仿真假體視覺下的尋路任務研究

趙瑛 蔣廣琪 耿秀琳 李琦

摘 要： 在現(xiàn)實場景中開展仿真假體視覺下尋路任務研究。受試者佩戴頭戴式顯示器，由顯示器上方的攝像裝置獲取外界圖像，并通過數(shù)據(jù)傳輸線連接電腦對實時場景圖像進行像素化處理。實驗采用標準輪滑樁擺設(shè)實驗通路，要求受試者佩戴頭戴式顯示器在預先擺設(shè)通路中尋路和判別方向，并對尋路時間、尋路碰撞次數(shù)等進行分析研究。結(jié)果表明：分辨率為64×64時尋路時間最短；分辨率由32×32增加至48×48，尋路時間減少40%，碰撞次數(shù)減少43%；分辨率由48×48增至64×64，尋路時間減少22%，碰撞次數(shù)減少31%。隨著實驗分辨率提升，尋路時間和碰撞次數(shù)明顯減少。受試者性別和實驗時間（白天/晚上）無顯著性差異，女性受試者在白天實驗效果較好。該研究可為人工視覺假體系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)提供前期的理論儲備。

關(guān)鍵詞： 尋路任務； 視覺假體； 像素化處理； 分辨率； 尋路時間； 碰撞次數(shù)

中圖分類號： TN820.4?34； Q81 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0173?05

Research on pathfinding task under simulated prosthetic vision

ZHAO Ying， JIANG Guangqi， GENG Xiulin， LI Qi

（School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： The pathfinding task under simulated prosthetic vision is studied in the realistic scene. The subject wears a head?mounted displayer， the external images are obtained by the photographing device above the displayer， and pixelized processing of real?time scene images is performed by connecting the displayer and photographing device to the computer via the data transmission line. In the experiment， the standard roller skating piles were used to lay the experimental channel， the subject was asked to find the path and discriminate the direction in the pre?laid channel after wearing a head?mounted displayer， and the pathfinding time and collision times were analyzed and researched. The results show that when the resolution ratio is 64×64， the pathfinding time is the shortest； when the resolution ratio increases from 32×32 to 48×48， the pathfinding time decreases by 40%， and the collision times decrease by 43%； when the resolution ratio increases from 48×48 to 64×64， the pathfinding time decreases by 22%， and the collision times decrease by 31%. As the experimental resolution ratio increases， the pathfinding time and collision times decrease significantly. The subject′ gender and the experimental time （day or night） have no significant influence on the pathfinding time， and the female subjects have better experimental results during the day. The research can provide an early?stage theoretical reserve for the design and development of the artificial visual prosthetic system.

Keywords： pathfinding task； visual prosthesis； pixelized processing； resolution ratio； pathfinding time； collision times

0 引 言

視覺作為認知世界最直接也是最基本的獲取信息的一種方式，為人類日常生活中提供了70%的外界信息，因此，失明是人類最嚴重的殘疾之一[1]。視覺通路任何一部分病變或損壞都會致盲，以視網(wǎng)膜色素變性和老年黃斑變性最為普遍。目前，全世界視力殘疾的人約有2.85億，中國約有7 500萬視力殘疾患者，其中有820萬盲人，能夠重見光明是每位盲人的美好希望[2?4]。

視覺假體的研發(fā)為盲人重見光明帶來了可能性，其利用盲人殘存的部分完整且結(jié)構(gòu)和功能完好的視覺通路，通過人工進行電刺激誘發(fā)“光幻視”使盲人產(chǎn)生部分視覺感受[4?8]。視覺假體由圖像采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、無線傳導、神經(jīng)刺激等組成部分[9?11]。

ArgusⅡ[12]目前已經(jīng)投入市場并在不斷研發(fā)過程中，但由于臨床試驗具有一定局限性，無法對患者進行大規(guī)模植入，因此，仿真假體視覺[13]下任務實驗具有重要意義。吳昊等人研究了仿真假體視覺下不規(guī)則光幻視的眼手協(xié)調(diào)研究[14]；Macé M J等人研究了基于仿真視覺假體下的目標識別及等位任務[15]；Wang J等人進行了模擬人工視覺的圖像處理策略的研究[16]；Xia等人進行多目標識別任務[17]；Luo等人進行物體定位和三維空間抓握實驗[18]；Dagnelie 小組采用仿真假體視覺同樣研究了虛擬現(xiàn)實中尋路問題。尋路實驗的關(guān)鍵在于通路的設(shè)計，對通路的空間構(gòu)型和內(nèi)在可讀性具有較高的要求[19?20]。

本研究通過頭戴式顯示器上方的攝像頭采集現(xiàn)實場景圖像，圖像經(jīng)一系列處理策略成為像素化圖像顯示在頭戴式顯示器的屏幕中。受試者通過頭戴式顯示器提供的視覺信息進行尋路實驗，實驗員記錄并分析了不同分辨率對尋路時間與碰撞次數(shù)的影響。

1 材料與方法

1.1 受試者及合規(guī)聲明

受試者為20名內(nèi)蒙古科技大學的研究生，男女各10人，所有人的視力或校正視力后均可達到20/20的視覺敏銳度。實驗前已經(jīng)對受試者進行實驗步驟和內(nèi)容的講解，并且每位受試者承諾能夠認真對待實驗內(nèi)容。實驗滿足《界醫(yī)學協(xié)會赫爾辛基宣言》中以人作為受試對象的生物醫(yī)學研究的倫理原則和限制條件，所有參與的受試者在參與之前簽署知情同意書。

1.2 實驗設(shè)備及方法

實驗中使用攝像頭（羅技c920）獲取實時圖像，經(jīng)個人電腦（聯(lián)想 30AGA29BCN Tower臺式電腦）完成圖像像素化的實時處理，再由頭戴式顯示器（5DT HMD 800?40 3D，分辨率800×600，視野區(qū)域40°）呈現(xiàn)給被試像素化的實時圖像。通過輪滑樁（標準輪滑樁，直徑7.8 cm，高度8 cm，材質(zhì)為塑料）構(gòu)建所需通路。

在假體視覺中，眼手協(xié)調(diào)的訓練能幫助假體植入者更有效地完成日常視覺任務。本研究中使用32×32，48×48，64×64三種分辨率由低到高進行測試，主要考察被試在尋路過程中的碰撞次數(shù)、尋路時間等參數(shù)。實驗路徑采用輪滑樁進行鋪設(shè)，相鄰輪滑樁間距平均為30 cm，通路兩側(cè)輪滑樁間距平均為60 cm。受試者走入通路則記為實驗開始，結(jié)束時間以受試者走出實驗路徑時停止計時。受試者在判斷方向和尋路過程中踢倒或越過輪滑樁記為一次碰撞，實驗的通路示意圖如圖1所示。

1.3 實驗步驟

實驗選擇在一間空曠安靜的教室內(nèi)進行，確保不受任何干擾且受試者狀態(tài)良好。實驗中要求被試者佩戴頭戴式顯示器，頭戴式顯示器上方固定有攝像裝置，頭顯和攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸線與聯(lián)想筆記本連接。筆記本電腦通過軟件運行程序?qū)z像頭采集的原始圖像進行實時像素化處理，筆記本電腦和頭顯圖像一致，實驗采用錄像設(shè)備及秒表記錄數(shù)據(jù)。預實驗為一些簡單的日常任務，包括受試者通過頭戴式顯示器觀察周圍環(huán)境，熟悉實驗設(shè)備及內(nèi)容。在此之后開始正式試驗，受試者首先在實驗員的引導下走到實驗通路的入口處，待受試者調(diào)整實驗設(shè)備可以看見前方通路則宣布實驗開始。受試者佩戴頭戴式顯示器的視野區(qū)域為40°，受試者可以通過頭部旋轉(zhuǎn)判斷其尋路方向。實驗場景如圖2所示。

2 結(jié) 果

2.1 不同分辨率與尋路時間的分析

圖3所示為尋路時間統(tǒng)計圖，其中橫坐標代表實驗的三種分辨率：32×32，48×48，64×64，縱坐標表示三種分辨率下受試者尋路時間。由圖3可知，分辨率為64×64時受試者所用尋路時間為（174.11±43.38） s，分辨率為48×48的尋路時間為（249.20±63.83） s，比分辨率為64×64時的尋路時間增加了75 s，而分辨率為32×32的尋路時間為（420.08±127.14） s，比分辨率為48×48的尋路時間增加171 s。對于三種分辨率下尋路時間比較，分辨率變化對被試者尋路時間有顯著性差異（P<0.05）。

2.2 不同分辨率與碰撞次數(shù)分析

圖4表示三種分辨率下受試者尋路時間和碰撞的對應散點圖。由圖4a）可以看出，分辨率為32×32時，尋路時間集中在200～500 s，碰撞次數(shù)最大值為11次且集中在0～7次；圖4b）分辨率為48×48的受試者尋路時間集中在200～400 s，碰撞次數(shù)最大值為9次且集中在0～4次；圖4c）可以發(fā)現(xiàn)分辨率為64×64時，尋路時間集中在100～300 s，碰撞次數(shù)最大值為4次且集中在0～2次。接下來，對碰撞次數(shù)與實驗時間進行相關(guān)性分析。P>0.05，分辨率為32×32（r（18）=0.012）；分辨率為48×48（r（18）=0.012，）；分辨率為64×64（r（18）=0.292）。以上三種分辨率尋路時間與碰撞次數(shù)相關(guān)性不大，說明尋路時間與碰撞沒有必然聯(lián)系，但是分辨率的改變對碰撞次數(shù)有明顯的影響。

2.3 性別與實驗時間組間比較分析

性別與實驗時間組間比較分析如表1～表3所示。

表2表示尋路實驗時間（白天/晚上）均值及標準差。實驗時間F（1，8）=0.83，P>0.05，偏η2=0.049，白天進行尋路時間為（267.92±20.54） s，比晚上所用的（294.34±20.54） s時間少27 s。可以得出結(jié)論，白天利用自然光比晚上用日光燈尋路效果更好但無顯著性差異。

表3為性別和實驗時間的交互效應， F（1，16）=0.075，P=0.79，得出P>0.05，偏η2=0.005。男女的尋路時間差異不顯著，男受試者白天進行實驗所用時間為（273.99±29.06） s，比其晚上進行實驗少19 s。而女受試者白天做實驗用時為（261.84±29.06） s，比其晚上進行實驗少35 s。由以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，女受試者白天進行實驗效果較好。

3 結(jié) 論

1） 分辨率與尋路時間的關(guān)系。由分辨率的不同引起尋路時間變化可得出以下結(jié)論：隨著分辨率的提升，尋路時間隨之減少且三種分辨率在尋路時間上具有顯著性差異。隨著分辨率的增加被試者的尋路時間集中程度加強，表現(xiàn)趨于穩(wěn)定。通過一元線性回歸模型分析，本實驗中無法通過低分辨率尋路時間對高分辨尋路時間做出準確預測。

2） 尋路時間與碰撞次數(shù)的關(guān)系。由對尋路時間和碰撞次數(shù)分析得出結(jié)論：隨著分辨率的提升，尋路時間不斷減少且集中程度增強，碰撞次數(shù)逐漸減少，受試者總體差異性不大分辨率提升對碰撞次數(shù)有很大影響；但是通過對尋路時間和碰撞次數(shù)進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，碰撞次數(shù)與尋路時間相關(guān)性較小。

3） 性別與實驗時間的關(guān)系。由以上分析能得出結(jié)論：根據(jù)性別分類，女性被試尋路平均時間比男性被試短，但無顯著差異性，即性別不同對實驗無顯著影響。根據(jù)實驗時間分類，二者經(jīng)統(tǒng)計分析無顯著性差異，但白天實驗效果優(yōu)于晚上實驗效果。根據(jù)性別及時間組間分析可以發(fā)現(xiàn)，女受試較易受實驗時間影響且在白天實驗用時最少，男受試者實驗數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。

由于受試者需要佩戴頭戴式顯示器進行尋路實驗頭戴式顯示器自身具有一定重量，顯示器的圖像尺寸相當于視野范圍2.5 m外50寸屏幕大小，因此，受試者在實驗過程中會有部分視覺誤差，但在進行預實驗時受試者已經(jīng)熟悉實驗設(shè)備，視覺差異對實驗的影響不大。

本實驗采用實際場景進行仿真假體視覺實驗。受試者佩戴頭戴式顯示器，模擬仿真視覺假體進行尋路實驗。實驗過程中，受試者可以通過移動頭部判斷自己的位置和所處空間結(jié)構(gòu)，實驗內(nèi)容接近盲人植入后的尋路實驗。受試者在現(xiàn)實場景中學習識路及判別方向等技巧，通過不斷地學習積累經(jīng)驗，可為視覺假體植入后的康復訓練提供有效的理論和實際支持。

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