1設(shè)計(jì)構(gòu)想

項(xiàng)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(qǐng)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(dòng)設(shè)施如手機(jī)、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(dòng)設(shè)備會(huì)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(jī)為例，目前中國市場上流行的手機(jī)如iPhone、小米都是使用大液晶屏幕的手機(jī)，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(jī)的觸屏手感極好，運(yùn)算速度更快，圖像顯示更清晰，在不久之后就會(huì)以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)取代非智能手機(jī)以及基于塞班系統(tǒng)等的小屏幕手機(jī)。

隨著這一類以液晶屏為顯示主體的移動(dòng)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(diǎn)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(jī)上使用這樣的大屏幕手機(jī)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(shí)間使用這些設(shè)施之后會(huì)發(fā)生類似于眩暈的不適感，有些人甚至?xí)诙虝r(shí)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(jī)、eBook等在交通工具上的使用，更為嚴(yán)重的是，這種眩暈會(huì)傷害人的視力，對(duì)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(shí)調(diào)整這種關(guān)系。當(dāng)三種傳入的信息匹配不當(dāng)時(shí)，即發(fā)生眩暈。眼的信息來自視覺和動(dòng)眼反射，通過視覺可以判斷視覺與外界的相互關(guān)系，增強(qiáng)空間定向能力;動(dòng)眼反射則和前庭反射共司眼肌運(yùn)動(dòng)，使眼肌向所需方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以便視線在身體運(yùn)動(dòng)中能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。由前庭沖動(dòng)發(fā)出的視線調(diào)節(jié)，使眼球反射性地朝逆方向轉(zhuǎn)動(dòng);由前庭沖動(dòng)引起的眼球運(yùn)動(dòng)，則可追隨注視目標(biāo)，調(diào)節(jié)視線方向。登高俯視時(shí)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(shí)可發(fā)生視動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(包括前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)性反射、平穩(wěn)跟蹤運(yùn)動(dòng)、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(duì)穩(wěn)定的，否則會(huì)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，任何不隨意的頭動(dòng)，甚至心跳這樣的輕微振動(dòng)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(dòng)眼反射不能代償心跳誘發(fā)的頭動(dòng)。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(dòng)性眩暈有明顯的旋轉(zhuǎn)感外，一般均呈視物或自身晃動(dòng)不穩(wěn)感，閉眼后癥狀常消失。對(duì)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(qiáng)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(dòng)。此為眼肌過度收縮后本體感覺信號(hào)失調(diào)所致。

2.視動(dòng)性眩暈

可固定注視轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)性眼震，眼球呈鋸齒狀周期運(yùn)動(dòng)，其慢相與外物運(yùn)動(dòng)方向一致，其快相方向相反，即眼球的復(fù)位運(yùn)動(dòng)，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(dòng)設(shè)備（或技術(shù)），它能夠大幅減弱人們?cè)诮煌üぞ呱鲜褂盟惺艿难炓约耙曈X疲勞感，這種產(chǎn)品將不僅能夠進(jìn)一步“瓦解”電子移動(dòng)設(shè)備的使用限制，也會(huì)更有利于消費(fèi)者的視力和身體。一種想法是，在移動(dòng)設(shè)施中嵌入一個(gè)具有傳感器功能的芯片，能夠?qū)υ撾娮右苿?dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行捕捉，并通過對(duì)傳感器探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得到一個(gè)補(bǔ)償矢量；將在液晶屏幕上顯示的信息在經(jīng)過與補(bǔ)償矢量的復(fù)合運(yùn)算后的結(jié)果顯示在屏幕上，使之不會(huì)完全隨著移動(dòng)設(shè)備的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。根據(jù)后文介紹的現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)理論，這種方法確實(shí)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(yùn)動(dòng)探測(cè)功能，他們分別是LSM303DLHC芯片、L3GD20芯片。將這兩塊芯片嵌入到移動(dòng)設(shè)備的硬件中，作為捕捉移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的傳感器，即可實(shí)現(xiàn)上述功能。在本項(xiàng)目中，將利用LSM303DLHC芯片探測(cè)在三維坐標(biāo)下移動(dòng)設(shè)備的加速運(yùn)動(dòng)情況并進(jìn)行補(bǔ)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(xiàng)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(xiàng)目中。

這種通過實(shí)時(shí)探測(cè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并用軟件算法進(jìn)行補(bǔ)償?shù)霓k法，我組初步將之稱為運(yùn)動(dòng)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(jī)、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(yàn)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(jì)方法，也許會(huì)需要專用集成電路方面的知識(shí)。

2方案實(shí)施

2.1 工作原理

進(jìn)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(jìn)行DSP處理。在DSP中將按照以下程序框圖所列選的步驟對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。

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

能使人眼產(chǎn)生視動(dòng)性眩暈的信號(hào)頻率通常在一個(gè)范圍內(nèi)，只需要對(duì)這一部分頻率的運(yùn)動(dòng)引起的位移進(jìn)行補(bǔ)償即可，無需且不允許對(duì)高于或低于這個(gè)頻率帶的波進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行處理。

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

(1) 補(bǔ)償矢量能夠反映且僅能夠反映移動(dòng)設(shè)備在某一維度上運(yùn)動(dòng)在“指定頻率范圍”內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況；

(2) 補(bǔ)償矢量的形成必然是實(shí)時(shí)的，做到實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)計(jì)算，每一個(gè)微小時(shí)間Δt內(nèi)都要更新；

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

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

2.2方案流程設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)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(cè)試與驗(yàn)證

3.1測(cè)試結(jié)果

測(cè)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(bǔ)償及顯示20幀。規(guī)定LCD屏幕顯示一定數(shù)量的文字，同時(shí)為了使補(bǔ)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(cè)試的準(zhǔn)確性，將整個(gè)系統(tǒng)放置在可向任意方向平移的平臺(tái)上進(jìn)行平移來測(cè)試。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試，在八個(gè)方向上、帶有抖動(dòng)的移動(dòng)中，其中右側(cè)、上方、右上（下）方、左上方向補(bǔ)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(jì)是采用流體原理，對(duì)于負(fù)方向的誤差較大；算法上可以調(diào)整FFT的點(diǎn)數(shù)，達(dá)到效果與性能的雙向平衡。另外對(duì)于環(huán)境中的低次諧波震動(dòng)如人聲等，系統(tǒng)能夠較好地進(jìn)行濾除。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

測(cè)試的結(jié)果說明，按照上文中所提出的方案，本項(xiàng)目確實(shí)地實(shí)現(xiàn)了基于加速度計(jì)的抖動(dòng)補(bǔ)償。對(duì)于精度的提高可以在算法上進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)進(jìn)一步提高刷新率。

此外，為了進(jìn)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(cè)試結(jié)果表明，項(xiàng)目目前較好得驗(yàn)證了方案的可行性，基本實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)補(bǔ)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(duì)于智能移動(dòng)設(shè)備的防抖系統(tǒng)，而對(duì)于各種新型以液晶顯示屏為最主要使用媒介的電子移動(dòng)設(shè)備（或技術(shù)），這種系統(tǒng)能夠大幅減弱人們?cè)诮煌üぞ呱鲜褂盟惺艿难炓约耙曈X疲勞感。根據(jù)本項(xiàng)目中參考的現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)理論，這種系統(tǒng)確實(shí)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(jìn)一步“瓦解”電子移動(dòng)設(shè)備的使用限制，也會(huì)更有利于消費(fèi)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(diǎn)，相信隨著智能移動(dòng)設(shè)備的全面普及， LCD視動(dòng)性眩暈補(bǔ)償系統(tǒng)將以其極佳的實(shí)用性深入日常生活之中服務(wù)于大眾，避免視動(dòng)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(xiàn)

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