專利名稱：一種雙焦距分體式電子助視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)合圖像采集和圖像處理技術(shù)的設(shè)備，更具體地，涉及一種具有兩個(gè)不同距離的焦距的分體式電子助視器。
背景技術(shù)：
眼睛是人類心靈的窗戶，外界信息80% 90%是通過(guò)視覺(jué)通道獲取的。但根據(jù)2011年的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近視發(fā)病率世界第一，高達(dá)33%，為世界平均發(fā)病率的1.5倍，平均每分鐘新增I個(gè)盲人3個(gè)低視力，高度近視致盲者超30萬(wàn)人，視力損害已成為我國(guó)乃至全球的嚴(yán)重公共衛(wèi)生問(wèn)題。2006年第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示:單純視力殘疾的患病率達(dá)0.94%，加上多重殘疾中的視力殘疾患者，視力殘疾的患病率達(dá)1.53%。由此推算，我國(guó)單純視力殘疾患者達(dá)1230.91萬(wàn)人，如果包含多重殘疾者，達(dá)2003.50萬(wàn)人。對(duì)低視力患者來(lái)說(shuō)，視力殘疾是重要的危險(xiǎn)因素。低視力是指患者雙眼的視功能減退達(dá)到一定的程度，且不能用手術(shù)、藥物或常規(guī)的屈光矯正方法來(lái)提高視力，使其生活和工作能力喪失。良好的視力是人們獨(dú)立生活的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此視覺(jué)損害在康復(fù)領(lǐng)域中越來(lái)越受到高度重視。有關(guān)資料顯示，75%的視力損害患者可以通過(guò)手術(shù)及屈光矯正得以恢復(fù)或提高視力，尚有25%的低視力患者需要低視力保健，如需配戴助視器及視覺(jué)康復(fù)儀等。一些發(fā)達(dá)國(guó)家己有較成熟的理論經(jīng)驗(yàn)及完善的機(jī)構(gòu)設(shè)備，我國(guó)己將此列入中國(guó)殘疾人事業(yè)計(jì)劃綱要的重點(diǎn)項(xiàng)目。作為“視覺(jué)2020”確定的五個(gè)可避免盲(白內(nèi)障、沙眼、河盲、兒童盲、屈光不正和低視力)之一，低視力康復(fù)是社會(huì)問(wèn)題，而眼科醫(yī)師是主力軍，需從認(rèn)知、篩查、診斷等方面進(jìn)行助視器的選配工作。低視力康復(fù)旨在對(duì)低視力患者的殘余視力進(jìn)行仔細(xì)檢測(cè)和充分利用，通過(guò)助視器或其他手段幫助患者重新獲得獨(dú)立活動(dòng)能力。助視器是低視力患者的主要康復(fù)器具，可最大可能地幫患者利用殘余視力適應(yīng)社會(huì)。據(jù)保守估計(jì)，目前我國(guó)有八成低視力患者沒(méi)有得到正規(guī)治療和康復(fù)干預(yù)。助視器的功能類似于助聽(tīng)器，可使低視力患者看清楚本來(lái)看不到或看不清的東西。常用的有放大鏡、防止外界光線直接射入眼內(nèi)引起視力下降的太陽(yáng)帽、可濾過(guò)短波光線的太陽(yáng)鏡，還有在望遠(yuǎn)鏡上加一個(gè)不同度數(shù)的正透鏡的“閱讀帽”等。現(xiàn)在，不僅有整合了視光學(xué)、眼科學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械學(xué)及人體工學(xué)等技術(shù)的電子助視器，還有語(yǔ)音系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)等助視器，不少低視力/盲患者大大提高了生活自理能力和社會(huì)適應(yīng)能力。電子助視器是一種電子視訊裝置，是助視器中的高科技產(chǎn)品。放大倍數(shù)能達(dá)到四五十倍，適合中度、重度低視力患者使用。能方便的進(jìn)行放大倍數(shù)調(diào)整、焦距調(diào)整、亮度和對(duì)比度調(diào)整，還有彩色顯像、半彩顯像和正片、負(fù)片切換功能。這些特點(diǎn)能讓使用電子助視器的低視力患者擁有舒適的閱讀姿勢(shì)、大而廣的工作空間、能用雙眼閱讀，是擴(kuò)展視覺(jué)的最佳助視器具。目前，便攜的手持電子助視器，主要采用ZORAN (卓然)的ZR36482BGCF專用圖像處理DSP芯片，不但價(jià)格比較昂貴，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，而且存在著一些人性化使用上的缺陷。由于攝像頭封裝在主機(jī)中，只能移動(dòng)整臺(tái)電子助視器才能移動(dòng)閱讀瀏覽。因此，這種設(shè)計(jì)的缺陷是，電子助視器的機(jī)身會(huì)遮蓋大部分的瀏覽目標(biāo)，從而造成使用者尋找定位的不便。其次，手持式電子助視器不便于閱讀其他小型器物上的文字。例如，當(dāng)閱讀小藥瓶上的使用說(shuō)明時(shí)，因?yàn)槠孔邮菑澢模寿N在瓶子上的文字說(shuō)明書也是彎曲的，但因手持電子助視器上的攝像頭與主機(jī)是一體的，故掃描目標(biāo)時(shí)需要移動(dòng)整臺(tái)機(jī)器，此時(shí)會(huì)令用戶無(wú)法持續(xù)閱讀完整的內(nèi)容，因會(huì)容易滑動(dòng)而令文字內(nèi)容跳換到其他地方，無(wú)法進(jìn)行定位。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上的不足，本發(fā)明提供了一種具有兩種不同焦距的分體式電子助視器。該分體式電子助視器能夠有效地幫助低視力群體進(jìn)行正常的生活。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種雙焦距分體式電子助視器，包括圖像采集模塊與顯示模塊，所述圖像采集模塊與顯示模塊為分體式結(jié)構(gòu)，所述分體式電子助視器還包括圖像處理模塊，所述圖像采集模塊用于獲取視頻流，所述圖像處理模塊用于對(duì)視頻流進(jìn)行解壓縮、增強(qiáng)、效果處理及縮放處理，所述顯示模塊用于顯示經(jīng)圖像處理模塊處理后的圖像信息。圖像采集模塊即為攝像頭，圖像處理模塊與顯示屏構(gòu)成電子助視器主機(jī)，攝像頭與主機(jī)分離，采用有線攝像頭，方便移動(dòng)掃描目標(biāo)；移動(dòng)攝像頭制作成筆的形狀，類似現(xiàn)今的紅外線激光筆；筆式攝像頭的鏡頭有兩種焦距:微距與遠(yuǎn)距。焦距可自由切換方便用戶使用；在筆式攝像頭可以設(shè)置控制鍵位，例如放大、縮小、改變背景色、視近物鍵；提供筆式攝像頭支架，支架能伸縮調(diào)節(jié)攝像頭與讀物的距離，還能360°旋轉(zhuǎn)并可固定支架，方便觀看遠(yuǎn)處物體；顯示屏采用4.3寸的大屏幕；顯示屏表面也相應(yīng)設(shè)置放大、縮小等鍵位。本發(fā)明的有益效果為:攝像頭與主機(jī)分體式的結(jié)構(gòu)，解決低視力患者使用時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間彎腰而導(dǎo)致腰部勞損的問(wèn)題；兩種不同的焦距的設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了機(jī)器的使用范圍；采用高效的圖像增強(qiáng)算法，解決了傳統(tǒng)同類產(chǎn)品采用LED燈而造成的電量耗費(fèi)和光照不均或反光的問(wèn)題；不采用價(jià)格昂貴的DSP芯片，改為采用低廉的ARM系列主控芯片，提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性，方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。


圖1為本發(fā)明的硬件整體結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的軟件工作模型圖。圖3為本發(fā)明的圖像采集模塊的兩種不同焦距的鏡頭部分原理圖。圖4為本發(fā)明的圖像處理流程圖。圖5為本發(fā)明的JPEG硬件編解碼器結(jié)構(gòu)模塊框圖。圖6為本發(fā)明的圖像增強(qiáng)算法流程圖。圖7為本發(fā)明的圖像閱讀模式效果的算法流程圖。圖8為本發(fā)明的圖像實(shí)時(shí)縮放處理的硬件處理框圖。圖9-13為本發(fā)明的電子助視器主機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14為本發(fā)明的筆式攝像頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15、16為本發(fā)明的主機(jī)支架的結(jié)構(gòu)示意圖。圖17、18為本發(fā)明的筆式攝像頭輔助閱讀支架的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。如圖1所示，本發(fā)明的硬件整體結(jié)構(gòu)，它包括用于獲取視頻圖像信息的圖像采集模塊、用于存儲(chǔ)的模塊，用于輸出的LCD顯示與HDMI輸出模塊，用于主控的模塊，以及提供電源的模塊。其中，主控芯片采用三星公司的型號(hào)為S3C6410，該芯片基于ARMll架構(gòu)，用于系統(tǒng)的邏輯控制及進(jìn)行視頻圖像進(jìn)行處理。NAND FLASH存儲(chǔ)空間一部分用來(lái)保存啟動(dòng)代碼和操作系統(tǒng)，剩余的用作數(shù)據(jù)保存區(qū)。DDR SDRAM用來(lái)處理程序運(yùn)行時(shí)對(duì)大量的存儲(chǔ)空間的需求和支持操作系統(tǒng)的運(yùn)行。本發(fā)明的軟件工作模型如圖2所示，主要采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，絕大多數(shù)的外圍設(shè)備，都提供Linux驅(qū)動(dòng)程序，不需再另行開(kāi)發(fā)。Linux操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)加載攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)攝像頭進(jìn)行控制。根據(jù)用戶選擇的模式，驅(qū)動(dòng)攝像頭采集視頻信號(hào)。然后利用處理器S3C6410對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括將圖像放大、縮小、改變圖像的背景顏色等。最后將處理后的視頻信號(hào)送入IXD顯示屏進(jìn)行顯示。下面對(duì)各模塊進(jìn)行詳細(xì)闡述。一、圖像采集模塊圖像采集模塊的主要工作是在Linux操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)USB接口的攝像頭來(lái)捕獲視頻流圖像，主要由兩種不同焦距的鏡頭、CMOS圖像采集模塊、傳輸接口模塊3部分構(gòu)成。1.1兩種不同焦距的鏡頭為了擴(kuò)展產(chǎn)品的使用范圍，本發(fā)明采用微距和遠(yuǎn)距兩種不同焦距的鏡頭進(jìn)行圖像采集。其中，微距圖像采集可以方便用戶閱讀文檔材料，而遠(yuǎn)距采集則可以方便用戶觀察遠(yuǎn)處的場(chǎng)景。本模塊采用了焦距為3.6mm的普通鏡頭，使得遠(yuǎn)處的場(chǎng)景能得到清晰的成像。在該鏡頭前面附加一個(gè)微距與廣角二合一的鏡頭，如圖3所示，即可獲得13_處的場(chǎng)景圖像。需要拍攝遠(yuǎn)處場(chǎng)景的時(shí)候，去掉微距鏡頭即可；需要近距離閱讀的時(shí)候，將微距鏡頭吸附在普通鏡頭上，即可實(shí)現(xiàn)該功能。1.2CMOS圖像采集模塊本模塊采用130萬(wàn)像素的CMOS圖像傳感器進(jìn)行圖像的采集，在保證圖像有足夠清晰度的同時(shí)，還兼顧了嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。1.3傳輸接口模塊本模塊的作用是將采集到的圖像數(shù)據(jù)高速地傳送到圖像處理模塊中。本發(fā)明采用了 USB1.1傳輸接口，傳輸速率達(dá)到12Mbps，完全能滿足系統(tǒng)的要求。二、圖像處理模塊圖像處理模塊的主要功能是將圖像采集模塊捕獲到的圖像進(jìn)行解壓縮、增強(qiáng)、效果處理、縮放等處理，然后輸出合乎要求的圖像以供顯示模塊展示給用戶。圖像處理模塊流程如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)圖像的處理起始于對(duì)獲取的一幀圖像進(jìn)行解壓縮，然后對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)，再進(jìn)行各種效果的處理，最后根據(jù)用戶的需求進(jìn)行縮放。2.1解壓縮單元本模塊利用主控芯片S3C6410的JPEG編解碼器的API接口，將每一幀視頻流圖像解壓為YUV4:2:2格式的圖像，其結(jié)構(gòu)模塊框圖如圖5所示。該模塊是由硬件完成，故運(yùn)行速度滿足實(shí)時(shí)視頻處理的要求。2.2圖像增強(qiáng)單元為令采集到的圖像的細(xì)節(jié)更豐富，視覺(jué)對(duì)比效果更強(qiáng)烈，且能適應(yīng)弱光源與強(qiáng)光源環(huán)境，本發(fā)明采用了快速的圖像增強(qiáng)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，這是一種基于改進(jìn)的直方圖均衡算法?，F(xiàn)有的圖像增強(qiáng)方法通 ?？梢苑譃閮深?全局增強(qiáng)方法和局部增強(qiáng)方法。全局增強(qiáng)方法利用某些轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)灰度圖的亮度通道或顏色通道進(jìn)行處理，進(jìn)而使灰度圖達(dá)到顯示設(shè)備的最大顯示動(dòng)態(tài)范圍從而獲取更多的圖像細(xì)節(jié)，此方法通常采用線性或非線性函數(shù)、直方圖均衡化、模糊對(duì)比度集約化等方法來(lái)間接提升整幅灰度圖的對(duì)比度，然而其對(duì)局部細(xì)節(jié)的提升不足；局部增強(qiáng)方法通常利用灰度圖中的邊緣信息和局部統(tǒng)計(jì)信息來(lái)對(duì)圖像局部細(xì)節(jié)進(jìn)行增強(qiáng)，然而，基于最優(yōu)化轉(zhuǎn)換函數(shù)和平均邊緣灰度對(duì)比度檢測(cè)方法進(jìn)而提出的通過(guò)拉伸亮度值而提高對(duì)比度的方法，其在提高對(duì)比度的同時(shí)也增強(qiáng)了噪聲。由于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算能力有限，故本發(fā)明采用改進(jìn)了的直方圖均衡算法進(jìn)行全局的圖像快速增強(qiáng)，在提高圖像對(duì)比度的同時(shí)，還保留圖像的大量細(xì)節(jié)部分。該算法的工作流程圖如圖6所示。由于主控芯片S3C6410硬解壓得到的圖像為YUV4:2:2格式，故只需對(duì)該圖像的Y通道進(jìn)行增強(qiáng)即可。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:11)統(tǒng)計(jì)直方圖:對(duì)于灰度圖像X，其灰度級(jí)X的直方圖h(x)為:
權(quán)利要求
1.一種雙焦距分體式電子助視器，包括圖像采集模塊與顯示模塊，其特征在于，所述圖像采集模塊與顯示模塊為分體式結(jié)構(gòu)，所述分體式電子助視器還包括圖像處理模塊，所述圖像采集模塊用于獲取視頻流，所述圖像處理模塊用于對(duì)視頻流進(jìn)行解壓縮、增強(qiáng)、效果處理及縮放處理，所述顯示模塊用于顯示經(jīng)圖像處理模塊處理后的圖像信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述圖像采集模塊為筆式攝像頭，筆式攝像頭的鏡頭包括微距鏡頭和遠(yuǎn)距鏡頭，所述筆式攝像頭上還設(shè)有與圖像處理模塊通信的傳輸接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述圖像處理模塊包括解壓縮單元、圖像增強(qiáng)單元、圖像效果處理單元和圖像縮放單元； 所述解壓縮單元用于將視頻流圖像解壓為YUV4:2:2格式的圖像； 所述圖像增強(qiáng)單元采用基于多分段直方圖調(diào)整的增強(qiáng)方法對(duì)解壓縮后的圖像進(jìn)行增強(qiáng)； 所述圖像效果處理單元采用Ostu快速二值法對(duì)圖像進(jìn)行效果處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述圖像增強(qiáng)單元對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)的具體方式為:對(duì)圖像的Y通道進(jìn)行增強(qiáng)，包括: 11)統(tǒng)計(jì)直方圖:對(duì)于灰度圖像X，其灰度級(jí)X的直方圖h(x)為: h (X) =nx, x=0, 1,..., L-1 12)獲取分割點(diǎn):利用獲取到的5個(gè)分割點(diǎn)將直方圖劃分為4個(gè)子區(qū)域，所述5個(gè)分割點(diǎn)為Imtl, In1, m2, m3, m4}, m0為圖像最小灰度值，m4為圖像最大灰度值,而Hi1, m2, m3這三個(gè)分割點(diǎn)的公式描述如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述圖像效果處理單元的實(shí)現(xiàn)方式為:對(duì)圖像進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，然后對(duì)直方圖進(jìn)行遍歷迭代，從而求出閾值的方法；具體為: 21)直方圖統(tǒng)計(jì):對(duì)輸入的圖像Y通道進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，其灰度級(jí)X的直方圖h(x)為:h (X) =nx, x=0, I, L, L-1 其中，L-1為圖像的最大灰度級(jí)，nx表示灰度級(jí)為X的像素出現(xiàn)的頻率； 22)找出最小與最大值:遍歷直方圖，找出最小與最大值fmin、fmax； 23)計(jì)算初始閾值:以最小與最大值之和的一半為初始閾值T，即 T=0.5 X (fmin+fmax) 24)劃分直方圖:以初始閾值T，將直方圖劃分為兩個(gè)區(qū)域； 25)分別計(jì)算兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的直方圖的平均值，得到4與; 26)計(jì)算新閾值:以步驟25)得到的兩個(gè)平均值之和的一半為新的閾值T’，即:T'=0.5 X (fL+f；)； 27)比較閾值:將新閾值T’與初始閾值T比較，兩者之差如果小于0.5，則以新的閾值T’為二值化操作的閾值，轉(zhuǎn)步驟28);否則，以新閾值T’為初始閾值T，轉(zhuǎn)步驟24)。
28)圖像效果操作:由于圖像為YUV4:2:2格式，其在內(nèi)存中的排列順序?yàn)?Y0U0Y1V0Y2U1Y3V1...，第一個(gè)像素的YUV值為:Y0U0V0，第二個(gè)像素的YUV值為:Y1U0V0，第三個(gè)像素的YUV值為:Y2U1V1...，其他以此推類，即每?jī)蓚€(gè)像素是共用了 UV的；在一行上來(lái)看，每個(gè)像素的YUV值種Y值被采樣，UV值采樣O后，跳到3，然后5，所以一幅640 X 480的圖片，每行上Y有640個(gè)，U，V各320個(gè)。
而YUV與RGB的關(guān)系如下式所示:
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述傳輸接口為USB1.1 接口。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述筆式攝像頭為130萬(wàn)像素的CMOS圖像傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述電子助視器還包括用于安裝圖像處理模塊及顯示模塊的主機(jī)支架，所述包括主機(jī)夾架、支架臂組和主機(jī)支架收納盒；主機(jī)夾架與支架臂組通過(guò)螺絲相連，形成旋臂，支架臂組通過(guò)螺絲固定在主機(jī)支架收納盒上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述所述主機(jī)夾架與支架臂內(nèi)部中間形成有小支撐臂和凹槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的雙焦距分體式電子助視器，其特征在于，所述電子助視器還包括用于安裝圖像采集模塊的筆式攝像頭輔助閱讀支架，包括支座和可旋轉(zhuǎn)的夾臂；支座底部設(shè)置有一雙平行單向滑輪組。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種雙焦距分體式電子助視器，包括圖像采集模塊與顯示模塊，圖像采集模塊與顯示模塊為分體式結(jié)構(gòu)，分體式電子助視器還包括圖像處理模塊，圖像采集模塊用于獲取視頻流，圖像處理模塊用于對(duì)視頻流進(jìn)行解壓縮、增強(qiáng)、效果處理及縮放處理，顯示模塊用于顯示經(jīng)圖像處理模塊處理后的圖像信息。分體式的結(jié)構(gòu)，解決低視力患者使用時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間彎腰而導(dǎo)致腰部勞損的問(wèn)題；兩種不同的焦距的設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了機(jī)器的使用范圍；采用高效的圖像增強(qiáng)算法，解決了傳統(tǒng)同類產(chǎn)品采用LED燈而造成的電量耗費(fèi)和光照不均或反光的問(wèn)題；不采用價(jià)格昂貴的DSP芯片，改為采用低廉的ARM系列主控芯片，提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性，方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
文檔編號(hào)H04N5/232GK103200389SQ20131008511
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者朱雄泳, 王睦雄, 陳榮軍, 陳宗銘, 譚紹佳, 廖志群 申請(qǐng)人:廣州市海珠區(qū)亮瞳眼視光研究所