可在www.sciencedirect.com在线获取理论计算机科学电子笔记329（2016）169-179www.elsevier.com/locate/entcs基于Hadamard积的RamiroVelazquez 1，ClaudiaN. S'anchez2泛美大学Campus AguascalientesFacultaddeIngenier'ıa阿瓜斯卡连特斯，墨西哥Edwige E 皮萨卢3法国蒙圣艾尼昂大学摘要在本文中，实时图像处理系统的设计，以模拟视力正常的视觉障碍。该系统由一台摄像机、一台计算机和一个虚拟现实（VR）耳机组成。基于摄像机视频信号的Hadamard（或Schur）乘积和一组预定义的戴上口罩后，使用者可能会患上黄斑变性、糖尿病视网膜病变、青光眼、偏盲等眼疾。一个定量的用户研究，以说明最复杂的日常任务的人与视觉障碍的脸：阅读。关键词：阿达玛产品，图像处理，模拟器，视觉障碍，可穿戴系统。1引言2014年8月，世界卫生组织（WHO）发布了关于视力障碍和失明的最新报告[27]。该报告估计，全世界有2.85亿视力受损者。其中，2.46亿人存在低视力，3900万人主要因白内障，青光眼和年龄相关性黄斑变性而失明。失明的流行取决于年龄和人口统计学：世界上约82%的这些数字1电子邮件：rvelazquez@up.edu.mx2电子邮件：cnsanchez@up.edu.mx3电子邮件：edwige. univ-rouen.frhttp://dx.doi.org/10.1016/j.entcs.2016.12.0101571-0661/© 2016作者。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。170R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169这是一个重要的社会和卫生保健问题，需要社会的参与对于大多数视力正常的人来说，失明和视力障碍似乎是一个遥远的问题。在视力被视为理所当然的情况下，这些人每天所经历的限制是无法想象的任何共同活动（如信息获取、移动性、寻路、与环境和其他人的互动等）代表着一个严峻的挑战。很少有视力正常的人想知道视力受损会是什么样子。体验残疾并面对其挑战的可能性无疑是朝着更好地理解视力障碍迈出的一步。在此背景下，我们开发了一个基于计算机的系统，让用户准确了解几种眼科疾病对人类视觉的影响。该系统基本上由一个虚拟现实（VR）耳机组成，可以在沉浸式环境中投射图像和视频在使用数字图像处理技术后，VR头盔该项目的主要目标是教育视力正常的人了解低视力，并提供一个技术平台，为视力正常的人重现低视力状况，以测试辅助设备的新概念本文的其余部分组织如下：第2节介绍了一个简短的低视力模拟器的最新进展。第三节介绍了模拟器的设计、原型和工作原理。第4节通过对一组志愿受试者进行的阅读任务来评估系统最后，第五部分总结了本文的主要贡献和未来的2相关工作表现视力受损的最简单方法是绘画。有一些由视力障碍者制作的艺术作品，说明了眼疾的后果。例如，[17]中的绘画汇编显示了患有黄斑变性的艺术家对环境的感知模拟视觉障碍的一种流行方法是使用镜片。这种类型的几个模拟器已经存在，并在商业上可用[9，28]。它们由焊工护目镜组成，镜片经过修改以模拟低视力。它们简单、坚固、便宜。护目镜的主要不便之处在于它们只能模拟一只眼睛的疾病。计算机技术已经被用来模拟低视力。在文献中可以找到几个它们都由软件工具组成，在使用数字图像处理技术时，能够模拟近视、黄斑变性、白内障、青光眼等[1，11，13]以及不同水平的色盲[26，21]。用户通常选择眼部病理以应用2D静态图像，并在计算机屏幕上可视化结果在VR领域，Jin et al.设计了一个虚拟的公寓，R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169171.视力受损[14]。类似地，Lewis等人在[16]中提出了一个虚拟餐厅，用户必须在低视力条件下导航3设计概念和原型模拟器的概念设计如图所示。1（a）.该系统基本上由一个视频摄像机和一个VR头戴式耳机组成，两者都连接到一台计算机上。摄像头获得的视频通过计算机上运行的实时图像处理技术进行修改，并将结果投影到VR头戴设备上。VR头显作为计算机的辅助显示器。这款首款原型使用了Emagin Z800 3DVisor[8]，这是一款紧凑、轻便、低成本的头戴式显示器，可提供身临其境的环境。另一方面，摄像机提供高分辨率（1600 x 1200像素）RGB图像。其紧凑的尺寸（6.8 cmx 6 cm x 5.8 cm）和质量（89 g）是该应用的优势。模拟器如图所示。第1段（b）分段。请注意，该系统是完全可穿戴的。使用自动化汉弗莱视野分析仪（Humphrey Field Analyzer，HFA）进行的视野测量研究显示，原型图2将一些感兴趣的视野与模拟器的视野进行了比较然而，物体的正确辨别需要一定的视觉敏锐度，这在所有这些范围内都不会发生。形式的辨别是用60度的视野完成的，而阅读文本的视野是20度。使用C++和OpenCV [19]自行开发的软件修改VR头显其工作原理如图所示。3 .第三章。考虑由矩阵A表示的尺寸为MxN x 3的RGB图像和由矩阵P表示的尺寸为MxN的二进制图像（掩模）。Hadamard（或Schur）积是矩阵A和矩阵P的每个RGB层的逐元素乘法，如等式所定义。 （一）. 如果像素pij的值为0（黑色），则输出像素Cij将为0。 如果像素pij的值为1（白色），则输出像素Cij将等于aij。C=（AP）ij=0 ifpij= 0aijifpij= 1（一）其中，符号使用这种技术，用户可以体验到：1.黄斑变性：是一种由黄斑变性或损伤引起的眼病。 它通常在50岁以上的成年人中观察到， 这是导致这一人群视力受损的主要原因[6]。当黄斑不能正常工作时，视野的中心区域会被黑点遮住。周边视觉保持完整（图。4（a））。2. 糖尿病视网膜病变：它是糖尿病的眼部表现，由冲洗视网膜的血管恶化这种劣化172R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169摄像头电脑VR耳机（一）（b）第（1）款Fig. 1. 视觉障碍模拟器：（a）设计和（b）原型。注视方向文本10°-10度形式30°28°-30度-28度模拟器视野95度-95度图二. 模拟器会有液体或血液渗漏到视网膜上人类视觉的结果如图4（b）所示。据估计，80%患有1型或2型糖尿病超过10年的患者将发展为糖尿病视网膜病变[15]。R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）1691733. 偏盲：这是一种眼科疾病，只有一半（或174R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169图3.第三章。视觉障碍模拟器：基于面罩和Hadamard产品的操作原理(a)(b)（c）第（1）款(d)（e）（f）(g)（h）见图4。原型模拟的眼部疾病：（a）黄斑变性，（b）糖尿病视网膜病变，（c）偏盲，（d）中心暗点，（e）隧道视觉，（f）偏头痛强化，（g）垂体瘤，（h）青光眼和视网膜色素变性。右或左）的视野（图4（c））[10]。它通常会影响双眼。 它可能是先天性的，但通常与中风，严重创伤或手术引起的脑损伤有关4. 青光眼：它是一种眼科疾病，其特征通常是增加R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169175表1模拟眼部疾病。眼病已删除图像（%）黄斑变性5糖尿病视网膜病变6偏盲48中心暗点8隧道视野96偏头痛强化8垂体瘤10青光眼视网膜色素变性91眼内压因此，在视觉区域中产生盲点。青光眼可以导致中央视力丧失（中央暗点，图。4（d））或周围视力丧失（隧道视力，图4）。[4（e）]。5. 偏头痛强化现象：患有偏头痛的人可能会出现类似图1所示的短暂视觉症状。4（f）[12]。一旦偏头痛减轻，视力恢复正常，患者可能会经历偏头痛的其他症状，包括头痛，恶心，失去平衡，耳鸣等。6. 前列腺肿瘤：这些肿瘤是良性的（非癌性的），在一个人的一生中通常从未被诊断出来。随着肿瘤的生长，调节视力等重要身体功能的激素的产生可能会发生变化。图图4（g）显示了垂体瘤引起的典型视觉变化[18]。7. 青光眼和视网膜色素变性：有时青光眼和视网膜色素变性合并严重损害视力（图4（h））[2]。这是一种遗传和退化的病理学。通常，这种组合的患者会因为严重的视力丧失而表1通过给出每种模拟病理学的检测百分比，量化了建议掩模对模拟器输入图像/视频的影响4评价可以使用模拟器进行的任务包括信息访问，移动性，对象操作，与其他人的交互等。事实上，对低视力患者进行的几项调查一致认为，阅读是他们日常生活中最具挑战性的任务[7，5]。例如，约翰霍普金斯威尔默眼科研究所对1,000名视力受损患者进行的一项调查问卷显示，阅读是65%受访者的主要关注点（图1）。5）。176R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169一个初步的实验是用一组视力正常的人进行的。用模拟器和一组模拟的视觉障碍来评估受试者在阅读文本中的表现。阅读驾驶附近任务远程任务移动性面临其他任务眩光书写电视010 20 30 40 50 60 70答复（%）图五、有视力障碍的人的主要关注点，之后[20]。4.1参与者泛美大学的五名年轻人（3男2女）本科生自愿参加了实验。唯一的选择标准是在不需要眼镜的情况下拥有良好的视力;这只是为了不妨碍VR头盔的使用。年龄19 - 24岁，平均21.2岁。4.2方法实验包括大声朗读一个180字的文本与原型和原型模拟糖尿病视网膜病变，偏盲，中央scotoma，和隧道视觉。在整个测试中使用了三个不同的文本，每个文本180个单词（Times Roman字体大小14），以尽量减少句子重复和文本记忆的影响记录每个参与者在每种低视力条件下的阅读时间。在测试之前，允许受试者在他们方便的情况下调整VR头戴式设备。在解释了任务之后，允许短暂熟悉模拟器。在测试过程中，提供了500勒克斯的室内照明水平，以确保理想的阅读条件。图6（a）说明了该测试的发展。4.3结果图6（b）总结了从受试者获得的每个模拟视觉损伤的阅读时间。正常阅读条件下（无原型）的平均阅读时间为50 s，投影原始视频的原型（无模拟损伤）为58 s，原型为80 s、84 s、84 s和264 sR. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169177分别模拟糖尿病视网膜病变、偏盲、中心暗点和隧道视觉。请注意，正常阅读条件下的中值阅读时间和投影原始视频的原型非常相似，因此可以得出结论，使用模拟器不会显著影响受试者在任务中的表现。还请注意，糖尿病视网膜病变、偏盲和中心暗点的阅读表现实际上是相同的这三种眼部疾病的中心视力不佳，而周边视力得以维持;因此，预期性能相似然而，观察到读取时间的重要增加（比正常读取增加30 s）。毫不奇怪，隧道视觉的阅读时间最长。两名受试者发现这种阅读条件非常困难，因此在没有得出结论的情况下放弃了测试，他们被排除在分析之外。基于这些结果，可以得出结论，周边视觉比中央视觉更适合阅读。（一）（b）第（1）款见图6。阅读任务：（a）实验设置和（b）每个模拟视觉障碍下阅读时间的箱形图分析。178R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169五、结论本文介绍了一个视觉障碍模拟器的设计、实现和初步评价该系统由三个模块组成：摄像机，计算机和VR头戴式耳机。实时图像处理技术应用于摄像头获得的视频，并将结果投影到VR头戴设备上。在使用Hadamard产品和一套面具后，该系统能够模拟八种最常见的视力障碍原因该模拟器设计简单，易于实现。研制的样机结构紧凑，成本低，可穿戴，并提供了一个清晰和精确的概念的性质的眼睛疾病的与低视力模拟器护目镜[9，28]相比，面罩的优点是不需要任何制造或机械组装，并且允许更容易/更快地开发和测试低视力效果。将模拟器与[1，11，13]中描述的作品进行比较，这里提出的原型提供了周围环境的实时视频，这无疑是计算机屏幕上静态图像的巨大关于虚拟环境中的低视力模拟器[14，16]，可以得出结论，尽管它们提供了真实的图形，但它们提供了供用户探索和交互的有限版本的环境。本文提出的模拟器是为在真实环境中工作而设计的。该模拟器是由一组五名视力正常的志愿者在涉及阅读文本的任务中进行实验评估的这个实验的数据使我们能够确定这些障碍对任务的影响。结果表明，阅读速度取决于周边视觉（与[4]一致我们的系统的主要目标是教育和提高正常视力的低视力和视障人士面临的日常挑战。 这对特殊教育教师、盲文教师、心理学家、定向和移动专家、低视力专家和视力康复治疗师等领域的专业人士特别有用第二个目标是拥有一个可穿戴的技术平台，模拟正常视力的低视力条件这对于辅助器具新概念的设计和评估是有用的未来的应用程序的模拟器将有助于设计的软件工具，解决问题的数字信息访问的人有视觉障碍。模拟器无疑将提供有用的提示，如何调整显示在计算机屏幕上的文本，以适应低视力读者的特殊需要。预计还将使用模拟器来审查我们以前开发的辅助设备[22，23，24，25]，目的是在可用性和可访问性方面找到改进点引用[1] Banks，D.和R. J. McCrindle，R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169179[2] Bhatti，M. T.，视网膜色素变性，色素性视网膜病变和神经系统疾病，当前神经病学神经科学报告，6（2006），403-413。[3] 卡森河G. Chidlow，J. Wood，J. Crowston，and I. Goldberg，青光眼的定义：临床和实验概念，临床实验眼科学，40（4）（2012），341-349。[4] 钟，S。T.，G. E. Legge和S. H. Cheung，Letter-recognition and reading speed in peripheral visionbenefit from perceptual learning，Vision Research，44（7）（2004），695-709.[5] 克罗斯兰，M.，E.古尔德角Helman，M. Feely和G. Rubin，基于医院的低视力诊所的期望和感知效益：探索性定性研究的结果，视觉障碍研究，9（2-3）（2007），59-66。[6] De Jong，P. T.，视网膜相关性黄斑变性，新英格兰医学杂志，355（2006），1474-1485。[7] Elliott，D.，M. Trukolo-Ilic，J.斯特朗河Pace，A.Plotkin和P.陈文辉，老年人视力障碍的人口统计学特征，眼科&学与视觉科学，38（12）（1997），2566-2575。[8] eMagin Inc.，关闭MT，USA.网址：http://www.emagin.com。[9] 叉在的路愿景康复服务有限责任公司，麦迪逊WI，USA. 网址：http://www.lowvisionsimulators.com[10] 乔治河，R. Woods和E. Peli，偏盲周边棱镜眼镜的临床和实验室评价，验光和视觉科学，86（2009），492-502。[11] Goodman，J.，P. M. Langdon，P. J. Clarkson，N. Caldwell，和A. M. Sarhan，“装备设计师通过模拟视觉和听觉障碍的影响[12]Grosberg，B.，S. Solomon和R.Lipton，视网膜偏头痛，当前疼痛和头痛报告，9（4）（2005），268-271.[13] Hogervorst，M.A. 和W.J. Van Damme，Visualizing visual impairment，Gerontechnology，5（4）（2006），208-221.[14] 金，B.，Z. Ai和M.陈建民，[15] Kamath，S.，V.I. George和S. Vidyasagar，Simulation Study on Type I Diabetic Patient，IETEJournal of Research，55（6）（2009），287-293.[16] Lewis，J.，D.布朗，W。Cranton和R. Mason，[17] Mcpherson ，H.，在风景和失明之间：一位患有黄斑变性的艺术家的一些绘画，文化地理，15（2）（2008），261-269。[18] Melmed，S.和D.Kleinberg，S. Melmed（Ed.），Elsevier Saunders，Philadelphia（2011），229-290.[19] 开源计算机视觉（OpenCV）。网址：http://opencv.org[20] Rubin，G.，测量阅读表现，视觉研究，90（2013），43-51。[21] Ruminski，J.，M. Bajorek，J. Ruminska，J. Wtorek，and A. Bujnowski，“计算机化色彩处理fordichromats”， 在 Human-Computer Interaction AISC 98， Z. S. Hippe （ Ed.） Springer-Verlag ， Berlin（2012），453-470.[22] V e l'azquez，R.，E. Pissaloux，J.C. Guinot和F. Maingreaud，“使 用 tou c h 的 步 行 ： 视 觉 受 损 者 非 侵入 性 ETA 的 设 计 和 初 步 原 型 ” ， IEEE 医 学 和 生 物 学 工 程 学 会 年 度 国 际 会 议 论 文 集 （ 2005 ） ，6821-6824 。[23] 维拉兹克斯河。 和S. Gut i'errez，“使用横向驱动器的触觉显示器的新测试结构”，IEEE国际仪器和测量技术会议论文集（2008）1381- 1386。[24] 维埃拉兹克斯河， H. Her n'andez和E. Preza，“A portable eBo ok reader for the blind”，Pr o c. IEEE医学和生物学 工程学会年 度 国 际 会 议 （2010年），2107-2110。180R. Velázquez等人/理论计算机科学电子笔记329（2016）169[25] 维埃拉兹克斯河，E. Pissaloux和A. L ay-Ekuakille，Tactile-foot刺激可以帮助视力障碍者导航，应用仿生学和生物力学，2015（2015），9页。[26] Vienot，F.和H.陈志荣，[27] 世界卫生组织（世卫组织），282（2014）。网址：http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs282/en/[28] 齐默尔曼低视力模拟套件，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国。网址：http://www.lowvisionsimulationkit.com
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