新型便攜式自主視力檢測(cè)儀

喬一涵

本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于安卓系統(tǒng)和視覺智能分析的自主視力檢測(cè)系統(tǒng)，讓使用者自己可以獨(dú)立完成視力檢測(cè)，不再需要他人協(xié)助。視力測(cè)試過程中的指向方式遵循現(xiàn)行的視力檢測(cè)方法，采用標(biāo)準(zhǔn)的E字母視力表。該系統(tǒng)具有成本低、易攜帶、方便操作、檢測(cè)準(zhǔn)確性高、可記錄歷史測(cè)試曲線等特點(diǎn)。其功能實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)為視覺智能，主要包括人臉檢測(cè)、手勢(shì)檢測(cè)和標(biāo)記物檢測(cè)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊

基于圖像分析的智能視力檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括以下5個(gè)模塊。

圖像采集模塊：通過安卓設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像的采集。

人臉檢測(cè)模塊：通過在采集到的圖像中進(jìn)行人臉檢測(cè)判斷是否有使用者，并根據(jù)人臉的位置確定使用者的站位是否合適，同時(shí)標(biāo)定手勢(shì)檢測(cè)的有效范圍。

手勢(shì)識(shí)別模塊：在標(biāo)定的手勢(shì)范圍內(nèi)，通過膚色檢測(cè)得到手的輪廓并分析得到使用者當(dāng)前的指向。

視力表顯示模塊：該模塊與手勢(shì)識(shí)別模塊同時(shí)工作，在判斷到有使用者后，根據(jù)視力檢測(cè)算法，在安卓設(shè)備屏幕上顯示相應(yīng)的E對(duì)使用者進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)根據(jù)手勢(shì)識(shí)別模塊的結(jié)果更新顯示的內(nèi)容。

結(jié)果顯示模塊：接收視力表顯示模塊的期望指向和手勢(shì)識(shí)別模塊輸出的實(shí)際指向，對(duì)比得出測(cè)試結(jié)果，對(duì)使用者每一次的指向結(jié)果和最終的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行屏幕顯示。

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

人臉檢測(cè)方法。系統(tǒng)中使用Haar特征與AdaBoost分類器的組合實(shí)現(xiàn)人臉的初步檢測(cè)。Haar特征是一種經(jīng)典的常用于人臉檢測(cè)的圖像特征。提取出Haar特征向量后使用AdaBoost分類器就可以進(jìn)行分類，判斷一張圖是否為人臉。初步得到人臉檢測(cè)結(jié)果后，再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果框的大小及長寬比排除干擾結(jié)果，最后計(jì)算檢測(cè)結(jié)果框中膚色區(qū)域的比例，到達(dá)一定的比例值則認(rèn)為檢測(cè)到一張人臉，進(jìn)而可以進(jìn)行之后的流程。

人手指向判斷算法。首先根據(jù)人臉位置，從采集到的圖片中將標(biāo)定的手勢(shì)檢測(cè)識(shí)別范圍切割出來。之后通過膚色檢測(cè)的方法獲得膚色塊的輪廓，遍歷找出最大輪廓，即為疑似手勢(shì)輪廓。通過計(jì)算疑似輪廓的大小及長寬比判斷是否為干擾。

判斷為手勢(shì)輪廓而不是干擾后，遍歷手勢(shì)輪廓上的所有點(diǎn)，輪廓上最突出的點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)使用者指向某一方向時(shí)的指尖點(diǎn)。將指尖點(diǎn)逆時(shí)針方向的一小段輪廓擬合成直線，計(jì)算直線與橫軸的夾角，夾角小于分界角度（例如60°）則認(rèn)為使用者指向橫向（左右方向），否則認(rèn)為指向豎向（上下方向）。

判斷為橫向后，檢查輪廓重心的橫向相對(duì)位置，其相對(duì)位置與指向相反，即重心在右半部分說明指向左，反向同理。判斷為豎向后，檢查輪廓重心的豎向相對(duì)位置，其相對(duì)位置也與指向相反，即重心在下半部分說明指向上，反向同理。

標(biāo)記物指向判斷算法。首先通過顏色識(shí)別標(biāo)記物的輪廓。得到標(biāo)記物輪廓后，通過長寬比我們就可以判斷是指向橫向還是豎向。之后再進(jìn)行膚色識(shí)別，目標(biāo)是識(shí)別持有標(biāo)記物的手，通過手與標(biāo)記物的相對(duì)位置就可以確定指向。例如根據(jù)長寬比判斷為豎向后，若手在標(biāo)記物下方則明顯是指向上。

安卓系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。本系統(tǒng)是基于安卓平臺(tái)使用Java開發(fā)予以實(shí)現(xiàn)的。首先安裝Java環(huán)境及JDK（Java SE Development Kit）開發(fā)工具；之后安裝Eclipse作為Java開發(fā)的編程環(huán)境。再安裝Eclipse的Android SDK與ADT（Android Development Tools）插件，使其能夠支持安卓平臺(tái)程序。最后準(zhǔn)備OpenCv的Android SDK庫用于實(shí)現(xiàn)圖像相關(guān)的操作，至此完成系統(tǒng)主要程序部分開發(fā)的準(zhǔn)備工作。

設(shè)計(jì)視力檢測(cè)標(biāo)識(shí)更新

在實(shí)現(xiàn)過程中參考現(xiàn)行的視力檢測(cè)設(shè)計(jì)了視力檢測(cè)標(biāo)識(shí)更新方法，主要步驟如下。

標(biāo)準(zhǔn)E視力表共14行，第1次調(diào)用顯示的E大小對(duì)應(yīng)第8行，方向由1個(gè)1到4的隨機(jī)數(shù)決定（對(duì)應(yīng)上下左右），此后每次更新顯示，方向均由新的隨機(jī)數(shù)決定，之后不再說明方向，僅用行數(shù)說明大小。

循環(huán)地根據(jù)圖像處理的結(jié)果判斷指向是否正確。

連續(xù)2次正確則測(cè)試行數(shù)加1變?yōu)?，進(jìn)入下降模式；連續(xù)2次錯(cuò)誤則測(cè)試行數(shù)減1變?yōu)?，進(jìn)入上升模式，否則繼續(xù)顯示當(dāng)前行數(shù)8對(duì)應(yīng)大小的E。

下降模式中，連續(xù)2次正確，若已經(jīng)到達(dá)第14行，則測(cè)試結(jié)束返回14，否則測(cè)試行數(shù)加1繼續(xù)下降，連續(xù)錯(cuò)誤2次測(cè)試結(jié)束，返回當(dāng)前行數(shù)減1，否則繼續(xù)顯示當(dāng)前行數(shù)大小的E。

上升模式中，連續(xù)2次錯(cuò)誤，若已經(jīng)到達(dá)第1行，則測(cè)試結(jié)束返回1，否則測(cè)試行數(shù)減1繼續(xù)上升，連續(xù)正確2次測(cè)試結(jié)束，返回當(dāng)前行數(shù)，否則繼續(xù)顯示當(dāng)前行數(shù)大小的E。

根據(jù)返回的行數(shù)就得到了對(duì)應(yīng)的視力測(cè)試結(jié)果。

創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目基于安卓平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)，任何具備安裝安卓系統(tǒng)的設(shè)備都可以安裝，實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單方便，易于普及。

智能化操作平臺(tái)?？梢宰詣?dòng)檢測(cè)被測(cè)試者；可以自動(dòng)識(shí)別手勢(shì)和標(biāo)記物；可以及時(shí)聲音播報(bào)視力檢測(cè)結(jié)果。

使用者可以隨時(shí)隨地獨(dú)立檢測(cè)，即時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果。

具有歷史檢測(cè)結(jié)果記錄檔案的功能。

申請(qǐng)了一項(xiàng)發(fā)明專利——“基于圖像分析的智能視力檢測(cè)儀（201611140016.8）”。

未來研究方向

通過云計(jì)算平臺(tái)形成大數(shù)據(jù)，可以對(duì)大量測(cè)試者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)測(cè)試者視力進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于測(cè)試者群體尤其是青少年群體，可以通過歷史記錄曲線、云計(jì)算，對(duì)青少年整體視力情況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，督導(dǎo)青少年群體的視力改善。同時(shí)，可以與專業(yè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作，長期跟蹤，提醒測(cè)試者改善視力，提出診治方法。對(duì)于個(gè)體測(cè)試者可以即時(shí)提供專業(yè)視力保護(hù)、診治的服務(wù)，加強(qiáng)測(cè)試者與專業(yè)機(jī)構(gòu)互動(dòng)，完善用眼問題的預(yù)防和介入。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)

專家評(píng)語

本項(xiàng)目利用視力模型、距離檢測(cè)模型、手機(jī)的人臉檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視力的自我快速測(cè)量。建議結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等方法，擴(kuò)展提升功能。