臨床醫學中的“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科學系的科學家團隊正在開發一種創新的視覺義肢。這是一臺電子輔助系統，用以支持視障人士的視力。

 

 

目前，我們正在執行新技術試驗，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據，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備穿著者的障礙物的位置和分類。

 

 

較終，我們希望將該技術設計成一幅電子眼鏡，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、觀察他們的周圍環境。批量生產后，Smart Specs的成本將與一臺現代化的智能手機相當。其性能與一只經過充分訓練的導盲犬相當，但卻便宜得多。

 

 

搭建義肢仿真環境來驗證我們的設計

首先我們從仿真視網膜義肢的功能開始，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視覺開發模塊來開發仿真軟件。該模塊可支持多種不同的相機類型，給我們提供了現成的圖像處理函數、圖像采集驅動、顯示功能和圖像記錄功能。我們無需大量的開發就可以快速地采集原始圖像。我們已經發表了我們的方法和結果（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較低視覺能力的人士。接下來，我們開始了現在正在進行的研究，這個研究就完全基于LabVIEW、NI-IMAQ和Vision。

 

我們按照下列開發步驟來創建我們的系統：

1. 失明仿真。
2. 開發實時圖像優化，如邊緣檢測和對比度優化等。
3. 開發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。
4. 開發一套快速的臉部檢測算法來連接到簡化的圖像輸出。
5. 開發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進行了原理驗證性研究。結果兩者都可以很容易地發現和識別出我們系統所處環境中的物體，而這些物體以往是看不到的。

 

使用NI視覺開發模塊提供的功能，我們開發了各種內嵌的處理算法，如降采樣和基于高斯模糊的細節簡化算法。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。例如，我們使用色彩對比函數選板中的函數創建了人臉識別算法。

 

較開始，被測物體是通過一個商業的頭部顯示器（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 解決方案的優勢

通過使用USB-8451接口模塊來采集回轉器數據(I2C)并同時控制LED顯示(SPI)，我們較小化了對硬件設備的需求，這個不但簡化了系統的開發，而且幫我們節省了開發成本。我們也考慮過使用其它供應商提供的別的串行接口設備，但USB-8451憑借它易于集成的特點輕松融入了我們的系統，讓我們轉向NI的產品。同時，作為NI的典型硬件產品，USB-8451在安裝驅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。

 

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

 

技術前景展望

這項技術在未來有著無窮的發展潛力。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，我們可以實現條形碼識別算法，這已經是NI視覺開發模塊的一部分，使我們的產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。

 

結論

我們現在已經開始了這項新技術的第一次完整的臨床試驗。雖然這項技術還處于開發的初期階段，但是我們的創新能力必定能給我們開創一條幫助視障人士的新的途徑。

 

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