的定標顏色的信號，將該定標顏色參數輸入指定文本框中，由軟體功能自行計算出各色度通道的修正係數，最後，經由主機與光電定標系統的微處理機之間的串行通訊將光色校正係數傳給二級微機，並自動存入定標系統內部基於I2C總線可電擦除只讀存儲器E2PROM中，以備系統進行GAMA標定時實時調用；計算機模擬色仿真顯示模塊是基於彩色CRT顯示器R、G、B三色螢光粉色度參數及其γ特性的定標數學模型，按照CIE計算機控制的CRT顯示器色度特性定標的標準建立CRT三色緩衝器數字輸入值(LUT-R，LUT-G，LUT-B)與CIE-XYZ參數之間的變換模型及特徵矩陣，即LUT-RLUT-GLUT-BLum-RLum-GLum-BXYZ]]>其中(Lum-R，Lum-G，Lum-B)＝(LR，LG，LB)表示R、G、B三色螢光粉的發光亮度，根據螢光粉的定標參數可以確定目標顯示顏色三刺激值(X，Y，Z)與三色螢光粉發光亮度之間的映射特徵矩陣AXYZ=ALRLGLB]]>或LRLGLB=A-1XYZ]]>由此可以求出所需R、G、B電子槍的激發亮度(LR，LG，LB)，根據CRT輸入輸出定標特性所確定的γ曲線的數學模型
LRLGLB=fLUT-RLUT-GLUT-B]]>或LUT-RLUT-GLUT-B=f-1LRLGLB]]>或以獲得在CRT上顯示要求的顏色剌激所需要的三色緩衝器數字輸入參數(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最終達到在常規彩色CRT顯示器上保真再現具有要求亮度和色度的顏色剌激的模擬色仿真功能；利用光電標準人眼定標系統的光度色度校正與測試模塊在CRT顯示指定CIE1931色度坐標X、Y和明度係數Y的顏色，由此測試和驗證顏色復現結果的準確性和可靠性，其中包括顏色仿真算法的科學性、CRT顯示器γ定標和校正的有效性以及CRT本身顯色特性的優劣等各種因素。GAMA標定，首先分別將R、G、B三色數字緩衝器的輸入值設為0，1，2，3，……225，然後由光電標準人眼定標系統自動測出每組顏色激勵輸入值所對應屏幕顯示顏色的發光亮度Lum-R、Lum-G、Lum-B，由此建立(LUT-R，LUT-GLUT-B)與(Lum-R，Lum-G，Lum-B)之間的對應關係LUT，在上述γ特性測試的同時，由光電定標系統的X、Y、Z三個色度通道獲得了R、G、B三色螢光粉單獨發光時的三刺激值(XR，YR，ZR)、(XG，YG，ZG)、(XB，YB，ZB)，並計算出三色螢光粉的色品坐標(XR，YR)、(XG，YG)、(XB，YB)，從而確定目標顏色的三刺激值(X，Y，Z)與三色螢光粉發光亮度之間的映射特徵矩陣，由此求出所需R、G、B電子槍的激發亮度(LR，LG，LB)，再根據CRT輸入輸出定標特性所確定的γ曲線數學模型，即可獲得在CRT上顯示要求的顏色刺激所需要的三色緩衝器數字輸入參數(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最終達到在常規彩色CRT顯示器上保真再現具有要求亮度和色度數的顏色刺激的模擬色仿真功能。測試刺激是由處於CRT顯示器中心部位的四個1°×1°小正方形組成的田字形色塊，各個小正方形色塊之間有不超過0.1°視角寬的黑色小分隔，四小正方形色塊組由約0.1°視角的黑色邊框與其所在的背景隔開，從而充分抑制因色塊分界處的高頻成分所引起的明度對比靈敏度，使在顏色辯別的心理物理機制中色度對比靈敏度佔主導地位，以達到色覺特性的精確定量檢測。測試剌激顯示過程中採用時間間隔條件，即一個周期中包含兩個顯示背景色的時間段和兩個黑色時間間隔，分別處於測試刺激顯示的開始和結束時刻，在黑色間隔時間，包括背景色和四個小正方形色塊組成的測試刺激在內的所有區域的發光被切斷為黑屏，只有外圍的亮框一直持續顯示，以使觀察者保持對白色溫點而不是測試剌激的完全適應狀態。心理物理測定方法為變形交錯階梯法，在一個階梯中同時包含在四個顏色方向上的一組刺激，並且具有隨機的顯示次序，在階梯的初始迴轉折中，首先顯示一個(色覺正常者)明顯可辯的步長，然後系統地縮減各顏色距離的調製步長，直至其達到某個臨界值，從而形成有效的振蕩收斂過程，並產生十次左右的迴轉折點，最後由計算機軟體自動處理觀察者對每個呈示顏色刺激的應答記錄，並解出對應各方向的辯色閥值。
技術方案3色覺異常定量檢測步驟，整個測試過程分為暗適應、背景適應、辯色閥值測定等步驟，在每次辯色判斷時，由軟體隨機地決定測試色在四個小正方形中的某一個色塊上顯示，而另外三個小正方形仍保持為與背景一致的顏色，測試色對應於根據所採用的心理物理測試方法而確定的在不同方向上與顏色中心的預測顏色距離或色差，觀察者的視覺任務是判斷其顏色不同於背景色的小正方形色塊的位置(即四個小正方形色塊中僅有的一個顯示不同顏色的方塊的位置)，然後按下指定的按鍵作為他/她的應答，由此計算機自動記錄該判定結果並起動下一次辯色判斷測試。
本發明與背景技術相比，1、實現了機控制全自動色覺異常的心理物理定量檢測。2、通過一次測量即可獲得從中性灰(Gray)沿紅-綠(Red-Green)和黃-藍(Yellow-Blue)顏色混同線向紅色(Red)、綠色(Green)、藍色(Blue)、黃色(Yellow)方向的顏色視覺辨別閾值(色覺容限值)。3、給出紅色(Red)、綠色(Green)、藍色(Blue)、黃色(Yellow)視覺方向上的辨色閾值色度示意圖，同時顯示在CIE1931色度系統和CIE1976均勻顏色空間中的色覺閾值測定結果ΔR、ΔG、ΔB、ΔY和ΔER、ΔEG、ΔEB、ΔEy以及紅色與綠色、黃色與藍色視覺方向上辨色閾值的相對量(比值)ΔR/ΔG、ΔY/ΔB和ΔER/ΔEG、ΔEy/Δ EB，由此建立與臨床上的色覺正常、色盲以及各種不同色弱程度的對應關係，從而實現色覺異常的自動定量檢測。4、被驗者的身份(如姓名、門珍號、病歷卡號等)有關信息以及檢測日期和測試的起始與結束時間等各種過程數據自動記錄在檢測結果中，並可以列印輸出各種測試結果數據。5、具有精細測試(分級精細、時間較長)和快速測試(時間較短、分級稍粗)兩種模式，可以由用戶自由選用，以適應不同的檢測對象和分級要求。6、根據檢測對象和要求，可以由用戶自行設置暗適應和亮適應的時間(以秒為單位)，從而有效提高檢測效率。7、針對被子驗者不同的文化程度或知識水平、年齡層次等個人因素的差異，在測試過程中的實際有效測試模塊之前設計了訓練測試模塊，並可由用戶自行設定訓練次數，充分保證檢測的精度和有效性。8、檢測過程中的操作界面友好，具有全中文圖文實時引導信息，並提供標準普通話語音指引說明，有效避免誤操作。9、對以往檢測過的所有結果數據文件自動保存在計算機硬碟上，並可隨時檢索和查閱這些歷史文檔。10、彩色CRT顯示器光色參數自動定標功能，確保在彩色CRT顯示器上能準確實時地顯示具有要求亮度和色度參數的顏色刺激以進行顏色辨別特性的定量測試，達到計算機模擬色仿真顯示目標。11、由光電標準人眼定標系統實現彩色CRT顯示器R、G、B三色螢光粉發光特性和色度坐標的自動測定，並對R、G、B三色電子槍γ曲線進行自動校正，由此可由用戶自行定期對彩色CRT顯示器進行光色性變化所帶來的誤差，使儀器的測試結果精確可靠，並具有長期的穩定性。12、具有彩色CRT顯示器R、G、B三色螢光粉發光特性和三色電子槍γ曲線校正結果的圖示功能，可以確認存儲更新或隨時查閱。13、利用系統測試模塊，並藉助帶望遠鏡系統的高精度彩色亮度計或光譜光度計(另購)，對光電標準人眼定標系統中符合國際照明委員會(CIE)標準光譜三刺激值曲線的色度型光電傳感器進行光度色度校正，修正係數自動存入定標系統內部基於I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，從而使光電定標系統與測試軟體之間參數分離，具有任意配置和可組裝性，為儀器的生產、調試和維護提供了靈活適應性和便利性。14、顯示測試顏色刺激的彩色CRT顯示器在進入實際檢測前需要1小時以上的預熱時間，但又不能因顯示固定的圖樣而導致CRT螢屏顯色的空間不一致性或色純度的降低，所以本儀器設有勻速平移黑白條紋的屏幕保護功能，以滿足在開機後實際檢測前以及不同次檢測之間CRT螢屏的特殊保護需要。


圖1是色覺異常定量檢測儀的結構示意圖。
圖2是色覺異常定量檢測儀的方框示意圖。
圖3是測試紅-綠和黃-藍顏色混同線示意圖。
圖4是測試刺激基本圖樣。
圖5是系統軟體主界面示意圖。
圖6是光電定標系統專用顏色發生器基本界面。
圖7是光電定標系統調試與校正界面。
圖8是CRT顏色復現模塊初始界面。
圖9是彩色CRT顯示器屏幕保護圖樣。
圖10是系統測試參數設置界面。
圖11是被驗者身份輸入界面。
圖12是系統測試引導界面。
圖13是系統測試結果報告界面。
圖14是系統測試參數信息窗口。
圖15是顏色視覺檢測報告列印格式。
圖16是CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值曲線。
圖17是光電標準人眼定標系統電氣原理示意圖。
具體實施例方式色覺異常定量檢測儀由計算機PC6、高性能彩色CRT顯示器1、光電標準人眼定標系統7、專用應答鍵盤4、印表機5、遮光罩及2下鄂支撐架3組成，計算機PC6輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器1、輸出的列印指令至印表機5，光電標準人眼定標系統7檢測的自動檢測信號至計算機PC6的數據接口，專用應答鍵盤4的信號輸出端至計算機PC6的鍵盤輸入接口，參見附圖1和2。
一、光電標準人眼定標系統為了在彩色CRT顯示器上顯示具有要求亮度和色度參數的顏色刺激以進行顏色辨別特性的定量測試，必需對彩色CRT的R、G、B三色螢光粉發光特性進行測定和分析，建立其γ曲線的數學表徵模型，並利用R、G、B三色電子槍的激發特性和三色螢光粉的色品坐標構成三色緩衝器顏色輸入值與CIE標準色度系統之間的特徵矩陣及其映射關係，從而實現顏色的仿真顯示。
二、計數機模擬色仿真顯示模塊利用基於彩色CRT顯示器R、G、B三色螢光粉色度參數及其γ特性的定標數學模型，按照CIE關於計算機控制的CRT顯示器色度特性定標的指導工作標準(Guide tocharacterizing the colorimetry of computer-controlled CRTdisplays)，建立CRT三色緩衝器數字輸入值(LUT_R，LUT_G，LUT_B)與CIE-XYZ參數之間的變換模型及其特徵矩陣，即LUT_RLUT_GLUT_BLum_RLum_GLum_BXYZ--(1)]]>其中(Lum_R，Lum_G，Lum_B)＝(LR，LG，LB)表示R、G、B三色螢光粉的發光亮度。根據螢光粉的定標參數可以確定目標顯示顏色三刺激值(X，Y，Z)與三色螢光粉發光亮度之間的映射特徵矩陣AXY=ALRLG]]>或LRLG=A-1XY--(2)]]>
ZLBLBZ由此可以求出所需R、G、B電子槍的激發亮度(LR，LG，LB)，再根據CRT輸入輸出定標特性所確定的γ曲線的數學模型LRLGLB=fLUT-RLUT-GLUT-B]]>或LUT_RLUT_GLUT_B=f-1LRLGLB--(3)]]>可以獲得為在CRT上顯示要求的顏色刺激所需要的三色緩衝器數字輸入參數(LUT_R，LUT_G，LUT_B)，最終達到在常規彩色CRT顯示器上保真再現具有要求亮度和色度參數的顏色刺激的模擬色仿真功能。
三、顏色辯別特性心理物理定量測試模塊①顏色刺激基於顏色視覺的理論，參照國際照明委員會(CIE)關於顏色辨別和色差研究的指導標準，通過對CIE1931色度圖上各組紅-綠(R/G)和黃-藍(Y/B)顏色混同線的計算和分析，選擇其交點正好處於色度圖中心(x＝0.333，y＝0.333)的一對紅-綠(R/G)和黃-藍(Y/B)顏色混同線作為測試顏色刺激的演變軌跡，並確定其交點中性灰(Gray)為色覺測定的顏色中心(color center)，而且這兩根顏色混同線剛好正交(如圖3所示)，為色覺測試和色度計算提供了合理可靠的參數和方便快捷的路徑。同時，設計專門的刺激圖樣(stimulus pattern)按照國際通行的心理物理測試方法進行人眼色覺特性的定量檢測與分析。②空間條件測試刺激(test stimulus)是由處於CRT顯示器中心部位的四個1°×1°小正方形組成的田字形色塊(如圖所示)，各個小正方色塊之間有不超過0.1°視角寬的黑色小分隔；四小正方形色塊組由約0.1°視角的黑色邊框與其所在的背景色(background)隔開，從而充分抑制因色塊分界處的高頻成分所引起的明度對比靈敏度，使在顏色辨別的心理物理機制中色度對比靈敏度佔主導地位，以達到色覺特性的精確定量檢測。背景色設置成所選中心色(center color)的中性灰，並被一個亮框(bright bord)包圍。該亮框的亮度設為CRT色域(color gamut)範圍內所能顯示的最高亮度如100cd/m2，並具有CIE D65標準照明體的色度指標。這個「白色」亮框使CRT上顯示的刺激能模擬物體表面色(surface color)或相關色(related color)而不是原本的孔徑色(aperture color)，同時定義了刺激圖像的白色溫點。③時間特性測試刺激顯示過程中採用時間間隔條件，即一個周期中包含兩個顯示背景色的時間段和兩個黑色時間間隔，分別處於測試刺激顯示的開始和結束時刻。在黑色間隔時間，包括背景色和四個小正方形色塊組成的測試刺激在內的所有區域的發光被切斷為黑屏，只有外圍的亮框一直持續顯示，以使觀察者保持對白色溫點而不是測試刺激的完全適應狀態。④測定方法目前，國際上視覺科學研究中被廣泛採用的主要心理物理測定方法有調整法、階梯法或上下法、恆常刺激法等等。在本系統中，為了能客觀可靠地測出從中性灰向紅色、綠色、藍色、黃色等方向沿顏色混同線軌跡上的顏色辨別閾值，採用階梯法進行辨色能力的實際測試。辨色閾值的測試過程是在完全屏蔽外界雜散光的暗室條件下進行的。為了避免由測試刺激的顯示次序而導致觀察者可能的判斷偏差或臆想，本系統對傳統的階梯法進行改良，形成變形交錯階梯法。一個階梯中同時包含在四個顏色方向上的一組刺激，並且具有隨機的呈示次序。在階梯的初始迴轉折中，首先顯示一個(色覺正常者)明顯可辨的步長，然後系統地縮減各顏色距離的調製步長，直至其達到某個臨界值，從而形成有效的振蕩收斂過程，並產生十次左右的迴轉折點。最後，由計算機軟體自動處理觀察者對每個呈示顏色刺激的應答記錄，並解出對應各方向的辨色閾值。⑤測定步驟整個測試過程分為暗適應、背景色適應、辨色閾值測定等步驟。在每次辨色判斷時，由軟體隨機地決定測試色在四個小正方形中的某一個色塊上顯示，而另外三個小正方形仍保持為與背景一致的顏色。測試色對應於根據所採用的心理物理測試方法而確定的不同方向上與顏色中心的預測顏色距離或色差。觀察者的視覺任務是判斷其顏色不同於背景色的小正方形色塊的位置(即四個小正方形色塊中僅有的一個顯示不同顏色的方塊的位置)，然後按下指定的按鍵作為他/她的應答，由此計算自動記錄刻判定結果並起動下一次辨色判斷測試。
四、軟體與硬體設計1、軟體設計色覺異常定量測試軟體用VC++設計，運行平臺為Windows 9X。整個系統軟體主要包括①光電標準人眼定標系統的光度色度校正與測試、②CRT顏色復現、③GAMA標定、④屏幕保護、⑤測試參數設置、⑥辨色閾值測試、⑦以往測試結果文檔查閱等功能模塊。
(1)光電標準人眼定標系統的光度色度校正與測試本模塊中，只用於儀器生產和調試，主要包括顏色信號發生器和光電定標系統調試與校正等兩個專用軟體，如附圖5。
顏色信號發生器專用軟體的基本界面如圖6所示。進入本界面後，首先利用提供的中心十字線標誌將標準光譜光度計和本儀器的光電探頭分別瞄準和定位於CRT屏幕的中央；然後，根據需要可以將屏幕的顏色設置成白、黑、紅、黃、藍等各種單色或混色，並用標準光譜光度計測出該屏幕顏色的色度參數(三刺激值或色度坐標)；接著，將本儀器的光電探頭對準屏幕，由光電定標系統調試和校正專用軟體(如圖7所示)測定CRT上顯示的定標顏色信號，將該定標顏色參數輸入指定文本框中，由軟體功能自行計算出各色度通道的修正係數；最後，經由主機與光電定標系統的專用微處理機之間的串行通訊將光色校正係數傳給二級微機，並自動存入定標系統內部基於I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，以備系統進行GAMA標定時實時調用。
此外，也可以利用該模塊發生各種顏色刺激信號，對已經光度色度校正的光電標準人眼定標系統的測色精度進行驗證，從而檢驗光電定標系統校正係數的準確性和有效性。
(2)、CRT顏色復現在CRT顯示器上準確地給出所需亮度和色度坐標的顏色刺激信號是整個系統正確工作的基礎和前提。利用該模塊可以在CRT顯示指定CIE1931色度坐標X、Y和明度係數Y的顏色，由此測試和驗證顏色復現結果的準確性和可靠性，其中包括顏色仿真算法的科學性、CRT顯示器γ定標和校正的有效性以及CRT本身顯色特性的優劣等各種因素。本功能只用於儀器的生產和調試，對於用戶是不可見的。圖8是該功能模塊的初始界面示意圖。
(3)GAMA標定為了在彩色CRT顯示器上顯示具有要求亮度和色度參數的顏色刺激以進行顏色辨別特性的定量測試，必須對彩色CRT的R、G、B三色螢光粉發光特性進行測定和分析，建立三色電子槍γ曲線的數學模型，從而獲得三色緩衝器顏色輸入數字值與CIE標準色度系統之間的特徵矩陣及其映射關係，達到顏色仿真顯示的目標。這個環節就是通過GAMA標定功能模塊來實現的。
首先，分別將R、G、B三色數字緩衝器的輸入值為0，1，2，3……，255，然後由光電標準人眼定標系統自動測出每組顏色激勵輸入值所對應屏幕顯示顏色的發光亮度Lum_R，Lum_G，Lum_B，由此建立(LUT_R，LUT_G，LUT_B)與(Lum_R，Lum_G，Lum_B)之間的對應關係LUT(Look-upTable)。
(4)屏幕保護顯示測試顏色刺激的彩色CRT顯示器在進入實際檢測前需要1小時以上的預熱時間，但又不能因顯示固定的圖樣而使顯象管局部老化或不均勻老化，導致CRT螢屏顯色的空間不一致性或色純度的降低，所以本儀器設有勻速平移黑白條的屏幕保護功能(如圖9所示)，以滿足在開機後實際檢測前以及不同次檢測之間CRT螢屏的特殊保護需要。
(5)測試參數設置系統軟體設計了兩種測試方式(模式)，即精細測試和快速測試。精細測試模式對色覺異常定量檢測具有精細的分級，但測試時間相對較長；快速測試模式所需的測試時間較短，但分級精度稍粗。可以由用戶自由選用，以適應不同的檢測對象和分級要求。
根據檢測對象和要求，可以由用戶自行設置暗適應和亮適應的時間(以秒為單位)，從而有效提高檢測效率；同時，針對被驗者(觀察者)不同的文化程度或知識水平、年齡層次等個人因素的差異，在測試過程中的實際有效測試模塊之前設計了訓練測試模塊，且實現了實際測試與訓練測試之間的無縫連接，使被驗者在進入實際測試之前在無意識中獲得訓練的機會，並可由用戶自行設定訓練次數，充分保證檢測的精度和有效性。
系統測試參數的設置對話框如圖10所示(6)辨色閾值測試本系統利用軟體功能實現色覺異常的心理物理全自動定量檢測。
檢測過程中的操作界面友好，具有全中文圖文實時引導信息，並提供標準普通話語音指引說明，以適應不同年齡和文化層次的被驗者，有效避免誤操作。
在進入測試模塊之後，首先彈出被驗者身份輸入對話框，如圖11所示。在該界面上，要求用戶輸入被驗者的姓名、門診號、病歷卡號等有關信息，這些資料將與檢測日期和測試的起始與結束時間等各種過程數據一起自動記錄在檢測結果中。同時，被驗者的姓名將與測試時間一併構成檢測結果數據文件名，以便文檔檢索時易於識別，並且不會產生重名文件而造成數據覆蓋丟失。因此，如果用戶沒有完整輸入被驗者的姓名，系統軟體將給出警告提示信息，由用戶選擇重新輸入或按系統提供的由當時的日期和刻組成的預設文件名來存儲測試結果數據。
完成被驗者身份確認後，系統將顯示進行辨色閾值測試操作的圖文引導界面，如圖12所示。同時，儀器的多媒體系統還將給出「請按 鍵開始測試！」的標準普通話語音提示信息，以滿足不同層次被驗者的指導需要。
在用戶按下專鍵盤上的 鍵後，系統進入暗適應狀態，並提供語音提示信息「暗適應開始，請稍候！」。此時，CRT屏幕為全黑，被驗者應平心靜氣地注視螢屏中央；暗適應的時間長度由系統參數設置模塊中預先設定。暗適應結束後，系統自動進入背景色適應(或稱亮適應)階段，屏幕上出現如圖4所示的標準測試刺激圖樣，並給出語音提示「現在是亮適應，請稍候！」；亮適應的時間按系統參數設置模塊中的預設值由計算機自動控制。
亮適應完成後，系統將進入辨色閾值的心理物理測試階段，包括訓練測試和實際測試過程；訓練測試的判斷次數(對應訓練時間)由系統參數設置模塊預先設定。辨色閾值的測試過程按照前文「顏色辨別特性心理物理定量測試模塊」所述的方法和流程進行。
每次視覺判斷周期開始時，系統給出「咚」的一聲提示音，同時按預設的閾值測試時間條件呈示顏色刺激，然後等待被驗者按鍵應答。通過一次測量即可獲得從中性灰(Gray)沿紅—綠(Red-Green)和黃—藍(Yellow-Blue)顏色混同線向紅色(Red)、綠色(Green)、藍色(Blue)、黃色(Yellow)方向的顏色視覺辨別閾值(色覺容限值)。
由系統軟體控制各個顏色方向上閾值測定的階梯振蕩過程，並自動判定振蕩的收斂條件。在各方向顏色距離的上下振蕩變換中，系統隨機插入色覺正常者明顯可辨的參考顏色刺激，結合參考刺激的判斷結果可以驗證該測試過程的有效性。
顏色閾值測試完成後，系統將立即以圖13所示的測試報告給出檢測結果。測試報告給出在CIE1931標準色度系統中，紅色(Red)、綠色(Green)、藍色(Blue)、黃色(Yellow)視覺方向上的辨色空間中的色覺閾值測定結果ΔR、ΔG、ΔB、ΔY和ΔER、、ΔEG、ΔEB、ΔEy以及紅色(Red)與綠色(Green)、黃色(Yellow)與藍色(Blue)視覺方向上辨色閾值的相對量(比值)ΔR/ΔG、ΔY/ΔB和ΔEr/ΔEG、ΔEY/ΔEB，由此建立與臨床上的色覺正常、色盲以及各種不同色弱程度的對應關係，從而實現色覺異常的自動定量檢測，包括色覺正常、紅色盲(甲型)、綠色盲(乙型)、藍色盲(丙型)、黃色盲以及各種不同程度的紅色弱、綠色弱、藍色弱、黃色弱等定量檢測結果。
在該測試結果報告中，還給出了被驗者的姓名、門珍號、病歷卡號等身份信息，同時列出了該次檢測的起始和結束時間，以便參考。在該測試結果界面上，還可以利用 按鈕進行歷史檢測文檔的檢索和查閱。
如果希望了解或核對測試參數，可以點擊該界面左上角的 按鈕，系統將立即彈出當前所顯示的測試結果報告對應的測試參數信息窗口，如圖14所示。
最後，如果需要書面的測試報告，可以按該界面上的 按鈕，便能獲得如圖15所示格式的測試結果數據列印報告。
(7)歷史文檔查閱以往檢測過的所有測試結果數據自動保存在計算機硬碟上，並可由此功能按文件名隨時檢索並查閱這些歷史文檔。
五、硬體設計本系統自行設計的硬體電路主要有光電標準人眼定標系統、視覺判斷應答用專用鍵盤以及供電電源等。
光電標準人眼定標系統由符合國際照明委員會(CIE)標準光譜三刺激值曲線(如圖16所示)的色度型光電傳感器獲得彩色CRT顯示器螢屏上所呈示顏色刺激的光電信號，經高精度快速放大和A/D轉換，由專微處理機系統讀入所採集到的數位訊號，並進行數據處理後，經由串行接口與主機(PC)進行數據通訊。
圖17示意了光電標準人眼定標系統的電氣連接原理框圖。符合CIE標準光譜三刺激曲線的光色傳感器包含X、Y、Z三個顏色通道，其輸出的光電信號分別由三路放大電路進行電流-電壓轉換(A1)和電壓放大(A2)；放大電路選用美國Anology Device公司出品的高頻響、低漂移快速高精度運算放大器組成，確保光電信號得到實時的保真處理。經過放大的模擬電壓信號由多通道高解析度A/D變換轉換成數位訊號；模擬轉換器採用TexasInstrument公司的高精度多輸入通道快速A/D，外圍電路簡單，從而使三路光電信號在專用微處理機系統的控制下便捷準確地讀入二級單片機。專用微處理單片機在選用性能價格比很高的Philips公司出品的功能非常豐富，具有模擬比較器、WDT(看門狗)、I2C總線、上電與掉電復位電源監控器、UART(全雙工通用異步串行通訊)等功能部件，其時鐘頻率可高達20MHz，為實現本系統的光電定標要求提供了基礎和前提。微處理機系統讀入光電數位訊號並進行數據處理後，將結果通過串行接口RS-232送至主計算機PC，從而完成顏色信息的一次光電採集過程。光電傳感器響應特性的光度色度定標係數自動存儲於定標系統內部基於I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，RESET電路為微處理機系統提供可靠的上電復位信號，外部晶振電路OSC為單片機系統提供準確的工作時鐘；復位與外部晶振電路(RSTOSC)、可電擦除只讀存儲器(E2PROM)等外圍電路與單片機主體晶片CPU一併組成專用微處理單片機系統。
另外，本測試系統配置的視覺測試專用應答鍵盤也由該微處理機系統進行監控管理，並利用共享的串行接口RS-232與主機通訊。專用鍵盤包括 以及相同等專用按鈕，分別用於啟動和中止色覺閾值測試過程、應答測試顏色刺激所在四個小正方形色塊的位置以及無法辨別顏色刺激色塊時的按鍵。
六、技術參數1、色覺測定方向數42、背景色(中心色)Y＝30cd/m2，x＝0.333，y＝0.3333、參照色(邊框色)Y＝100cd/m2，x＝0.3127，y＝0.3290(CIE D65)4、暗適應時間1.5-3.0min(可自行設定)5、背景色(亮)適應時間0.5-1.0(可自行設定)6、精細測試10-15min(一般正常色覺者，不含暗適應和亮適應時間)7、快速測試4-6min(一般正常色覺者，不含暗適應和亮適應時間)8、訓練次數0-100次(可自行設定)9、白場標定色溫CIE D65(x＝0.3127，y＝0.3290)10、彩色CRT顯示器γ自動標定時間約1.5小時11、光電標準人眼定標系統顏色測量通道數3(X，Y，Z)亮度測量範圍0-150cd/m2光色測量精度(D65自場標定後)ΔY≤±2％，ΔX，Δy≤±0.005光色測量重複性(D65白場標定後)ΔY≤±1％，ΔX，Δy≤±0.00212、電氣條件220V，50Hz13、環境條件25℃±3℃應該理解到的是上述實施例雖然對本發明作了比較詳細的說明，但是這些說明只是對本發明的說明，而不是對本發明的限制，任何不超出本發明實質精神範圍內的發明創造，均落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種色覺異常定量檢測儀，其特徵由計算機PC、高性能彩色CRT顯示器、光電標準人眼定標系統、專用應答鍵盤、印表機、遮光罩及下鄂支撐架組成，計算機PC輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器、輸出的列印指令至印表機，光電標準人眼定標系統檢測的自動檢測信號至計算機PC的數據接口，專用應答鍵盤的信號輸出端至計算機PC的鍵盤輸入接口。
2.根據權利要求1所述的色覺異常定量檢測儀，其特徵是光電標準人眼定標系統由光譜三剌激值曲線的光色傳感器、光電信號放大與A/D變換等信號處理與採集單元、PC接口與數據通訊以及供電單元等模塊構成，光譜三剌激值曲線的色度型光色傳感器從彩色CRT顯示器螢光屏上獲得的顏色剌激的光電信號，經高精度快速放大和A/D轉換，由微處理機系統讀入所採集到的數位訊號，並進行數據處理後，經由串行接口與主機PC進行數據通訊；專用應答鍵盤由微處理機進行監控管理，並利用共享的串行接口RS-232與主機通訊，其專用鍵盤包括開始/中止、左上、左下、右上、右下以及相同等專用按鈕，分別用於啟動和中止色覺閾值測試過程、應答測試顏色剌激所在四個小正方形色塊位置以及無法辯別顏色剌激色塊時的按鍵。
3.根據權利要求2所述的色覺異常定量檢測儀，其特徵是光譜三剌激值曲線的光色傳感器包含X、Y、Z三個顏色通道，其輸出的光電信號分別由三路放大電路進行電流-電壓轉換(A1)和電壓放大(A2)，經過放大的模擬電壓信號由多通道高分辯率A/D變換器轉換成數位訊號，使三路光電信號在微處理機系統的控制下準確地讀入二級單片機，微處理機系統讀入光電數位訊號並進行數據處理後，將結果通過串行接口RS-232送至主計算機PC，從而完成顏色信息的一次光電採集過程；光電傳感器響應特性的光度色度定標系統自動存儲於定標系統內部基於I2C總線可電擦除只讀存儲器E2PROM中，RESET電路為微處理機系統提供可靠的上電復位信號，外部晶振電路OSC為單片機系統提供準確的工作時鐘，復位與外部晶振電路(RSTOSC)、可電擦除只讀存儲器(E2PROM)等外圍電路與單片機主體晶片CPU一併組成微處理單片機系統。
4.一種色覺異常定量檢測設計方法，其特徵是如權利要求1所述，首先對彩色CRT顯示器的R、G、B三色螢光粉發光特性進行測定和分析，建立其γ曲線的數學模型，利用R、G、B三色電子槍的激發特性和三色螢光粉的色品坐標構成三色緩衝器顏色輸入值與CIE標準色度系統之間的特徵矩陣及其映射關係實現顏色的仿真顯示。
5.根據權利要求4所述的色覺異常定量檢測設計方法，其特徵是光電標準人眼定標系統的光度色度校正與測試包括光電定標系統調試和顏色信號發生器，首先用帶望遠鏡系統的高精度彩色亮度計或光譜光度計，對光電標準人眼定標系統中符合(CIE)標準光譜三剌激值曲線的X、Y、Z三個色度通道光電傳感器進行光度色度校正，修正係數自動存入定標系統內部基於I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，使光電定標系統與測試軟體之間參數分離，其次利用顏色信號發生器提供的中心十字線標誌將標準光譜光度計和光電控頭分別瞄準和定位於CRT屏幕的中央，然後根據需要將屏幕的顏色設置成白、黑、紅、黃、綠、藍等各種單色或混色，並用標準光譜光度計測出該屏幕顏色的色度參數(三剌激值或色度坐標)，接著，將光電探頭對準屏幕，由光電定標系統調試和校正軟體測定CRT上顯示的定標顏色的信號，將該定標顏色參數輸入指定文本框中，由軟體功能自行計算出各色度通道的修正係數，最後，經由主機與光電定標系統的微處理機之間的串行通訊將光色校正係數傳給二級微機，並自動存入定標系統內部基於I2C總線可電擦除只讀存儲器E2PROM中，以備系統進行GAMA標定時實時調用；計算機模擬色仿真顯示模塊是基於彩色CRT顯示器R、G、B三色螢光粉色度參數及其γ特性的定標數學模型，按照CIE計算機控制的CRT顯示器色度特性定標的標準建立CRT三色緩衝器數字輸入值(LUT-R，LUT-G，LUT-B)與CIE-XYZ參數之間的變換模型及特徵矩陣，即LUT-RLUT-GLUT-BLum-RLum-GLum-BXYZ]]>其中(Lum-R，Lum-G，Lum-B)＝(LR，LG，LB)表示R、G、B三色螢光粉的發光亮度，根據螢光粉的定標參數可以確定目標顯示顏色三剌激值(X，Y，Z)與三色螢光粉發光亮度之間的映射特徵矩陣AXYZ=ALRLGLB]]>或LRLGLB=A-1XYZ]]>由此可以求出所需R、G、B電子槍的激發亮度(LR，LG，LB)，根據CRT輸入輸出定標特性所確定的γ曲線的數學模型LRLGLB=fLUT-RLUT-GLUT-B]]>或LUT-RLUT-GLUT-B=f-1LRLGLB]]>或以獲得在CRT上顯示要求的顏色剌激所需要的三色緩衝器數字輸入參數(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最終達到在常規彩色CRT顯示器上保真再現具有要求亮度和色度的顏色剌激的模擬色仿真功能；利用光電標準人眼定標系統的光度色度校正與測試模塊在CRT顯示指定CIE1931色度坐標X、Y和明度係數Y的顏色，由此測試和驗證顏色復現結果的準確性和可靠性，其中包括顏色仿真算法的科學性、CRT顯示器γ定標和校正的有效性以及CRT本身顯色特性的優劣等各種因素。
6.根據權利要求5所述的色覺異常定量檢測設計方法，其特徵是GAMA標定，首先分別將R、G、B三色數字緩衝器的輸入值設為0，1，2，3，……225，然後由光電標準人眼定標系統自動測出每組顏色激勵輸入值所對應屏幕顯示顏色的發光亮度Lum-R、Lum-G、Lum-B，由此建立(LUT-R，LUT-G LUT-B)與(Lum-R，Lum-G，Lum-B)之間的對應關係LUT，在上述γ特性測試的同時，由光電定標系統的X、Y、Z三個色度通道獲得了R、G、B三色螢光粉單獨發光時的三剌激值(XR，YR，ZR)、(XG，YG，ZG)、(XB，YB，ZB)，並計算出三色螢光粉的色品坐標(XR，YR)、(XG，YG)、(XB，YB)，從而確定目標顏色的三剌激值(X，Y，Z)與三色螢光粉發光亮度之間的映射特徵矩陣，由此求出所需R、G、B電子槍的激發亮度(LR，LG，LB)，再根據CRT輸入輸出定標特性所確定的γ曲線數學模型，即可獲得在CRT上顯示要求的顏色剌激所需要的三色緩衝器數字輸入參數(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最終達到在常規彩色CRT顯示器上保真再現具有要求亮度和色度數的顏色剌激的模擬色仿真功能。
7.根據權利要求4所述的色覺異常定量檢測設計方法，其特徵是測試剌激是由處於CRT顯示器中心部位的四個1°×1°小正方形組成的田字形色塊，各個小正方形色塊之間有不超過0.1°視角寬的黑色小分隔，四小正方形色塊組由約0.1°視角的黑色邊框與其所在的背景隔開，從而充分抑制因色塊分界處的高頻成分所引起的明度對比靈敏度，使在顏色辯別的心理物理機制中色度對比靈敏度佔主導地位，以達到色覺特性的精確定量檢測。
8.根據權利要求7所述的色覺異常定量檢測設計方法，其特徵是測試剌激顯示過程中採用時間間隔條件，即一個周期中包含兩個顯示背景色的時間段和兩個黑色時間間隔，分別處於測試剌激顯示的開始和結束時刻，在黑色間隔時間，包括背景色和四個小正方形色塊組成的測試剌激在內的所有區域的發光被切斷為黑屏，只有外圍的亮框一直持續顯示，以使觀察者保持對白色溫點而不是測試剌激的完全適應狀態。
9.根據權利要求4所述的色覺異常定量檢測設計方法，其特徵是心理物理測定方法為變形交錯階梯法，在一個階梯中同時包含在四個顏色方向上的一組剌激，並且具有隨機的顯示次序，在階梯的初始迴轉折中，首先顯示一個(色覺正常者)明顯可辯的步長，然後系統地縮減各顏色距離的調製步長，直至其達到某個臨界值，從而形成有效的振蕩收斂過程，並產生十次左右的迴轉折點，最後由計算機軟體自動處理觀察者對每個呈示顏色剌激的應答記錄，並解出對應各方向的辯色閥值。
10.一種色覺異常定量檢測步驟，其特徵是整個測試過程分為暗適應、背景適應、辯色閥值測定等步驟，在每次辯色判斷時，由軟體隨機地決定測試色在四個小正方形中的某一個色塊上顯示，而另外三個小正方形仍保持為與背景一致的顏色，測試色對應於根據所採用的心理物理測試方法而確定的在不同方向上與顏色中心的預測顏色距離或色差，觀察者的視覺任務是判斷其顏色不同於背景色的小正方形色塊的位置(即四個小正方形色塊中僅有的一個顯示不同顏色的方塊的位置)，然後按下指定的按鍵作為他/她的應答，由此計算機自動記錄該判定結果並起動下一次辯色判斷測試。
全文摘要
本發明涉及一種用於檢測人體色覺是否正常的儀器及檢測方法，由計算機PC、高性能彩色CRT顯示器、光電標準人眼定標系統、專用應答鍵盤、印表機、遮光罩及下鄂支撐架組成，計算機PC輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器、輸出的列印指令至印表機，光電標準人眼定標系統檢測的自動檢測信號至計算機PC的數據接口，專用應答鍵盤的信號輸出端至計算機PC的鍵盤輸入接口。優點一是實現了機控制全自動色覺異常的心理物理定量檢測；二是通過一次測量即可獲得從中性灰沿紅－綠和黃－藍顏色混同線向紅色、綠色、藍色、黃色方向的顏色視覺辨別閾值，建立與臨床上的色覺正常、色盲以及各種不同色弱程度的對應關係，從而實現色覺異常的自動定量檢測。
文檔編號G06F17/00GK1559338SQ200410005779
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月20日 優先權日2004年2月20日
發明者黃黎敏 申請人:黃黎敏