专利名称：一种双焦距分体式电子助视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种结合图像采集和图像处理技术的设备，更具体地，涉及一种具有两个不同距离的焦距的分体式电子助视器。
背景技术：
眼睛是人类心灵的窗户，外界信息80% 90%是通过视觉通道获取的。但根据2011年的统计，我国近视发病率世界第一，高达33%，为世界平均发病率的1.5倍，平均每分钟新增I个盲人3个低视力，高度近视致盲者超30万人，视力损害已成为我国乃至全球的严重公共卫生问题。2006年第二次全国残疾人抽样调查数据显示:单纯视力残疾的患病率达0.94%，加上多重残疾中的视力残疾患者，视力残疾的患病率达1.53%。由此推算，我国单纯视力残疾患者达1230.91万人，如果包含多重残疾者，达2003.50万人。对低视力患者来说，视力残疾是重要的危险因素。低视力是指患者双眼的视功能减退达到一定的程度，且不能用手术、药物或常规的屈光矫正方法来提高视力，使其生活和工作能力丧失。良好的视力是人们独立生活的一个关键因素，因此视觉损害在康复领域中越来越受到高度重视。有关资料显示，75%的视力损害患者可以通过手术及屈光矫正得以恢复或提高视力，尚有25%的低视力患者需要低视力保健，如需配戴助视器及视觉康复仪等。一些发达国家己有较成熟的理论经验及完善的机构设备，我国己将此列入中国残疾人事业计划纲要的重点项目。作为“视觉2020”确定的五个可避免盲(白内障、沙眼、河盲、儿童盲、屈光不正和低视力)之一，低视力康复是社会问题，而眼科医师是主力军，需从认知、筛查、诊断等方面进行助视器的选配工作。低视力康复旨在对低视力患者的残余视力进行仔细检测和充分利用，通过助视器或其他手段帮助患者重新获得独立活动能力。助视器是低视力患者的主要康复器具，可最大可能地帮患者利用残余视力适应社会。据保守估计，目前我国有八成低视力患者没有得到正规治疗和康复干预。助视器的功能类似于助听器，可使低视力患者看清楚本来看不到或看不清的东西。常用的有放大镜、防止外界光线直接射入眼内引起视力下降的太阳帽、可滤过短波光线的太阳镜，还有在望远镜上加一个不同度数的正透镜的“阅读帽”等。现在，不仅有整合了视光学、眼科学、电子学、机械学及人体工学等技术的电子助视器，还有语音系统和扫描系统等助视器，不少低视力/盲患者大大提高了生活自理能力和社会适应能力。电子助视器是一种电子视讯装置，是助视器中的高科技产品。放大倍数能达到四五十倍，适合中度、重度低视力患者使用。能方便的进行放大倍数调整、焦距调整、亮度和对比度调整，还有彩色显像、半彩显像和正片、负片切换功能。这些特点能让使用电子助视器的低视力患者拥有舒适的阅读姿势、大而广的工作空间、能用双眼阅读，是扩展视觉的最佳助视器具。目前，便携的手持电子助视器，主要采用ZORAN (卓然)的ZR36482BGCF专用图像处理DSP芯片，不但价格比较昂贵，系统扩展性差，而且存在着一些人性化使用上的缺陷。由于摄像头封装在主机中，只能移动整台电子助视器才能移动阅读浏览。因此，这种设计的缺陷是，电子助视器的机身会遮盖大部分的浏览目标，从而造成使用者寻找定位的不便。其次，手持式电子助视器不便于阅读其他小型器物上的文字。例如，当阅读小药瓶上的使用说明时，因为瓶子是弯曲的，故贴在瓶子上的文字说明书也是弯曲的，但因手持电子助视器上的摄像头与主机是一体的，故扫描目标时需要移动整台机器，此时会令用户无法持续阅读完整的内容，因会容易滑动而令文字内容跳换到其他地方，无法进行定位。
发明内容
针对以上的不足，本发明提供了一种具有两种不同焦距的分体式电子助视器。该分体式电子助视器能够有效地帮助低视力群体进行正常的生活。为了实现上述目的，本发明的技术方案为:一种双焦距分体式电子助视器，包括图像采集模块与显示模块，所述图像采集模块与显示模块为分体式结构，所述分体式电子助视器还包括图像处理模块，所述图像采集模块用于获取视频流，所述图像处理模块用于对视频流进行解压缩、增强、效果处理及缩放处理，所述显示模块用于显示经图像处理模块处理后的图像信息。图像采集模块即为摄像头，图像处理模块与显示屏构成电子助视器主机，摄像头与主机分离，采用有线摄像头，方便移动扫描目标；移动摄像头制作成笔的形状，类似现今的红外线激光笔；笔式摄像头的镜头有两种焦距:微距与远距。焦距可自由切换方便用户使用；在笔式摄像头可以设置控制键位，例如放大、缩小、改变背景色、视近物键；提供笔式摄像头支架，支架能伸缩调节摄像头与读物的距离，还能360°旋转并可固定支架，方便观看远处物体；显示屏采用4.3寸的大屏幕；显示屏表面也相应设置放大、缩小等键位。本发明的有益效果为:摄像头与主机分体式的结构，解决低视力患者使用时需要长时间弯腰而导致腰部劳损的问题；两种不同的焦距的设计，扩展了机器的使用范围；采用高效的图像增强算法，解决了传统同类产品采用LED灯而造成的电量耗费和光照不均或反光的问题；不采用价格昂贵的DSP芯片，改为采用低廉的ARM系列主控芯片，提高系统可扩展性，方便进行二次开发。
图1为本发明的硬件整体结构图。图2为本发明的软件工作模型图。图3为本发明的图像采集模块的两种不同焦距的镜头部分原理图。图4为本发明的图像处理流程图。图5为本发明的JPEG硬件编解码器结构模块框图。图6为本发明的图像增强算法流程图。图7为本发明的图像阅读模式效果的算法流程图。图8为本发明的图像实时缩放处理的硬件处理框图。图9-13为本发明的电子助视器主机的结构示意图。
图14为本发明的笔式摄像头的结构示意图。图15、16为本发明的主机支架的结构示意图。图17、18为本发明的笔式摄像头辅助阅读支架的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式并不限于此。如图1所示，本发明的硬件整体结构，它包括用于获取视频图像信息的图像采集模块、用于存储的模块，用于输出的LCD显示与HDMI输出模块，用于主控的模块，以及提供电源的模块。其中，主控芯片采用三星公司的型号为S3C6410，该芯片基于ARMll架构，用于系统的逻辑控制及进行视频图像进行处理。NAND FLASH存储空间一部分用来保存启动代码和操作系统，剩余的用作数据保存区。DDR SDRAM用来处理程序运行时对大量的存储空间的需求和支持操作系统的运行。本发明的软件工作模型如图2所示，主要采用嵌入式Linux操作系统，具有内核小，效率高，源代码开放等优点。同时，绝大多数的外围设备，都提供Linux驱动程序，不需再另行开发。Linux操作系统启动后，会自动加载摄像头的驱动程序，对摄像头进行控制。根据用户选择的模式，驱动摄像头采集视频信号。然后利用处理器S3C6410对采集到的信号进行相应的处理，包括将图像放大、缩小、改变图像的背景颜色等。最后将处理后的视频信号送入IXD显示屏进行显示。下面对各模块进行详细阐述。一、图像采集模块图像采集模块的主要工作是在Linux操作系统下驱动USB接口的摄像头来捕获视频流图像，主要由两种不同焦距的镜头、CMOS图像采集模块、传输接口模块3部分构成。1.1两种不同焦距的镜头为了扩展产品的使用范围，本发明采用微距和远距两种不同焦距的镜头进行图像采集。其中，微距图像采集可以方便用户阅读文档材料，而远距采集则可以方便用户观察远处的场景。本模块采用了焦距为3.6mm的普通镜头，使得远处的场景能得到清晰的成像。在该镜头前面附加一个微距与广角二合一的镜头，如图3所示，即可获得13_处的场景图像。需要拍摄远处场景的时候，去掉微距镜头即可；需要近距离阅读的时候，将微距镜头吸附在普通镜头上，即可实现该功能。1.2CMOS图像采集模块本模块采用130万像素的CMOS图像传感器进行图像的采集，在保证图像有足够清晰度的同时，还兼顾了嵌入式系统的实时性能。1.3传输接口模块本模块的作用是将采集到的图像数据高速地传送到图像处理模块中。本发明采用了 USB1.1传输接口，传输速率达到12Mbps，完全能满足系统的要求。二、图像处理模块图像处理模块的主要功能是将图像采集模块捕获到的图像进行解压缩、增强、效果处理、缩放等处理，然后输出合乎要求的图像以供显示模块展示给用户。图像处理模块流程如图4所示，整个系统对图像的处理起始于对获取的一帧图像进行解压缩，然后对其进行增强，再进行各种效果的处理，最后根据用户的需求进行缩放。2.1解压缩单元本模块利用主控芯片S3C6410的JPEG编解码器的API接口，将每一帧视频流图像解压为YUV4:2:2格式的图像，其结构模块框图如图5所示。该模块是由硬件完成，故运行速度满足实时视频处理的要求。2.2图像增强单元为令采集到的图像的细节更丰富，视觉对比效果更强烈，且能适应弱光源与强光源环境，本发明采用了快速的图像增强算法对图像进行处理，这是一种基于改进的直方图均衡算法。现有的图像增强方法通 常可以分为两类:全局增强方法和局部增强方法。全局增强方法利用某些转换函数对灰度图的亮度通道或颜色通道进行处理，进而使灰度图达到显示设备的最大显示动态范围从而获取更多的图像细节，此方法通常采用线性或非线性函数、直方图均衡化、模糊对比度集约化等方法来间接提升整幅灰度图的对比度，然而其对局部细节的提升不足；局部增强方法通常利用灰度图中的边缘信息和局部统计信息来对图像局部细节进行增强，然而，基于最优化转换函数和平均边缘灰度对比度检测方法进而提出的通过拉伸亮度值而提高对比度的方法，其在提高对比度的同时也增强了噪声。由于嵌入式系统的计算能力有限，故本发明采用改进了的直方图均衡算法进行全局的图像快速增强，在提高图像对比度的同时，还保留图像的大量细节部分。该算法的工作流程图如图6所示。由于主控芯片S3C6410硬解压得到的图像为YUV4:2:2格式，故只需对该图像的Y通道进行增强即可。具体实现步骤如下:11)统计直方图:对于灰度图像X，其灰度级X的直方图h(x)为:
权利要求
1.一种双焦距分体式电子助视器，包括图像采集模块与显示模块，其特征在于，所述图像采集模块与显示模块为分体式结构，所述分体式电子助视器还包括图像处理模块，所述图像采集模块用于获取视频流，所述图像处理模块用于对视频流进行解压缩、增强、效果处理及缩放处理，所述显示模块用于显示经图像处理模块处理后的图像信息。
2.根据权利要求 1所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述图像采集模块为笔式摄像头，笔式摄像头的镜头包括微距镜头和远距镜头，所述笔式摄像头上还设有与图像处理模块通信的传输接口。
3.根据权利要求1所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述图像处理模块包括解压缩单元、图像增强单元、图像效果处理单元和图像缩放单元； 所述解压缩单元用于将视频流图像解压为YUV4:2:2格式的图像； 所述图像增强单元采用基于多分段直方图调整的增强方法对解压缩后的图像进行增强； 所述图像效果处理单元采用Ostu快速二值法对图像进行效果处理。
4.根据权利要求3所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述图像增强单元对图像进行增强的具体方式为:对图像的Y通道进行增强，包括: 11)统计直方图:对于灰度图像X，其灰度级X的直方图h(x)为: h (X) =nx, x=0, 1,..., L-1 12)获取分割点:利用获取到的5个分割点将直方图划分为4个子区域，所述5个分割点为Imtl, In1, m2, m3, m4}, m0为图像最小灰度值，m4为图像最大灰度值,而Hi1, m2, m3这三个分割点的公式描述如下:
5.根据权利要求3所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述图像效果处理单元的实现方式为:对图像进行直方图统计，然后对直方图进行遍历迭代，从而求出阈值的方法；具体为: 21)直方图统计:对输入的图像Y通道进行直方图统计，其灰度级X的直方图h(x)为:h (X) =nx, x=0, I, L, L-1 其中，L-1为图像的最大灰度级，nx表示灰度级为X的像素出现的频率； 22)找出最小与最大值:遍历直方图，找出最小与最大值fmin、fmax； 23)计算初始阈值:以最小与最大值之和的一半为初始阈值T，即 T=0.5 X (fmin+fmax) 24)划分直方图:以初始阈值T，将直方图划分为两个区域； 25)分别计算两个区域内的直方图的平均值，得到4与; 26)计算新阈值:以步骤25)得到的两个平均值之和的一半为新的阈值T’，即:T'=0.5 X (fL+f；)； 27)比较阈值:将新阈值T’与初始阈值T比较，两者之差如果小于0.5，则以新的阈值T’为二值化操作的阈值，转步骤28);否则，以新阈值T’为初始阈值T，转步骤24)。
28)图像效果操作:由于图像为YUV4:2:2格式，其在内存中的排列顺序为:Y0U0Y1V0Y2U1Y3V1...，第一个像素的YUV值为:Y0U0V0，第二个像素的YUV值为:Y1U0V0，第三个像素的YUV值为:Y2U1V1...，其他以此推类，即每两个像素是共用了 UV的；在一行上来看，每个像素的YUV值种Y值被采样，UV值采样O后，跳到3，然后5，所以一幅640 X 480的图片，每行上Y有640个，U，V各320个。
而YUV与RGB的关系如下式所示:
6.根据权利要求2所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述传输接口为USB1.1 接口。
7.根据权利要求2所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述笔式摄像头为130万像素的CMOS图像传感器。
8.根据权利要求1-6所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述电子助视器还包括用于安装图像处理模块及显示模块的主机支架，所述包括主机夹架、支架臂组和主机支架收纳盒；主机夹架与支架臂组通过螺丝相连，形成旋臂，支架臂组通过螺丝固定在主机支架收纳盒上。
9.根据权利要求8所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述所述主机夹架与支架臂内部中间形成有小支撑臂和凹槽。
10.根据权利要求1-6所述的双焦距分体式电子助视器，其特征在于，所述电子助视器还包括用于安装图像采集模块的笔式摄像头辅助阅读支架，包括支座和可旋转的夹臂；支座底部设置有一双平行单向滑轮组。
全文摘要
本发明公开一种双焦距分体式电子助视器，包括图像采集模块与显示模块，图像采集模块与显示模块为分体式结构，分体式电子助视器还包括图像处理模块，图像采集模块用于获取视频流，图像处理模块用于对视频流进行解压缩、增强、效果处理及缩放处理，显示模块用于显示经图像处理模块处理后的图像信息。分体式的结构，解决低视力患者使用时需要长时间弯腰而导致腰部劳损的问题；两种不同的焦距的设计，扩展了机器的使用范围；采用高效的图像增强算法，解决了传统同类产品采用LED灯而造成的电量耗费和光照不均或反光的问题；不采用价格昂贵的DSP芯片，改为采用低廉的ARM系列主控芯片，提高系统可扩展性，方便进行二次开发。
文档编号H04N5/232GK103200389SQ20131008511
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者朱雄泳, 王睦雄, 陈荣军, 陈宗铭, 谭绍佳, 廖志群 申请人:广州市海珠区亮瞳眼视光研究所