改善低视力人群阅读障碍的装置

摘要

本发明公开了一种改善低视力人群阅读障碍的装置，包括：摄像单元，图像存储单元、视频编码单元及显示单元；所述摄像单元用于采集图像数据；图像存储单元用于保存所述图像数据；所述视频编码单元用于将所述图像存储单元保存的图像数据编码成视频信号；所述显示单元用于显示所述视频信号；还包括：数字处理单元，用于对所述摄像单元采集到的图像数据进行对比度拉伸后保存到所述图像存储单元中；数字处理单元进行对比度拉伸是指：所述数字处理单元对于图像数据中的每个像素，输出的该像素的亮度值为该像素输入的亮度值乘以N，N大于1；其中，该像素输入的亮度值为所述摄像单元所采集到的图像数据中该像素的亮度值。本发明能够提高图像显示帧率。

说明书

技术领域

本发明涉及电子设备领域，尤其涉及一种改善低视力人群阅读障碍的装置。

背景技术

低视力患者及老年人在阅读书报、文件、说明书等图文时存在不同程度的障碍，传统一般是借助放大镜，但因其仅为光学放大，存在放大倍数有限、边缘变形等问题，因此在欧美等发达国家，基本已淘汰了放大镜，普遍使用图文助视装置等改善低视力人群阅读障碍的高科技产品。

以图文助视装置为例，该装置是一种改善低视力人群阅读障碍的装置，能呈现给用户色彩更加鲜明的图像效果，通过内部的数字图像处理功能，还能实现从色彩到黑白(白黑)极高对比度显示模式的转换，从而能突出目标图像，方便低视力患者观察、阅读。

现有技术中，由于图像处理算法不够精炼高效等原因，导致处理时间较长，图像刷新率往往达不到较高；而图像显示帧率较低(比如：30fps)时，在图文助视装置移动过程中会出现显示拖影现象，极大地影响使用舒适性。

另外，由于仅仅对于亮度信号进行处理，只能得到黑白和白黑的显示模式；虽然能满足大部分低视力患者的基本要求，但对于一些特殊的低视力群体尚未顾及。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改善低视力人群阅读障碍的装置，能够提高图像显示帧率，提高使用时的观看效果。

为了解决上述问题，本发明提供了一种改善低视力人群阅读障碍的装置，包括：摄像单元，图像存储单元、视频编码单元及显示单元；

所述摄像单元用于采集图像数据；

图像存储单元用于保存所述图像数据；

所述视频编码单元用于将所述图像存储单元保存的图像数据编码成视频信号；

所述显示单元用于显示所述视频信号；

还包括：数字处理单元，用于对所述摄像单元采集到的图像数据进行对比度拉伸后保存到所述图像存储单元中；

其中，数字处理单元进行对比度拉伸是指：所述数字处理单元对于图像数据中的每个像素，输出的该像素的亮度值为该像素输入的亮度值乘以N，N大于1；其中，该像素输入的亮度值为所述摄像单元所采集到的图像数据中该像素的亮度值。

进一步地，N为2、4或8。

进一步地，所述数字处理单元还用于在将图像数据保存到所述图像存储单元前，实时计算每一帧图像数据的整体平均亮度，用该整体平均亮度与最优亮度区间进行比较，根据比较结果调整下一帧图像数据的亮度。

进一步地，所述数字处理单元用该整体平均亮度与最优亮度区间进行比较，根据比较结果调整下一帧图像数据的亮度具体是指：

所述数字处理单元将所述整体平均亮度与所述最优亮度区间的差值作为亮度偏移量；如果所述整体平均亮度大于所述最优亮度区间的右端点的数值，则对于接下来的一帧图像数据，将其中每个像素点的亮度值减去所述亮度偏移量后输出；如果所述整体平均亮度小于大于所述最优亮度区间的左端点的数值，则对于接下来一帧图像的每个像素点的亮度值要加上所述亮度偏移量后输出；如果所述整体平均亮度位于所述最优亮度区间内，则不调整下一帧图像数据的亮度。

进一步地，所述的装置还包括：与所述数字处理单元相连的照明单元，用于为所述摄像单元提供照明；

所述数字处理单元还用于接收所述摄像单元所输出的图像数据，实时计算每帧图像的整体平均亮度，并与设定值比较；如果所述整体平均亮度低于设定值，则增大供给照明单元的电流；如果所述整体平均亮度高于设定值，则降低供给照明单元的电流；如果所述整体平均亮度等于设定值，则不对供给照明单元的电流进行调节。

进一步地，所述的装置还包括：控制单元；

数字处理单元，连接于所述摄像单元和图像存储单元之间，并与控制单元相连；

所述控制单元用于当用户选择黑白显示时，发送黑白显示指令给数字处理单元；

所述数字处理单元在接收到控制单元的黑白显示指令后，接收所述摄像单元所输出的图像数据，实时将每个图像中各像素的灰度值与灰度阈值进行比较，当该像素的灰度值高于所设定的灰度阈值时，用一个白色亮点替代该像素；当图像灰度低于所述灰度阈值时，则用一个黑色暗点替代该像素；当某像素的图像灰度恰好等于所述灰度阈值时，设定用白色亮点或黑色暗点替代该像素；将完成替代后的图像数据按时间顺序保存在所述图像存储单元中。

进一步地，所述控制单元还用于当用户选择白黑显示时，发送白黑显示指令给数字处理单元；

所述数字处理单元还用于在接收到控制单元的白黑显示指令后，接收所述摄像单元所输出的图像数据，实时将每个图像中各像素的灰度值与灰度阈值进行比较，当该像素的灰度值高于所设定的灰度阈值时，用一个黑色暗点替代该像素；当图像灰度低于所述灰度阈值时，则用一个白色亮点替代该像素；当某像素的图像灰度恰好等于所述灰度阈值时，设定用白色亮点或黑色暗点替代该像素；将完成替代后的图像数据按时间顺序保存在所述图像存储单元中。

进一步地，所述控制单元还用于当用户选择黑黄、蓝黄或黑绿显示模式时，发送相应显示指令给数字处理单元；

所述数字处理单元还用于在接收到控制单元的所述相应显示指令后，接收所述摄像单元所输出的图像数据，实时将每个图像中各像素的灰度值与灰度阈值进行比较，当该像素的灰度值高于所设定的灰度阈值时，相应用一个黄色或绿色亮点替代该像素；当图像灰度低于所述灰度阈值时，则相应用一个黑色或蓝色暗点替代该像素；当某像素的图像灰度恰好等于所述灰度阈值时，相应用黄色或绿色亮点，或相应用黑色或蓝色暗点替代该像素；将完成替代后的图像数据按时间顺序保存在所述图像存储单元中。

进一步地，任一项所述的装置还包括：控制单元；

数字处理单元，连接于所述摄像单元和图像存储单元之间，并与所述控制单元及视频编码单元相连；

所述控制单元用于当用户选择定格显示时，发送图像定格显示指令给数字处理单元；

所述数字处理单元用于接收到控制单元的图像定格显示指令后，停止接收摄像单元输出的图像数据，并发送图像定格显示指令给所述视频编码单元；

所述视频编码单元用于接收到数字处理单元的图像定格显示指令后，重复在图像存储单元中读取一帧图像进行编码。

进一步地，所述视频编码单元还用于将将编码后的视频信号发送给电视中的电视信号接收单元。

本发明的技术方案合理选择图像处理算法，减少了计算量，提高了图像帧率，移动阅读时无拖影，满足了低视力患者移动阅读时的要求，而且能提高图像对比度；本发明的一个优化方案能够实现亮度自适应调节；本发明的又一优化方案利用图像处理功能，实现多种对比色，不仅能满足大部分低视力患者的基本要求，也能适应部分特殊人群的需要。

附图说明

图1为本发明实施例一的改善低视力人群阅读障碍的装置的具体实施框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

实施例一，一种改善低视力人群阅读障碍的装置，如图1所示，包括：摄像单元、图像存储单元、视频编码单元、控制单元及显示单元；

所述显示单元可以但不限于采用液晶显示器，也可以采用普通的显示器(比如CRT显示器等)。

所述控制单元用于进行系统初始化、提供人机接口、响应外部操作、控制蜂鸣器工作、进行报警等工作。

所述摄像单元用于采集图像数据，以及将采集到的图像数据按时间顺序缓存在所述图像存储单元中；

所述视频编码单元用于按时间顺序读取所述图像存储单元中缓存的图像数据，以及将所读取的图像数据编码成视频信号发送给液晶显示器中的液晶驱动芯片；

所述液晶驱动芯片用于将接收的视频信号实时显示在液晶显示器的液晶屏上。

另外，视频编码单元还可以与外接设备——比如电视等其它可以用于显示的设备——进行连接；比如外接设备为电视时，视频编码单元还可以将编码后的视频信号发送给电视中的电视信号接收器，所述电视信号接收器用于将接收的视频信号实时显示在电视的屏幕上；此时可以不再发送视频信号给液晶显示器，也可以同时也发送视频信号给液晶显示器。

所述装置还包括数字处理单元，连接于所述摄像单元和图像存储单元之间；所述摄像单元采集到的图像数据经过该数字处理单元保存到图像存储单元中，如果数字处理单元不进行处理时，相当于摄像单元直接将采集的原始图像数据保存到图像存储单元中。

所述数字处理单元用于对所述摄像单元采集到的图像数据进行对比度拉伸后保存到所述图像存储单元中，以增强图像的显示效果，提高显示对比度；还可以用于对灰度值自动调节。

本实施例中，所述数字处理单元进行对比度拉伸的实现方案如下：

所述数字处理单元对于图像数据中的每个像素，输出的该像素的亮度值Output为该像素输入的亮度值input乘以N；其中，N为拉伸系数；该像素输入的亮度值为所述摄像单元所采集到的图像数据中该像素的亮度值。

当N>1时，则可以实现对比度提高，但同时也会增加图像的噪声，恶化图像显示效果；另外，考虑到硬件实现的方便，N值如果取1、2、4、8、16等2^X(2的整数次幂)，则可以通过简单的移位来实现，方便硬件化，加快处理速度，比如，可以采用移位寄存器来进行操作。一方面可以节省硬件资源，另一方面也可以降低计算时间，从而提高图像处理帧率，以满足高帧率(比如：60fps)处理需要。一般取2、4、8将会是在考虑了对比度提升效果、图像噪声和硬件实现后比较好的结果。

另外，用户在使用中，会阅读不同材质和颜色的文字，其图像在整体亮度会在很大的范围内变化。然而，对于上述经过对比度拉伸处理后图像，往往在图像整体亮度处于一个最优区间时，会取得比较好的效果，而当整体亮度偏离这个最优区间后(无论是偏高还是偏低)，都会影响对比度拉伸后的图像质量。因此，所述数字处理单元需要对于图像灰度值进行校正。

本实施例中，采用逐点校正的方式进行图像亮度值(也可以称为灰度值)的校正。

首先需要知道所述最优亮度区间的大小，通过对比不同情况下各靶标的实际处理效果，选择其中处理后效果最好的靶标，测量该靶标图像的整体平均亮度值，将该平均亮度值作为最优亮度区间。

所述数字处理单元还用于在将图像数据保存到所述图像存储单元前，实时计算得到每一帧图像数据的整体平均亮度，用该整体平均亮度与之前所确定的最优亮度区间进行比较，根据比较结果调整下一帧图像数据的亮度。

每一帧图像数据的整体平均亮度有多种算法，比如全部像素的亮度值相加后平均，再比如采样一些像素，对采样的像素的亮度值进行相加后平均；每种算法都可以适用于本发明。

本实施例中，所述数字处理单元对图像数据亮度的调整具体是指：

所述数字处理单元将所述整体平均亮度与所述最优亮度区间的差值作为亮度偏移量；如果所述整体平均亮度大于所述最优亮度区间的左端点的数值，则说明当前帧偏亮，对于接下来的一帧图像数据，将其中每个像素点的亮度值减去所述亮度偏移量后输出；如果所述整体平均亮度小于所述最优亮度区间的右端点的数值，则说明当前帧偏暗，对于接下来一帧图像的每个像素点的亮度值要加上所述亮度偏移量后输出；如果所述整体平均亮度位于所述最优亮度区间内，可以不用调整下一帧图像数据的亮度。

所述最优亮度区间为一数值范围；实际应用中，整体平均亮度与该最优亮度区间的差值，可以是与该区间任一端点数值的差值，也可以是与位于该区间中的任意一数值的差值；还可以在不同情况下选用不同的数值来获取差值，比如当所述最优亮度区间为[X1，X2]时，如果所述整体平均亮度为一大于右端点X2的数值，则以X2(也可以是一位于区间[X1，X2]内的数值X3)来计算差值，如果所述整体平均亮度为一小于左端点X1的数值，则以X1(也可以是另一位于区间[X1，X2]内的，小于X3的数值)来计算差值。具体以那个数值来进行求差值的运算，可以通过实验确定。

本实施例中，判断当前帧偏亮或偏暗时，是以所述最优亮度区间的左、右端点分别作为阈值，该阈值在实际应用时也可以通过实验确定。

需要说明的是，当帧率较高时，前后两帧的图像整体亮度变化不会太大，所以采用当前帧的整体平均亮度来修正下一帧的像素点灰度值是完全可行的。

所述数字处理单元可以为CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂的可编程逻辑器件)，也可以为其它具备数字处理能力的器件。

本实施例中，所述装置还可以包括与数字处理单元相连的照明单元，用于为摄像单元提供照明。

所述数字处理单元还用于调节供给照明单元的电流，以实现照明单元的光亮度自适应调节，具体实现方式可以为：

数字处理单元接收所述摄像单元输出的图像数据，实时计算每帧图像的整体平均亮度，并与设定值比较；如果所述整体平均亮度低于设定值，则认为图像偏暗，此时增大供给照明单元的电流以提高亮度；如果所述整体平均亮度高于设定值，则认为图像偏亮，此时降低供给照明单元的电流以减小亮度；如果所述整体平均亮度等于设定值，则不对供给照明单元的电流进行调节。

所述设定值可以根据多次实验获得，比如在各次实验中选择使清晰度最好的整体平均亮度作为实验结果，平均各次实验结果得到设定值；当然实际应用时也可以采用经验值或其它方式得到设定值。

各次增大或降低电流的幅度可以采用逐次逼近的算法计算得到，通过不断比较，来计算得出下一步亮度调整的幅度是多少，从而能快速地达到设定值，并且不会引起振荡。

在实际应用时，可以只采用亮度值校正或调节照明单元光亮度的方式来调整图像数据的亮度；也可以两种方式同时采用。

本实施例中，所述数字处理单元还可以与控制单元相连，通过采用二值化技术将不同灰度的图像通过数字处理，来实现黑白对比度自动调节，最终达到对低视力患者非常敏感的高分辨黑白对比度；具体实现方式如下。

所述控制单元当用户选择黑白显示时，发送黑白显示指令给数字处理单元。

所述数字处理单元在接收到控制单元的黑白显示指令后，接收所述摄像单元所输出的图像数据，实时将每个图像中各像素的灰度值与灰度阈值进行比较，当该像素的灰度值高于所设定的灰度阈值时，用一个白色亮点替代该像素；当图像灰度低于所述灰度阈值时，则用一个黑色暗点替代该像素；当某像素的图像灰度恰好等于所述灰度阈值时，设定用白色亮点或黑色暗点替代该像素均可；将完成替代后的图像数据按时间顺序保存在所述图像存储单元中。

如此，便能突出显示目标图像，提高了图像对比度，便于使用者阅读。

所述控制单元当用户选择白黑显示时，发送白黑显示指令给数字处理单元。

所述数字处理单元接收到控制单元的白黑显示指令后，只需将上述操作中需要用白色亮点替代的像素改成用黑色暗点替代、将上述操作中需要用黑色暗点替代的像素改成用白色亮点替代即可，其它操作同上述操作一样。

本实施例中，针对各类不同原因而导致低视力的人群，所述装置还可以实现以下各种显示模式的一种或几种：

黑黄显示模式，尤其适用于发病于视网膜部位(黄斑病变等)而引起低视力的人群；

蓝黄显示模式，尤其适用于发病于视神经部位(常伴随视野缺损症状)而引起低视力的人群；

黑绿显示模式，尤其适用于伴随畏光症状的(如青光眼)而引起低视力的人群。

下面以蓝黄显示模式为例说明实现细节，其它显示模式可以类推。

所述控制单元当用户选择蓝黄显示时，发送蓝黄显示指令给数字处理单元。

所述数字处理单元在接收到控制单元的蓝黄显示指令后，接收所述摄像单元所输出的图像数据，实时将每个图像中各像素的灰度值与灰度阈值进行比较，当该像素的灰度值高于所设定的灰度阈值时，用一个黄色亮点替代该像素；当图像灰度低于所述灰度阈值时，则用一个蓝色暗点替代该像素；当某像素的图像灰度恰好等于所述灰度阈值时，设定用黄色亮点或蓝色暗点替代该像素均可；将完成替代后的图像数据按时间顺序保存在所述图像存储单元中。

黑白、白黑显示模式，基本可以满足以上原因低视力人群的使用需求，故作为基本具备的显示模式。

所述灰度阈值通过对多种目标图像统计平均给出；目标图像包括报纸、书刊等；灰度阈值的选取需要考虑到三个方面：a)光源分布和照度；b)CCM的响应度；c)目标本身特征，比如颜色、明暗程度、图案等；可以通过多次实验确定该灰度阈值，比如在确定a)和b)的前提下，实验多种常用的目标，比如报纸、书刊等，调整得到一个能使图像对比度适合观看的灰度阈值。

甚至还可以在控制单元中保存多个等级的灰度阈值，当用户偏爱更高或更低的对比度时，可以通过控制单元进行调节；控制单元将相应的灰度阈值发送给数字处理单元，以达到根据用户需要调节对比度的功能。

结合光亮度自动调节和二值化处理，最终实现高清晰高分辨高对比度的图像输出，以满足不同低视力患者的需求。

可选的，所述数字处理单元还可以与视频编码芯片相连，实现定格显示模式，具体方式如下：

所述控制单元当用户选择定格显示时，发送图像定格显示指令给数字处理单元；

所述数字处理单元接收到控制单元的图像定格显示指令后，停止接收摄像单元输出的图像数据，并发送图像定格显示指令给所述视频编码单元；

所述视频编码单元接收到数字处理单元的图像定格显示指令后，重复在图像存储单元中读取一帧图像进行编码；这样从视觉上看就是图像被定格。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。