使用LabVIEW來(lái)原型化及驗(yàn)證視障人士輔助LED眼鏡

臨床醫(yī)學(xué)中的“失明”究竟意味著什么？

通常來(lái)說(shuō)，人們認(rèn)為失明就是完全喪失看事物的能力。其實(shí)，這是一種誤解。世界健康組織(World Health Organization, WHO)將失明定義為嚴(yán)重的視力喪失，即使在配帶眼鏡或者隱形眼鏡的情況下，還是不能分辨3m處舉起的手指?jìng)�(gè)數(shù)的情況。所以，就算是診斷為目盲的人，仍然可能擁有一定程度的視力，其中大部分人仍可以不同程序地分辨對(duì)比度的變化。

提高視障人士的視力水平

我們牛津大學(xué)臨床神經(jīng)科學(xué)系的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新的視覺(jué)義肢。這是一臺(tái)電子輔助系統(tǒng)，用以支持視障人士的視力。

目前，我們正在執(zhí)行新技術(shù)試驗(yàn)，使用個(gè)人的視覺(jué)能力來(lái)判斷對(duì)比度的變化。我們從頭部佩戴的攝像機(jī)視頻源獲得并處理圖像數(shù)據(jù)，檢測(cè)附近的物體，如人、標(biāo)志桿，或感興趣的障礙物。被測(cè)物體被簡(jiǎn)化為一組LED顯示的圖像返回給頭部佩戴的頭盔顯示器。使用的很少量的LED，我們就可以指出緊鄰設(shè)備穿著者的障礙物的位置和分類(lèi)。

較終，我們希望將該技術(shù)設(shè)計(jì)成一幅電子眼鏡，我們親切地稱(chēng)為“Smart Specs”。這種眼鏡將讓更多視障人士可以生活更獨(dú)立，幫助他們找出附近的物體、觀察他們的周?chē)�環(huán)境。批量生產(chǎn)后，Smart Specs的成本將與一臺(tái)現(xiàn)代化的智能手機(jī)相當(dāng)。其性能與一只經(jīng)過(guò)充分訓(xùn)練的導(dǎo)盲犬相當(dāng)，但卻便宜得多。

搭建義肢仿真環(huán)境來(lái)驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)

首先我們從仿真視網(wǎng)膜義肢的功能開(kāi)始，探討如何提高低分辨率顯示圖像所能提供的信息量。我們使用LabVIEW和NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊來(lái)開(kāi)發(fā)仿真軟件。該模塊可支持多種不同的相機(jī)類(lèi)型，給我們提供了現(xiàn)成的圖像處理函數(shù)、圖像采集驅(qū)動(dòng)、顯示功能和圖像記錄功能。我們無(wú)需大量的開(kāi)發(fā)就可以快速地采集原始圖像。我們已經(jīng)發(fā)表了我們的方法和結(jié)果（van Rheede, Kennard and Hicks. Journal of Vision 2010）。

在這第一項(xiàng)的研究中，我們提出了使用機(jī)器視覺(jué)來(lái)簡(jiǎn)化視頻流中的重要信息，重新生成一幅明亮，低分辨率的圖像，這樣的圖像也許可以幫助那些只有較低視覺(jué)能力的人士。接下來(lái)，我們開(kāi)始了現(xiàn)在正在進(jìn)行的研究，這個(gè)研究就完全基于LabVIEW、NI-IMAQ和Vision。

我們按照下列開(kāi)發(fā)步驟來(lái)創(chuàng)建我們的系統(tǒng)：

1. 失明仿真。
2. 開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)圖像優(yōu)化，如邊緣檢測(cè)和對(duì)比度優(yōu)化等。
3. 開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)的對(duì)象檢測(cè)算法，探索不同的方法來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)化，輸出適合具有嚴(yán)重視覺(jué)障礙人觀察的明亮圖像。
4. 開(kāi)發(fā)一套快速的臉部檢測(cè)算法來(lái)連接到簡(jiǎn)化的圖像輸出。
5. 開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)且不受方向限制的文字識(shí)別算法。.

我們分別在健康對(duì)照組（在仿真失明條件下）和一個(gè)失明者身上使用上面描述的技術(shù)進(jìn)行了原理驗(yàn)證性研究。結(jié)果兩者都可以很容易地發(fā)現(xiàn)和識(shí)別出我們系統(tǒng)所處環(huán)境中的物體，而這些物體以往是看不到的。

使用NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊提供的功能，我們開(kāi)發(fā)了各種內(nèi)嵌的處理算法，如降采樣和基于高斯模糊的細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化算法。通過(guò)這些算法，我們可以處理采集到的圖像。我們使用了幾個(gè)視覺(jué)模塊提供的函數(shù)如模式匹配和光學(xué)字符識(shí)別來(lái)檢測(cè)感興趣的視覺(jué)對(duì)象。但我們絕不限于只使用模塊提供的功能函數(shù)。例如，我們使用色彩對(duì)比函數(shù)選板中的函數(shù)創(chuàng)建了人臉識(shí)別算法。

較開(kāi)始，被測(cè)物體是通過(guò)一個(gè)商業(yè)的頭部顯示器（Head mounted display, HMD）展示給被測(cè)對(duì)象，但我們很快就意識(shí)到我們可以使用通過(guò)串行接口的一組LED來(lái)自定制一個(gè)改良的、低分辨率的顯示器。為了將我們自定制的頭部顯示器整合進(jìn)仿真系統(tǒng)中，我們選擇了NI USB- 8451 I2C/SPI接口模塊。有了這個(gè)接口模塊，我們可以迅速通過(guò)我們的目標(biāo)識(shí)別軟件來(lái)產(chǎn)生一個(gè)明亮的圖像顯示。我們可以使用人類(lèi)視覺(jué)無(wú)法分辨的速度來(lái)刷新LED陣列中所有128個(gè)LED。

NI 解決方案的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)使用USB-8451接口模塊來(lái)采集回轉(zhuǎn)器數(shù)據(jù)(I2C)并同時(shí)控制LED顯示(SPI)，我們較小化了對(duì)硬件設(shè)備的需求，這個(gè)不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，而且?guī)臀覀児?jié)省了開(kāi)發(fā)成本。我們也考慮過(guò)使用其它供應(yīng)商提供的別的串行接口設(shè)備，但USB-8451憑借它易于集成的特點(diǎn)輕松融入了我們的系統(tǒng)，讓我們轉(zhuǎn)向NI的產(chǎn)品。同時(shí)，作為NI的典型硬件產(chǎn)品，USB-8451在安裝驅(qū)動(dòng)的時(shí)候也安裝了大量有用的范例程序，這進(jìn)一步加速了我們的開(kāi)發(fā)。

作為我們仿真系統(tǒng)軟件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，除了LabVIEW，我們沒(méi)有考慮過(guò)其它的產(chǎn)品。作為一個(gè)狂熱的LabVIEW開(kāi)發(fā)者已經(jīng)有10年時(shí)間，這10年中，我發(fā)現(xiàn)沒(méi)有任何一款其它的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境（ADE）能夠提供像LabVIEW一樣快捷、靈活的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試體驗(yàn)。另外，LabVIEW提供的一系列現(xiàn)成的視覺(jué)處理函數(shù)非常方便易用，編程效率很高，這是滿足我們項(xiàng)目需求必要因素。

技術(shù)前景展望

這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)有著無(wú)窮的發(fā)展?jié)摿ΑＮ覀兛梢允褂貌噬�的LED來(lái)反映不同的信息，這樣佩戴者就可以區(qū)別物體的重要性，例如是行人還是道路標(biāo)記。我們還可以通過(guò)控制LED陣列的亮度來(lái)反映被測(cè)物體的遠(yuǎn)近。

我們相信，憑借我們的努力，可以進(jìn)一步改進(jìn)字符識(shí)別程序，使它可以在通過(guò)佩戴者的集成耳機(jī)，在將圖片讀回之前就能夠區(qū)分報(bào)紙文章的頭條消息和視頻中的圖像。同樣的，我們可以實(shí)現(xiàn)條形碼識(shí)別算法，這已經(jīng)是NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊的一部分，使我們的產(chǎn)品可以識(shí)別不同的商品，然后下載價(jià)格信息并閱讀給佩戴者。

結(jié)論

我們現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始了這項(xiàng)新技術(shù)的第一次完整的臨床試驗(yàn)。雖然這項(xiàng)技術(shù)還處于開(kāi)發(fā)的初期階段，但是我們的創(chuàng)新能力必定能給我們開(kāi)創(chuàng)一條幫助視障人士的新的途徑。

正如上面所說(shuō)，我們?cè)谶@項(xiàng)技術(shù)上有著宏偉的計(jì)劃。通過(guò)使用LabVIEW作為我們仿真系統(tǒng)的核心以及采用有很強(qiáng)可維護(hù)性的軟件架構(gòu)，擴(kuò)展我們現(xiàn)有的系統(tǒng)來(lái)集成未來(lái)的新創(chuàng)新技術(shù)的過(guò)程將會(huì)是簡(jiǎn)單而且高效的。

相關(guān)閱讀:

• ...2012/09/04 13:42·使用LabVIEW和PXI進(jìn)行東海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
• ...2012/08/13 14:58·使用LabVIEW、PXI和CompactRIO快速開(kāi)發(fā)太空探索飛行器結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)
• ...2012/08/13 14:37·使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)KTX高速列車(chē)的噪聲源的可視化
• ...2012/08/13 13:24·在受控生產(chǎn)環(huán)境下使用LabVIEW、NI TestStand和PXI測(cè)試醫(yī)療血糖儀和胰島素輸送系統(tǒng)
• ...2012/08/13 13:22·使用LabVIEW和FPGA來(lái)創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化的微控制器測(cè)試系統(tǒng)
• ...2012/08/13 12:08·麻省理工學(xué)院(M.I.T)學(xué)生使用LabVIEW和CompactRIO設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器