使用LabVIEW來原型化及驗證視障人士輔助LED眼鏡

 挑戰(zhàn)：幫助有嚴重視覺障礙的人士獨立生活，提高生活質(zhì)量。

方案：這個使用了NI LabVIEW軟件、NI視覺開發(fā)模塊和NI USB-8451接口模塊開發(fā)和驗證的原型產(chǎn)品充滿創(chuàng)造性、技術(shù)性，可以為有嚴重視覺障礙的人提供視覺支持。

臨床醫(yī)學中的“失明”究竟意味著什么?

通常來說，人們認為失明就是完全喪失看事物的能力。其實，這是一種誤解。世界健康組織(World Health Organization, WHO)將失明定義為嚴重的視力喪失，即使在配帶眼鏡或者隱形眼鏡的情況下，還是不能分辨3m處舉起的手指個數(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比度的變化。

提高視障人士的視力水平

我們牛津大學臨床神經(jīng)科學系的科學家團隊正在開發(fā)一種創(chuàng)新的視覺義肢。這是一臺電子輔助系統(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，使用個人的視覺能力來判斷對比度的變化。我們從頭部佩戴的攝像機視頻源獲得并處理圖像數(shù)據(jù)，檢測附近的物體，如人、標志桿，或感興趣的障礙物。被測物體被簡化為一組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。

最終，我們希望將該技術(shù)設(shè)計成一幅電子眼鏡，我們親切地稱為“Smart Specs”。這種眼鏡將讓更多視障人士可以生活更獨立，幫助他們找出附近的物體、觀察他們的周圍環(huán)境。批量生產(chǎn)后，Smart Specs的成本將與一臺現(xiàn)代化的智能手機相當。其性能與一只經(jīng)過充分訓練的導盲犬相當，但卻便宜得多。

搭建義肢仿真環(huán)境來驗證我們的設(shè)計

首先我們從仿真視網(wǎng)膜義肢的功能開始，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視覺開發(fā)模塊來開發(fā)仿真軟件。該模塊可支持多種不同的相機類型，給我們提供了現(xiàn)成的圖像處理函數(shù)、圖像采集驅(qū)動、顯示功能和圖像記錄功能。我們無需大量的開發(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)。

在這第一項的研究中，我們提出了使用機器視覺來簡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最低視覺能力的人士。接下來，我們開始了現(xiàn)在正在進行的研究，這個研究就完全基于LabVIEW、NI-IMAQ和Vision。

我們按照下列開發(fā)步驟來創(chuàng)建我們的系統(tǒng)：

失明仿真。

開發(fā)實時圖像優(yōu)化，如邊緣檢測和對比度優(yōu)化等。

開發(fā)實時的對象檢測算法，探索不同的方法來對圖像進行簡化，輸出適合具有嚴重視覺障礙人觀察的明亮圖像。

開發(fā)一套快速的臉部檢測算法來連接到簡化的圖像輸出。

開發(fā)實時且不受方向限制的文字識別算法。

我們分別在健康對照組(在仿真失明條件下)和一個失明者身上使用上面描述的技術(shù)進行了原理驗證性研究。結(jié)果兩者都可以很容易地發(fā)現(xiàn)和識別出我們系統(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視覺開發(fā)模塊提供的功能，我們開發(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節(jié)簡化算法。通過這些算法，我們可以處理采集到的圖像。我們使用了幾個視覺模塊提供的函數(shù)如模式匹配和光學字符識別來檢測感興趣的視覺對象。但我們絕不限于只使用模塊提供的功能函數(shù)。例如，我們使用色彩對比函數(shù)選板中的函數(shù)創(chuàng)建了人臉識別算法。

最開始，被測物體是通過一個商業(yè)的頭部顯示器(Head mounted display, HMD)展示給被測對象，但我們很快就意識到我們可以使用通過串行接口的一組LED來自定制一個改良的、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仿真系統(tǒng)中，我們選擇了NI USB- 8451 I2C/SPI接口模塊。有了這個接口模塊，我們可以迅速通過我們的目標識別軟件來產(chǎn)生一個明亮的圖像顯示。我們可以使用人類視覺無法分辨的速度來刷新LED陣列中所有128個LED。

NI 解決方案的優(yōu)勢

通過使用USB-8451接口模塊來采集回轉(zhuǎn)器數(shù)據(jù)(I2C)并同時控制LED顯示(SPI)，我們最小化了對硬件設(shè)備的需求，這個不但簡化了系統(tǒng)的開發(fā)，而且?guī)臀覀児?jié)省了開發(fā)成本。我們也考慮過使用其它供應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輕松融入了我們的系統(tǒng)，讓我們轉(zhuǎn)向NI的產(chǎn)品。同時，作為NI的典型硬件產(chǎn)品，USB-8451在安裝驅(qū)動的時候也安裝了大量有用的范例程序，這進一步加速了我們的開發(fā)。

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

技術(shù)前景展望

這項技術(shù)在未來有著無窮的發(fā)展?jié)摿?。我們可以使用彩色的LED來反映不同的信息，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記。我們還可以通過控制LED陣列的亮度來反映被測物體的遠近。

我們相信，憑借我們的努力，可以進一步改進字符識別程序，使它可以在通過佩戴者的集成耳機，在將圖片讀回之前就能夠區(qū)分報紙文章的頭條消息和視頻中的圖像。同樣的，我們可以實現(xiàn)條形碼識別算法，這已經(jīng)是NI視覺開發(fā)模塊的一部分，使我們的產(chǎn)品可以識別不同的商品，然后下載價格信息并閱讀給佩戴者。

結(jié)論

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

正如上面所說，我們在這項技術(shù)上有著宏偉的計劃。通過使用LabVIEW作為我們仿真系統(tǒng)的核心以及采用有很強可維護性的軟件架構(gòu)，擴展我們現(xiàn)有的系統(tǒng)來集成未來的新創(chuàng)新技術(shù)的過程將會是簡單而且高效的。