專利名稱：色覺異常定量檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于檢測人體色覺是否正常的儀器，屬醫(yī)療檢測設(shè)備制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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于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(diào)；左半社場中則同時投射紅光和綠光，因此實(shí)際上左半視場中顯示的是紅光和綠光的混合色。對于正常色覺者而言，既可以同時分辯紅、綠、黃等顏色，也可以用適當(dāng)?shù)谋壤募t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(diào)。比例失調(diào)的程度取決于色弱或色盲的嚴(yán)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(shí)際上并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采用于35nm和589.3nm。實(shí)用化的顏色混合器采用的波長為670.8nm(紅)、546(綠)和589.3nm(黃)。該儀器主要用于檢查紅、綠色弱和色盲，而且顏色匹配方式固定，測定結(jié)果對操作過程和光源等硬件有較大的相關(guān)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(jié)果的客觀性和有效性受到影響，此外該方法對藍(lán)(紫)色覺者異常不能進(jìn)行直接的測定。

發(fā)明內(nèi)容
設(shè)計(jì)目的采用計(jì)算機(jī)控制的彩色CRT顯示器模擬色仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)一種全新的計(jì)算機(jī)控制色覺異常自動定量檢測儀。
設(shè)計(jì)方案本實(shí)用新型主要由主計(jì)算機(jī)PC、高性能真彩色CRT顯示器、光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)、專用應(yīng)答鍵盤、打印機(jī)、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(shù)自動定標(biāo)、計(jì)算機(jī)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。其技術(shù)方案色覺異常定量檢測儀由計(jì)算機(jī)PC、高性能彩色CRT顯示器、光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)、專用應(yīng)答鍵盤、打印機(jī)、遮光罩及下鄂支撐架組成，計(jì)算機(jī)PC輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器、輸出的打印指令至打印機(jī)，光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)檢測的自動檢測信號至計(jì)算機(jī)PC的數(shù)據(jù)接口，專用應(yīng)答鍵盤的信號輸出端至計(jì)算機(jī)PC的鍵盤輸入接口。光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)由光譜三剌激值曲線的光色傳感器、光電信號放大與A/D變換等信號處理與采集單元、PC接口與數(shù)據(jù)通訊以及供電單元等模塊構(gòu)成，光譜三剌激值曲線的色度型光色傳感器從彩色CRT顯示器熒光屏上獲得的顏色剌激的光電信號，經(jīng)高精度快速放大和A/D轉(zhuǎn)換，由微處理機(jī)系統(tǒng)讀入所采集到的數(shù)字信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由串行接口與主機(jī)PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；專用應(yīng)答鍵盤由微處理機(jī)進(jìn)行監(jiān)控管理，并利用共享的串行接口RS-232與主機(jī)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，分別用于啟動和中止色覺閾值測試過程、應(yīng)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。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(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換(A1)和電壓放大(A2)，經(jīng)過放大的模擬電壓信號由多通道高分辯率A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使三路光電信號在微處理機(jī)系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確地讀入二級單片機(jī)，微處理機(jī)系統(tǒng)讀入光電數(shù)字信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將結(jié)果通過串行接口RS-232送至主計(jì)算機(jī)PC，從而完成顏色信息的一次光電采集過程；光電傳感器響應(yīng)特性的光度色度定標(biāo)系統(tǒng)自動存儲于定標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部基于I2C總線可電擦除只讀存儲器E2PROM中，RESET電路為微處理機(jī)系統(tǒng)提供可靠的上電復(fù)位信號，外部晶振電路OSC為單片機(jī)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的工作時鐘，復(fù)位與外部晶振電路(RST & OSC)、可電擦除只讀存儲器(E2PROM)等外圍電路與單片機(jī)主體芯片CPU一并組成微處理單片機(jī)系統(tǒng)。其檢測設(shè)計(jì)方法如上所述，首先對彩色CRT顯示器的R、G、B三色熒光粉發(fā)光特性進(jìn)行測定和分析，建立其γ曲線的數(shù)學(xué)模型，利用R、G、B三色電子槍的激發(fā)特性和三色熒光粉的色品坐標(biāo)構(gòu)成三色緩沖器顏色輸入值與CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)之間的特征矩陣及其映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)顏色的仿真顯示。光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)的光度色度校正與測試包括光電定標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試和顏色信號發(fā)生器，首先用帶望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的高精度彩色亮度計(jì)或光譜光度計(jì)，對光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)中符合(CIE)標(biāo)準(zhǔn)光譜三剌激值曲線的X、Y、Z三個色度通道光電傳感器進(jìn)行光度色度校正，修正系數(shù)自動存入定標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部基于I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，使光電定標(biāo)系統(tǒng)與測試軟件之間參數(shù)分離，其次利用顏色信號發(fā)生器提供的中心十字線標(biāo)志將標(biāo)準(zhǔn)光譜光度計(jì)和光電控頭分別瞄準(zhǔn)和定位于CRT屏幕的中央，然后根據(jù)需要將屏幕的顏色設(shè)置成白、黑、紅、黃、綠、藍(lán)等各種單色或混色，并用標(biāo)準(zhǔn)光譜光度計(jì)測出該屏幕顏色的色度參數(shù)(三剌激值或色度坐標(biāo))，接著，將光電探頭對準(zhǔn)屏幕，由光電定標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試和校正軟件測定CRT上顯示的定標(biāo)顏色的信號，將該定標(biāo)顏色參數(shù)輸入指定文本框中，由軟件功能自行計(jì)算出各色度通道的修正系數(shù)，最后，經(jīng)由主機(jī)與光電定標(biāo)系統(tǒng)的微處理機(jī)之間的串行通訊將光色校正系數(shù)傳給二級微機(jī)，并自動存入定標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部基于I2C總線可電擦除只讀存儲器E2PROM中，以備系統(tǒng)進(jìn)行GAMA標(biāo)定時實(shí)時調(diào)用；計(jì)算機(jī)模擬色仿真顯示模塊是基于彩色CRT顯示器R、G、B三色熒光粉色度參數(shù)及其γ特性的定標(biāo)數(shù)學(xué)模型，按照CIE計(jì)算機(jī)控制的CRT顯示器色度特性定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)建立CRT三色緩沖器數(shù)字輸入值(LUT-R，LUT-G，LUT-B)與CIE-XYZ參數(shù)之間的變換模型及特征矩陣，即 其中(Lum-R，Lum-G，Lum-B)＝(LR，LG，LB)表示R、G、B三色熒光粉的發(fā)光亮度，根據(jù)熒光粉的定標(biāo)參數(shù)可以確定目標(biāo)顯示顏色三剌激值(X，Y，Z)與三色熒光粉發(fā)光亮度之間的映射特征矩陣AXYZ=ALRLGLB]]>或LRLGLB=A-1XYZ]]>由此可以求出所需R、G、B電子槍的激發(fā)亮度(LR，LG，LB)，根據(jù)CRT輸入輸出定標(biāo)特性所確定的γ曲線的數(shù)學(xué)模型 或
LBLUT-B LUT-B LB或以獲得在CRT上顯示要求的顏色剌激所需要的三色緩沖器數(shù)字輸入?yún)?shù)(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最終達(dá)到在常規(guī)彩色CRT顯示器上保真再現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)的光度色度校正與測試模塊在CRT顯示指定CIE1931色度坐標(biāo)X、Y和明度系數(shù)Y的顏色，由此測試和驗(yàn)證顏色復(fù)現(xiàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，其中包括顏色仿真算法的科學(xué)性、CRT顯示器γ定標(biāo)和校正的有效性以及CRT本身顯色特性的優(yōu)劣等各種因素。GAMA標(biāo)定，首先分別將R、G、B三色數(shù)字緩沖器的輸入值設(shè)為0，1，2，3，……225，然后由光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)自動測出每組顏色激勵輸入值所對應(yīng)屏幕顯示顏色的發(fā)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(yīng)關(guān)系LUT，在上述γ特性測試的同時，由光電定標(biāo)系統(tǒng)的X、Y、Z三個色度通道獲得了R、G、B三色熒光粉單獨(dú)發(fā)光時的三剌激值(XR，YR，ZR)、(XG，YG，ZG)、(XB，YB，ZB)，并計(jì)算出三色熒光粉的色品坐標(biāo)(XR，YR)、(XG，YG)、(XB，YB)，從而確定目標(biāo)顏色的三剌激值(X，Y，Z)與三色熒光粉發(fā)光亮度之間的映射特征矩陣，由此求出所需R、G、B電子槍的激發(fā)亮度(LR，LG，LB)，再根據(jù)CRT輸入輸出定標(biāo)特性所確定的γ曲線數(shù)學(xué)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沖器數(shù)字輸入?yún)?shù)(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最終達(dá)到在常規(guī)彩色CRT顯示器上保真再現(xiàn)具有要求亮度和色度數(shù)的顏色剌激的模擬色仿真功能。測試剌激是由處于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(jī)制中色度對比靈敏度占主導(dǎo)地位，以達(dá)到色覺特性的精確定量檢測。測試剌激顯示過程中采用時間間隔條件，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，分別處于測試剌激顯示的開始和結(jié)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(nèi)的所有區(qū)域的發(fā)光被切斷為黑屏，只有外圍的亮框一直持續(xù)顯示，以使觀察者保持對白色溫點(diǎn)而不是測試剌激的完全適應(yīng)狀態(tài)。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，并且具有隨機(jī)的顯示次序，在階梯的初始回轉(zhuǎn)折中，首先顯示一個(色覺正常者)明顯可辯的步長，然后系統(tǒng)地縮減各顏色距離的調(diào)制步長，直至其達(dá)到某個臨界值，從而形成有效的振蕩收斂過程，并產(chǎn)生十次左右的回轉(zhuǎn)折點(diǎn)，最后由計(jì)算機(jī)軟件自動處理觀察者對每個呈示顏色剌激的應(yīng)答記錄，并解出對應(yīng)各方向的辯色閥值。
本實(shí)用新型與背景技術(shù)相比，1、實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(lán)(Yellow-Blue)顏色混同線向紅色(Red)、綠色(Green)、藍(lán)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(lán)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(tǒng)和CIE1976均勻顏色空間中的色覺閾值測定結(jié)果ΔR、ΔG、ΔB、ΔY和ΔER、ΔEG、ΔEB、ΔEy以及紅色與綠色、黃色與藍(lán)色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(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)色覺異常的自動定量檢測。4、被驗(yàn)者的身份(如姓名、門珍號、病歷卡號等)有關(guān)信息以及檢測日期和測試的起始與結(jié)束時間等各種過程數(shù)據(jù)自動記錄在檢測結(jié)果中，并可以打印輸出各種測試結(jié)果數(shù)據(jù)。5、具有精細(xì)測試(分級精細(xì)、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(yīng)不同的檢測對象和分級要求。6、根據(jù)檢測對象和要求，可以由用戶自行設(shè)置暗適應(yīng)和亮適應(yīng)的時間(以秒為單位)，從而有效提高檢測效率。7、針對被子驗(yàn)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(shí)際有效測試模塊之前設(shè)計(jì)了訓(xùn)練測試模塊，并可由用戶自行設(shè)定訓(xùn)練次數(shù)，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(shí)時引導(dǎo)信息，并提供標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果數(shù)據(jù)文件自動保存在計(jì)算機(jī)硬盤上，并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(shù)自動定標(biāo)功能，確保在彩色CRT顯示器上能準(zhǔn)確實(shí)時地顯示具有要求亮度和色度參數(shù)的顏色刺激以進(jìn)行顏色辨別特性的定量測試，達(dá)到計(jì)算機(jī)模擬色仿真顯示目標(biāo)。11、由光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彩色CRT顯示器R、G、B三色熒光粉發(fā)光特性和色度坐標(biāo)的自動測定，并對R、G、B三色電子槍γ曲線進(jìn)行自動校正，由此可由用戶自行定期對彩色CRT顯示器進(jìn)行光色性變化所帶來的誤差，使儀器的測試結(jié)果精確可靠，并具有長期的穩(wěn)定性。12、具有彩色CRT顯示器R、G、B三色熒光粉發(fā)光特性和三色電子槍γ曲線校正結(jié)果的圖示功能，可以確認(rèn)存儲更新或隨時查閱。13、利用系統(tǒng)測試模塊，并借助帶望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的高精度彩色亮度計(jì)或光譜光度計(jì)(另購)，對光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)中符合國際照明委員會(CIE)標(biāo)準(zhǔn)光譜三刺激值曲線的色度型光電傳感器進(jìn)行光度色度校正，修正系數(shù)自動存入定標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部基于I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，從而使光電定標(biāo)系統(tǒng)與測試軟件之間參數(shù)分離，具有任意配置和可組裝性，為儀器的生產(chǎn)、調(diào)試和維護(hù)提供了靈活適應(yīng)性和便利性。14、顯示測試顏色刺激的彩色CRT顯示器在進(jìn)入實(shí)際檢測前需要1小時以上的預(yù)熱時間，但又不能因顯示固定的圖樣而導(dǎo)致CRT熒屏顯色的空間不一致性或色純度的降低，所以本儀器設(shè)有勻速平移黑白條紋的屏幕保護(hù)功能，以滿足在開機(jī)后實(shí)際檢測前以及不同次檢測之間CRT熒屏的特殊保護(hù)需要。


圖1是色覺異常定量檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)示意圖。
圖3是測試紅-綠和黃-藍(lán)顏色混同線示意圖。
圖4是CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線。
圖5是光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)電氣原理示意圖。
具體實(shí)施方式
色覺異常定量檢測儀由計(jì)算機(jī)PC6、高性能彩色CRT顯示器1、光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)7、專用應(yīng)答鍵盤4、打印機(jī)5、遮光罩及2下鄂支撐架3組成，計(jì)算機(jī)PC6輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器1、輸出的打印指令至打印機(jī)5，光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)7檢測的自動檢測信號至計(jì)算機(jī)PC6的數(shù)據(jù)接口，專用應(yīng)答鍵盤4的信號輸出端至計(jì)算機(jī)PC6的鍵盤輸入接口，參見附圖1和2。
一、光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)為了在彩色CRT顯示器上顯示具有要求亮度和色度參數(shù)的顏色刺激以進(jìn)行顏色辨別特性的定量測試，必需對彩色CRT的R、G、B三色熒光粉發(fā)光特性進(jìn)行測定和分析，建立其γ曲線的數(shù)學(xué)表征模型，并利用R、G、B三色電子槍的激發(fā)特性和三色熒光粉的色品坐標(biāo)構(gòu)成三色緩沖器顏色輸入值與CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)之間的特征矩陣及其映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)顏色的仿真顯示。
二、計(jì)數(shù)機(jī)模擬色仿真顯示模塊利用基于彩色CRT顯示器R、G、B三色熒光粉色度參數(shù)及其γ特性的定標(biāo)數(shù)學(xué)模型，按照CIE關(guān)于計(jì)算機(jī)控制的CRT顯示器色度特性定標(biāo)的指導(dǎo)工作標(biāo)準(zhǔn)(Guide tocharacterizing the colorimetry of computer-controlled CRTdisplays)，建立CRT三色緩沖器數(shù)字輸入值(LUT_R，LUT_G，LUT_B)與CIE-XYZ參數(shù)之間的變換模型及其特征矩陣，即 其中(Lum_R，Lum_G，Lum_B)＝(LR，LG，LB)表示R、G、B三色熒光粉的發(fā)光亮度。根據(jù)熒光粉的定標(biāo)參數(shù)可以確定目標(biāo)顯示顏色三刺激值(X，Y，Z)與三色熒光粉發(fā)光亮度之間的映射特征矩陣AXYZ=ALRLGLB]]>或LRLGLB=A-1XYZ---(2)]]>由此可以求出所需R、G、B電子槍的激發(fā)亮度(LR，LG，LB)，再根據(jù)CRT輸入輸出定標(biāo)特性所確定的γ曲線的數(shù)學(xué)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沖器數(shù)字輸入?yún)?shù)(LUT_R，LUT_G，LUT_B)，最終達(dá)到在常規(guī)彩色CRT顯示器上保真再現(xiàn)具有要求亮度和色度參數(shù)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顏色刺激基于顏色視覺的理論，參照國際照明委員會(CIE)關(guān)于顏色辨別和色差研究的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，通過對CIE1931色度圖上各組紅-綠(R/G)和黃-藍(lán)(Y/B)顏色混同線的計(jì)算和分析，選擇其交點(diǎn)正好處于色度圖中心(x＝0.333，y＝0.333)的一對紅-綠(R/G)和黃-藍(lán)(Y/B)顏色混同線作為測試顏色刺激的演變軌跡，并確定其交點(diǎn)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(jì)算提供了合理可靠的參數(shù)和方便快捷的路徑。同時，設(shè)計(jì)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(jìn)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)是由處于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(jī)制中色度對比靈敏度占主導(dǎo)地位，以達(dá)到色覺特性的精確定量檢測。背景色設(shè)置成所選中心色(center color)的中性灰，并被一個亮框(bright bord)包圍。該亮框的亮度設(shè)為CRT色域(color gamut)范圍內(nèi)所能顯示的最高亮度如100cd/m2，并具有CIE D65標(biāo)準(zhǔn)照明體的色度指標(biāo)。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(guān)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(diǎn)。③時間特性測試刺激顯示過程中采用時間間隔條件，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，分別處于測試刺激顯示的開始和結(jié)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(nèi)的所有區(qū)域的發(fā)光被切斷為黑屏，只有外圍的亮框一直持續(xù)顯示，以使觀察者保持對白色溫點(diǎn)而不是測試刺激的完全適應(yīng)狀態(tài)。④測定方法目前，國際上視覺科學(xué)研究中被廣泛采用的主要心理物理測定方法有調(diào)整法、階梯法或上下法、恒常刺激法等等。在本系統(tǒng)中，為了能客觀可靠地測出從中性灰向紅色、綠色、藍(lán)色、黃色等方向沿顏色混同線軌跡上的顏色辨別閾值，采用階梯法進(jìn)行辨色能力的實(shí)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(jìn)行的。為了避免由測試刺激的顯示次序而導(dǎo)致觀察者可能的判斷偏差或臆想，本系統(tǒng)對傳統(tǒng)的階梯法進(jìn)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，并且具有隨機(jī)的呈示次序。在階梯的初始回轉(zhuǎn)折中，首先顯示一個(色覺正常者)明顯可辨的步長，然后系統(tǒng)地縮減各顏色距離的調(diào)制步長，直至其達(dá)到某個臨界值，從而形成有效的振蕩收斂過程，并產(chǎn)生十次左右的回轉(zhuǎn)折點(diǎn)。最后，由計(jì)算機(jī)軟件自動處理觀察者對每個呈示顏色刺激的應(yīng)答記錄，并解出對應(yīng)各方向的辨色閾值。⑤測定步驟整個測試過程分為暗適應(yīng)、背景色適應(yīng)、辨色閾值測定等步驟。在每次辨色判斷時，由軟件隨機(jī)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(yīng)于根據(jù)所采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(yù)測顏色距離或色差。觀察者的視覺任務(wù)是判斷其顏色不同于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)，然后按下指定的按鍵作為他/她的應(yīng)答，由此計(jì)算自動記錄刻判定結(jié)果并起動下一次辨色判斷測試。
四、軟件與硬件設(shè)計(jì)1、軟件設(shè)計(jì)色覺異常定量測試軟件用VC++設(shè)計(jì)，運(yùn)行平臺為Windows 9X。整個系統(tǒng)軟件主要包括①光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)的光度色度校正與測試、②CRT顏色復(fù)現(xiàn)、③GAMA標(biāo)定、④屏幕保護(hù)、⑤測試參數(shù)設(shè)置、⑥辨色閾值測試、⑦以往測試結(jié)果文檔查閱等功能模塊。
(1)光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)的光度色度校正與測試本模塊中，只用于儀器生產(chǎn)和調(diào)試，主要包括顏色信號發(fā)生器和光電定標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試與校正等兩個專用軟件。
顏色信號發(fā)生器專用軟件的基本界面。進(jìn)入本界面后，首先利用提供的中心十字線標(biāo)志將標(biāo)準(zhǔn)光譜光度計(jì)和本儀器的光電探頭分別瞄準(zhǔn)和定位于CRT屏幕的中央；然后，根據(jù)需要可以將屏幕的顏色設(shè)置成白、黑、紅、黃、藍(lán)等各種單色或混色，并用標(biāo)準(zhǔn)光譜光度計(jì)測出該屏幕顏色的色度參數(shù)(三刺激值或色度坐標(biāo))；接著，將本儀器的光電探頭對準(zhǔn)屏幕，由光電定標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試和校正專用軟件測定CRT上顯示的定標(biāo)顏色信號，將該定標(biāo)顏色參數(shù)輸入指定文本框中，由軟件功能自行計(jì)算出各色度通道的修正系數(shù)；最后，經(jīng)由主機(jī)與光電定標(biāo)系統(tǒng)的專用微處理機(jī)之間的串行通訊將光色校正系數(shù)傳給二級微機(jī)，并自動存入定標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部基于I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，以備系統(tǒng)進(jìn)行GAMA標(biāo)定時實(shí)時調(diào)用。
此外，也可以利用該模塊發(fā)生各種顏色刺激信號，對已經(jīng)光度色度校正的光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)的測色精度進(jìn)行驗(yàn)證，從而檢驗(yàn)光電定標(biāo)系統(tǒng)校正系數(shù)的準(zhǔn)確性和有效性。
(2)、CRT顏色復(fù)現(xiàn)在CRT顯示器上準(zhǔn)確地給出所需亮度和色度坐標(biāo)的顏色刺激信號是整個系統(tǒng)正確工作的基礎(chǔ)和前提。利用該模塊可以在CRT顯示指定CIE1931色度坐標(biāo)X、Y和明度系數(shù)Y的顏色，由此測試和驗(yàn)證顏色復(fù)現(xiàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，其中包括顏色仿真算法的科學(xué)性、CRT顯示器γ定標(biāo)和校正的有效性以及CRT本身顯色特性的優(yōu)劣等各種因素。本功能只用于儀器的生產(chǎn)和調(diào)試，對于用戶是不可見的。
(3)GAMA標(biāo)定為了在彩色CRT顯示器上顯示具有要求亮度和色度參數(shù)的顏色刺激以進(jìn)行顏色辨別特性的定量測試，必須對彩色CRT的R、G、B三色熒光粉發(fā)光特性進(jìn)行測定和分析，建立三色電子槍γ曲線的數(shù)學(xué)模型，從而獲得三色緩沖器顏色輸入數(shù)字值與CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)之間的特征矩陣及其映射關(guān)系，達(dá)到顏色仿真顯示的目標(biāo)。這個環(huán)節(jié)就是通過GAMA標(biāo)定功能模塊來實(shí)現(xiàn)的。
首先，分別將R、G、B三色數(shù)字緩沖器的輸入值為0，1，2，3……，255，然后由光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)自動測出每組顏色激勵輸入值所對應(yīng)屏幕顯示顏色的發(fā)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(yīng)關(guān)系LUT(Look-upTable)。
(4)屏幕保護(hù)顯示測試顏色刺激的彩色CRT顯示器在進(jìn)入實(shí)際檢測前需要1小時以上的預(yù)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(dǎo)致CRT熒屏顯色的空間不一致性或色純度的降低，所以本儀器設(shè)有勻速平移黑白條的屏幕保護(hù)功能，以滿足在開機(jī)后實(shí)際檢測前以及不同次檢測之間CRT熒屏的特殊保護(hù)需要。
(5)測試參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了兩種測試方式(模式)，即精細(xì)測試和快速測試。精細(xì)測試模式對色覺異常定量檢測具有精細(xì)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(yīng)不同的檢測對象和分級要求。
根據(jù)檢測對象和要求，可以由用戶自行設(shè)置暗適應(yīng)和亮適應(yīng)的時間(以秒為單位)，從而有效提高檢測效率；同時，針對被驗(yàn)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(shí)際有效測試模塊之前設(shè)計(jì)了訓(xùn)練測試模塊，且實(shí)現(xiàn)了實(shí)際測試與訓(xùn)練測試之間的無縫連接，使被驗(yàn)者在進(jìn)入實(shí)際測試之前在無意識中獲得訓(xùn)練的機(jī)會，并可由用戶自行設(shè)定訓(xùn)練次數(shù)，充分保證檢測的精度和有效性。
(6)辨色閾值測試本系統(tǒng)利用軟件功能實(shí)現(xiàn)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(shí)時引導(dǎo)信息，并提供標(biāo)準(zhǔn)普通話語音指引說明，以適應(yīng)不同年齡和文化層次的被驗(yàn)者，有效避免誤操作。
在進(jìn)入測試模塊之后，首先彈出被驗(yàn)者身份輸入對話框。在該界面上，要求用戶輸入被驗(yàn)者的姓名、門診號、病歷卡號等有關(guān)信息，這些資料將與檢測日期和測試的起始與結(jié)束時間等各種過程數(shù)據(jù)一起自動記錄在檢測結(jié)果中。同時，被驗(yàn)者的姓名將與測試時間一并構(gòu)成檢測結(jié)果數(shù)據(jù)文件名，以便文檔檢索時易于識別，并且不會產(chǎn)生重名文件而造成數(shù)據(jù)覆蓋丟失。因此，如果用戶沒有完整輸入被驗(yàn)者的姓名，系統(tǒng)軟件將給出警告提示信息，由用戶選擇重新輸入或按系統(tǒng)提供的由當(dāng)時的日期和刻組成的缺省文件名來存儲測試結(jié)果數(shù)據(jù)。
完成被驗(yàn)者身份確認(rèn)后，系統(tǒng)將顯示進(jìn)行辨色閾值測試操作的圖文引導(dǎo)界面。同時，儀器的多媒體系統(tǒng)還將給出“請按 鍵開始測試！”的標(biāo)準(zhǔn)普通話語音提示信息，以滿足不同層次被驗(yàn)者的指導(dǎo)需要。
在用戶按下專鍵盤上的 鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入暗適應(yīng)狀態(tài)，并提供語音提示信息“暗適應(yīng)開始，請稍候！”。此時，CRT屏幕為全黑，被驗(yàn)者應(yīng)平心靜氣地注視熒屏中央；暗適應(yīng)的時間長度由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊中預(yù)先設(shè)定。暗適應(yīng)結(jié)束后，系統(tǒng)自動進(jìn)入背景色適應(yīng)(或稱亮適應(yīng))階段，并給出語音提示“現(xiàn)在是亮適應(yīng)，請稍候！”；亮適應(yīng)的時間按系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊中的預(yù)設(shè)值由計(jì)算機(jī)自動控制。
亮適應(yīng)完成后，系統(tǒng)將進(jìn)入辨色閾值的心理物理測試階段，包括訓(xùn)練測試和實(shí)際測試過程；訓(xùn)練測試的判斷次數(shù)(對應(yīng)訓(xùn)練時間)由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊預(yù)先設(shè)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(jìn)行。
每次視覺判斷周期開始時，系統(tǒng)給出“咚”的一聲提示音，同時按預(yù)設(shè)的閾值測試時間條件呈示顏色刺激，然后等待被驗(yàn)者按鍵應(yīng)答。通過一次測量即可獲得從中性灰(Gray)沿紅—綠(Red-Green)和黃—藍(lán)(Yellow-Blue)顏色混同線向紅色(Red)、綠色(Green)、藍(lán)色(Blue)、黃色(Yellow)方向的顏色視覺辨別閾值(色覺容限值)。
由系統(tǒng)軟件控制各個顏色方向上閾值測定的階梯振蕩過程，并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(tǒng)隨機(jī)插入色覺正常者明顯可辨的參考顏色刺激，結(jié)合參考刺激的判斷結(jié)果可以驗(yàn)證該測試過程的有效性。
顏色閾值測試完成后，系統(tǒng)將立即以測試報(bào)告給出檢測結(jié)果。測試報(bào)告給出在CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)中，紅色(Red)、綠色(Green)、藍(lán)色(Blue)、黃色(Yellow)視覺方向上的辨色空間中的色覺閾值測定結(jié)果ΔR、ΔG、ΔB、ΔY和ΔER、ΔEG、ΔEB、ΔEy以及紅色(Red)與綠色(Green)、黃色(Yellow)與藍(lán)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(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)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(lán)色盲(丙型)、黃色盲以及各種不同程度的紅色弱、綠色弱、藍(lán)色弱、黃色弱等定量檢測結(jié)果。
在該測試結(jié)果報(bào)告中，還給出了被驗(yàn)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(jié)束時間，以便參考。在該測試結(jié)果界面上，還可以利用 按鈕進(jìn)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(shù)，可以點(diǎn)擊該界面左上角的 按鈕，系統(tǒng)將立即彈出當(dāng)前所顯示的測試結(jié)果報(bào)告對應(yīng)的測試參數(shù)信息窗口。
最后，如果需要書面的測試報(bào)告，可以按該界面上的 按鈕，便能獲得測試結(jié)果數(shù)據(jù)打印報(bào)告。
五、硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)的硬件電路主要有光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)、視覺判斷應(yīng)答用專用鍵盤以及供電電源等。
光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)由符合國際照明委員會(CIE)標(biāo)準(zhǔn)光譜三刺激值曲線(如圖4所示)的色度型光電傳感器獲得彩色CRT顯示器熒屏上所呈示顏色刺激的光電信號，經(jīng)高精度快速放大和A/D轉(zhuǎn)換，由專微處理機(jī)系統(tǒng)讀入所采集到的數(shù)字信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由串行接口與主機(jī)(PC)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
圖5示意了光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)的電氣連接原理框圖。符合CIE標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器組成，確保光電信號得到實(shí)時的保真處理。經(jīng)過放大的模擬電壓信號由多通道高分辨率A/D變換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；模擬轉(zhuǎn)換器采用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(jī)系統(tǒng)的控制下便捷準(zhǔn)確地讀入二級單片機(jī)。專用微處理單片機(jī)在選用性能價(jià)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(fù)位電源監(jiān)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(dá)20MHz，為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的光電定標(biāo)要求提供了基礎(chǔ)和前提。微處理機(jī)系統(tǒng)讀入光電數(shù)字信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將結(jié)果通過串行接口RS-232送至主計(jì)算機(jī)PC，從而完成顏色信息的一次光電采集過程。光電傳感器響應(yīng)特性的光度色度定標(biāo)系數(shù)自動存儲于定標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部基于I2C總線的可電擦除只讀存儲器E2PROM中，RESET電路為微處理機(jī)系統(tǒng)提供可靠的上電復(fù)位信號，外部晶振電路OSC為單片機(jī)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的工作時鐘；復(fù)位與外部晶振電路(RST&OSC)、可電擦除只讀存儲器(E2PROM)等外圍電路與單片機(jī)主體芯片CPU一并組成專用微處理單片機(jī)系統(tǒng)。
另外，本測試系統(tǒng)配置的視覺測試專用應(yīng)答鍵盤也由該微處理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理，并利用共享的串行接口RS-232與主機(jī)通訊。專用鍵盤包括 以及相同等專用按鈕，分別用于啟動和中止色覺閾值測試過程、應(yīng)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。
應(yīng)該理解到的是上述實(shí)施例雖然對本實(shí)用新型作了比較詳細(xì)的說明，但是這些說明只是對本實(shí)用新型的說明，而不是對本實(shí)用新型的限制，任何不超出本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的發(fā)明創(chuàng)造，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種色覺異常定量檢測儀，其特征由計(jì)算機(jī)PC、高性能彩色CRT顯示器、光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)、專用應(yīng)答鍵盤、打印機(jī)、遮光罩及下鄂支撐架組成，計(jì)算機(jī)PC輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器、輸出的打印指令至打印機(jī)，光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)檢測的自動檢測信號至計(jì)算機(jī)PC的數(shù)據(jù)接口，專用應(yīng)答鍵盤的信號輸出端至計(jì)算機(jī)PC的鍵盤輸入接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的色覺異常定量檢測儀，其特征是光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)由光譜三刺激值曲線的光色傳感器、光電信號放大與A/D變換等信號處理與采集單元、PC接口與數(shù)據(jù)通訊以及供電單元等模塊構(gòu)成，光譜三刺激值曲線的色度型光色傳感器從彩色CRT顯示器熒光屏上獲得的顏色刺激的光電信號，經(jīng)高精度快速放大和A/D轉(zhuǎn)換，由微處理機(jī)系統(tǒng)讀入所采集到的數(shù)字信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由串行接口與主機(jī)PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；專用應(yīng)答鍵盤由微處理機(jī)進(jìn)行監(jiān)控管理，并利用共享的串行接口RS-232與主機(jī)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，分別用于啟動和中止色覺閾值測試過程、應(yīng)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的色覺異常定量檢測儀，其特征是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(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換(A1)和電壓放大(A2)，經(jīng)過放大的模擬電壓信號由多通道高分辯率A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使三路光電信號在微處理機(jī)系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確地讀入二級單片機(jī)，微處理機(jī)系統(tǒng)讀入光電數(shù)字信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將結(jié)果通過串行接口RS-232送至主計(jì)算機(jī)PC，從而完成顏色信息的一次光電采集過程；光電傳感器響應(yīng)特性的光度色度定標(biāo)系統(tǒng)自動存儲于定標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部基于I2C總線可電擦除只讀存儲器E2PROM中，RESET電路為微處理機(jī)系統(tǒng)提供可靠的上電復(fù)位信號，外部晶振電路OSC為單片機(jī)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的工作時鐘，復(fù)位與外部晶振電路(RST & OSC)、可電擦除只讀存儲器(E2PROM)等外圍電路與單片機(jī)主體芯片CPU一并組成微處理單片機(jī)系統(tǒng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于檢測人體色覺是否正常的儀器，由計(jì)算機(jī)PC、高性能彩色CRT顯示器、光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)、專用應(yīng)答鍵盤、打印機(jī)、遮光罩及下鄂支撐架組成，計(jì)算機(jī)PC輸出的視頻信號至高性能彩色CRT顯示器、輸出的打印指令至打印機(jī)，光電標(biāo)準(zhǔn)人眼定標(biāo)系統(tǒng)檢測的自動檢測信號至計(jì)算機(jī)PC的數(shù)據(jù)接口，專用應(yīng)答鍵盤的信號輸出端至計(jì)算機(jī)PC的鍵盤輸入接口。優(yōu)點(diǎn)一是實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(lán)顏色混同線向紅色、綠色、藍(lán)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(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)色覺異常的自動定量檢測。
文檔編號G06F17/00GK2683022SQ200420004178
公開日2005年3月9日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者黃黎敏 申請人:黃黎敏