1設(shè)計構(gòu)想

項目背景

1.1.1 科技背景

隨著當(dāng)今科技發(fā)展速度的激增，越來越多的請電子工業(yè)產(chǎn)品以令人驚異的頻率更新?lián)Q代并且已經(jīng)在百姓的生活中得到普及。移動設(shè)施如手機、eBook等就是很典型的例子，包括最近兩年推出的各款式的平板電腦如iPad等也在市場上受到了熱烈的推崇?？梢灶A(yù)見，這些大屏幕的移動設(shè)備會在人們的生活中愈來愈普及，并且趨于多樣化、多功能化、輕便化。以手機為例，目前中國市場上流行的手機如iPhone、小米都是使用大液晶屏幕的手機，內(nèi)置的操作系統(tǒng)為IOS系統(tǒng)或安卓系統(tǒng)(Android)，這類手機的觸屏手感極好，運算速度更快，圖像顯示更清晰，在不久之后就會以絕對優(yōu)勢取代非智能手機以及基于塞班系統(tǒng)等的小屏幕手機。

隨著這一類以液晶屏為顯示主體的移動電子產(chǎn)品功能的多樣化，他們的使用用途也越來越廣泛，使用地點也因不受限制而越來越廣泛。如今不乏看到有人在公交汽車、地鐵或長途客車、火車以及飛機上使用這樣的大屏幕手機發(fā)送短信、瀏覽照片，使用eBook閱讀雜志，或者使用平板電腦看電影等。然而，絕大多數(shù)人在以上環(huán)境中長時間使用這些設(shè)施之后會發(fā)生類似于眩暈的不適感，有些人甚至?xí)诙虝r間的使用后產(chǎn)生頭暈的癥狀。這種癥狀在公交汽車、客車這樣的經(jīng)常顛簸的交通設(shè)施上最為明顯，它限制了手機、eBook等在交通工具上的使用，更為嚴(yán)重的是，這種眩暈會傷害人的視力，對人們的身體造成傷害。

1.1.2 醫(yī)學(xué)依據(jù)

人的平衡靠大腦正確分析來自前庭、本體感受器和眼的正確估息，以正確反映自身與外界的相互關(guān)系，并通過一系列的反射，隨時調(diào)整這種關(guān)系。當(dāng)三種傳入的信息匹配不當(dāng)時，即發(fā)生眩暈。眼的信息來自視覺和動眼反射，通過視覺可以判斷視覺與外界的相互關(guān)系，增強空間定向能力;動眼反射則和前庭反射共司眼肌運動，使眼肌向所需方向轉(zhuǎn)動，以便視線在身體運動中能準(zhǔn)確對準(zhǔn)目標(biāo)。由前庭沖動發(fā)出的視線調(diào)節(jié)，使眼球反射性地朝逆方向轉(zhuǎn)動;由前庭沖動引起的眼球運動，則可追隨注視目標(biāo)，調(diào)節(jié)視線方向。登高俯視時可發(fā)生俯視性眩暈，從飛速行駛的火車車窗注視車外近景時可發(fā)生視動性眩暈。而閉眼則可以阻斷視覺刺激，防止上述眩暈的發(fā)生。由此說明，眼與眩暈發(fā)生有關(guān)。

眼的信息既來自視覺和動眼反射，則正確的信息必須要有良好的視覺系統(tǒng)(包括視網(wǎng)膜及其傳導(dǎo)通路)和正常的屈光系統(tǒng)。否則不能向大腦輸送清晰的圖像。因此，正常人必須要有完好的眼球運動系統(tǒng)(包括前庭動眼反射、視動性反射、平穩(wěn)跟蹤運動、眼震快相、掃視、融合等)，以獲得穩(wěn)定的視網(wǎng)膜影像，并能根據(jù)需要改變視線。^[1]影像必須是相當(dāng)穩(wěn)定的（但不是絕對穩(wěn)定的，否則會引起影像的消退)，才能使影像停留在視網(wǎng)膜上，得到最好的視覺分析。如果沒有這種眼球運動系統(tǒng)，任何不隨意的頭動，甚至心跳這樣的輕微振動也能使影像在視網(wǎng)膜上滑過，致使無法獲得穩(wěn)定的視覺。如鏈霉素中毒患者，其前庭動眼反射不能代償心跳誘發(fā)的頭動。而影響正常的學(xué)習(xí)和工作。眼源性眩暈可由下列各種情況發(fā)生。除視動性眩暈有明顯的旋轉(zhuǎn)感外，一般均呈視物或自身晃動不穩(wěn)感，閉眼后癥狀常消失。對于生理性的眼源性眩暈，主要包含以下兩種：

1.偏位性眩暈

視線強制性偏位40度以上，固視1~2分鐘后發(fā)生的眩暈，伴有眼球不規(guī)則的眼震樣跳動。此為眼肌過度收縮后本體感覺信號失調(diào)所致。

2.視動性眩暈

可固定注視轉(zhuǎn)動的條紋轉(zhuǎn)鼓或在高速行駛的車中注視近物而誘發(fā)。伴有視動性眼震，眼球呈鋸齒狀周期運動，其慢相與外物運動方向一致，其快相方向相反，即眼球的復(fù)位運動，臨床常利用此法來檢查視覺與前庭的聯(lián)系，即視物中樞是否正常。

1.2 研究目的

如果能開發(fā)出這樣的新型的使用液晶顯示屏的電子移動設(shè)備（或技術(shù)），它能夠大幅減弱人們在交通工具上使用它所承受的眩暈以及視覺疲勞感，這種產(chǎn)品將不僅能夠進一步“瓦解”電子移動設(shè)備的使用限制，也會更有利于消費者的視力和身體。一種想法是，在移動設(shè)施中嵌入一個具有傳感器功能的芯片，能夠?qū)υ撾娮右苿釉O(shè)備的運動情況進行捕捉，并通過對傳感器探測到的信號進行運算，得到一個補償矢量；將在液晶屏幕上顯示的信息在經(jīng)過與補償矢量的復(fù)合運算后的結(jié)果顯示在屏幕上，使之不會完全隨著移動設(shè)備的不規(guī)則運動而運動。根據(jù)后文介紹的現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)理論，這種方法確實可以從理論上降低眩暈感。

本次大賽提供的芯片中，有兩塊具有比較好的運動探測功能，他們分別是LSM303DLHC芯片、L3GD20芯片。將這兩塊芯片嵌入到移動設(shè)備的硬件中，作為捕捉移動設(shè)備運動的傳感器，即可實現(xiàn)上述功能。在本項目中，將利用LSM303DLHC芯片探測在三維坐標(biāo)下移動設(shè)備的加速運動情況并進行補償。為得到較為精密的處理結(jié)果，需要使用到LSM303DLHC盡可能多的傳感維度。而加入L3GD20芯片后的設(shè)備與本項目中的設(shè)備幾乎只有軟件與算法上的區(qū)別，可作為后續(xù)任務(wù)，不列入本項目中。

這種通過實時探測設(shè)備運動狀態(tài)并用軟件算法進行補償?shù)霓k法，我組初步將之稱為運動設(shè)施上的液晶穩(wěn)定顯示方法(Stable Display on Motive Equipment on LCD, SDME-LCD)。這種方法不僅可以在手機、eBook上的某些程序如短信、照片顯示、視頻播放等軟件中得到應(yīng)用，也可以用在戰(zhàn)地現(xiàn)場直播，現(xiàn)場航拍或試驗用精密電子攝像頭中；當(dāng)然，后者可能需要性能更好的傳感器芯片和電路設(shè)計方法，也許會需要專用集成電路方面的知識。

2方案實施

2.1 工作原理

進入SDME模式后，首先LSM303DLHC開始工作，并將采樣得到數(shù)據(jù)通過ARM處理器進行DSP處理。在DSP中將按照以下程序框圖所列選的步驟對信號進行計算。

我們設(shè)定在每一個微小的時間段Δt都重復(fù)進行以上步驟。首先，將加速度積分得到物體運動的速度，在這個過程中需要設(shè)立初速度值，初速度值的設(shè)定：以上一個微小時間段的末速度為0即可，這樣就能夠描述在Δt時間段內(nèi)物體的速度。將速度看成是震動，并分別對每一個維度上的速度信號進行傅里葉展開，將震動分解成基頻信號與諧波疊加的形式。^[2]

能使人眼產(chǎn)生視動性眩暈的信號頻率通常在一個范圍內(nèi)，只需要對這一部分頻率的運動引起的位移進行補償即可，無需且不允許對高于或低于這個頻率帶的波進行補償。其中低次濾波部分可以通過打開LSM303DLHC的高通濾波模式來進行處理。

通過植入ARM處理器的算法程序，分別計算各維度上的具體的補償矢量的值。這些補償矢量應(yīng)該具有以下特點：

(1) 補償矢量能夠反映且僅能夠反映移動設(shè)備在某一維度上運動在“指定頻率范圍”內(nèi)的運動狀況；

(2) 補償矢量的形成必然是實時的，做到實時采樣、實時計算，每一個微小時間Δt內(nèi)都要更新；

(3) 將某一維度上的補償矢量與將顯示在液晶屏幕上的信息復(fù)合運算之后，顯示屏上的信息應(yīng)具有這樣的特點，它對指定的頻率范圍內(nèi)的移動設(shè)備的震動將不再敏感，能在設(shè)備振動時保證顯示內(nèi)容的“絕對靜止”。^[3]

得到補償矢量后，下一個工作是對將要顯示在液晶屏幕上的元素內(nèi)容進行補償，使他們對指定頻率范圍內(nèi)的震動不敏感。項目經(jīng)過實際測試后換用了由以ILI9325為驅(qū)動芯片的ALIENTEK2.4`/2.8`QVGA-TFTLCD，在將顯示內(nèi)容的像素上的每個點的位置坐標(biāo)與補償矢量疊加后，處理器根據(jù)各維度的補償位移對液晶屏上顯示的內(nèi)容進行修正，即可完成液晶屏上的內(nèi)容不隨屏幕本身的抖動而震動，實現(xiàn)了穩(wěn)像的目的。

2.2方案流程設(shè)計

根據(jù)上述原理，設(shè)計出系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2.1所示。

圖2.1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

3測試與驗證

3.1測試結(jié)果

測試中設(shè)定液晶屏為20fps的刷新率，即與傳感器LSM303DLHC加速度采樣后每秒鐘補償及顯示20幀。規(guī)定LCD屏幕顯示一定數(shù)量的文字，同時為了使補償平移具有足夠的空間，規(guī)定文字周圍存在約20%屏寬的空白區(qū)域。為保證測試的準(zhǔn)確性，將整個系統(tǒng)放置在可向任意方向平移的平臺上進行平移來測試。

根據(jù)實際測試，在八個方向上、帶有抖動的移動中，其中右側(cè)、上方、右上（下）方、左上方向補償效果較好。但是，左側(cè)、左下方、下方的水平較為一般，出現(xiàn)掉幀現(xiàn)象。這樣的不平均現(xiàn)象可能是由于加速度計是采用流體原理，對于負方向的誤差較大；算法上可以調(diào)整FFT的點數(shù)，達到效果與性能的雙向平衡。另外對于環(huán)境中的低次諧波震動如人聲等，系統(tǒng)能夠較好地進行濾除。

3.2 驗證結(jié)果

測試的結(jié)果說明，按照上文中所提出的方案，本項目確實地實現(xiàn)了基于加速度計的抖動補償。對于精度的提高可以在算法上進行改進，同時進一步提高刷新率。

此外，為了進一步降低處理器的功耗，可以考慮犧牲一定的便攜性，將FFT-DSP部分交由TMS320系列DSP芯片完成。

4總結(jié)與展望

測試結(jié)果表明，項目目前較好得驗證了方案的可行性，基本實現(xiàn)抖動補償與穩(wěn)像功能，具有較好的精度。

目前業(yè)界并未出現(xiàn)針對于智能移動設(shè)備的防抖系統(tǒng)，而對于各種新型以液晶顯示屏為最主要使用媒介的電子移動設(shè)備（或技術(shù)），這種系統(tǒng)能夠大幅減弱人們在交通工具上使用它所承受的眩暈以及視覺疲勞感。根據(jù)本項目中參考的現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)理論，這種系統(tǒng)確實可以從理論上降低眩暈感。當(dāng)將其產(chǎn)品化后，這種產(chǎn)品將不僅能夠進一步“瓦解”電子移動設(shè)備的使用限制，也會更有利于消費者的視力和身體。

此外，本系統(tǒng)由于其便于移植、易于產(chǎn)品化的特點，相信隨著智能移動設(shè)備的全面普及， LCD視動性眩暈補償系統(tǒng)將以其極佳的實用性深入日常生活之中服務(wù)于大眾，避免視動性眩暈帶來的不便或是減輕各種環(huán)境下的視覺疲勞。

參考文獻

[1] 張勤修. 水平視動性眼震與血管性眩暈關(guān)系的研究[J]. 中國現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志. 1999.9:23-24

[2] 顧名坤，呂振華. 基于振動加速度測量的振動速度和位移信號識別方法探討[J].機械科學(xué)與技術(shù). 2011.4:Vol.30:4. 523-524

[3] 覃春花.圖象穩(wěn)定技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué), 2010 14-15