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Entwicklung eines optoelektronischen Sehhilfesystems

1. 14 Wearables Computer ooo o e a e 16 PONES Test 325 8 are ne Are men Bee ee 17 eS 9 S eh ee et hae 18 Struktur des Heidelberger 28 Komponenten des 5 24 Photo des Gesamtsystems HVES 25 Prinzip der 29 Prinzip eines CRT Displays 31 eee a Oe 32 Strahlengang der i glasses er r er ee ee s 34 Strahlengang des 5 34 ENEE EE 35 ECD Platine e 4 2 watch bee toe N lad a eg 36 Photo de Optikhalterungen 36 Konstruktionszeichnung der neuen Optikhalterung 37 Deckel f r das Brillengeh use 37 kansenfassung ese a a Cae Om 38 Prinzip einer 39 Besselverfahren zur Brennweitenbestimmung 40 oe s 41 Kamera und logarithmisches Antwortverhalten eines Pixels 44 93 94 4 2 4 3 4 4 4 5 5 1 5 2 5 3 5 4 9 9 5 6 9 7 9 8 5 9 5 10 B 1 B 2 1 D 1 19 2 D 3 D 4 D 5 D 6 ABBILDUNGSVERZEICHNIS WR RD Mode Timing des
2. visor Es Pixelzahl 1 11 1 1 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Pixelzahl 200 100 1 ll li 50 80 120 140 160 TE 200 220 a mm I 00 hves2 WOrions users ischm is Pixelzahl 400 300 200 100 lll 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 by Abbildung B 2 In der ersten Reihe ist das Originalkamerabild mit seinem Grauwerthistogramm dargestellt Die Bilder darunter stellen von oben nach unten das Ergebnis der Grauwertegalisie rung mit y 0 1 y 1 und y 5 dar Da durch die Grauwertskalierung Bildrauschen stark hervortritt wurde auf die Bilder neben der Egalisierung auch der Binomialfilter mit einer 3 x 3 Maske angewandt Anhang Shortcuts fiir das HVES Modul Im HVES Modul k nnen die Parameter zum einen in dem hier abgebildeten Parameter Dialogfenster eingestellt werden zum anderen besteht aber auch die M glichkeit der Ein stellung ber bestimmte Tasten Dazu mu das HVES Modul Fenster aktiviert sein Wel che Taste welche Einstellung bewirkt kann der nachfolgenden Tabelle entnommen werden Abbildung C 1 Dialogbox zur Einstellung der Parameter des HVES Moduls Neben der Aus wahl des gew nschten Kanten Operators k nnen der Binomial Filter Grauwertskalierungen und andere Optionen angew hlt werden Alle diese Optionen k nnen auch ber eine Tastatureingabe eingestellt we
3. ete Di 22 2 9 Die Bildanseabe pare s amas oo hee E 22 3 Optisches Ausgabegerat 27 3 1 Auswahlkriterien fir ein 27 3 1 1 Vergleich verschiedener 5 28 3 1 2 Beschreibung der 1 glasses 31 3 2 Umgestaltung der 2 0104888 21 22 Dr ana ee eee 99 3 2 1 Motivation f r die Umgestaltung 33 3 2 2 Mechanische Konstruktion 35 3 2 3 Auswahl der Lingen A gos eae eee apa 38 3 2 4 Zusammenbau der 40 4 Die Hardware Peripherie 43 a oki 9 a a B m OR a Se gE ada So a BB 3 Q 43 12 010107 0223 222 4 EEE NS ara 43 e E WE AGING S S ua Seats ee 45 4A E TEE om Bee Q ba us ee 49 2 5 684 sven v kusa eel ge W sl 5 Die Software 5 1 Beschreibung des Visor Programmes 5 2 92 1 Filtermodule ruasan Dh 59 57 e 615 Be Bee 6 Test des HVES 6 1 Gliederung des Tests lungen o fa yh 452222 Tata ee u Fr a Mn u re d Zusammenfassung und Ausblick A Technische Daten B
4. 21 fier ei war Abbildung 5 1 Visor Hauptfenster und zwei Modul Fenster Zum einen rechts das Camera Fenster in dem die Kamera Bilder erscheinen und unten der Deriche Filter dessen Einstellungen rechts in dem Parameter Fenster zu sehen sind Die Meniipunkte des Hauptprogrammfensters sind in Tabelle 5 1 aufgelistet Im Menii punkt File kann ein Bild im Bitmap Format gew hlt und eingelesen werden Au erdem befindet sich unter diesem Men punkt der Exit Button zum verlassen des Programmes Wichtig ist das Input Menti Hier kann zwischen verschiedenen Eingabe M glichkeiten gew hlt werden F r dieses Projekt wurde haupts chlich die Kamera als Input Device gew hlt um aber Filter zu testen waren teilweise auch Bitmaps sehr hilfreich Wird die Kamera als Input Device selektiert so erscheint automatisch ein Dialogfenster zur Einstellung der Kameraparameter Abb 5 2 Hier k nnen u a die DACs auf der ADC Platine und auch auf der Kamera Platine eingestellt werden Die Dialogfenster des 64 x 64 und des 96 x 72 Kamerachips unterscheiden sich etwas in ihrem Aufbau 3Es gibt zwei grunds tzlich verschiedene Arten Graphiken zu speichern die Bitmap und die Vektor Darstellung Bei dem Bitmap Format wird die Graphik in einzelne Bildpunkte zerlegt und diese werden als Bit Muster Bitmap gespeichert Damit wird im wesentlichen der Bildschirmspeicher dargestellt 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 59 File Inp
5. pun s e 6 u Soqs unssvjr 93s Sunptiqq v Motiv Text Einstellungen Erkannt Bewertung des Erkennens Kommentar Verbesserung J SE 3405 76 Allgemeine Kommentare zu dem Gesamtsystem Originalbi Tragekomfort Ja Nein Originalbi 123 45 6 Grauwertegal y 0 1 Ja Nein Verbesserungsvorschl ge Originalbi 123 45 6 Laplace Mul 2 Ja Nein Glattung 3x3 Grauwertegal Vergleich mit LVES Originalbild 123 45 6 Sobel Mul 0 5 Gl ttung Ja Nein Grauwertegal Sonstiges Weitere Einstellungen und Kommentare Uhrzeit 88 ONVHNV 5 55 Literaturverzeichnis Axenfeld 92 Grehn 95 GT Wearables Haber cker 91 Hollwich 88 J hne 93 Jeschke 96 Dagnelie Klette 95 Koenig 59 Laserklinik Loose 96 T Axenfeld H Pau Lehrbuch der Augenheilkunde 13 Auflage Gu stav Fischer Verlag Stuttgart 1992 Baum Elektronik GmbH Baum Elektronik GmbH Homepage http www baum de F Grehn W Leydhecker Augenheilkunde Springer Verlag Heidel berg 1995 GT Wearables Homepage http wearables gatech edu Haber cker Digitale Bildverarbeitung Carl Hanser Verlag M nchen 1991 F Hollwich Augenheilkunde Georg Thieme Verlag Stuttgart 1988 B J hne Digitale Bild
6. 46 Phetoder ADE Rlatine rt raia ote ee eh E 47 Ardlapterstecker RER ad a ei a de 48 schaltskizze der ADE Platine 51 Bildschirmaufbaul u al aaa a en ee ea era aan 54 Dialogfenster zur Kameraeinstellung 96 ul Ae e ae OS cy Ph be 59 Binomial und Laplacefilter 60 Parametereinstellungen des HVES Moduls es s 62 Grauwertskalierung 63 Transformationsgleichung der Grauwertegalisierung 64 700m 33111 gn tae oe ee k R OS a oe 66 Deriches Filt r Bern BE ge ge ae oe e 69 Histogramm zur Berechnungsdauer der 71 Transformationsgleichung der Grauwertegalisierung 79 Beispiel fiir die Grauwertegalisierung 80 Parametereinstellungen des HVES Moduls 81 a HE RE ESP a 83 Testerfassungsbogen Seite 1 2 84 Testerfassungsbogen 3 4 85 Testerfassungsbogen Seite 5 86 Testerfassungsbogen Seite 7 und 8 223 87 Testerfassungsbogen Seite 9 und 10 88 Danksagung Herzlichen Dank an alle die zur Durchf hrung meiner Diplomarbeit beigetragen haben insbesondere Herrn Prof K Meier f r die Bereits
7. Georg Thieme Verlag Stuttgart 3 Auflage 1988 LITERATURVERZEICHNIS 91 Uni Giessen Uni Ulm Walcher 89 Zwern 95 Sub Retinal Implant Project Sub Retinal Implant Project Homepage http www uni tuebingen de subret Patientieninformation der Universit tsaugenklinik Giessen Homepage http www uni giessen de gkwl Integrierte Vorklinische Ausbildung der Universit t Ulm Seminar Physiologie Homepage http iva uni ulm de W Walcher Praktikum der Physik B G Teubner Stuttgart 6 Auf lage 1989 A Zwern General Reality Company How To Select The Right Head Mounted Display Mecklers VR World March April 1995 92 LITERATURVERZEICHNIS Abbildungsverzeichnis 1 1 1 2 1 8 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 10 1 11 1 12 1 18 24 2 2 2 3 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 3 10 3 11 3 12 3 13 3 14 4 1 Das tienschliche Auge 3 Die Netzhaut Retina 5 Absorptionskurven der verschiedenen Zapfentypen 6 Verteilung der Lichtsinneszellen auf der Netzhaut 7 Refraktionisiehler as At od da En re 8 Astamatismur amp Oe ek Boe Khe Bunter erde 9 ere ise EEG AE Godt ER ed ara amp Q 2 11 EE E ae Saas WEL RAR EES a N 13 Fernrohr Lupenbrillen 14 Bildschirm Leseger t
8. y gt 1 und y lt 1 einfache exponentielle Grauwertskalierung mit Expo nent y Kurven C y gt 1 und lt 1 S f rmige Transformationskennlinie mit Wendepunkt am Grauwert s erreicht Hier wird die Gleichung 5 16 mit min 0 und max 255 verwendet allerdings der Wert s x y noch zus tzlich mit dem Exponenten versehen Eine S f rmige Streckung berechnet sich dagegen mit say f r 0 lt s a y lt s 8 2 5 18 s 2 y 3 255 s gibt den Wendepunkt der S f rmigen Transformationskennlinie an Abb 5 6 Alle diese Skalierungen erm glichen es den Grauwertbereich optimal zu w hlen so da maximale Kontraste ohne Informationsverluste erhalten werden Eine weitere Variation der Grauwertkennlinie kann durch die Egalisierung des Grau werthistogrammes erreicht werden Klette 95 Darunter wird eine Transformation der Grauwerte verstanden so da sie gleichverteilt sind Durch Einstellung des Parameters y kann eine Unter bzw beregalisierung gew hlt werden Mit 1 ist das Zielhistogramm gleichverteilt mit Werten y lt 1 wird eine schw chere Egalisierung erzeugt Bei einer st rkeren Egalisierung y gt 1 sind seltene Grauwerte des Originalbildes im transformier ten Bild h ufiger als im egalisierten Bild y 1 Die Egalisierung wird erreicht indem in einem ersten Rechenschritt das Histogramm der Grauwerte hist x y bestimmt wird In einem weiteren Schritt wird die T
9. 8 Bit ADC with 1A Power Doun 19 4740 Rev1 10 1993 P Mayer G Edelmayer Development and Tests of a Prototype for teh Enhancement of Night Vision in the POVES EC TIDE Project 1211 Paper presented at the VISION96 Conference on Low Vision Madrid Spain July 1996 Reim Augenheilkunde Ferdinannd Enke Verlag Stuttgart 4 Auflage 1993 Pro Retina Deutschland e V Selbsthilfevereinigung von Menschen mit Netzhautdegenerationen http www aix gsi de schuell drpv html Retina Implant News in Bonn Retina Implant News in Bonn Homepage http www nero uni bonn de ri retina en html The Retina Implant Project The Retina Implant Project Homepage http rleweb mit edu retina Rohrschneider 97 Rohrschneider I Bruder R Aust A Blankennagel Anwendung einer neuen optoelektronischen Sehhilfe f r hochgradig Sehbehinderte LVES Klin Monatsbl Augenheilkunde 1997 Feb 210 2 105 10 J Schemmel Design und Test einer Single Chip Kamera mit inte grierter Analog Digital Wandlung auf der Basis adaptiver Photorezep toren Diplomarbeit im Institut f r Hochenergiephysik 1997 R F Schmidt Grundrisse der Sinnesphysiologie Springer Verlag Heidelberg 4 Auflage 1980 R Schmidt Thews Physiologie des Menschen Springer Verlag Heidelberg 27 Auflage 1997 F Sch rmann Private Mitteilung 1998 222 S Silbernagel A Despopoulos Taschenatlas der Physiologie
10. 90 Prozessor verwendet Es stellte sich doch schnell heraus da die Geschwindigkeit dieses Notebooks nicht f r die recht aufwendige Bildverarbeitung und darstellung ausreicht So werden die Bewegungen der Kamera nur stark verz gert regi striert was f r das System unakzeptabel ist da eine verz gerte Ausgabe der Kameradaten eine Orientierung sehr erschwert und das System so keine sinnvolle Hilfe bieten kann Ne ben der geringen Prozessorleistung ist vor allen Dingen die Graphikkarte des Notebooks den hohen Geschwindigkeitsanforderungen nicht gewachsen Diese Gr nde f hrten zu dem Kauf und der Verwendung eines schnelleren Notebooks Es wurde das Notebook Tecra 8000 von Toshiba gew hlt Neben einem Pentium II Prozesser mit 300 MHz Taktrate und einer schnellen Graphikkarte besitzt dieses Notebook einen Videoausgang Damit ist die Benutzung des PC Interfaces nicht mehr erforderlich was f r die Portabilit t des Gesamtsystems einen entscheidenden Vorteil bietet 4 2 Kamerachip Als Kamera Abb 4 1 werden die von Herrn Markus Loose Loose 98 entwickelten Kamerachips verwendet Zum einen ein Chip mit einer Aufl sung von 64 x 64 Pixeln und andererseits eine neue Chipgeneration mit 96 x 72 Pixeln Die Chips sind in CMOS Technologie gefertigt und haben gegen ber kommerziellen Systemen auf CCD Basis meh rere Vorteile Zum einen besitzen sie einen hohen dynamischen Bereich von mehr als sechs Dekaden in der Lichtintensit t Abb 4 1 zum a
11. genstand scharf auf der Netzhaut abgebildet wenn die Distanz zwischen Hornhautscheitel und Fovea centralis 24 4 mm betr gt Ist der Bulbus jedoch l nger so liegen Bilder aus der Ferne mit parallel einfallenden Lichstrahlen vor der Retina Die Bezeichnung Kurz sichtigkeit bedeutet da in solchen Augen nur naheliegende Gegenst nde scharf auf der Netzhaut abgebildet werden weiter entfernte dagegen verschwommen erscheinen 1 3 SEHBEHINDERUNGEN 9 Bei der Hyperopie oder Weitsichtigkeit ist die Brechkraft der Cornea und der Linse zu gering oder der Augapfel zu kurz gebaut Das f r die Netzhaut bestimmte Bild liegt beim Blick in die Ferne ganz besonders aber beim Blick auf nahe Gegenst nde hinter der Retina Beim jugendlichen Auge kann das Defizit der Brechkraft durch Akkomodation m helos ausgeglichen werden Die wahre Gr e der Hyperopie l t sich deshalb oft nur bei Entspannung der Akkommodation erfassen Ein weiterer h ufiger Refraktionsfehler ist der Astigmatismus Abb 1 5 c Dieser Bre chungsfehler betrifft berwiegend die Cornea Bei ihm besteht eine st rkere Kr mmung der optisch brechenden Fl che in einer Achse des Kreises d h die normalerweise sph rische Oberfl che nimmt im Extremfall die Form eines Zylinders an Abb 1 6 Die auftreffen Abbildung 1 6 Beim Astigmatismus werden Lichtstrahlen die von einer punktf rmigen Licht quelle ausgehen auf einer Linie vereinigt den Lichtstrahlen we
12. 1 s x S s x 1 s x 5 9 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 59 Eine einfache Differenzbildung zwischen zwei Werten ist in der Praxis nicht einsetzbar da dies zu anf llig gegen ber St rungen wie z B Rauschen ist Einer der bekanntesten Kantenoperatoren bei dem auch weitere Nachbarn noch ber cksichtigt werden ist der Sobeloperator mit folgenden Masken t 4 1 01 H 0 0 0 H 2 0 2 5 10 el 1 0 1 Hier wird die Differenzbildung zur bern chsten Zeile bzw Spalte berechnet so da kleine St rungen direkt benachbarter Pixel das Ergebnis nicht beeinflussen Eine Rauschminde rung wird durch die gleichzeitige Mittelung senkrecht zur Richtung des Gradienten bewirkt Ein Beispiel f r den Sobeloperator ist in Abbildung 5 3 gezeigt Ein Problem beim Sobel Abbildung 5 3 Oben links Originalbild Unten Anwendung des vertikalen links und des horizontalen rechts Sobelfilters Oben rechts Anwendung beider Filter gemeinsam auf das Originalbild Filter ist da dieser auf horizontal bzw vertikal verlaufenden Grauwertkanten besonders anspricht d h der Operator ist nicht richtungsunabh ngig wie eigentlich erw nscht Einer der bekanntesten richtungsunabh ngigen Kantendetektoren ist der Laplace Op 60 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE erator Im kontinuierlichen Fall ist er als Os x y Os x y zweidimensionale zweite Ableitung definiert Daraus ergibt sich fiir den diskreten Fall die Maske 1 0 1 O Be
13. k nnen verschiedene Optionen angew hlt werden e stretch bitmap e upside down display e aktivate Fullscreen Ist die Funktion stretch bitmap selektiert so wird bei der Vollbildschirmdarstellung die gesamte zur Verf gung stehende Bildschirmgr e ausgenutzt So wird nat rlich ein qua dratisches Fenster verzerrt da es horizontal st rker gestreckt wird als vertikal um das gesamte 4 3 Format des Bildschirmes zu nutzen Andererseits kann diese Option auch deselektiert werden dann wird die gr tm gliche Darstellung gew hlt die ohne Verzerrung des Bildes noch m glich ist Die upside down display Option erm glicht einem die Wahl zwischen normaler und an der x Achse gespiegelter Darstellung Dies wurde implementiert um die Umkehrung des Strahlenganges der Optik der LCD Brille auszugleichen Soll also die LCD Brille verwendet werden ist es sinnvoll diese Option zu w hlen Mit der Maus kann aktivate Fullscreen selektiert werden so da die Vollbildschirm darstellung des jeweiligen Fenster Moduls erscheint zu dem das dxdraw Fenster geh rt d h welches dieses Fenster aufruft Mit der Esc Taste kann diese Darstellung wieder ver lassen werden F r die Programmierung wurde Microsoft s DirectDraw aus der DirectX library ver wendet Die Darstellung im Vollbildschirmmodus kann auch durch eine einfache Vergr e rung des darzustellenden Fensters bewerkstelligt werden doch geht dies auf Kosten der Geschwindigkeit was bei der Verw
14. nderungen sind nicht mehr heilbar es kann nur versucht werden durch optische Hilfsmittel ihre Auswirkungen auf den Alltag zu mildern In diesem Kapitel werden beispielhaft einige Augenfehler aufgef hrt und die Gegen ma nahmen aufgezeigt Zum besseren Verst ndnis ist ein kurzer Einblick in die Anatomie des menschlichen Auges unerl lich 1 1 Aufbau des menschlichen Auges Lederhaut Zonulafasern Netzhaut Pupille S Aderhaut Netzhaut mitte Makula Abbildung 1 1 Horizontalschnitt durch das menschliche Auge nach Uni Giessen 4 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND In Abbildung 1 1 ist ein Horizontalschnitt durch das menschlich Auge dargestellt Die Formerhaltung des Augapfels Bulbus wird durch die ihn umgebende Lederhaut der Sklera und dem Augeninnendruck gew hrleistet Die Linse des Auges ist an den Zonu lafasern aufgeh ngt Diese sind beim Sehen in die Ferne Fernakkommodation gespannt wodurch die Linse selbst abgeflacht wird Bei der Nahakkommodation werden die Zonu lafasern dagegen durch die Anspannung des Ziliarmuskels entspannt so da die Linse ihre urspr ngliche st rker gekr mmte Form annimmt Die Innenseite der Bulbuswand wird bis weit nach vorne von der Netzhaut der Retina ausgekleidet Nur die Stelle an der der Sehnerv N opticus aus dem Bulbus austritt Papilla n optici bleibt ausgespart Dies bildet den sogenannten blinden Fleck im Auge an dem keine optischen Signale aufgenommen
15. Bildaufnahme zwei Generationen des Vision Kamerachips zur Ver f gung die im Institut f r Hochenergiephysik von Herrn M Loose Loose 98 entwickelt wurden Eine kurze Beschreibung der Kamerachips befindet sich im Kapitel 4 2 rachip 2 2 Die Bildverarbeitung Die analogen Daten der Kamera werden durch einen A D Wandler digitalisiert Ge nauere Hinweise dazu befinden sich in dem Kapitel 4 3 ADC Platine Die eigentliche Bildverarbeitung l uft ber einen PC Um das System portabel zu halten und die M glich keit des mobilen Einsatzes zu gew hrleisten wurde als PC ein Notebook der Firma Toshiba verwendet Auf diesem Rechner lauft das Visor Programm mit welchem alle Komponenten der Arbeitsgruppe Elektronisches Sehen gesteuert werden k nnen Das Programm wurde von Herrn J Schemmel entwickelt Schemmel 97 Genauere Angaben zu dem Programm und dessen Erweiterung f r das HVES Projekt erfolgen in Kapitel 5 Die Software 2 3 Die Bildausgabe Auf die Bildausgabe wurde in dieser Arbeit das Hauptaugenmerk gerichtet Es wurde aus einen HMD eine LCD Brille entwickelt Einzelheiten finden sich in dem Kapitel 3 Optisches Ausgabeger t Head Mounted Display 2 3 DIE BILDAUSGABE 23 A D Wandlung externe Daten Digitale Verarbeitung Internet und Kontrolle Abbildung 2 1 Struktur des Heidelberger Projektes der Gruppe Elektronisches Sehen Die LCD Brille ist unter visuel
16. D 1 ee EE 221 Ae ADC w ova ve Sviesta ch res EE u ND D eo wll a 5 574 G ste i 52 a ant ANA _ digitalsv m 4 WC SR CS 20 Hchsoosachaszanche u 5 _ 18 AB 28898 28 5 401 2 U ii 2 nAutofeed 2 440 4 KSC z i 220 UL A j FD og mo Y 22 Mme me Helsomichoszancke 1A 18 veo 18 1 AB 4 19 2 AD READRDY 28 i 3a 20 U ENO Y 8 2 13 ont pels _ Jean outa Ei Can 1 902 AT gaa 2 e z 4 58 5 Abbildung 4 5 Die Schaltung wie sie auf der Platine realisiert wurde Beschreibung siehe Text 52 KAPITEL 4 DIE HARDWARE PERIPHERIE Kapitel 5 Die Software Das Visor Programm Schemmel 97 wurde von Herrn J Schemmel entwickelt um die von der Kamera gelieferten Daten in den Speicher des Computers einzulesen dort weiter zuverarbeiten und dann auszugeben Die Hauptmerkmale des Visor Programmes sind e Programmierung der Kameraeinstellungen e Softwarem ige Korrektur des fixed pattern noise M glichkeit der Bildverarbeitung in Form von Ausgabe Modulen die in beliebiger Reihen
17. Diese Problem kann gel st werden indem im einfachsten Fall die ben tigten Werte zuvor auf einen bestimmten Grauwert festgesetzt werden oder besser indem der Randbereich des Bildes zu allen Seiten fortgesetzt wird Die Berechnung des Mittelwertes kann auch als Faltungsoperation 91 be trachtet werden Allgemein ist die Faltung zweier Funktionen s x y und h x y der dis kreten Variablen x und y folgenderma en definiert s ee s x y y v A u v 5 3 u oo V 00 Da hier aber nur ber eine m m Umgebung des Bildes 5 gemittelt werden soll kann die Gleichung 5 1 als Faltung des Bildausschnittes mit einer Maske h u v betrachtet werden 1 se k uy k v h u v 5 4 1 1 lI u 0 v mit k m 1 2 und m 3 5 7 Die Maske H hat bei der einfachen Mittelwertbil dung mit z B m 3 folgendes Aussehen 1 1 1 H h u v 1 1 1 5 5 1 1 1 Durch Ver nderung der Werte in dieser Maske k nnen die einzelnen Umgebungspixel s x y unterschiedlich stark gewichtet werden So kann z B der Wert h 2 2 2 gesetzt werden so da der Grauwert der Mitte der Umgebung doppelt gewertet wird Allerdings w re 58 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE dann der Mittelwert S auch bei homogenen Bild anders als von S Soll der Mittelwert erhalten bleiben so m ssen die Elemente von H normiert werden so da ihre Summe m ergibt Damit ergibt sich f r die Maske mit doppelt
18. Eine externe mechanische Blendenregelung ist wegen der automatischen elektronischen Blendenregelung nicht mehr erforderlich Dadurch bleibt die Kamera sehr kompakt und kann problemlos an der LCD Brille montiert werden Die neue Chip Generation mit einer Aufl sung von 96 x 72 Pixeln bietet dazu noch weitere Features Diese k nnen ber drei Tasten direkt an der Kamera eingestellt werden So wird die M glichkeit geboten eine wahlfreie Auslese beliebiger Bildbereiche vorzuneh men Es ist ein digitaler Zoom und eine Mittelung von bis zu 8x 8 Pixeln implementiert Neben einem speziellen analogen Ausgang f r eine maximale Auslesefrequenz von 8 MHz besitzt diese Kamera auch einen Videoausgang 4 3 ADC PLATINE 45 4 4 ADC Platine x Palo Name Bemerkung Pi Name nStrobe WriteSlet Reset Data0 DO0 SerClk ReadRdy Datal D1 SerData Chip Datain ValRdy Data2 D2 SerData DAC DatainDAC ReadEnable Data3 D3 SerClk Data4 D4 WriteSlet Data5 D5 Analogout Data6 D6 Datain Data7 D7 Gnd N On COND 00645 W nAck nAck DatainDAC Busy high Power 8 V PE nInit PictBegin Select nAutofd nCS1 DAC nError nlnit PE Reset nSelectin Readenable Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Gnd Tabelle 4 1 Steckerbelegung des Parallelports und 64 x 64 Kamerachips Unter Bemerkung ist die weitere Verbindung des jeweiligen Pins auf der Platine beschrieben Um
19. M glichkeit zu nutzen ben tigt man speziell darauf abgestimmte Software Berechnet man f r die i glasses die Sehsch rfe nach Gleichung 3 1 so ergibt sich in ho rizontaler Richtung ein Wert von 15 100 1 7 Dieser Wert sollte bei einer weiteren Entwicklung verbessert werden Zum Vergleich kann der Wert des in Kapitel 1 besproche nen LVES von 1 5 in Betracht gezogen werden F r das Gesamtsystem HVES berechnet sich aufgrund der geringen Kameraaufl sung ein wesentlich geringerer Wert 1 20 so da der Wert von 1 7 nur bei Tests f r die Darstellung in h herer Aufl sung gespeicher ter Bilder G ltigkeit hat In einer weiteren Entwicklung sollte unbedingt darauf geachtet werden da ein h herer FOV Wert erreicht wird und gleichzeitig die Sehsch rfe auf 1 5 f r das Gesamtsystem erh ht wird Auch wenn die i glasses diesen Wert nicht erreichen haben sie einige Vorteile gegen ber anderen HMDs Insbesondere in den weiter oben beschriebenen Punkten unauff lliges De sign und geringes Gewicht Hier sind sie mit ihren nur 230 g wirklich einzigartig Damit ist eine der wichtigsten Voraussetzungen n mlich die Portabilit t erf llt Au erdem bestand zu dem Zeitpunkt des Kaufes der i glasses ein besonders g nstiges Angebot so da sie auch preislich gegen ber den anderen HMDs weit im Vorteil lagen Das Datenblatt der i glasses ist im Anhang A aufgef hrt Solange keine Kamera mit h herer Aufl sung zur Verf gung steht lohnt sich
20. Tabelle 4 2 sind die beiden Steckerbelegungen der beiden Kamerachip Generationen aufgelistet In Abbildung 4 4 ist der Adapterstecker schematisch dargestellt Der Adap ter wurde f r den Stecker entwickelt der direkt in den Steckkontakt der Kameraplatine geh rt Dieser Steckkontakt wurde gew hlt um die analoge Datenleitung in der abge schirmten Ader des Verbindungskabels zwischen Kamera und ADC Platine belassen zu k nnen Ansonsten h tte ein neues Verbindungskabel erstellt werden m ssen Der Ad apterstecker ist aber so klein gehalten da er nur eine Verl ngerung des urspr nglichen Steckers um 7 mm bedeutet ProtoMat 91s VS der Firma CAD CAM Systeme GmbH 4 4 PC INTERFACE 49 Pinbelegung Bezeichnung Pinbelegung SH He 1 _Reset 1 _ReadReset _ReadWait _ValRdy LineStart FrameStart SerClk Dataln WritSlct VideoOut Out_OP Out_Sourcefollow Power 9 12V GND EEPROM Clk EEPROM CS EEPROM DataOut SI EEPROM Dataln SO D ReadWait_ 2 3 Jean 4 x FrameStart_ 5 TI Tabelle 4 2 Steckerbelegung des Kamerachips fiir die 96 72 und die 64 64 Kamera 4 4 PC Interface Das PC Interface dient der Wandlung der Daten von VGA Graphikformat in Video format Diese Konvertierung wird nur ben tigt falls das System mit einem PC ohne Videoausgang benutzt wird Da fiir diese Arbeit ein Notebook mit Videoausgang zur Verf gung steht d h diese Datenumwandlung hi
21. Videokabel ADC Platine Kamera Kabel PS Versorgungskabel PC Interface amp Zubeh r Einstellungen Visor Programm Bitmap 25_Testmotive Grid auf 24 HVES Modul auf mag 8 5 Bildschirmeinstellungen LCD TV Personenangaben Geschlecht M W LVES Erfahrung Ja Nein Augenkrankheit Sonstiges Testablauf 1 Ohne Kamera Testreihe 1 Geometrische Muster Ei 1 Einstellungen Erkannt Bewertung des Ja Nein Erkennens 1 6 Verbes Kommentar serung 0 4 Originalbild Originalbild Deriche 0 5 Mul 1 Originalbild Inverses Bild Originalbild Inverses Bild Deriche 0 5 Mul 1 Hl ral red od Darel rel add Fe Weitere Einstellungen und Kommentare v8 d ONVHNV NHOOITSONAISSVAUHLSAL 9 67 PW UssOqssuNssej 104say CO sunpriqqy S T Testreihe 2 E Testreihe 3 Zahlen 4 SEES Edd Einstellungen Erkannt Bewertung des Erkennens Kommentar Einstellungen Erkannt Bewertung des Erkennens Kommentar ab Bildnr Verbesserung Bildnr Verbesserung 123456 123456 Originalbi Ja Nein Originalbild Ja Nein Bildnr Ja Nein Bildnr Nein Originalbild 1022235 54175576 Originalbild 4 5 Skal L
22. allgemeines Kriterium richtet sich die Aufl sung des HMDs nach der Aufl sung des Bild aufnahmesystems so da die Aufl sung des Gesamtsystems einen m glichst hohen Wert erreicht Dabei ist jedoch die Aufl sung nicht allein entscheidend f r die G te des Systems Vielmehr sollte neben einer hohen Aufl sung auch eine gro e horizontale und vertikale berdeckung der Displays bestehen Ist diese gering aber die Aufl sung der Brille hoch so werden zwar kleine Details dargestellt k nnen aber von den Sehbehinderten nicht wahr genommen werden Es ist gerade f r eine Sehhilfe wichtig da auch ein gro es Sichtfeld vorhanden ist damit Details erkannt werden k nnen Analog zu der in Kapitel 1 2 erl uterten Sehsch rfe kann auch hier ein derartiger Quo tient berechnet werden Er ergibt sich aus Zwern 95 Anzahl Pixel Sch rfe ne in Winkelminuten 3 1 F r z B einen 17 Zoll Monitor berechnet sich bei einem Abstand von 60cm FOV 30 1024 Pixel in horizontaler Richtung damit eine Sch rfe die besser als 1 2 ist Auf jeden Fall sollte der Wert nicht geringer als die Sehsch rfe des Sehbehinderten sein der dieses System verwenden will Da das Einsatzgebiet von optoelektronischen Hilfmitteln dieser Art bei einem Visus von 1 5 oder schlechter angesetzt wird Mayer 96 sollte auch ein Wert dieser Gr enordnung angestrebt werden Das Design sollte unauff llig sein da die Brille sonst keine Akzeptanz bei den Patienten
23. an dieser optoelektronischen Sehhilfe ist da sie anders als die blichen optisch vergr ernden Sehhilfen nicht f r eine bestimmte Anwendung spezialisiert ist sondern vielmehr bei einer Vielzahl von verschiedenen Anwendungen im h uslichen Bereich benutzt werden kann Hierbei sind auch beidh ndige T tigkeiten m glich da das Ger t auf dem Kopf getragen wird und somit beide H nde frei zur Verf gung stehen Vielen Betroffenen liegt besonderes die verlorengegangene F higkeit zum Lesen sehr am Herzen Hier bietet LUES gegen ber Bildschirmleseger ten den Vorteil da es nicht nur station r 20 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND zu benutzen ist Allerdings ist es als reine Lesehilfe nicht so geeignet da es den Patienten schwer f llt eine ruhige horizontale Lesef hrung allein mit Kopfbewegungen zu steuern Dies ist mit Lesetischen die eine solche Bewegung unterst tzen weitaus einfacher Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die M glichkeit in verschiedenen wechselnden Abst nden zu sehen was bei optisch vergr ernden Sehhilfen nur sehr begrenzt m glich ist Als Fazit aus diesen Tests ergab sich da LVES nur f r einen begrenzten Kreis von Pati enten als zus tzliches Hilfsmittel neue M glichkeiten er ffnet Besonders positiv wurde die Verbesserung der Kontrastwahrnehmung und die deutlich reduzierte Blendung bei gleich zeitig variablem Arbeitsabstand in der N he empfunden Die stufenlose Vergr erung erlaubt eine bess
24. das Erkennen von Texten und Objekten erleichtert wird In diesem Zusammenhang bieten sich einer seits kantenversch rfende Bildverarbeitungsfilter an andererseits aber auch eine starke Vergr erung eines Bildausschnittes oder die Invertierung von Bildern die von Sehbehin derten h ufig als hilfreich empfunden wird Diese Funktionen sind im HVES Heidelberger Vision Enhancement System imple mentiert Dabei bleibt das System trotz dieser vielf ltigen Funktionalit t benutzerfreund lich was sich auch im Design und der Portabilit t des Systems ausdr ckt HVES ist im Vergleich zu anderen LCD Brillen klein und unauff llig Die Portabilit t ist gegeben da als PC ein Notebook eingesetzt wird Dieses dient neben der Steuerung der Kamera der Bildverarbeitung und der Weiterleitung der Bilder an die LCDs auch als User Interface zur Steuerung der gew nschten Einstellungen In dieser Arbeit wird zuerst ein kurzer medizinischer berblick ber das menschliche Auge gegeben um dann eine bersicht ber m gliche Krankheiten zu geben die eine Sehhilfe erfordern Insbesondere wird hier auf solche Krankheiten verwiesen die den Ge brauch eines Systems wie es das HVES darstellt erforderlich machen Daneben werden schon existierende Sehhilfen beschrieben In Kapitel 2 wird kurz ein Gesamt berblick ber HVES gegeben wobei auf die einzelnen Komponenten in den weiteren Kapiteln detaillierter eingegangen wird So wird im 3 Kapitel erl utert nach
25. die analogen Kameradaten mit dem Computer bearbeiten zu k nnen m ssen diese zuerst digitalisiert werden Dies geschieht in der Hauptsache mit einem Analog Digital Wandler ADC Damit der ADC verwendbare Daten liefert mu ein bestimmtes Timing eingehalten werden Abb 4 2 was durch ein Handshaking realisiert wird Es wird als ADC ein 8 Bit ADC MAX 153CWP im SO Geh use verwendet Desweiteren mu noch die Stromversorgung f r den ADC geregelt werden All diese Funktionen sind auf 1 Analog Digital Converter 2Der Max 153CWP wurde von der Firma MAXIM bezogen 46 KAPITEL 4 DIE HARDWARE PERIPHERIE Abbildung 4 2 Der ADC wurde im WR RD Mode Timing trp gt t nrr Mode 1 ver wendet Aus Maxim 93 einer Platine implementiert Es wurde versucht diese m glichst klein zu halten Sie ist mit dem Programm Allegro entworfen und dann mit einem Fr sbohrplotter gefertigt worden Alle n tigen Funktionen sind so auf einer Platine von einer Gr e von nur 19 x 47mm untergebracht Abb 4 3 Die Verbindung zum Computer wird durch eine 25 polige Kon taktleiste gew hrleistet die direkt mit dem Parallelport des Computers verbunden werden kann Auf der Platine befinden sich au erdem eine Steckerleiste mit 12 Anschl ssen f r die Kamera und zwei Anschl ssen f r die Stromversorgung Diese kann wahlweise 9 V oder 5 V betragen Die Steckerbelegungen des 12 poligen Anschlusses f r die Kamera und die der 25 poli
26. gewichteter Mitte folgendes 0 9 0 9 0 9 h u v 0 9 1 8 0 9 5 6 0 9 0 9 0 9 Zur Vereinfachung wird der Faktor aus Gleichung 5 4 im folgenden in die normierte Maske H mit einbezogen so da die Summe der Elemente von H eins ergibt Eine bessere Gl ttung wird mit der Binomialmaske J hne 93 erhalten Dabei wird die Gau sche Funktion im diskreten Bild durch die Binomialverteilung approximiert Diese kann im Pascalschen Dreieck dargestellt werden n 0 1 n 1 1 1 n 2 1 2 1 1 3 3 1 5 7 n 4 1 4 6 4 1 n 5 1 9 10 10 9 1 S F r die 2 Ordnung 2 lauten damit die Koeffizienten 1 2 1 Die zweidimen sionale Binomialmaske ergibt sich dann durch Faltung einer horizontalen und vertikalen 1D Binomialmaske F r den Fall der zweiten Ordnung folgt 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 Ein Beispiel ist in Abbildung 5 4 gezeigt Dort wird auf ein Originalbild der Binomialfilter angewandt so da eine Gl ttung zu erkennen ist Allerdings wirkt das Bild insgesamt auch unsch rfer Kantendetektion Es k nnen nun auch noch negative Werte in der Maske zugelassen werden so da Differenzoperatoren entstehen Ergibt die Summe aller Elemente von H null so errechnet sich f r homogene Bildbereiche der Wert null Bei Grauwert berg ngen wird die St rke des berganges geliefert So k nnen Grauwertkanten und Linien aus Bildern extrahiert werden Eine Differenzbildung bei einer Funktion mit diskretem x hat die Form s x
27. hoch und die Kantenlage wird sehr genau gefunden Der Filter hat eine rekursive Struktur so da auch kleine Fenster gro e Einflu gebiete erzielen Die Fenstergr e kann mit einem Parameter a eingestellt werden Dabei ist die Rechenzeit unabh ngig von der Gr e dieses Parameters Die Berechnung erfolgt in acht Bilddurchl ufen wobei vier in horizontaler und vier in vertikaler Richtung verlaufen Ein gro er Nachteil dieses Operators ist seine Komplexit t Zudem werden meh rere Bildspeicher erfordert um Zwischenergebnisse zu speichern und weiterverwenden zu k nnen In Abh ngigkeit von a werden zuerst einige Koeffizienten berechnet a u 1 ab bz a Le a ab aobz 5 22 1 2 Beet a Diese gehen dann in die Rechnung mit ein wenn das Teilergebnis H x y gni x y gn2 x berechnet wird glz y J z u 1 b gl y 1 bz glz y 2 5 231 68 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE gell f x y 1 bi gult y 1 bz 2 5 23 ii 20 0 a gilt Y 92 2 0 oul y 00 90 2 01 ge z 1 bi 1 2 1 y b gt gi 2 y 5 23 iii 9 2 2 ga 9 2 1 as g z 2 y ch 1 y b2 90 2 2 y 5 23 iv Werden die gleichen Bildspeicher mehrfach f r Zwischenergebnisse verwendet so l t sich das Teilergebnis V x ga Y got so berechnen
28. rechnet dann s x s x y EE y mit U 3 3 Umgebung von z 5 15 2 Dadurch kommt eine Kantenbreite von nur einem Bildpunkt zustande weswegen dieser Kantenoperator auch als einseitig bezeichnet wird Da die bisher beschriebenen Kantendetektions Filter recht st rungsempfindlich gegen ber Rauschen sind ist es unumg nglich vor der Kantendetektion eine Gl ttung des Bildes durchzuf hren Dies ist beim Deriche Filter anders da hier mit Hilfe eines Parameters a auch gleich der Einflu bereich einer Gl ttung festgelegt werden kann Da der Deriche Filter recht komplex und auch in einem eigenen Modul implementiert ist wird auf ihn erst in einem der n chsten Unterkapitel eingegangen Alle diese Filter wurden im HVES Modul integriert Hier k nnen ber eine Dialogbox Abb 5 5 neben dem gew nschten Filter noch weitere Optionen angew hlt werden Es ist m glich erst eine Binomial Filterung durchzuf hren bevor einer der Kantenoperatoren angewendet wird So kann eine vorherige Gl ttung des Bildes vorgenommen werden Im plementiert sind eine Gl ttung mit einer 3x 3 und einer 5 x 5 Maske je nachdem welcher Gl ttungsgrad bevorzugt wird Je nachdem ob in der Dialogbox gl tten angeklickt ist bezieht sich die Gl ttung nur auf die Kantendetektoren oder auch auf die Ausgabe des Originalbildes Grauwertskalierung Eine weitere wichtige Option ist die Grauwertskalierung Neben einer linearen Streckung in
29. versorgt werden kann Die 9 V werden in der weiteren Schaltung stabilisiert und gegl ttet Links daneben befindet sich die 12 polige Pfostenleiste f r den Kamera Stecker und darunter die f r den Parallelport Weiter unten befindet sich der ADC der die eigentliche Aufgabe der Digitalisierung der analogen Daten erf llt Mit den darunter eingezeichneten NAND Gattern wird das Handshaking durchgef hrt welches das vom ADC geforderte Timing Abb 4 2 realisiert Der auch noch eingezeichnete DAC und die Operationsverst rker sind daf r da dem ADC die richtigen Referenzspannungen Verr und zu liefern Die beiden 220 nF Kondensatoren die sich jeweils am Aus gang der Operationsverstarker befinden sind zwar auf der Platine vorgesehen aber nicht best ckt Sie sollen eventuell vorhandenes Rauschen unterdr cken Es besteht aber die Gefahr da mit diesen Kondensatoren die Ausg nge der Operationsverst rker zu schwin gen beginnen Da dieser Bereich der Platine nicht sonderlich rauschempfindlich ist d rften diese Kondensatoren keine gro e Auswirkung haben so da auch keine Verbesserung durch sie erwartet wird Daher wird auf eine Best ckung verzichtet F r den neuen Kamera chip mit der Aufl sung 96 x 72 ist ein modifiziertes Handshaking erforderlich Hierf r ist auf der Platine eine Leitung so verlegt da je nach Kameramodell die notwendige Ver bindung hergestellt werden kann So ist bei dem neuen Kamerachip genau die invertierte
30. welchen Kriterien das verwendete HMD ausgew hlt wurde und welche Umgestaltungen erforderlich waren um es in ein optisches Ausgabeger t f r ein Sehhilfesystem umzuwandeln In dem folgenden 4 Kapitel werden dann die weiteren Hardware Komponenten beschrie ben die neben dem Ausgabeger t das Gesamtsystem HUES bilden Das 5 Kapitel ist der Software gewidmet Hier wird das Programm zur Steuerung der Bildein und ausgabe beschrieben und auf Bildverarbeitungsfilter eingegangen Ausf hr lich wird auf das HVES Modul eingegangen mit welchem alle implementierten M glich keiten der Bildverarbeitung ausgenutzt werden k nnen Im 6 Kapitel wird die Ausarbeitung eines Tests f r das HVES beschrieben Hier werden einer Testperson sowohl statische Bilder als auch Bilder der Kamera auf die LCD Brille projiziert Head Mounted Display Kapitel 1 Medizinischer Hintergrund Weithin wird davon ausgegangen da der Mensch typischerweise ber 80 Mayer 96 seiner Information mit dem Sehsinn aufnimmt Damit wird die Bedeutung dieses Sin nes sehr deutlich Trotz dieser gro en Bedeutung ist es bisher nicht gelungen einigen Augenkrankheiten Einhalt zu gebieten so da es viele Menschen gibt die auf Sehhilfen angewiesen sind Recht problemlos sind Kurz und Weitsichtigkeit mit Brillen in den Griff zu bekommen problematisch ist es aber bei Krankheiten die die Netzhaut oder die Seh nervenfasern irreversibel zerst rt haben Solche pathologischen Ver
31. wird in Grad angegeben e berlappung bezeichnet den berlapp zweier Displays in der Mitte e VFOV Vertical Field Of View gibt die vertikale berdeckung der Displays an Auch in diesem Technologie Bereich gibt es rasche Fortschritte so da innerhalb kur zer Zeitr ume neue Modelle auf den Markt kommen So werden inzwischen auch schon Aufl sungen von ber 360 000 Pixeln f r den Privatanwender erschwinglich 3 1 2 Beschreibung der glasses Die f r diese Arbeit ausgew hlten i glasses Abb 3 3 haben eine Optik die ein Sicht feld von 30 f r jedes Auge bereitstellt Sie k nnen ber jeder Brille getragen werden besitzen eine 100 Stereo berlappung und m ssen nicht an den individuellen Augenab stand des Benutzers angepa t werden Sie haben einen festen Brennpunkt bei 28cm der beranstrengung der Augen entgegenwirkt 32 KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT Abbildung 3 3 Photo der i glasses Die Anzeige besteht aus 2 Vollfarb 0 7 LCDs Die Aufl sung betr gt 180 000 Pixel pro LCD wobei 60 000 Pixel auf jede der drei Farbgruppen entfallen Damit ergibt sich eine Aufl sung von 260 x 3 x 230 Pixeln Als Stromzufuhr kann die Netzspannung 200 240 V Wechselspannung verwendet werden Das Netzteil liefert dann f r den Videobetrieb eine Gleichspannung von 6 V und f r den Computerbetrieb von 9V Der Videobetrieb hat einen Energieverbrauch von 3W An dem Videoadapter ist ein Ein Ausschalter angebracht F r den Compu
32. 1 s 1 1 2 2 2 s 1 1 8 0 1 s 1 1 I I s 1 0 8 00 501 0 8 0 0 s 0 0 s 0 0 s 1 0 d I Abbildung 5 8 Schematische Darstellung der Zoomfunktion Es wurde zur Demonstration ein Bereich von 3 x 3 Pixeln gew hlt Im linken Bild ist die Pixelverteilung des Originalbildes dargestellt Das mittlere Bild gibt das Ergebnis des Zoomens mit dem Zoom Wert 1 wieder Im rechten Bild ist zus tzlich die Funktion Zoom Gl tten aktiviert so da der Mittelwert der jeweiligen Pixel als Verl ngerung gew hlt wird wird nicht jeder Pixel um die jeweilige Zoomstufe verl ngert sondern an den Grenzen der vergr erten Pixel wird der Mittelwert aus zwei benachbarten Pixeln gew hlt Abb 5 8 Damit wird eine gewisse Gl ttung im vergr erten Bild erhalten und die Abstufungen zwischen den dargestellten Pixeln werden etwas weicher Bei der Wahl der Randgr e handelt es sich um die Umgehung des Randproblems So 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 67 ist bei den oben diskutierten Filtern das Problem gegeben da sie an den Bildr ndern eine nicht vorhandene Kante detektieren da keine weiteren Pixel au erhalb des Bildrandes existieren Es hat sich gezeigt da das Verl ngern des Bildes um eine bestimmte Anzahl von Pixeln mit einem mittleren Grauwert in jeder Richtung keine optimale L sung bietet Daher wurde jeweils die letzte Randzeile des Bildes nach au en hin verl ng
33. 48 KAPITEL 4 DIE HARDWARE PERIPHERIE oben unten Abbildung 4 4 Links Skizze des Adaptersteckers Oben ist die Pinbelegung fiir die Verwen dung des 64 x 64 Kamerachips dargestellt die durch diesen Adapter in die untere Pinbelegung f r den 96 72 Kamerachip bergeht Die Zuordnung der Leitungsnummer zu den einzelnen Leitungen ist Tabelle 4 2 zu entnehmen Rechts Photo des Adaptersteckers Darstellung der ReadReady Leitung erforderlich Um diese zu erhalten mu einfach die Steckverbindung auf der R ckseite der Platine umgesteckt werden Abb 4 3 Die Platine wurde mit einem Fr sbohrplotter gefr st und durchkontaktiert Die Pla tine ist in Allegro entworfen worden diese Daten sind dann in das Programm CircuitCam importiert und dort f r den Fr sbohrplotter aufbearbeitet worden Dieser kann dann mit dem Treiberprogramm BoardMaster und den Daten aus CircuitCam angesteuert werden Die Durchkontaktierungen haben Probleme bereitet dergestalt da viele Vias hoch ohmig waren und daher nachtr glich noch mit L tzinn bearbeitet werden oder durch F deldr hte umgangen werden mu ten Dabei kostete es viel Zeit und Geduld die je weiligen hochohmigen Verbindungen zu finden und zu beheben Kameraadapterstecker Um die Platine auch f r den neuen Kamerachip verwenden zu k nnen mu te ein Ad apterstecker gebaut werden da die Steckerbelegung sich etwas von der urspr nglichen Steckerbelegung unterscheidet In
34. B Kantenverst rkung zu w hlen Abstract In this thesis the development of a mobile optoelectronic vision enhancement system is presented The system aims to improve the limited mobility of visually impaired persons For that purpose the enviroment is recorded by a camera especially designed for the requi rements of vision enhancement systems and displayed by optoelectronic spectacles These consist of two small LCD panels for displaying the image and a magnifying optic to project the image to the retina of the patient The image information can be processed by a por table computer Besides contrast brightness and magnification adjustment of the original image the main features of the system are various facilities of digital image processing for instance edge detection Inhaltsverzeichnis Einfiihrung 1 1 Medizinischer Hintergrund 3 1 1 Aufbau des menschlichen Auges 3 1225 Sehscharle Visus get Se ee a daa Ge 6 1 3 8 13 1 Refraktionsfehler 8 1 3 2 Makuladegeneration 9 1 3 3 Retinitis pigmentosa 10 DEE EE 13 14 1 Verer bernde 13 1 4 2 Optoelektronische Sehhilfen 15 2 Das Gesamtsystem HVES 21 21 22 2 2 Die Bildverarbeitund 4
35. Be trachters geleitet Der Strahlengang bewirkt eine 180 Drehung des Bildes welche ber die Software wieder ausgeglichen wird Dem Betrachter wird ein erm dungsfreies Sehen erm glicht indem sich das Linsenduplett in Abstand seiner Brennweite von den LCDs be findet und so Strahlen vom gleichen Pixel der LCDs parallel und aufgeweitet aus der Optik hervorgehen So kann der Betrachter seine Augen auf unendlich einstellen um ein scharfes Bild zu erhalten was die gew nschte Entspannung der Augenmuskulatur bedeutet Diese Einstellung hat auch den Vorteil da kein bestimmter Augenabstand gew hlt werden mu um scharfe Bilder zu erhalten Je n her das Auge an die Linsen heranr ckt desto gr er wird der Bildeindruck was aber keine Auswirkung auf die Bildsch rfe hat Die Vorteile dieser Optik liegen auf der Hand Zum einen ist das System lichtst rker da kein Licht durch den halbdurchl ssigen Spiegel verloren geht zum anderen wird durch diese Optik eine starke Vergr erung erreicht was den Hauptgrund f r diese Umgestaltung darstellt 3 2 2 Mechanische Konstruktion Abbildung 3 6 Brillengeh use von unten Dort wird die LCD Platine Abb 3 7 mit den LCDs untergebracht Die neue Optikhalterung Abb 3 8 mu daran angepa t werden Um die im vorigen Abschnitt beschriebenen Optik zu realisieren ist mit dem Programm Euclid eine neue Halterung konstruiert worden Urspr nglich war eine v llige Neugestal tung der Brille vorgesehe
36. Grauwertegalisierung C Shortcuts f r das HVES Modul D Testerfassungsbogen Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis 53 58 55 56 72 73 73 74 75 77 79 81 83 89 93 Einf hrung Der Sehsinn wird gemeinhin als der wichtigste der menschlichen Sinne aufgefa t Von daher bestand schon immer das Verlangen diesen Sinn beeintr chtigende Krankheiten zu beheben oder falls dies nicht m glich sein sollte wenigstens ihre Symptome durch geeignete Hilfsmittel zu mildern So wurden schon sehr fr h Brillen eingesetzt um die Brechkraft des Auges zu optimieren Lange Zeit stellten optische Systeme die einzigen Hilfsmittel dar Erst in den letzten Jahren haben sich Systeme etabliert die neben optischen Bauelementen auch vermehrt Elektronik einsetzen Das in dieser Arbeit vorgestellte Projekt eines optoelektronischen Sehhilfesystems ba siert stark auf elektronischen Hilfsmitteln Zur Bildaufnahme wird ein Kamerachip verwen det der im Rahmen des Heidelberger Projektes Elektronisches Sehen entwickelt wurde Die Bilder werden mit Hilfe von LCDs auf die Netzhaut des Patienten projiziert Es wer den weiterhin die M glichkeiten der Bildverarbeitung genutzt Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit heutiger Rechner dazu verwendet werden den Sehbehinderten die Umge bung durch Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen zu erschlie en Damit er ffnet sich die M glichkeit den Bildinhalt so aufzuarbeiten da Sehbehinderten
37. In den n chsten Unterkapiteln wird auf diese Sehbehinderungen und ihre Ursachen einge gangen 1 3 1 Refraktionsfehler a Kurzsichtigkeit b Weitsichtigkeit c Astigmatismus TTEN wN W s a Wi Ee L Je L 1 CN 9 fi CN WW f i A 1 A d i A 3 di 1 32 K N on Ga 1 men 1 Abbildung 1 5 Refraktionsfehler bei a Kurzsichtigkeit b Weitsichtigkeit und Astigmatis mus nach Laserklinik Ein Auge dessen Optik normal funktioniert wird als normalsichtig oder emmetrop be zeichnet Ein Refraktionsfehler Brechungsfehler Ametropie liegt dann vor wenn die op tischen Elemente des Auges die Bilder der Au enwelt nicht scharf auf die Retina abbilden Solche Abweichungen von der Norm k nnen auf abnormale Kr mmungsradien der Cornea der Linse oder auch auf einen zu lang oder zu kurz gebauten Augapfel zur ckzuf hren sein Die Refraktionsfehler werden durch die Lage des optischen Fokus unterschieden Liegt die ser vor der Retina so spricht man von Myopie Kurzsichtigkeit Abb 1 5 a bei einem Fokus hinter der Netzhaut von Hyperopie Weitsichtigkeit Abb 1 5 b Bei der Myopie Reim 93 ist also die Brechkraft des optischen Apparates zu stark Die Gesamtbrechkraft des dioptrischen Apparates betr gt f r das normale Auge bei Fer nakkommodation 58 6 dpt Bei dieser Brechkraft wird ein unendlich weit entfernter Ge
38. Linsendurchmesser Direi 2 De freier Durchmesser i i 4 Linsendicke Vases 4 11 Abbildung 3 12 Prinzip einer Fresnellinse Je mehr Abstufungen die Linse besitzt desto feiner wird ihre Aufl sung Es zeigt sich da Glaslinsen nicht geeignet sind da sie bei Brennweiten von f 30mm zum einen sehr dick werden und damit gro e Linsenfehler aufweisen zum anderen auch vom Gewicht her nicht in Frage kommen Auch Fresnel Linsen Abb 3 12 scheiden als Alternative aus Sie haben konstruktionsbedingt zwar ein geringes Gewicht und minimale sph rische Abberation Leider sind solche Linsen aber standardm ig kaum im Angebot sondern m ssen als Sonderanfertigung in Auftrag gegeben werden Dies ist preislich erst ab einer hohen St ckzahl akzeptabel und kommt daher f r diese Arbeit nicht in Frage Getestet wurde eine Fresnel Linse die standardm ig angeboten wird und den Anforde rungen am n chsten kommt Sie hat eine Brennweite von f 22mm einem wirksamen Durchmesser von D 33mm eine Dicke von d 1 3mm und 8 Abstufungen pro Mil limeter Der wirksame Durchmesser vonn D 33 mm reicht f r diese Anwendung nicht aus Au erdem ist eine Abstufung von nur 8 Stufen pro Millimeter f r diese Anwendung zu gering So kommen Kunststoff Linsen der Firma Eschenbach zum Einsatz Es werden zwei plankonvexe PXM Leichtlinsen verwendet die als Duplett hintereinander mit der ebe nen Seite jeweils nach au en benutzt werden Das PXM Material zeichne
39. Manchmal kann es aber auch vereinfachend sein wenn nur die Kanten abgebildet werden Wichtig ist in jedem Fall den Verst rkungsfaktor der Kanten frei w hlbar zu gestalten so da diese unterschiedlich stark betont werden k nnen Hierbei bewirkt eine starke Verst rkung eine dicke ausgepr gte aber damit auch nicht mehr so scharfe Kante Falls das Bild insgesamt zu hell oder dunkel erscheint kann die Helligkeit mit der Angabe eines Offsets ver ndert werden Dieser Wert wird dann zu jedem Pixel addiert bzw subtrahiert Da Sehbehinderte eine starke Vergr erung ben tigen wurde diese Option auch in dem Filter Modul integriert Dabei bedeutet ein Zoom Wert von 3 eine Vergr erung der Mitte des Bildes um den Faktor 4 in jede Richtung oder anders ausgedr ckt jeder Pixel wird um drei weitere Pixel verl ngert Der Zoom Wert 0 gibt also das Bild in der Gr e wieder wie es die Kamera liefert Bei der geringen Kamera Aufl sung ist ein Zoom nat rlich nur begrenzt sinnvoll Solange jeder einzelne Pixel erkannt wird bringt eine Vergr erung nur Informationsverlust K nnen einzelne Pixel aber nicht mehr getrennt wahrgenommen werden so kann deren Vergr erung von Nutzen sein Wird Zoom Gl tten angew hlt so s 0 0 s 0 0 s 0 0 s 0 0 s 0 0 500 0 aC on kan 2 s 0 0 s 0 0 s 1 0 8 1 0 2 s 0 0 s 0 0 s 0 0 s 1 1 s 0 1 s 1 1 s 0 0 s 0 0 s 0 0 s 1 1 s 0
40. Modul bei welchem diese direkt eingegeben werden k nnen Dieses Modul hat den Nachteil da es keine Geschwindigkeitsoptimierung beinhaltet ist aber dazu geeignet mit beliebigen 3 x 3 und 5 x 5 Masken zu experimentieren um so geeignete Filter zu finden Da beim Kirsch Operator 8 Filtermasken berechnet werden m ssen erfordert dieser Filter genauso wie der Deriche Filter der aufgrund seiner Komplexit t viele Rechenschritte ben tigt sehr viel mehr Rechenzeit als die anderen Filter Filter Berechnungsdauer pro Bild ms Laplace Filter Sobel Filter Kirsch Filter Einseitiger Kanten Filter Deriche Filter Tabelle 5 2 Bildaktualisierungszeiten die mit dem Notebook Tecra zur Berechnung der ver schiedenen Filter f r ein Bild von 96 x 72 Pixeln ben tigt werden Aus dem Histogramm der Abbildung 5 10 k nnen die typischen Zeiten entnommen werden die pro Bildberechnung f r ein Bild von 96 x 72 Pixeln vom Notebook Tecra f r die 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 1 800 F Ohne Filter Laplace Sobel 700 Kirsch Einseitiger 600 Deriche o 8 500 1 O 5 400 2 be lt 300 200 4 100 5 er 31 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 Zeit in ms Abbildung 5 10 In diesem Histogramm ist die Zeit in ms gegen die Anzahl der Counts aufgetragen Daraus lassen sich fiir die einzelnen Filter bei Verwendung des Notebooks Tecra die Berechnungsdauern ermitteln die in T
41. Ruprecht Karls Universitat Heidelberg Fakult t f r Physik und Astronomie Max Planck Institut f r Kernphysik HD IHEP99 01 HD ASIC 45 0299 Entwicklung eines optoelektronischen Sehhilfesystems Lukas Schmidt Mende ASIC Labor http wwwasic ihep uni heidelberg de u Schr derstra e 90 D 69120 Heidelberg Fakult t f r Physik und Astronomie Ruprecht Karls Universit t Heidelberg Diplomarbeit im Studiengang Physik ausgef hrt von Lukas Schmidt Mende Februar 1999 Tel 06221 545607 Fax 06221 544345 E Mail Ischmidt asic uni heidelberg de Institut f r Hochenergiephysik ASIC Labor Schr derstra e 90 D 69120 Heidelberg Inhalt In dieser Arbeit wird ein mobiles optoelektronisches Sehhilfesystem fiir stark sehbehinderte Personen vorgestellt Es hat das Ziel die durch ihre Behinderung eingeschrankte Mobilitat dieser Personengruppe zu verbessern Dazu wird die Umgebung mit einem speziell fiir sol che Aufgaben entwickelten Kamera Chip aufgenommen und mit Hilfe einer elektronischen Brille ausgegeben Diese besteht aus zwei LCDs fiir die Bildausgabe und einer Optik die das Bild vergr ert auf die Netzhaut des Patienten abbildet Die auszugebenden Bildda ten k nnen mit Hilfe eines Notebooks bearbeitet werden Das Neuartige an diesem System ist da es Sehbehinderten erm glicht neben Einstellungen von Kontrast Helligkeit und Vergr erung des Originalbildes auch eine Bildverarbeitung wie z
42. S Projekt Mayer 96 wurde von der Europ ischen Gemeinschaft gef rdert und dauerte von Januar 1994 bis Mai 1996 an Danach ist es wegen Finanzierungspro blemen eingestellt worden Es waren verschiedene europ ische Firmen und Universit ten daran beteiligt Ziel war es eine mobile Sehhilfe mit optoelektronischer Technologie f r den t glichen Gebrauch f r Personen mit folgenden Sehbehinderungen zu entwickeln e Nachtblindheit e Einengung des Sehfeldes im Zentrum e Einengung des Sehfeldes in der Peripherie e St rungen von Kontrastsehen und Sehsch rfe TIDE Project TP 1211 1 4 SEHHILFEN 17 Urspr nglich war es geplant auch Schwierigkeiten beim Farbensehen zu l sen indem Far ben die nur noch schlecht oder gar nicht mehr wahrgenommen werden k nnen durch andere f r den Sehbehinderten besser wahrzunehmende Farben ersetzt werden Da das erstellte System mit einer schwarz wei Kamera arbeitet konnte diese Option bisher nicht realisiert werden Das System besteht aus einer kleinen Kamera die auf eine Brille mit LCDs montiert ist und einem Handger t mit welchem die Bildverarbeitung und die Stromversorgung geregelt wird und das dem Anwender au erdem eine Reihe von Einstellungsm glichkeiten gibt Allgemein werden als potentielle Anwender Personen mit Sehsch rfen von 20 100 bis 20 800 in Betracht gezogen da bei einer Sehsch rfe besser als 20 100 preiswerter mit herk mmlichen Sehhilfen geholfen werden kann und bei einer Sehsc
43. Spiegel A at er 41 d Spiegel f Auflage fiir die Linsen iter d 4 Justierungsm glichkeit der Linsen F Abbildung 3 11 Abbildung der beiden Linsenfassungen so wie sie an der Brille angebracht werden Oben befinden sich die LCDs deren Bild ber den Spiegel umgelenkt wird und dann durch die Linse ins Auge des Betrachters f llt Die Linsen sind so angebracht da sie verschoben werden k nnen so da Kurz und Weitsichtigkeit kompensiert werden kann Hypertonie und Myopie Damit wird das Tragen einer zus tzlichen normalen Brille nicht mehr notwendig Diese Einstellung mu f r jedes Auge individuell justiert werden 3 2 3 Auswahl der Linsen Gro er Wert wurde auf die Auswahl der richtigen Linsen gelegt Hierbei kommt es auf folgende Punkte besonders an e u erst kurze Brennweite m glichst kleiner als f 30 mm f r eine starke Vergr erung e geringe Linsenfehler gute optische Eigenschaften e geringes Gewicht e passende Gr e Leider widersprechen sich diese Forderungen teilweise Eine kurze Brennweite erfordert einen starken Kr mmungsradius der Linse was aufgrund der nicht mehr zu vernachl ssi genden Linsendicke zu stark ausgepr gten Linsenfehlern f hrt Um eine Auswahl zu treffen wurden verschiedene Linsenarten und formen genauer untersucht e Material Kunststoff Glas e Form sph risch asph risch duplett e Fresnel Linsen 3 2 UMGESTALTUNG DER I GLASSES 39 1 L 1
44. abelle 5 2 explizit angegeben sind Berechnung der einzelnen Filter ben tigt werden Es wurden jeweils 1000 Update Zeiten zwischen zwei Bildaktualisierungen aufgenommen Ohne Filter werden 67 5 ms ben tigt Diese recht hohe Zahl erkl rt sich durch die sehr langsam eingestellte Readout Zeit f r die Kamera Durch einen geringeren Wert kann diese Zeit verk rzt werden So haben die Absolutwerte des Histogramms Abb 5 10 keine gro e Aussagekraft Was aber sehr deutlich zu sehen ist sind die Zeitabst nde zwischen den Update Zeiten bei der Berechnung der verschiedenen Filter Daraus ergeben sich die Berechnungsdauern f r die einzelnen Filter Diese sind in Tabelle 5 2 f r alle implementierten Filter angegeben Es wurde aus jeweils 1000 aufgenommen Werten der Mittelwert gebildet Auff llig an dem Histogramm ist da es f r jeden Filter ein Hauptmaximum und jeweils 5 ms sp ter zwei Nebenmaxima gibt Dies l t vermuten da hier vom Computer durchgef hrte Interrupts vorliegen die genau diese Zeit in Anspruch nehmen Da es f r die Geschwindigkeitsberechnung nur auf relative Werte ankommt und eine Mittelung ber 1000 Werte stattfindet haben diese Zeitverz gerungen keinen Einflu auf die Bestimmung der Update Zeiten 72 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE 5 2 2 Vollbildschirm Es wurde ein Modul dzdraw Sch rmann 98 implementiert mit dem die M glichkeit geschaffen ist ein beliebiges Ausgabefenster auf den vollen Bildschirm zu projizieren Dabei
45. auch bei der Retinitis pigmentosa ver schiedene Untergruppen Grunds tzlich werden unterschieden e prim re Retinitis pigmentosa e assoziierte Retinitis pigmentosa e Pseudo Retinitis pigmentosa Die Prim re Form der Retinitis pigmentosa ist mit 90 auch die h ufigste Ihre Auswir kungen wurde oben besprochen Bei der assoziierten Retinitis pigmentosa werden neben dem Auge auch noch andere Organe des K rpers betroffen d h es liegt ein Syndrom vor H ufig vorkommende Symptome sind e H rst rungen 12 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND e Augenbewegungsst rungen Doppelbilder e L hmungen und Gehst rungen e Muskelschwache e Wachstumsst rungen e stark lichtempfindliche oder schuppende Haut e geistige Unterentwicklung e Zystennieren e Herzrhythmusst rungen Einige Erkrankungen die zu solchen Symptomen fiihren konnen sind e Usher Syndrom e Refsum Syndrom e Barde Biedl Syndrom Beim Usher Syndrom ist eine rasch rezessiv vererbte Retinitis pigmentosa mit einer schnell fortschreitenden Innenohrschwerh rigkeit kombiniert so da die Patienten fr hzeitig blind und taub werden und somit allein auf taktile Kommunikation angewiesen sind Das Refsum Syndrom ist eine behandelbare Form der Retinitis pigmentosa Hierbei ist die Krankheit mit Schwerh rigkeit Beeintr chtigung des Geschmacks und Geruchssinns Bewegungs und Gleichgewichtsst rungen oder Hautproblemen verbunden Bei dieser Erkrankung liegt aufgrund eines Stoffwechseldef
46. auch die Anschaffung einer neuen LCD Brille nicht Allerdings w rde sich die Umstellung auf die in der Tabelle 3 1 genannten anderen Versionen der i glasses problemlos gestalten da diese sich von ihrem u eren nicht von den i glasses unterscheiden sondern nur in der Aufl sung und dem FOV h here Werte aufweisen Dies mu allerdings mit einem bis zu 10 fachen Preis bezahlt werden 3 2 Umgestaltung der 1 glasses F r die i glasses wurde eine neue Optik entwickelt Gr nde die dazu gef hrt haben und die Konstruktion der neuen Optik werden in den n chsten Unterkapiteln beschrieben 3 2 1 Motivation f r die Umgestaltung Da die sehbehinderten Personen eine starke Vergr erung ben tigen sollte auch schon die Optik der Brille die LCDs stark vergr ert wiedergeben Urspr nglich war der Strahlen gang der i glasses gem Abbildung 3 4 Die LCDs werden von oben homogen beleuchtet Von den LCDs wird das Bild dann ber einen im 45 Winkel stehenden Spiegel auf den Hohlspiegel projiziert von wo es wieder reflektiert wird Ein Teil des Lichtes geht nun ungehindert durch den halbdurchl ssigen Spiegel durch Der Betrachter sieht das virtuelle vergr erte Bild der LCDs Im Strahlengang ist zum einen der Brennpunkt F und zum 34 KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT Hohlspiegel Projektion des LCD s halbdurchlassiger Spiegel virtuelles vergr ertes Bild B Abbildung 3 4 Skizze des Strahlenganges der i glasses Vo
47. beliebiger Farbe dargestellt werden Im CRT Display sorgt ein Elektronenstrahl f r die Anregung von Phosphorpunkten Diese Displays sind z B in Fernsehern und Monitoren weit verbreitet In einer evakuierten Glasr hre werden von der Kathode Elektronen durch das Anlegen eines elektrischen Feldes und durch Erw rmung emittiert und zur Anode hin beschleunigt Diese ist mit Phosphor beschichtet welches bei Ber hrung durch den Elektronenstrahl Licht emittiert Der Elektronenstrahl f hrt zeilenweise das gesamte Display ab Gelenkt wird er durch elektrische Felder die die Richtung des Strahls in vertikaler und horizontaler Richtung beeinflussen Abb 3 2 Das in Kapitel 1 3 2 beschriebene LVES ist nach diesem Prinzip entwickelt Die auf dem Markt existierenden Systeme arbeiten meist mit LCDs CRTs haben den Vorteil da sie eine bessere Aufl sung besitzen leider aber meist nur eine Schwarz Wei Darstellung bieten Au erdem sind Preise und Gewicht vergleichbarer CRTs h her als f r LCD Systeme KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT Firma Homepage i glasses www i glasses com Modell Technik HFOV P VFOV PL Aufl sung Gewicht Gr e Preis i glasses i glasses X2 i glasses Forte Technologies www iisvr com Liquid Image www liquidimage ca General Reality www genreality com Virtual Research www virtualresearch com Kaiser Electro Optics www keo com CE 200W CE 200M V6 V8 V8 Bin
48. cement System Es besteht aus den Komponenten e Vision Chip e PC e LCD Brille Diese Komponenten erfiillen die folgenden Aufgabenbereiche e Bildaufnahme e Bildverarbeitung e Bildausgabe In Abbildung 2 2 ist dies in einem Diagramm dargestellt Im Gegensatz zur Abbildung 2 1 die die Eingliederung dieses speziellen Projektes in das Gesamtprojekt der Arbeits gruppe verdeutlicht sind hier nur die Komponenten aufgelistet die fiir dieses Projekt 21 22 KAPITEL 2 DAS GESAMTSYSTEM HVES verwandt wurden Dabei wurden nur die Hauptbestandteile genannt die die eigentli chen Aufgaben erfiillen Im Kapitel 4 Die Hardware Peripherie werden alle Bestandteile des Systems beschrieben auch die die in dem Blockdiagramm Abb 2 2 nicht erw hnt werden wie z B die ADC Platine und das PC Interface die nur zur Datenkonvertierung dienen Die Abbildung 2 3 zeigt die Realisierung des Systems Zu sehen sind die LCD Brille mit montiertem Kamerachip das PC Interface und das Notebook ber das die Steuerung des Systems und die implementierten Bildverarbeitungsalgorithmen laufen Das PC Interface stellt die Verbindung zwischen LCD Brille und PC her falls kein separater Videoausgang am PC vorhanden ist Sonst kommt das wesentlich kleinere Video Interface zum Einsatz welches ebenfalls auf dem Photo abgebildet ist Ein weiterer Kamerachip mit kleinem Objektiv ist zudem noch auf dem Photo zu erkennen 2 1 Die Bildaufnahme Es standen f r die
49. ckenhaft auftreten 1 3 SEHBEHINDERUNGEN 11 Abbildung 1 7 Links Bild wie es mit einem gesunden Auge gesehen wird Rechts Tun nelblick durch Gesichtsfeldeinengung Aus Pro Retina Schon bevor das Gesichtsfeld merklich eingeengt ist hat das Absterben der St bchen einen deutlichen Verlust der Sehwahrnehmung in der D mmerung und Dunkelheit zur Folge Der Betroffene ist in der Dunkelheit fast blind nachtblind was seine Mobilit t erheblich einschr nkt Dies macht sich zusammen mit Anpassungsschwierigkeiten bei pl tz lichem Helligkeitswechsel schon bemerkbar bevor er bei Tageslicht Sehverluste zu beklagen hat Da die Zapfen von der Retinitis pigmentosa meist erst in einem sp teren Stadium der Krankheit betroffen werden die neben dem Farbensehen auch verst rkte Kontraste vermitteln machen sich Farb und Kontrastst rungen erst sp ter bemerkbar Fallen die Zapfen aus so erscheinen pl tzlich dunkle Bilddetails von Helligkeit berstrahlt was eine verst rkte Blendungsempfindlichkeit bewirkt Das h ufige Zusammentreffen von Retinitis pigmentosa und Grauem Star ist ein weiterer Grund f r die Blendungsempfindlichkeit Das einfallende Licht wird dann an der getr bten Linse gestreut und so die Blendungsempfind lichkeit noch verst rkt Die Zapfenausf lle f hren zu massiven Farbwahrnehmungsst run gen h ufig erst im Blau Bereich die zur v lligen Farbblindheit f hren k nnen Ebenso wie bei der Makuladegeneration gibt es
50. d auf 1024 x 768 bei einer Farbtiefe von 16 Bit eingestellt Das Camera Modul stellt das Root Fenster dar von welchem aus das HVES Modul aufgerufen wird Die Ausgabe des Notebooks mu auf LCD TV eingestellt sein so da die Ausgabe sowohl auf dem Monitor als auch in der LCD Brille erscheint Bei der gew hlten Bildschirmaufl sung wird nur ein Ausschnitt des Monitors auf die LCD Brille ausgegeben Welcher Ausschnitt zur Anzeige kommt kann mit der Stellung der Maus selektiert werden Virtuell steht der gesamte Bildschirm zur Anzeige in der Brille zur Verf gung Zu Testzwecken ist es sinnvoll den Sehbehinderten nur das Test bzw das Kamerabild anzubieten nicht aber auch die Anzeige der Parametereinstellungen Es gen gt wenn diese zur Bedienung vom Testleiter eingesehen werden k nnen Es wurde speziell f r die sen Test die M glichkeit geschaffen die Parametereinstellungen ber Tastatureingaben zu ver ndern Dies funktioniert nur wenn das HVES Modul Fenster zuvor mit der Maus selektiert wird Die Funktion der einzelnen Tasten kann Tabelle C 1 entnommen wer den Damit ist ein hin und herfahren mit der Maus nicht mehr erforderlich was den in der LCD Brille angezeigten Bildausschnitt verschieben und damit zu einer Verwirrung der Testperson f hren w rde Das HVES Modul wird zur Anzeige auf die LCD Brille gebracht indem es auf eine Gr e von mag 8 5 vergr ert und in der rechten unteren H lfte des Bildschirmes plaziert wird F hrt ma
51. die Funktionen der Netzhaut bernehmen Aus Sub Retinal Implant Project 14 Sehhilfen Brillen bilden zusammen mit dem Auge ein zusammengesetztes optisches System Beim Anpassen einer Brille mu darauf geachtet werden da beim Blick geradeaus nach vorne die optischen Achsen von Auge und Brillenlinse bereinstimmen Bei Myopie werden Zerstreuungslinsen negative Dioptrie verwendet w hrend Hyperopie mit Sammellinsen ausgeglichen wird positive Dioptrie In beiden F llen ist das Ziel eine scharfe Abbildung auf der Netzhaut Auch Astigmatismus kann durch eine Brille korrigiert werden indem eine zylinderf rmig geschliffene Linse verwendet wird 1 4 1 Vergr ernde Sehhilfen Mit Hilfe von Brillen oder Kontaktlinsen k nnen fehlerhafte Augenbrechwerte ausge glichen werden dagegen kann bei funktionellen Defekten z B der Netzhaut oder des Seh nerves nichts ausgerichtet werden Es bleibt einem nur die M glichkeit den Patienten mit speziellen optischen Hilfsmitteln ihr Schicksal zu erleichtern Dazu werden vergr ernde Sehhilfen eingesetzt Neben Lupen Lupenbrillen und Lesegl sern Abb 1 9 gibt es Bildschirm Leseger te Abb 1 10 Alle diese Hilfmittel zeichnen sich durch eine Vergr erung aus die zwischen 1 bis 2 fach bei verst rkten Lesebrillen und 5 bis 60 fach bei Bildschirm Leseger ten liegt Tab 1 2 Solch eine Vergr erung ist dann hilfreich wenn die Sehsch rfe durch krankhafte Ver nderungen der Netzha
52. e ist eine bersicht ber die zu w hlenden Parameter gegeben e Wahl des Kanten Operators Laplace Sobel Kirsch Einseitiger Kantenoperator Deriche e M glichkeit der Gl ttung mit dem Binomialfilter Wahl zwischen 3 x 3 und 5 x 5 Filtermaske e Wahl der Art der Grauwertskalierung linear exponentiell S f rmig Grauwertegali 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 65 sierung e Wahl des Exponenten der exponentiellen und S f rmigen Grauwertskalierung Pa rameter y der Schwelle s f r die S formige und des minimalen und maximalen Grauwertes f r die lineare Grauwertskalierung e Invertierung e Binarisierung und Wahl des Binarisierungslevels e berlagerung des Originalbildes bzw des gegl tteten Originalbildes e Multiplikationsfaktor der Kantenverst rkung e Setzen eines Offsets e Zoom e Zoom Glatten e Wahl der Randgr e e Darstellung des Bildes um 180 gedreht Parameter usd Auf die ersten Punkte wurde weiter oben schon eingegangen so da diese an dieser Stelle nicht noch einmal erl utert werden m ssen sondern hier als erstes die Invertierung disku tert werden soll Diese bewirkt eine Umkehrung der Grauwerte d h alles was vorher hell war wird dunkel und umgekehrt Diese Einstellm glichkeit tr gt der Tatsache Rechnung da Sehbehinderte manche Dinge wie z B Schrift in invertierter Form also bei Schrift wei auf schwarzem Grund besser erkennen k nnen Gerade bei Schrift oder anderen Zweipegelbildern ist e
53. eine Filtergr e von 64 x 64 bzw von 96 x 72 gew hlt werden Mit Options k nnen z B aus einem Bitmap nur eine horizontale oder vertikale Linie angezeigt werden oder der anzuzeigenden Bildausschnitt vergr ert werden Dies kann f r Testzwecke sehr hilfreich sein Eine Dokumentation des Programmes kann unter Help abgerufen werden Die oben angesprochen Aufnahme und Wiedergabe von Bildsequenzen wird ber die unter der Men leiste angebrachten Buttons Abb 5 1 gesteuert Hier besteht die M glich keit Eingangsbilder oder auch die Ausg nge von einzelnen Modulen aufzuzeichnen 5 2 Neue Implementierungen Neu zu dem Programm dazugekommen sind drei Module e HVES Modul e Deriche Filter 56 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE Abbildung 5 2 Visor Hauptfenster welches teilweise von dem Dialogfenster zur Einstellung der Kameraparameter tiberdeckt wird e Vollbildschirm Darstellung In den nachsten beiden Unterkapiteln werden diese Module ausfiihrlich beschrieben Sie sind speziell f r die Anwendung der LCD Brille programmiert wobei sie nat rlich auch mit allen anderen Programmteilen des Visor Programmes verwendet werden k nnen 5 2 1 Filtermodule Eine wichtige Aufgabe der Software besteht in der digitalen Bildverarbeitung Dar unter wird allgemein die Bearbeitung der Originalbilddaten verstanden Hier gibt es ver schiedene Algorithmen die zur Anwendung kommen k nnen Da bei diesem Projek
54. einem bestimmten Grauwertbereich kann auch eine exponentielle Grauwertskalierung 62 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE HYES Parameter last Abbildung 5 5 Dialogbox zur Einstellung der Parameter des HVES Moduls Neben der Aus wahl des gew nschten Kanten Operators k nnen der Binomial Filter Grauwertskalierungen und andere Optionen angew hlt werden Auf die m glichen Optionen wird im Text eingegangen gew hlt werden Damit wird eine Ausdehnung des Grauwertbereiches auf die volle Grau wertskala bewirkt Eine lineare Streckung wird durch folgende Rechnung erzeugt 0 f r s x y lt min es min 255 f r min lt s x y lt max 5 16 255 fiir s x y gt max min und entsprechen den minimalen und maximalen Grauwerten bei denen die Streckung beginnen bzw enden soll Diese Werte k nnen im Dialogfenster zum HVES Modul frei gew hlt werden Bei Wahl automatisch werden diese Werte auf den kleinsten bzw gr ten Grauwert des aktuellen Bildes festgesetzt Die obige Gleichung entspricht der in Abbildung 5 6 dargestellten st ckweise linearen Grauwertkennlinie Die exponentielle Streckung mit beliebig w hlbaren Parameter y wird durch 955 SY 4 8 2 955 5 17 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 63 8 x y 8 x y 255 4 4 255 25 gt A gt 0 255 8 0 e 255 S x y Abbildung 5 6 Links St ckweise lineare Grauwertkennlinie Rechts Kurven
55. einer verminderten Sehscharfe Die Abbildung 1 4 zeigt die Sehsch rfe in Abh ngigkeit vom Ort im Gesichtsfeld Bei ca 15 nasal befindet sich eine Aussparung aufgrund des blinden Flecks papilla nervi op tici Mit der Sehsch rfe ist das maximale optische Aufl sungsverm gen der Fovea centralis bei st rkstem Kontrast gemeint Es wird also die Funktion der Netzhautmitte untersucht Sie ist definiert als Kehrwert des in Winkelminuten angegebenen r umlichen Aufl sungs verm gens des Auges 1 Visus Winkelminunten 1 1 a o bezeichnet die L cke in Winkelminuten die von der Versuchsperson gerade noch wahr genommen wird Getestet wird die Sehsch rfe meist mit Hilfe von Sehtafeln mit Buchstaben verschie dener Gr e oder mit Landolt Ringen Abb 1 4 Wenn zwei unter einem Sehwinkel von 1 2 SEHSCHARFE VISUS 7 Sehsch rfe 0 3 Os Le 1 Ap So Landott Ring DA Di 19 DI 0 025 70 6 Sir A 30 20 w ap 50 Hasal t Tempora Abbildung 1 4 Abh nigkeit der Sehsch rfe vom Ort im Gestichtsfeld Dabei gibt die rote Kurve das photopische und die schwarze das skotopische Sehen wieder Die Anzahl der Zapfen und St bchen ist dazu korreliert 15 nasal befindet sich der blinde Fleck An dieser Figur kann der eigene blinden Fleck festgestellt werden indem das Kreuz F rechts aus 25cm Entfernung mit dem rechten Auge monokular fixiert wird Dann wird der Lando
56. ektes eine Anh ufung von Phytans ure im Blut und in an deren Geweben vor was wahrscheinlich f r die verschiedenen Funktionsbeeintr chtigungen verantwortlich ist Der Verlauf dieser Erkrankung kann deshalb durch die strenge Einhal tung einer phytans urearmen Spezialdi t zum Stillstand gebracht werden Sofern die Di t nicht zur Normalisierung der Phytanwerte ausreicht kann in bestimmten Zeitabst nden eine Plasmaseparation vorgenommen werden Das Bardet Biedl Syndrom ruft Symptome wie z B Fettsucht berz hlige Finger oder Zehen geistige Entwicklungsst rungen oder Unterentwicklung der Geschlechtsorgane hervor Es wird von Pseudo Retinitis pigmentosa gesprochen wenn nicht erbliche Erkrankun gen die gleichen Symptome zeigen z B Entz ndungen Vergiftungen durch Medikamente oder andere Stoffe Pro Retina Bisher wurde noch kein Mittel gegen Retinitis pigmentosa gefunden Auch die Versuche mit Retina Implantaten befinden sich noch in den Anfangs stadien Hier sollen Chips die defekte Netzhaut ersetzen und Lichtreize direkt an den Seh nerv weiterleiten Abb 1 8 Retina Implant News in Bonn The Retina Implant Project Sub Retinal Implant Project 14 SEHHILFEN 13 retina ganglion bipolar pignert calls cels mepthelium 4 vi area of loss of rods and cones subretinal implanted object projection onto micro the retina photodiode array Abbildung 1 8 Sub Retina Implant Project Ein Chip soll
57. elt wurden aber keine Besserung eintrat ist klar da eine der Lampen zur Beleuchtung der LCDs zuviel Strom verbraucht Messungen haben ergeben da der Energieverbrauch der i glasses bei knapp 4 W liegt Damit weicht er um 1 W von den W Herstellerangaben ab Leider konnte dieses Problem nicht behoben werden f hrt aber zu keiner Einschr nkung der Funktionalit t des Systems Da die Spule sich in dem Brillengeh use befindet kommt dieser Defekt nicht weiter zum Tragen Er ist nur an einer Erw rmung des Brillengeh uses zu bemerken Abbildung 3 14 Die LCD Brille Die Optik wurde ersetzt und der Kamerachip vorne an der Brille montiert Die beiden Kabel rechts im Bild stellen die Verbindung zur Kamera helles Kabel und zu den LCDs dunkles Kabel her Die Abbildung 3 14 zeigt die fertiggestellte LCD Brille mit neuer Optik Vorn auf der Brille in dem quadratischen Geh use steckt der Kamerachip auf der Kameraplatine 42 KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT Kapitel 4 Die Hardware Peripherie In diesem Kapitel werden die einzelnen Hardwarekomponenten beschrieben die neben der LCD Brille noch f r das System ben tigt werden Dabei wird detaillierter auf die ADC Platine eingegangen da diese im Rahmen des Projektes hergestellt worden ist 4 1 Computer Zur Datenverarbeitung wird ein PC ben tigt Um die Portabilit t zu gew hrleisten wird ein Notebook gew hlt Zuerst wurde das Notebook Portege 610 CT von Toshiba mit einem Pentium
58. en auf andere Bereiche ausgedehnt So sind sie im Virtual Reality Bereich inzwischen weit verbreitet Hier werden 3D Umwelten simuliert so da der Betrachter sich in eine neue Welt versetzt f hlt So gibt es eine Vielzahl von HMDs auf dem Markt auf die in dem Kapitel 3 Auswahl und Umgestaltung eines HMDs weiter eingegangen wird Andere Anwendung finden diese Videosysteme in sogenannten Wearable Computers Abb 1 11 Damit sind tragbare Videosysteme gemeint die die Sicht zur Umgebung nicht verdecken die aber Informationen visuell und ber Kopfh rer weiterleiten k nnen indem Bild und Schriftmaterial auf einen kleinen Bildschirm vor das Auge projiziert bzw Text abgespielt wird Das System ist an einen kleinen Computer angeschlossen Damit soll Arbeitern online Hilfestellung bei ihrer Arbeit gegeben werden und so ein Anlernen der Arbeiter f r bestimmte Aufgaben berfl ssig gemacht werden Desweiteren wird versucht diese Technologie zur Entwicklung einer Sehhilfe zu nutzen In Deutschland wird LVES vertrieben Ein weiteres Projekt dieser Art ist POVES 3Liquid Cristall Displays Head Mounted Displays 5Low Vision Enhancement System Portable Optoelectronic Vision Enhancement System 16 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND See through Display Miniatur Mikrophop und Kopfh rer Kabellose t Komminikationverbindung Abbildung 1 11 Wearable Computer System Aus GT Wearables POVES Das POVE
59. endung der Kamera st rend ist da dann die Bildaktua lisierung zu langsam vonstatten geht Kapitel 6 Test des HVES 6 1 Gliederung des Tests Die Tests zur Eignung des HVES als Sehhilfesystem sind wie folgt aufgebaut e Test mit verschiedenen Testreihen von Bitmaps Geometrische Muster E s Zahlenreihen Text Photo mit verschiedenen Motiven Hauser Tiere Personen e Test mit Kamerabildern Orientierung im Raum Motiv Personen Motiv Schrift verschiedener Schriftgr en Der genaue Testablauf kann Anhang D entnommen werden Hier sind zum einen die Bild reihen mit den Testmotiven Abb D 1 abgedruckt zum anderen ist der Testerfassungs bogen Abb D 2 D 6 mit aufgenommen auf dem der gesamte Test mitprotokolliert wird Ziel der Tests ist es einen Einblick in die St rken und Schw chen des Systems zu bekommen Insbesondere soll festgestellt werden ob das System mit evtl noch vorzuneh menden Verbesserungen wie z B einer erh hten Kameraaufl sung ein einsatzbereites Sehhilfesystem darstellt 73 74 KAPITEL 6 TEST DES HVES 6 2 Testeinstellungen F r den Test werden ein Notebook mit Videoausgang die LCD Brille mit montierter 96 x 72 Kamera die ADC Platine das Video Interface und die jeweils dazugeh rigen Kabel ben tigt Es wird das Visor Programm gestartet und ein speziell f r diesen Test aufgebautes Bitmap mit 25 Testmotiven Abb D 1 geladen Die Bildschirmaufl sung wir
60. er die von den LCDs geliefert werden so ins Auge fallen da das Gehirn dar aus ein Bild entstehen l t Bei unterschiedlicher Abbildung von Gegenst nden auf den Netzh uten beider Augen spricht man von Querdisparation Bei zu gro er Querdisparation enstehen Doppelbilder Nur bis zu einem bestimmten Grad der Querdisparation werden diese st renden Doppelbilder unterdr ckt Schmidt 97 Es zeigt sich da es bei einer nur geringf gigen Fehlstellung der beiden Linsenhalterungen dem Gehirn nicht mehr gelingt die zwei identischen Bilder zu einem zu fusionieren sondern da ein Doppelbild entsteht welches sich in der Mitte berlappt Dieses Problem spielt auch beim Bau von Ferngl sern eine Rolle Hierbei mu als Regel beachtet werden da die Abweichung der optischen Achsen bezogen auf die Augenstellung maximal e divergent 10 Winkelminuten e konvergent 60 Winkelminuten e hoch tief 10 Winkelminuten 3 2 UMGESTALTUNG DER I GLASSES 41 betragen darf da es sonst zu einer St rung oder Aufl sung der Fusion und somit zum Doppelbild kommt Koenig 59 Auf keinen Fall d rfen die Bilder gegeneinander verdreht sein da das Gehirn solche Verdrehungen nicht kompensieren kann Ein weiteres Problem ist da eine Spule die f r die Spannungsversorgung einer Be leuchtungseinheit auf der Steuerungsplatine f r die LCDs verantwortlich ist sehr hei wird Nachdem sowohl der vorgeschaltete Spannungsregler als auch die Spule ausgewechs
61. er intern schon im Rechner stattfindet ist es in diesem Fall nicht mehr notwendig Im Anhang A befinden sich unter den technischen Daten der i glasses auch Angaben zum PC Interface 4 5 Gesamtsystem Bei der Nutzung des Videoausganges des Notebooks Tecra ist zu beachten da es nur dann m glich ist ein Videosignal auszugeben wenn nicht die h chste Farbtiefe gew hlt wird Dann besteht aber die M glichkeit zwischen verschiedenen Ausgaben zu w hlen namentlich zwischen dem Display des Notebooks einem externe Bildschirm oder einer Ausgabe ber den Videoausgang Mit den Funktionstasten Fn F5 k nnen die einzelnen Ausgabemodi gew hlt werden Es ist m glich gleichzeitig zwei Modi zu w hlen Z B ist es f r diese Anwendung sinnvoll zu Testzwecken das Bild sowohl auf einem Bildschirm 50 KAPITEL 4 DIE HARDWARE PERIPHERIE als auch in der LCD Brille auszugeben Bei der Verwendung der i glasses mit dem PC Interface mu darauf geachtet werden da die Bildschirmaufl sung und damit das VGA Signal f r den Bildschirm nicht h her als 640 x 480 Standard VGA Aufl sung ist da es sonst in der LCD Brille nicht zu einer Anzeige kommt Ebenso sollte darauf geachtet werden da die vertikale Bildschirmwie derholfrequenz zwischen 60 und 70 Hz liegt was dem Standard VGA Modus entspricht Eine Abbildung Abb 2 3 des Gesamtsystems befindet sich in Kapitel 2 Dort k nnen die hier beschriebenen Einzelteile die das Gesamtsystem bilden wiedergef
62. ere Anpassung an spezielle Anforderungen Allerdings ist vor einer rztli chen Verordnung dieses Systems eine ausf hrliche und zeitintensive Erprobung erforderlich Kapitel 2 Das Gesamtsystem H VES Die Arbeitsgruppe Elektronisches Sehen am Institut f r Hochenergiephysik hat die Projektstruktur wie sie in Abbildung 2 1 dargestellt ist Vision Chips stehen als Auf nahmesysteme zur Verf gung Um ihre Daten mit einem Computer weiterverarbeiten zu k nnen ist eine A D Wandlung notwendig F r diese Arbeit wurde dazu eine ADC Platine hergestellt deren Beschreibung in Kapitel 4 zu finden ist Alternativ kann das Kamerabild auch einer Analoge Kantenextraktion unterzogen werden Von dieser M glichkeit wurde in dieser Arbeit kein Gebrauch gemacht Die Kontrolle und Verarbeitung der Daten ge schieht ber einen Computer Hier k nnen an Stelle des Kamerabildes auch direkt Daten aus einer externen Quelle z B dem Internet eingespeist werden Als Ausgabeger te stehen ein taktiles und ein visuelles Ausgabeger t zur Verf gung Diese Arbeit besch ftigt sich mit der visuellen Ausgabe N here Angaben zu den Schwerpunkten der Arbeitsgruppe die hier nicht weiter erl utert werden kann man in Loose 98 Schemmel 97 Maucher 98 und Jeschke 96 nachschlagen Die LCD Brille als visuelles Ausgabeger t bildet also einen Zweig Nur durch die Integration in das Gesamtprojekt ensteht das HVES Die Abk rzung steht f r Heidelberger Vision Enhan
63. ert Je nach Einstellung des Parameters kann so das eigentliche Bild um bis zu 10 Pixel an jeder Seite erweitert werden Da dies nat rlich zu einem wesentlich erh hten Rechenaufwand f hrt und gar nicht bei jeder Einstellung der brigen Parameter notwendig ist wurde die Randbreite variabel gehalten Die Drehung des Bildes um 180 ist speziell f r die Anpassung an die LC D Brille ge dacht da diese den Strahlengang umkehrt so da ohne eine softwarem ige Drehung in der LCD Brille alles auf dem Kopf dargestellt w rde Da diese Option nur f r den Gebrauch der LCD Brille sinnvoll ist wurde in dem Dialogfenster hierf r kein Eintrag vorgesehen Diese Einstellung kann aber in der Hves ini Datei direkt als usd 0 bzw usd 1 einge tragen werden indem mit der linken Maustaste auf das Ausgabefenster des HVES Moduls geklickt und in dem sich dadurch ffnenden Feld unter Parameter der gew nschte Wert eingetragen wird Beschreibung des Deriche Filters Der Deriche Filter Klette 95 ist in Programmierung und Speicherbedarf aufwendiger als die schon beschriebenen Operatoren Die Kantendetektion erfolgt hier in mehreren Bilddurchl ufen Im folgenden sollen die charakteristischen Merkmale dieses Operators etwas genauer betrachtet werden Dieser Filter bewirkt eine sehr gute Kantendetektion im Sinne folgender Kriterien Zum einen ist er gegen ber Rauschen sehr unempfindlich aber dennoch ist seine Empfindlich keit gegen ber wahren Kanten sehr
64. f r werden die Kanten breiter und unscharfer Es kann solange an den Parametern gespielt werden bis die f r die Anwendung optimale Einstellung gefunden ist In Abbildung 5 9 wurde der Deriche Operator mit unterschiedlichen Parametern auf dasselbe Bild angewendet Auch auf diesen Filter k nnen die vielf ltigen Einstellungsm glichkeiten Abb 5 5 die oben beschrieben wurden angewandt werden 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 69 Abbildung 5 9 Oben links Originalbild Die anderen Bilder geben die Anwendung des Deriche Filters mit verschiedenen Parametern auf dieses Bild wieder Oben rechts a 0 5 unten rechts o 10 und unten links 2 wobei hier da Kantenbild zus tzlich mit dem Originalbild berlagert ist In allen F llen ist der Multiplikationsfaktor f r die Kantenst rke auf Mul 2 gesetzt Rechenaufwand der Filter Ein wichtiges Kriterium f r eine hohe Bildausgabefrequenz ist die ben tigte Rechen geschwindigkeit f r den iplementierten Filter Die im HVES Modul integrierten Filter sind alle bez glich ihrer Geschwindigkeit optimiert Dazu sind alle Rechenschritte soweit wie m glich zusammengefa t Bei Filtern die mit einer Maske beschrieben werden wie z B dem Sobelfilter erfordert bei einer Maskengr e von 2r 1 2r 1 jedes Pixel 2r 1 Multiplikationen und 2r 1 1 Additionen Dies summiert sich schon bei kleinen Maskengr en zu einer gro en Anzahl von Rechenoperationen Daher ist es not
65. findet Ein klobiges und futuristisches Aussehen ist sozial sehr unvertr glich Der Preis spielt sicherlich auch eine Rolle Dieser korreliert stark mit der Aufl sung der HMDs wobei die Entwicklung zu immer h heren Aufl sungen bei gleichbleibenden Preisen geht Die drei letzten Punkte geringes Gewicht Portabilit t und Tragekomfort sind eng miteinander verkn pft Ein schweres Kopfteil wird sich ebensowenig bequem tragen lassen wie gro e Abmessungen und ein hohes Gewicht zur Mobilit t beitragen 3 1 1 Vergleich verschiedener HMDs Es gibt grunds tzlich zwei verschiedene Systeme von HMDs Die einen verwenden als Monitorsystem LCDs Liquid Crystal Display die anderen benutzen CRT Displays Cathode Ray Tube Ein LCD besteht wie der Name schon sagt aus Fl ssigkristallen die beim Anlegen einer Spannung ihre Transparenz verlieren Dieser Effekt beruht darauf da vor den LCDs ein Polarisator angebracht ist und durch das Anlegen einer Spannung die Polarisationsrichtung der LCDs um 90 gedreht wird Abb 3 1 So kann bei angelegter 3 1 AUSWAHLKRITERIEN FUR EIN HMD 29 Fl ssigkristall polarisierender Hintergrund Lichtwellen um 90 versetzt LCD mit Spannung Abbildung 3 1 Prinzip der LCDs Spannung der wei e Hintergrund nicht mehr durchscheinen w hrend ohne Spannung die Polarisierungsebenen von Hintergrund und LCD bereinstimmen Durch Kombination drei farbiger Schichten rot gr n und blau kann jedes Pixel in
66. folge auch hintereinander geschaltet werden k nnen e Einlesen von Bitmaps zum Testen der Bildverarbeitung e Aufzeichnung und Wiedergabe von Bildsequenzen Abbildung 5 1 zeigt einen m glichen Bildschirmaufbau 5 1 Beschreibung des V isor Programmes Das Visor Programm besteht aus einem Hauptprogramm dem weitere Module hin zugef gt werden k nnen Es l uft unter Windows 95 98 und ist in C geschrieben C ist eine objektorientierte Programmiersprache d h ein wesentliches Element stellen Klassen dar Eine Klasse kann Daten und Funktionen enthalten Ihre Eigenschaften k nnen von anderen Klassen geerbt werden So k nnen z B Fensterklassen zur graphi schen Benutzeroberfl che auf andere Klassen bertragen werden Bei der Programmierung kann auf schon vorhandene Klassen zur ckgegriffen werden so da viele Objekte schnell ohne gro en Aufwand realisiert werden k nnen Ein gro er Vorteil der objektorientierten Programmierung ist da auch umfangreiche Programme bersichtlich gestaltet werden k nnen fixed pattern noise ist der Ausdruck f r Pixelvariationen deren Ursache in der Kamerahardware begr ndet ist also nichts mit dem eigentlich aufgenommenen Bild zu tun haben Diese Variationen sind daher zeitlich konstant und k nnen softwarem f ig korrigiert werden 2 Borland C f r Windows Version 5 01 93 54 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE tell Breil vie em
67. gen Steckerleiste f r den Anschlu an den Parallelport des Computers sind in Tabelle 4 1 be nannt Eine Schaltskizze ist in Abbildung 4 5 zu sehen Um eine bessere bersichtlichkeit zu gew hrleisten wurden h ufig die Verbindungen nicht durchgezogen sondern nur be nannt Leitungen mit gleichen Namen bilden ein Netz auf der Platine und sind somit verbunden Oben in der Schaltskizze ist die Stromversorgung skizziert Der 9 V Anschlu ist f r einen station ren Gebrauch mit der Versorgung ber ein 9 V Netzteil gedacht welches auch f r die Spannungsversorgung des PC Interfaces ben tigt wird Um auch einen net zunabh ngigen Betrieb zu erm glichen kann der 5 V Anschlu genutzt werden Die 5 V werden ber einen DC DC Wandler auf 9 V transformiert Die 5 V k nnen direkt aus dem Notebook abgegriffen werden Hierzu wurde ein Kabel zusammengel tet welches auf der einen Seite einen PS 2 Stecker welcher in den PS 2 Anschlu des Notebooks pa t und 4 3 ADC PLATINE 47 Steckerleiste fiir den Kamera stecker Monoflop Powerversor gung 9 V DAC Stecker zur NAND Gatter Abbildung 4 3 Links Platinenoberseite Rechts Unterseite auf der anderen Seite einen Stecker f r den Anschlu an die ADC Platine besitzt Diese 5 V k nnen auch f r die Versorgung der i glasses im Videobetrieb genutzt werden so da das gesamte System unabh ngig von einem festen Netzanschlu ist und vollst ndig ber den Akku des Notebooks
68. h rfe unter 20 800 auch mit diesem System keine Hilfe mehr zu erwarten ist Beim Test des POVES stellte sich heraus da mit diesem Ger t den Sehbehinderten wenig oder gar nicht geholfen werden kann Als Gr nde wurden die niedrige Aufl sung und auch das Fehlen von Farben angef hrt da dadurch Informationen verloren gehen In Abbil Reading Performance f No Processing Histogram i Equalisation 5 Edge Enhancement Reading Performance u TP3 5 7 TP9 Testperson Abbildung 1 12 Diagramm mit Testergebnis fiir einen Lesetest Fiir Punkte die unter 100 liegen ist mit POVES sogar eine Verschlechterung eingetreten Aus Mayer 96 dung 1 12 ist ein Testergebnis dargestellt Der Test wurde mit 12 Personen durchgefiihrt wovon zwei aufgrund ihrer zu geringen Sehkraft den Test nicht durchfiihren konnten Die Tests waren auf Objekt und Texterkennung ausgelegt Die meisten Probleme bildeten Leseaufgaben Im Diagramm sind nun die Testpersonen gegen die Lese Performance auf 18 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND getragen die sich folgenderma en berechnet Fehler Zeit ohne System Be 4 1 3 Fehler Zeit mit System Wa Per formance LVES Im Gegensatz zum POVES kann LVES kommerziell erworben werden LVES wurde an der John Hopkins Universit t of Medicine in Baltimore Maryland USA in Zusam menarbeit mit der NASA entwickelt Dagnelie und ist seit 1994 im Handel erh ltlich Das Sys
69. h das optische System des Auges bestehend aus Hornhaut und Linse und durch den Glask rper auf die Retina Es biologische Variation der Randzone 2 Akkommodation 1 1 AUFBAU DES MENSCHLICHEN AUGES 9 Pigment Schicht St bchen Zapfen Horizontal zellen Bipolare Zellen Amakrine Zellen Ganglien zellen Sehnerv Abbildung 1 2 Schematische Aufbau der Netzhaut Retina nach Uni Ulm wird also auf die Innenfl che der kugeligen H lle des Augapfels projiziert Ehe das Licht auf die lichtempfindliche Schicht der Retina gelangt durchstrahlt es die Nervenfaserschicht die Ganglienzellschicht die Amakrin Zellenschicht und die Bipolar Zellenschicht und erreicht dann die Rezeptor Schicht die aus etwa 120 Millionen St bchen und 6 Millionen Zapfen besteht Schmidt 97 Die Rezeptordichte ist f r die Zapfen in der Mitte der Fovea f r die St bchen dagegen im peripheren Bereich am h chsten In der Fovea centralis gibt es keine St bchen St bchen und Zapfen sind hnlich aufgebaut Die Sehfarbstoffe der St bchen und Zapfen haben unterschiedliche spektrale Absorptionskurven Die Absorptionskurve f r die St bchen entspricht der des Sehfarbstoffs Rhodopsin und stimmt in guter N herung mit der spektralen Empfindlichkeit des Nachtsehens skotopisches Sehen berein F r das Tagsehen photopisches Sehen sind drei verschiedene Zapfentypen mit unterschiedlichen Sehfarbstoffen zust ndig die bei unterschiedlichen Wellenl ngen
70. ht zug nglicher Ein Ausschalter Audio Stereo RCA Stecker 1 Volt Frequenz 20 Hz 30 kHz Stereoklang Interface Eingang 1 Videokanal Video Einzelkanal RCA Eingang Audio Stereo RCA Eing nge 3 D F higkeit Stereoskopes Sehen Fild segeuntial ohne Flimmern Computer Interface Video Einzelkanal RCA Eingang Audio Stereo Eingang und Pass through Ausgang VGA Interface Eingang und Pass through Ausgang 60 oder 70 Hz Betrieb Field und Line sequential 3 D Formate Netzanschlu Eingang 220 V 240 V Wechselspannung Ausgang 9 V Gleichspannung Head Tracker Drei Bewegungsrichtungen Nicken Wiegen Drehen 250 Hz Abtastrate Tabelle A 2 Technische Daten der i glasses aus Benutzerhandbuch i glasses Anhang Grauwertegalisierung 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 1 130 150 170 190 Abbildung B 1 Darstellung der Tranformationsgleichung zur Grauwertegalisierung 255 hist w mit Q 1188 und den Faktoren y 0 1 rot 1 gr n und y 5 blau dar Die dazugeh rigen Bilder sind auf der n chsten Seite in abgebildet 79 80 ANHANG GRAUWERTEGALISIERUNG camera Orion u chmidt wi Pixelzahl 0 L L 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 W mm 0 lt lt
71. ie Optik der LCD Brille hat sich in dieser Anwendung bew hrt Eine 9 fache Vergr erung der LCDs konnte erreicht werden F r die Aufh ngung der Linsen kann noch eine bessere Mechanik entwickelt werden Zur Zeit k nnen die Linsen verrutschen und eine exakt positionierte Einstellung ist nicht ganz einfach zu erhalten Eine bessere Halterung mit der M glichkeit die Linsen gezielt vor und zur ckzuschieben k nnte hier Abhilfe schaffen So w rde es dann auch keine Probleme bereiten Refraktionsfehler gezielt durch eine pr zise Einstellung des Abstandes der Linsen von den LCDs zu kompensieren Wichtig ist in jedem Fall da eine solche Einstellung leicht exakt und ohne gro en Aufwand vorgenommen werden kann Einen Schwachpunkt bildet momentan sicherlich die Kamera aufgrund ihrer geringen Aufl sung Zudem verliert der Sehbehinderte ein Vielzahl von Informationen da die Ka mera nur Schwarz Wei Bilder liefert Hier ist sicherlich eine Kamera mit wesentlich h herer Aufl sung erforderlich Es bleibt abzuwarten ob die hier momentan in der Ent wicklung befindliche Kamera mit einer Aufl sung von 384 x 288 Pixeln ausreicht oder ob eine gr ere Aufl sung erforderlich ist Diese Aufl sung erf llt die Minimalanforderungen einer sinnvoll einsetzbaren Sehhilfe f r eine vergr erte Darstellung ist sie aber vermutlich noch zu gering Sicherlich wird der Informationsverlust durch die fehlende Farbdarstellung immer ein Problem dieses Kamera
72. ilz y 2 1 5 b gn e 1 y bs guile 2 y 5 23 v 2 2 4 fla 1 y b mal 1 y b2 malt 2 Y 5 23 vi 9 0 5 9 2 0 Malz y 1 go 9 2 7 a gh 2 0 1 bi gi z 1 be gni x 2 5 23 vii gan Y Belt 9 1 as ga 2 2 bi y 1 be Gna a y 2 5 23 viii Das Resultatbild h x setzt sich aus den Kantenbildern H x y der horizontalen und V a vertikalen Kanten zusammen biz VA 2 y V 5 24 Dieser Filter extrahiert die Kanten und hat zugleich eine glattenden Wirkung Die St rke der Gl ttung kann mit Hilfe des Parameters o variiert werden Je kleiner der Pa rameter a gew hlt wird desto st rker wird die Gl ttung da das Einflu gebiet und damit die Fenstergr e steigt Dabei spielt die Gr e von a f r den Rechenaufwand keine Rolle Dies ist ein gro er Vorteil dieses rekursiven Kantenoperators gegen ber nichtrekursiven Operatoren bei denen der Rechenaufwand im allgemeinen quadratisch mit der der Fen stergr e steigt womit u U eine sehr hohe Rechenzeit verbunden ist Mit einem gro en Wert von o werden exakt positionierte Kanten erhalten allerdings ist der Filter damit dann rauschempfindlicher was sich in ruhigen Bildabschnitten ohne ausgepr gte Kanten besonders st rend bemerkbar macht Dagegen bewirkt ein kleines a eine st rkere Gl ttung und damit ein recht rauschfreies Bild Da
73. in der die Konstruktions zeichnung abgebildet ist Die Halterung besteht aus mehreren Einzelteilen die nachtr glich 3 2 UMGESTALTUNG DER I GLASSES 37 Aussparung fiir die LCDs Linsenhalterungen Abbildung 3 9 Konstruktionszeichnung der neuen Optikhalterung zusammengefiigt wurden So besteht das Hauptteil Abb 3 10 aus einer Platte aus schwar Abbildung 3 10 Dieses Abdeckung wurde dem Geh use der i glasses angepa t Es wird daran festgeschraubt In der Mitte befinden sich die Aussparungen f r die beide LCDs Die Ma e der Zeichnung sind in mm angegeben zen Kunststoff die exakt auf das Brillengeh use der i glasses pa t Es befinden sich auf der Platte Aussparungen und Fassungen f r die LCDs Kleine Stege halten die Platine zur Steuerung der LCDs in korrektem Abstand Au erdem k nnen in die Aussparungen F hrungen f r die Schrauben eingesteckt werden Auf der Unterseite der Platine werden die Fassungen f r die Linsen Abb 3 11 angebracht Diese sind so konstruiert da die Linsen ein bi chen Spiel haben und so etwas vor und zur ck geschoben werden k nnen Auf diese Weise k nnen sich die Linsen auch vor bzw hinter der Brennebene befinden so da die Strahlen aufgef chert bzw eingeengt werden Dies erm glicht den Ausgleich von 38 KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT dr Auss I ssparung bh i N f r den 2 of cn Kamerachii en We ff j CG D I f H Ad Ai 1
74. inear Ja Nein Laplace Mul 1 Ja Nein min 254 Bildnr Ja Nein Bildnr Nein SS Originalbild 4 5 Originalbild 123 45 6 Laplace Ja Nein Skal Linear Nein Gl ttung 3x3 Bildnr Zoom 1 3 Bildnr Ja Nein Original S f rmig Nein s 210 y 10 Bildnr Originalbild 123 45 6 Ska Skal Linear Ja Nein Invertierung Bildnr Ja Nein Original Skal S f rmig Ja Nein s 210 y 10 Bildnr Zoom 1 2 Weitere Einstellungen und Kommentare Weitere Einstellungen und Kommentare G8 q G Pd 0488011886 194589 9 9 pun Lat Testreihe 4 Text Testreihe 5 Photos 1 4 En wei Gro W r nie BEZE Water Gr ber Hallo Einstellungen Erkannt Bewertung des Erkennens Kommentar Einstellungen Tank Bewertung des Verbex Kommentar Bildnr Verbesserung Ja Nein Erkennens 1 6 serung 123456 0 Originalbild Ja Nein Bildnr Ja Nein Originalbild Originalbild 2 3 4 5 Laplace Mul 1 Ja Nein Bildnr Ja Nein Originalbild 2 3 4 5 Laplace Nein Glattung 3x3 ildnr Ja Nein Originalbild Laplace Mul 2 Gl ttung 3x3 Original 2 3 4 5 Skal S f rmig Nein Originalbild s 210 y 10 ildnr Deriche 0 5 M
75. l eines bestimmten HMDs gef hrt haben und dessen Umgestaltung zur LCD Brille beschrieben Die Angebote von HMDs sind vielf ltig Es gibt Unternehmen die sich auf die Ver marktung von solchen Virtual Reality Systemen spezialisiert haben Da diese Unternehmen meist im Internet pr sent sind fand eine Suche und ein Vergleich der erh ltlichen HMDs dort statt 3 1 Auswahlkriterien f r ein HMD F r die im Rahmen dieser Arbeit zu entwickelnde Sehhilfe sollten die HMDs folgende Anforderungen erf llen e Hohe Aufl sung der LCDs e Hohes vertikales und horizontales Sichtfeld VFOV HFOV e G nstiger Preis e Unauffalliges Design e Geringes Gewicht e Klein und portabel e Hoher Tragekomfort F r diese Arbeit spielt der erste Punkt die hohe Aufl sung der LCDs keine entschei dene Rolle da die Kamerachips die hier Verwendung finden nur eine Aufl sung von 64x64 Vertical Horizontal Field of View N here Angaben zum Kamerachip sind in Kapitel 4 zu finden 27 28 KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT bzw 96 72 Pixeln besitzen Die Pixelanzahl aller zur Zeit im Angebot befindlichen HMDs liegt um ein Vielfaches dar ber Damit bildet die Kamera den begrenzenden Faktor Da die zur Zeit verwendeten Kamerachips nur Prototypen darstellen und sich ein Kamera chip mit einer verbesserten Aufl sung 384 x 288 Pixel in der Entwicklung befindet ist es angebracht bereits jetzt LCDs mit einer entsprechenden Aufl sung einzusetzen Als
76. ladegeneration Von der senilen Makuladegeneration sind rund 20 der 60j hrigen und 50 der 80j hrigen betroffen wie Reihenuntersuchungen gezeigt haben Hollwich 88 1 3 3 Retinitis pigmentosa Allein in Deutschland leiden mehr als 30 000 Menschen an Retinitis pigmentosa Bei dieser Augenkrankheit sterben die Netzhautzellen allm hlich ab in der Regel zun chst die St bchen und erst in einem sp teren Stadium auch die Zapfen Je nachdem welcher Bereich der Netzhaut durch das Absterben ausf llt sind unterschiedliche Funktionsverluste die Folge Die Hauptmerkmale der Retinitis pigmentosa sind e Einengung und Ausf lle des Gesichtsfeldes e gest rtes D mmerungssehen und Nachtblindheit e St rungen des Farben und Kontrastsehens e Blendungsempfindlichkeit Beim klassischen Verlauf beginnt sich das Gesichtsfeld von den Au enzonen her einzuen gen bis nur noch ein kleiner Sehrest im Zentrum brigbleibt Dies bewirkt den sogenannten Tunnelblick Abb 1 7 Bei dieser typischen Form der Retinitis pigmentosa ist die Ori entierung im Raum erheblich erschwert obwohl das Sehen im Zentrum noch funktioniert so da z B Lesen noch m glich ist Ein gro es Problem ist da den Betroffenen der Ge sichtsfeldverlust erst sehr sp t bewu t wird da das Gehirn die abgestorbenen Zonen nicht als schwarze oder wei e Flecken erscheinen l t sondern sie der Umgebung anpa t Die Ausf lle k nnen als Ring um das Zentrum Ringskotom oder auch fle
77. ler Ausgabe zu finden rot umrandet Die gelb unterlegten Bereiche bezeichnen die Arbeitsschwerpunkte der Gruppe Informationen zu den Teilprojekten finden sich soweit nicht in dieser Arbeit beschrieben in Loose 98 Schemmel 97 Maucher 98 und Jeschke 96 24 KAPITEL 2 DAS GESAMTSYSTEM HVES realisiert EIER Hardware Vision Chip E 2 Computer 4 8 5 gt LCD Brille Abbildung 2 2 Darstellung des Gesamtsystems HVES Das System besteht aus dem Vision Chip der als Kamera zur Bildaufnahme verwendet wird einem PC zur Bildverarbeitung und Kontrolle und der LCD Brille als Ausgabeger t Diese drei Komponenten Vision Chip Computer und LCD Brille bilden das HVES 2 3 DIE BILDAUSGABE 25 LCD Brille _ PC Interface Notebook Abbildung 2 3 Photo der LCD Brille mit montiertem Kamerachip und Notebook Daneben liegen der 96 x 72 Kamerachip mit kleinem Objektiv das PC Interface im Hintergrund davor das Video Interface und die ADC Platine Bei Verwendung des abgebildeten Notebooks wird das PC Interface nicht ben tigt Zusammen bilden diese Komponenten das Gesamtsystem HVES 26 KAPITEL 2 DAS GESAMTSYSTEM HVES Kapitel 3 Optisches Ausgabeger t Als Grundlage des optischen Ausgabeger tes wurde ein HMD verwendet der den An forderungen dieser Arbeit entsprechend weiterentwickelt wurde In diesem Kapitel werden die Auswahlkriterien die zur Wah
78. lt Ring links nicht mehr gesehen Aus Schmidt 97 1 Winkelminute betrachtete Punkte z B die Begrenzung der Liicke im Landolt Ring ge trennt wahrgenommen werden betr gt der Visus 1 Bei diesem Test l t sich die Sehscharfe aus dem Verh ltnis Ist Entfernung Soll Entfernung 62 aus dem der Buchstabe bzw die ffnung des Ringes erkannt wird errechnen Wird z B ein Buchstabe bei einem Abstand von 5m Ist Entfernung erkannt der eigentlich auf 8m Soll Entfernung erkannt werden sollte so betr gt der Visus 5 8 Die Sehsch rfe korreliert mit der Rezeptordichte und der rezeptiven Feldgr e in der Netzhaut und ist von der Adaptation abh ngig Eine optimale Aufl sung der Sehzeichen wird nur erreicht wenn diese scharf auf die Fovea centralis abgebildet werden d h wenn die Refraktion normal ist bzw Refraktionsfehler durch Brillengl ser vollkommen aus geglichen werden Die Sehsch rfe Visus cum correctione ist demnach als maximales Aufl sungsverm gen bei optimaler Korrektur zu verstehen Dagegen wird als Sehleistung 8 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND die Sehsch rfe ohne Korrektur durch Brillen Visus naturalis Rohvisus bezeichnet 1 3 Sehbehinderungen Es gibt verschiedene Gr nde f r Sehschw chen Die bekanntesten sind Kurz und Weit sichtigkeit Bei den Sehbehinderungen die durch eine Degeneration der Netzhaut hervor gerufen werden treten Makuladegeneration und Retinitis pigmentosa am h ufigsten auf
79. n die aber an den M glichkeiten der mechanische Werkstatt gescheitert ist In der Werkstatt k nnen nur Teile gefr st aber nicht gegossen werden so da Rundungen und W lbungen schwierig herzustellen sind Deshalb mu te auf eine 3Es werden Spiegel der Firma Spindler amp Hoyer verwendet 36 KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT Abbildung 3 7 Steuerungsplatine fiir die LCDs komplette Neugestaltung verzichtet werden Fiir die neue Optik wurde daher eine neue Halterung konstruiert die die alte Halterung mit den halbdurchl ssigen Spiegeln und den Hohlspiegeln ersetzt Von den i glasses wurde das Brillengeh use Abb 3 6 verwendet das auch weiterhin die Platine Abb 3 7 zur Ansteuerung der LCDs beherbergt Eine Schwierigkeit bestand darin die neue Optikhalterung genau dem Brillengeh use der i glasses anzupassen Hierf r mu ten die Rundungen genau abgemessen werden damit die Koordinaten und Radien in die CNC Fr se der mechanischen Werkstatt einprogram miert werden konnten Eine gesamte Neugestaltung w re unter diesem Aspekt einfacher gewesen da dann alle Daten bereitgestanden h tten Abbildung 3 8 Photo der neuen links und der urspr nglich rechts in den 7 0 48868 verwen deten Optikhalterung Im linken Photo sind die Linsen und die Aussparung f r den Kamerachip zu sehen Neue und alte Optikhalterung sind in Abbildung 3 8 dargestellt Ein genaueres Bild des Redesigns kann anhand der Abbildung 3 9 gewonnen werden
80. n Toshiba Allgemein Gewicht 2 86 Kg Prozessor 300 MHz Festplatte 6 GB Speicher 64 MB CD Rom Bildschirm 13 3 XGA Umgebungsbedingungen Betrieb bei 5 35 C und 20 30 Luftfeuchte Stromversorgung Netzadapter 45 Watt 100 240 V Wechselstrom 50 oder 60 Hz Computer 15 V Gleichstrom 3 0 A Prozessor Mobile Pentium II Prozessor 300 MHz Speicher 64MB Anschl sse 1xParallel 1x Seriell VGA Anschlu Video Ausgang PS 2 Maus Tastatur Infrarotschnittstelle Universal Serial Bus USB zwei Steckkartenpl tze Tabelle A 1 Technische Daten des Notebook Tecra 8000 von Toshiba aus Benutzerhandbuch TT 18 ANHANG A TECHNISCHE DATEN i glasses Optik Verzerrungsfreie Anzeige die optimal im ge ffneten Betrieb benutzt werden kann Sichtfeld 30 fiir jedes Auge Fester Brennpunkt bei 28cm um beranstrengung der Augen zu vermeiden i glasses m ssen nicht an individuellen Augenabstand angepa t werden 100 Stereo berlappung i glasses k nnen ber jede Brille getragen werden Anzeigen 2 Vollfarb 0 7 Fl ssigkristall Anzeigen Aufl sung 180 000 Pixel pro Fl ssigkeitskristall Anzeige VideoMute Mechanik Ergonomisch f r maximalen Tragekomfort Faltbares Kopfteil Video Brille Gewicht 230 g Visier f r geschlossenen Betrieb Ergonomisch verstellbare Kopfh rer Elektrik Netzspannung Eingang 200 240 V Wechselspannung Ausgang 6 V Gleichspannung Energieverbrauch 3 Leic
81. n mit der Maus zu eben dieser Ecke so wird in der LCD Brille genau dieses Fenster angezeigt Geplant war eine Durchf hrung des Tests an der Augenklinik Heidelberg Ophthal mologische Rehabilitation Leider mu te der geplante Termin seitens der Augenklinik kurzfristig abgesagt werden und es war vor der Abgabe dieser Arbeit kein neuer Termin mehr zu bekommen Zusammenfassung und Ausblick Ziel dieses Projektes war es eine optoelektronische Sehhilfe fiir Sehbehinderte zu ent wickeln Dabei wurde ein im Institut fiir Hochenenergiephysik entwickelter Kamerachip zur Bildaufnahme verwendet Zur Bildverarbeitung und Steuerung des Systems kam ein Notebook zum Einsatz Auf die Ausgabe wurde in dieser Arbeit das Hauptaugenmerk gerichtet Es wurde aus einem HMD wie es f r Virtual Reality Systeme auf dem Markt erh ltlich ist eine LCD Brille entwickelt Das System wurde HVES genannt was f r Heidelberger Vision Enhancement System steht Hier sollen neben den Vor und Nachteilen des entwickelten Systems weitere Entwick lungsm glichkeiten aufgezeigt werden Bew hrt hat sich die LCD Brille mit den LCDs Da diese immer preiswerter werden und eine immer bessere Aufl sung vorweisen k nnen daraus in Zukunft sicher gute und preiswerte Systeme entwickelt werden Das geringe Gewicht der Brille bildet einen gro en Vorteil gegen ber Systemen mit CRT Displays Nur so ist der n tige Tragekomfort auch ber einen l ngeren Zeitraum zu gew hrleisten Auch d
82. n rechts kann zus tzlich noch Licht von au en durch den Hohlspiegel und den halbdurchl ssigen Spiegel einfallen und unver ndert in das Auge des Betrachters gelangen welches sich links zwischen Brennpunkt F und Gegenstand G befindet aber der bersichtlichkeit wegen nicht mit eingezeichnet ist anderen der Mittelpunkt M des Hohlspiegels eingezeichnet Die Projektion der LCDs auf die Hauptachse des Strahlenganges stellt den Gegenstand G dar Er wurde eingezeichnet um den Strahlengang zu konstruieren Die Schnittpunkte der Strahlen vom Mittelpunkt M des Hohlspiegels durch die Randpunkte des Gegenstandes G mit den Strahlen durch den Brennpunkt F und den Hohlspiegel in H he der Randpunkte des Gegenstandes G geben das virtuelle Bild B wieder welches der Betrachter sieht Gleichzeitig kann auch Licht von au en durch den Hohlspiegel und den halbdurchl ssi gen Spiegel direkt und unver ndert in das Auge des Betrachters fallen LCD Linsenduplett Abbildung 3 5 Strahlengang des HVES Um den Strahlengang m glichst bersichtlich zu halten wurden das Linsenduplett als Einzellinse betrachtet in dessen Hauptebene die Strahlen gebrochen werden Auf diese Optik wurde v llig verzichtet Stattdessen wurde der in Abbildung 3 5 skiz zierte Strahlengang realisiert Hier wird das Bild von den LCDs ausgehend durch einen 3 2 UMGESTALTUNG DER I GLASSES 35 100 reflektierenden Spiegel umgelenkt und durch die Linsen direkt in das Auge des
83. nderen besteht die M glichkeit auf dem 43 44 KAPITEL 4 DIE HARDWARE PERIPHERIE Objektiv mip bag V SP ig ei wei ug wm Chipsockel light intensity Tim Mondschein Solarkonstante Abbildung 4 1 Links Kamera Rechts Logarithmisches Antwortverhalten eines Pixels aus Loose 98 Chip weitere Funktionen unterzubringen So k nnen Single Chip Kameras realisiert wer den die auf die individuelle Anwendung zugeschnittene Signalverarbeitung wie z B Bild verarbeitung bereits auf dem Chip durchf hren k nnen Der Dynamikbereich von sechs Dekaden wird durch eine logarithmische Kompression erreicht Das zur Lichtintensit t pro portionale Signal der Photodioden wird logarithmiert und verst rkt Eine automatische Blenden Regelung gleicht den ausgegebenen Grauwertebereich den Lichtverh ltnissen an Weiterhin befindet sich auf dem Chip eine fixed pattern noise Korrektur Diese Korrektur ist auf Grund der hohen Pixel zu Pixel Variationen unumg nglich wird aber gew hnlich nicht direkt auf dem Chip durchgef hrt Gerade f r die Anwendung in diesem Projekt ist der Dynamikbereich von sechs Dekaden besonders n tzlich Beispielsweise betr gt der Unterschied zwischen der Solarkonstanten 10 W m und der durchschnittlichen Lichtintensit t bei Mondschein 10 W m genau sechs Dekaden Damit werden Bildaufnahmen in dem Helligkeitsbereich erm glicht den auch das menschliche Auge abdeckt
84. oculars Cyclops ProView 30 ProView 40ST ProView 50ST ProView 60 ProView 80 dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD single LCD single LCD single LCD single LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD dual LCD 30 42 34 diag 84 263 x 230 370 x 325 640 x 480 278 x 204 240 x 240 256 x 256 160 x 234 640 x 480 230 x 789 230 789 640 480 640 480 630 480 630 480 640 480 640 480 640 480 640 480 640 480 mittel mittel mittel klein mittel mittel mittel mittel mittel 7995 49995 49995 11995 30 nVision Datavisor HRes dual CRT www nvis com 1280 x 1024 1600 g 106950 Virtual Reality Visette Pro dual LCD 640 x 480 850 g mittel 14500 DM www virtuality com Phillips Scuba single LCD 40 225 800 550g klein 8299 Tabelle 3 1 Auflistung einiger HMDs die zur Zeit angeboten werden 3 1 AUSWAHLKRITERIEN FUR EIN HMD 31 Ablenkung Heizspannung Elektronenstrahl Beschleunigungspannung Abbildung 3 2 Prinzip eines CRT Displays In der Tabelle 3 1 sind beispielhaft einige Modelle aufgefiihrt und deren Spezifikationen angegeben Um einen m glichst objektiven Vergleich anstellen zu k nnen haben sich folgende Angaben durchgesetzt e HFOV total Horizontal Field Of View bedeutet die gesamte horizontale ber deckung des Displays Sie
85. ransformationsgleichung die auf diesen Histogrammwer ten basiert festgelegt 8 255 225 pist w mit Q Y hist w 5 19 s x y o w 0 w 0 64 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE 5 S x y S 2 s x y 170 190 Abbildung 5 7 Darstellung der Tranformationsgleichung zur Grauwertegalisierung mit ver schiedenen y Faktoren rot y 0 1 gr n y und blau y 5 In Abbildung 5 7 sind Transformationsgleichungen mit y 0 1 y 1 und y 5 f r ein Bild dargestellt Man kann deutlich erkennen da bei einem sehr kleinen y Faktor die Grauwertegalisierung einer linearen Grauwertskalierung sehr hnlich sieht Im Anhang B Abb B 2 sind das Bild das als Grundlage der abgebildeten Transformationsgleichung dient und die Ergebnisse der verschiedenen y Faktoren dargestellt Um eine Vorstellung von der Wirkungsweise dieser Grauwertegalisierung zu bekommen ist daneben auch das Grauwerthistogramm des jeweiligen Bildes abgedruckt Mit dieser Grauwertskalierung k nnen insbesondere die Bilder verbessert werden bei denen nicht die gesamte Grauwerteskala von 0 255 ausgenutzt wird Allerdings kann sie sich st rend bei gut ausgeleuchteten Bildern auswirken die nur wenige Graustufen beinhalten Die Egalisierung ruft in einem solchen Fall unerw nschte Zwischengraustufen hervor Zus tzlich zu diesen Eigenschaften wurden noch weitere Einstellungsm glichkeiten pro grammiert In der folgenden List
86. rden wie in Tabelle C 1 angegeben 81 82 ANHANG SHORTCUTS FUR DAS HVES MODUL Originalbild Original Orig gl tten Kantenoperatoren Laplace Sobel Kirsch Einseitiger Deriche Alpha Multiplikationsfaktor Mul Binomial Gl ttung vor der Kantendetektion 3x3 5x5 Grauwertskalierung Linear Wahl automatisch Min Grauwert Max Grauwert Exponentiell S formig Schwelle s Grauwertegalisierung Gamma Binarisierung Normal Mit Hysterese Binlevel Hystereseparameter Allgemeine Einstellungen Invertieren Zoom Zoom Glatten Rand Offset Tabelle C 1 Shortcuts fiir das HVES Modul Fiir die Slider sind jeweils zwei Tasten angegeben links Erh hung rechts Erniedrigung des entsprechenden Wertes Anhang D Testerfassungsbogen Die Aufnahme der Tests erfolgt iiber den folgenden Testerfassungsbogen mit folgenden Testmustern 200 fe JEJE JEE ESE E Ke KL ZA 596 3 1956007635 571386017385 4698 8 3 Diesre Text ist nur pt hoch Heute ist Alltag Ein Wort Gro Morgen ist W rter Gr er Hallo Abbildung D 1 F nf Reihen mit den Testmustern 83 TUI 1 ut ns r 4 IOISNIN pun u qe ueu uosi q Fungegyqy INZ 88686 19459 Sunptiqq v Testerfassungsbogen Datum 25 01 99 Uhrzeit Lfd Nr LCD Brille Notebook mit Netzteil Video Interface
87. rden nur ber die Achse gebrochen die quer durch die zylindrisch gekr mmte Fl che verl uft Die l ngs der Zylinderachse auftretenden Strahlen gelangen auf eine gerade planparallele Fl che die keine optisch Ablenkung erzeugt Sie verlaufen ungebrochen durch diesen Teil des Zylinders Aufgrund dieser Brechungseigenschaften wird ein punktf rmiges Objekt durch einen optischen Zylinder als Linie abgebildet Das Bild wird in einer Richtung verzerrt Wenn der Astigmatismus nicht mehr als 0 5 dpt betr gt wird er als physiologischer Astigmatismus bezeichnet 1 3 2 Makuladegeneration Eine Reihe von erblichen und nichterblichen degenerativen Erkrankungen beschr nkt sich auf das Netzhautzentrum die Makula So bleibt das u ere Gesichtsfeld und damit die Orientierung der Betroffenen erhalten Da die St bchen au erhalb der zentralen Netzhaut funktionst chtig bleiben tritt keine Nachtblindheit auf Allerdings sind als Symptome folgende Verschlechterungen feststellbar e Schsch rfe e Lesef higkeit 10 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND e Kontrastempfinden e Farbsehen e Anpassung an Beleuchtungswechsel e Erh hung der Blendempfindlichkeit Erkrankungsalter und Auspragung der Symptome variieren mit der Erkrankungsform Bei spiele f r verschiedene Krankheiten die unter Makuladegeneration zusammengefa t wer den sind Stargardtsche Degeneration Best sche vitelliforme Makuladegeneration Zapfendystropie e Senile Maku
88. rgr ernde Sehhilfe Vergr erung 0 2 bis 0 4 Verst rkte Lesebrille 1 bis 2 fach 0 2 bis 0 4 Leseglas Lupe 2 bis 4 fach 0 1 bis 0 3 Fernrohr Lupenbrille 2 bis 12 fach 0 02 bis 0 1 Bildschirm Leseger t 5 bis 60 fach Tabelle 1 2 Verschiedene Sehhilfen mit ihrer Vergr erung und ihr Einsatz in Abh ngigkeit der vorhandenen Restsehscharfe Das Ziel dieser Arbeit war es ein mobiles Sehhilfe System zu entwickeln da neben einer starken Vergr erung auch noch die heutigen Mittel der Bildverarbeitung wie Kan tenversch rfung nutzt Das entwickelte System nimmt die Umwelt mit einem Kamerachip auf und leitet diese Daten an einen Rechner weiter der sie verarbeitet auf zwei kleine LCDs ausgibt die sich wie zwei Fernseher die in eine Art Brillengestell montiert sind vor den Augen des Sehbehinderten befinden Damit geh rt das System zu den optoelktro nischen Sehhilfen Da dieses System im Laufe der Arbeit noch eingehend beschrieben wird soll an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen werden Es werden aber im folgenden schon existierende optoelektronische Sehhilfen beschrieben 1 4 2 Optoelektronische Sehhilfen Schon seit l ngerer Zeit werden Versuche mit auf dem Kopf zu tragenden Viedeosy stemen gemacht Solche Displaysysteme wurden urspr nglich f r die Raumfahrt und zu Verteidigungszwecken entwickelt wo sie auch heute noch angewendet werden Diese Tech nologie hat sich aber inzwisch
89. rot gr n blau ihre ma ximale Absorption haben Abb 1 3 Der minimale Zapfenreihenabstand betr gt in der Fovea 2 4 2 5 um Es k nnen noch zwei Punkte getrennt wahrgenommen werden wenn sie zwei Zapfen erregen zwischen denen ein unangeregter Zapfen liegt Zur Peripherie hin nimmt die Rezeptordichte ab Das Gesichtsfeld des augengesunden Menschen ist ca 180 Grad weit Es vermittelt eine Panoramasicht wobei aber nicht alle Zonen funktionell gleichwertig sind In der Fo vea centralis ist die Sehsch rfe am gr ten und sie ist somit besonders wichtig f r die Erkennung kleiner Details z B beim Lesen Die Sehsch rfe nimmt in den Au enzonen des Gesichtfeldes Peripherie ab Diese erm glichen eine Orientierung im Raum Bei vollst ndig funktionst chtiger Netzhaut bringt es keine Probleme mit sich mit dem Zen trum des Gesichtsfeldes z B ein entferntes Stra enschild zu identifizieren ohne dabei ber 6 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND Darnall Bowmaker Mollon 1953 B 5 G R 100 AU 80 Absorption 150 400 450 50 550 000 650 Wellenl nge nin Abbildung 1 3 Normierte spektrale Absorption der drei verschiedenen Zapfentypen G und R und der St bchen 5 der menschlichen Retina aufgetragen gegen die Wellenl nge Aus Schmidt 97 einen naheliegenden Gegenstand zu stolpern Pro Retina 1 2 Sehsch rfe Visus Alle die weiter unten beschrieben Krankheiten f hren zu
90. s teilweise sinnvoll diese zu binarisieren wenn die Lichtverh ltnisse gleichm ig sind und so die Kontraste vom wei em Blatt zur schwarzen Schrift immer gleich stark sind so da als Ergebnis nur Schwarz Wei Werte erhalten und alle dazwischenlie genden st renden Graut ne eliminiert werden Bei der einfachen Binarisierung wird eine Schwelle s gew hlt und alle Graut ne unter dieser Schwelle werden wei und die dar ber liegenden schwarz abgebildet Bei der Binarisierung mit Hysterese wird der Schwellenwert s zus tzlich mit einer Hysterese 6 versehen die zur Unterdr ckung des Diskretisierungs rauschens dient Die St rke des Einflusses der Hysterese kann durch den Parameter L beeinflu t werden Es gilt i 0 wenn s z y lt s L Aa 255 sonst 22 mit 5 21 1 wenn se 1 y s z 1 y 1 s x y 1 lt 2 255 II sonst 66 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE Bei der Berechnung werden die schon binarisierten Nachbarn des jeweiligen Pixels in Be tracht gezogen Der Hystereseparameter 6 wird wird dann 1 falls von den drei in Be tracht gezogenen Nachbarn die Mehrheit den Wert 255 besitzt ansonsten wird 6 1 Die Hysterese soll verhindern da rauschbedingte Grauwertschwankungen um die Bina risierungsschwelle s aufgrund der Binarisierung auf den vollen Grauwertumfang verst rkt werden Da die Umwelt abgebildet werden soll ist es sinnvoll sich das Originalbild zusammen mit verst rkten Kanten anzuschauen
91. t eine Vereinfachung und Verdeutlichung des Originalbildes angestrebt wird kommen hier Filter zur Kantendetektion in Frage Diese Filter haben die Aufgabe Kanten m glichst kon trastreich darzustellen ohne das Kamera Rauschen zu verst rken Die Unterdr ckung von Rauschen geschieht durch sogenannte Gl ttungsoperatoren Dabei wird angenommen da lokale Grauwertschwankungen als St rungen zu interpretieren sind Die so angestrebte Bildverbesserung soll m glichst nicht auf Kosten der Bildsch rfe erreicht werden 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 97 Gl ttungsfilter Die einfachste Form der Gl ttung besteht darin da der Mittelwert in einer bestimmten Umgebung eines Punktes berechnet wird Aus Symmetriegr nden wird meist eine quadra tische 3 x 3 5x 5 7x 7 Umgebung gew hlt Wenn nun 5 s z y ein Grauwertbild mit 256 Graustufen ist so mu f r eine m x m Umgebung folgende Rechnung durchgef hrt werden k k 1 S S z gt gt s x uy v 5 1 u k v k wobei m 3 5 7 und k m 1 2 ist So berechnet sich zu jedem Bildpunkt s x der Mittelwert der m x m Umgebung der s x y zugewiesen wird F r eine x Umgebung werden folgende Werte mit in die Berechnung einbezogen s x 1 y 1 8 2 1 8 2 1 4 1 8 2 1 0 s x s z 1 7 5 2 se 1 y 1l 8 2 01 s z 1 1 Ein Problem ergibt sich f r die Randwerte da z B kein Grauwert f r die Position 1 1 definiert ist
92. t sich durch sein geringes Gewicht und seine hohe Bruchfestigkeit aus Die Verwendung zweier Linsen als Duplett hat den Vorteil da Linsenfehler kompensiert werden und das Linsenduplett wie eine einzelne Linse mit einer kurzen Brennweite wirkt Zur genauen Bestimmung der Brennweite wurde das Verfahren nach Bessel Walcher 89 angewandt Ein Gegenstand wird durch die Linse deren Brennweite zu bestimmen ist auf einen Schirm abgebildet Dabei gibt es zwei Stellungen der Linse bei denen ein scharfes Bild ensteht Abb 3 13 Aus dem Abstand d dieser beiden Stellungen und dem Ge samtabstand l zwischen Gegenstand und Bild kann die Brennweite f wie folgt ermittelt bei Fresnel Optics 5Die Linsen wurden freundlicherweise von der Firma Eschenbach zur Verf gung gestellt 6PXM ist eingetragenes Warenzeichen der Firma Eschenbach 40 KAPITEL 3 OPTISCHES AUSGABEGERAT Linsenposition 1 Linsenposition 2 Gegenstand I F Bild v 4 gt 1 gt Abbildung 3 13 Versuchsanordnung zur Bestimmung der Linsenbrennweite nach dem Bessel verfahren werden Die Bestimmung dieses Linsendupletts ergab einen Wert von f 27mm Damit kann der Wert f r die Lupenvergr erung errechnet werden do 9 26 3 3 f H Hierbei entspricht do der deutlichen Sehweite die bei 250 mm liegt V 3 2 4 Zusammenbau der Brille Bei dem Zusammenbau der Brille mu te beachtet werden da die beiden identischen Bild
93. tellung dieses sehr interessanten Themengebietes und die vorbildliche Betreuung Herrn Prof J Bille f r die bernahme der Zweitkorrektur Herrn J Schemmel f r die Einarbeitung in die Software und die zahlreichen Programmier tips Herrn M Loose f r die Einf hrung in Allegro und die tatkr ftige Unterst tzung bei der Entwicklung der ADC Platine Herrn T Maucher f r die zahlreichen Tips seine enorme Hilfbereitschaft in allen aufkom menden Fragen und die Durchsicht des Manuskripts Herrn J Langeheine f r sein t glich aufmunterndes Guten Morgeeen das sorgf ltige Korrekturlesen des Manuskripts und seine vielen Verbesserungsvorschl ge Herrn F Sch rmann f r die Programmierung des dzdraw Moduls und sein offenes Ohr f r alle meine Programmierw nsche Herrn R Achenbach f r seine gro e Hilfsbereitschaft bei allen aufkommenden Fragen im Testlabor allen weiteren Mitgliedern des ASIC Labors f r die Hilfsbereitschaft und die stets gute Arbeitsatmosph re Herrn Lamade sowie allen weiteren Mitarbeitern der mechanischen Werkstatt f r die Fer tigung der neuen Optikhalterung meinen Freunden die t glich mittags in der Mensa Interesse an meiner Arbeit gezeigt und mir gute Ratschl ge gegeben haben meinen Eltern f r die umfassende Unterst tzung w hrend meines gesamten Studiums
94. tem besteht aus einer helmartigen Brille in die drei CCD Kameras integriert sind Zwei Fixfokus Kameras fiir die Projektion eines dreidimensionalen Bildes auf zwei CRT schwarz wei Monitore Eine zus tzliche Kamera ist f r den Einsatz im Nahbereich konstruiert Diese kann gekippt werden so da z B in der Schule ein Umschalten vom Tafelbild auf die eigenen Aufzeichnungen ohne eine Kopfbewegung m glich ist Die Nah Kamera ist mit einem Autofocus ausger stet und kann 3 10 fach stufenlos vergr ern Daneben besteht noch die M glichkeit der Kontrastanhebung und einer Helligkeitsumkehr in die inverse Darstellung Abbildung 1 13 Schematische Darstellung des LVES Aus Baum Elektronik GmbH Das Gewicht des Kopfteiles betr gt 900 g und ist damit recht hoch welches wesentlich durch die Kathodenstrahlr hren verursacht wird Diese haben aber den Vorteil da sie 8 1 Baum Elektronik GmbH 1 4 SEHHILFEN 19 eine hohe Aufl sung von f nf Winkelminuten pro Pixel erreichen Auch das Steuerteil wiegt nochmals 900g Es kann am Bauch getragen werden Abbildung 1 13 zeigt eine schematische Darstellung des Systems In der Augenklinik Heidelberg wurden mit diesem Ger t umfangreiche Tests durch gef hrt Rohrschneider 97 Vorteile Nachteile stufenlose Vergr erung 3 10fach keine Farbinformation nur Schwarz Wei Bild ungest rtes Beobachten durch Ver decken der Augen Einengung durch helmartigen Aufbau stufenlose Kon
95. terbetrieb wird ein Computer Interface ben tigt welches einen Audio Stereo Ein und Ausgang sowie einen VGA Interface Ein und Ausgang besitzt Damit kann das Bild gleichzeitig sowohl auf dem Computerbildschirm als auch in den glasses betrachtet werden Zu beachten ist allerdings da die Bildschirmaufl sung des Computers maximal 640 x 480 Pixel bei einem 60 oder 70 Hz Betrieb betragen darf da die i glasses ansonsten nicht mehr in der Lage sind das Bild darzustellen Das PC Interface besitzt noch eine Anschlu m glichkeit f r einen 4 Mit diesem kann durch die drei Bewegungsrichtungen Nicken Wiegen und Drehen des Kopfes ein Joystick ersetzt werden Die Mechanik besteht aus einem faltbaren Kopfteil der LCD Brille Insgesamt wiegt die Brille nur ca 230g Es kann ein Visier f r geschlossenen Betrieb vor den LCDs einge steckt werden so da die Umgebung vollst ndig abgeschirmt wird Ebenso wie die meisten anderen HMDs sind auch die i glasses mit Stereokopfh rern ausger stet da HMDs prim r f r die Wiedergabe von Videos und Computerspielen in 3 2 UMGESTALTUNG DER I GLASSES 33 3D Darstellung hergestellt werden Hier kann man sich in einer weiteren Entwicklung eines Sehhilfesystems die Nutzung der Kopfh rer zur zus tzlichen Informationsweitergabe vorstellen Ein Schalter seitlich an der Brille l t stereoskopes Sehen zu indem abwechselnd in gen gend hoher Frequenz die beiden LCDs betrieben werden Um dieses
96. trastverst rkung Belastung der Nackenmuskulatur durch 900 g schweres Kopfteil Bildhelligkeit und Kontrast in wei tem Bereich unabh ngig von Um Scheinbewegungen bei Kopfdrehung weltleuchtdichte bei h hergradiger Vergr erung schneller Autofokus maximale Bildschirmaufl sung von 5 Winkelminuten Pixel Mobilit t Akkubetrieb Gesichtsfeldeinengung bei einfacher Vergr erung auf 60 x 40 Invers Darstellung wei e Schrift auf schwarzem Grund m glich Tabelle 1 3 Gegen berstellung der Vor und Nachteile des LVES gegen ber bisherigen Sehhil fen Aus Rohrschneider 97 In Tabelle 1 3 sind die Vor und Nachteile aufgef hrt die sich bei dieser Untersuchung herausgestellt haben Mit LVES lie sich die zentrale Sehsch rfe gegen ber einer Brillen korrektur um durchschnittlich 8 Visusstufen und bis zu drei Stufen gegen ber Fernrohr lupenbrillen verbessern Noch wesentlicher war die Kontrastwahrnehmungsverbesserung gegen ber rein optischen Sehhilfen und die erheblich reduzierte Blendungsempfindlichkeit Trotz dieser wahrgenommenen Verbesserungen des Sehens auf Kontrast und Visustafeln gab die Mehrheit der Patienten bei diesen Tests an f r den Einsatz des Systems keine Verwendungsm glichkeit zu haben Hierbei spielt sicher auch das auffallende u ere des LVES eine entscheidene Rolle was die Verwendung des Systems in der ffentlichkeit f r die Patienten aus kosmetischen Gr nden unakzeptabel macht Das besondere
97. tt 2 i A1 5 12 1 010 H ufig werden statt dessen die folgenden Masken verwendet i 2 1 1 H 2 4 2 oder 1 81 5 13 i 4 ct 2 1 Abbildung 5 4 Oben links Originalbild Oben rechts Anwendung des Binomialfilters auf das Originalbild Eine Glattung ist zu erkennen Unten Anwendung des Laplace Filters auf das jeweilig dar berliegende Bild Es wird deutlich da der Laplace Filter recht st rungsanf llig ist und daher ein vorherige Gl ttung ben tigt wird 5 2 NEUE IMPLEMENTIERUNGEN 61 keine Mittelung senkrecht zur Richtung des Gradienten stattfindet Als diskrete Nach bildung der zweiten Ableitung ergibt er bei einer beliebig geneigten Ebene den Wert 0 obwohl der Gradient dieser Fl che nicht unbedingt den Wert 0 haben mu Abbildung 5 4 zeigt das Ergebnis der Anwendung des Laplace Operators Ein weiterer Filter zur Kantendetektion ist der Kirsch Operator Klette 95 Dieser Filter besteht aus acht Faltungskernen der folgenden Form 4 5 75 1 3 0 5 5 14 ee Die sieben weiteren Kerne ergeben sich durch sukzessive 45 Grad Drehungen Jeder dieser Faltungskerne kann als signalangepa te Maske betrachtet werden die das Modell einer idealen Kante in einer der drei Grundrichtungen bei quadratischen Bildpunktraster mit acht Nachbarn darstellt Eine gewisse Gl ttung in Richtung der Kante ist schon im Operator beinhaltet Der Einseitige Kantenoperator sucht das Minimum in einem 3 x 3 Fenster und be
98. typs bleiben Andererseits bildet der hohe Dynamikbe reich von sechs Dekaden mit logarithmischer Kennlinie einen Vorteil Die Kamera kommt 79 16 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ohne externe Blende aus so da sie sehr kompakt bleibt da ihre Gr e haupts chlich durch ihre Optik bestimmt wird Hier hat sich klar gezeigt da eine einzelne Linse mit einer Brennweite von f 5mm keine ausreichende Bildqualit t liefert so da auf ein kleines Objektiv zur ckgegriffen werden mu was mehr Platz als eine Einzellinse beansprucht Dennoch bleibt die Kamera in ihren Ma en so klein da sie problemlos an der LC D Brille angebracht werden kann Die Mobilit t wird haupts chlich aufgrund der Gr e und des Gewichtes des Notebooks eingeschr nkt Hier ist auf Dauer sicher eine Bew ltigung der durchzuf hrenden Aufga ben mit Hilfe von Hardwarebauteilen erforderlich Da dazu nicht die volle Funtkonalit t eines PCs ben tigt wird ist hier eine Realisierung mit programmierbaren Logikbausteinen denkbar Zusammenfassend kann festgestellt werden da HVES noch kein marktreifes Produkt darstellt aber mit den hier genannten Entwicklungsvorschl gen sicher das Potential dazu hat Zur Zeit bietet es dem in Kapitel 1 beschriebenen LVES noch keine Konkurrenz Der Versuch mit Hilfe von LCDs eine Brille zu entwickeln sollte in jedem Fall weiter verfolgt werden da dieses Konzept vielversprechend ist Anhang A Technische Daten Notebook Tecra 8000 vo
99. ul 2 Original Skal S f rmig Nein s 210 y 10 ildnr Zoom 1 3 Originalbild Originalbild Deriche 0 5 Mul 2 Deriche a 5 Nein Skal S f rmig Mul 1 ildnr s 130 1 5 Deriche 0 5 Mul 1 Weitere Einstellungen und Kommentare SY BY OPS PB OTN ey Be trey Be BY Go tS Weitere Einstellungen und Kommentare 98 ONVHNV NHOOITSONAISSVAUHLSAL ATIOJN UL g pun WLY YONIPUIY u jsi WNZ 99199 8801686 194891 2 Mit Kamera Einstellungen Offset Korrektur Standard Lukas Kameraeinstellungen Allgemeiner erster Eindruck Motiv Person Einstellungen Erkannt Bewertung des Erkennens Verbesserung Kommentar Originalbild Nein 17 23 45 Nein 6 Kann etwas erkannt werden Ja Nein Orientierung m glich Ja Nein Sonstige Kommentare Originalbild Grauwertegal y 0 1 4 5 6 Originalbild Laplace Mul 2 Glattung 3x3 Grauwertegal Originalbild Sobel Mul 0 5 Glattung Grauwertegal Nein Weitere Einstellungen und Kommentare 18 woISs SIUIBSIH QT
100. unden werden Das ganze System l t sich problemlos im mobilen Einsatz verwenden Das Notebook bildet das mit Abstand gr te und mit knapp 3Kg schwerste Einzelteil dieses Systems Hier sollte die M glichkeit die notwendigen Aufgaben durch speziell f r diese Aufgabe noch zu entwickelnde Hardwarebauteile erf llen zu lassen in Zukunft genutzt werden 4 5 GESAMTSYSTEM 51 MISE 1116 Ki EcolineTWEBSBES DC DC Wandler k xs Stores 7 1 z 7 7 RESET Pr ga mom z u lt REKDENABLE 25 SERCLK WROESLCT a m D 2 analoge 4 amp 5 S 3 x 3 am ted 181 18 5 SND H 3 ES E 3 4 e IO fete ali 6 Min 5 om 22522041 Peso e DER _ strane x 4 a m 227 53 lt orakat 27 D S 4 op vo S o A D 06 a E az 2 ER o7 1 al ee 03 u 08 06 gs 2 Busy sigitooy 70 os Pt Moe D D Seet 5 a a eT 23 J
101. ut Clipboard Filter Filtersize Options Help New Bitmap Bitmap Copy Select 20 20 Grid About Open Bitmap Camera Paste Root Filter 32 32 Rotate Help Picture 1 TCP IP Filters 40 40 Hor line Picture 2 As Childs 48 48 Ver line Open Video 64 64 View x2 Save as ASCII 96 96 View x3 Print 128 128 View x4 Printer Setup Custom Exit Tabelle 5 1 Men punkte mit Untermen s zum Visor Hauptprogrammfenster Der Men punkt Clipboard enth lt die blichen Copy und Paste Funktionen Unter Filter kann der sogenannten Root Filter ausgew hlt werden Damit ist das prim re Modul gemeint von dem alle anderen Module abh ngen so da eine Baumstruk tur entsteht Das vom Hauptprogramm bermittelte Bild wird an die untergeordneten Weiterverarbeitungsmodule bergeben Hier kann das Bild u a mit verschiedenen Bild verarbeitungsfiltern bearbeitet werden Au erdem sind verschiedene ausgabebezogene Mo dule integriert wie z B das Modul zur Vollbildschirmdarstellung In jedem Modul wer den die Daten des bergeordneten Moduls aufgenommen und weiterverarbeitet und je nach Einstellung an andere Module weitergeleitet F r diese Anwendung wurde meist der Camera Filter als Hauptmodul oder Root Filter verwendet Von diesem aus k nnen dann alle anderen Filter beliebig angew hlt werden Mit Filtersize kann aus einer Reihe von verschiedenen Filtergr en gew hlt werden Wird die Kamera als Input Device verwendet mu je nach Kameramodell
102. ut herabgesetzt ist Eine der h ufigsten Krank heiten ist die weiter oben beschriebene altersbedingte Makuladegeneration Ein genaues Erkennen ist diesen Patienten nicht mehr m glich Gibt es aber noch intakte Regionen der 14 KAPITEL 1 MEDIZINISCHER HINTERGRUND a SE EE Abbildung 1 9 Verschiedene Modelle von Fernrohr Lupenbrillen Netzhaut so kann durch die Vergr erung eine Projektion auf diese Stelle erfolgen um z B das Lesen eines Textes wieder zu erm glichen Dabei sind alle Sehhilfen f r die Patienten gew hnungs bed rftig und zwar umso mehr je st rker die Vergr erung ist So mu der Patient sich z B bei Brillensystemen an einen sehr viel geringeren Le seabstand gew hnen Auch der Umgang mit Bild schirmleseger ten ist gew hnungsbed rftig Auf grund der hohen Vergr erung mu der Patient sich sehr konzentrieren nicht die Zeile zu verlie ren die er gerade liest So erfordert auch der Umgang mit diesen Ger ten einige bung Als Hilfsmittel um sich in fremder Umgebung zu rechtzufinden k nnen Fernrohre dienen Damit ist es m glich Details die sich in weiterer Ent fernung befinden z B Stra enschilder noch zu entziffern Allerdings geht der berblick ber die n here Umgebung verloren so ist es nat rlich nicht angebracht mit einem Fernrohr vor den Au gen die Stra e zu berqueren Abbildung 1 10 Beispiel f r ein Bildschirm Leseger t 1 4 SEHHILFEN 15 Sehsch rfe Ve
103. verarbeitung Springer Verlag Heidelberg 3 Auflage 1993 Jeschke Entwicklung und Bau eines taktilen Blindenhilfssystems Diplomarbeit im Institut f r Angewandte Physik 1996 G Dagnelie The Low Vision Enhancement System hype or help for low vision http www fokusnewsletter org lves htm R Klette P Zamperoni Handbuch der Operatoren f r die Bildverar beitung Vielweg Verlag Braunschwieg 1995 A Koenig Koehler Die Fernrohre und Entfernungsmesser Sprin ger Verlag Heidelberg 1959 Information zu photorefraktiver Chirugie der Excimer Laserkliniken Homepage http www excimer de themen M Loose Layout und Test eines Systems adaptiver Photorezeeptoren in analoger CMOS Technologie Diplomarbeit im Institut f r Hoch energiephysik 1996 89 90 Loose 98 Maucher 98 Maxim 93 Mayer 96 Reim 93 Pro Retina Schemmel 97 Schmidt 80 Schmidt 97 Sch rmann 98 Silbernagel 88 LITERATURVERZEICHNIS M Loose K Meier J Schemmel CMOS image sensor with lo garitmic response and self calibratini fixed pattern noise correction Interntional Symposum on Electronic Image Capture and Publishing Advanced Focal Plane Array and Electronic Cameras T Bernard ed Proc SPIE 3410 1998 Maucher Aufbau und Test eines taktilen Seh Ersatzsystems Di plomarbeit im Institut f r Hochenergiephysik 1998 MAXIM MAX153
104. wendig den Rechenaufwand zu verringern Dies l t sich meist einfach bewerkstelligen 10 KAPITEL 5 DIE SOFTWARE Als Beispiel sei die 5 x 5 r 2 Binomialmaske herausgegriffen 14641 1 4 16 24 16 4 4 1 1 0 24 36 24 6 St 6 5 25 4 16 24 16 4 4 146441 1 Diese Maske ist separabel d h sie kann in zwei Faltungen mit je einer horizontalen und einer vertikalen 1D Maske zerlegt werden Damit werden nur noch 4r 1 10 Multipli kationen und Ar 8 Additionen zur Berechnung ben tigt Eine solche Zerlegung ist mit allen separablen Masken durchf hrbar Der Rechenaufwand w chst dann nur noch linear und nicht mehr quadratisch mir r Da hier viele Eintr ge der Maske mehrfach vorhanden sind k nnen diese zusammen gefa t werden so da sich die Maske auf nur sechs unabh ngige Faktoren reduziert zzl 1 4 6 16 24 36 Wird diese Art der Zusammenfassung gew hlt so reduziert sich der Rechenaufwand auf sechs Multiplikationen und 24 Additionen Damit ist die Zahl der Multiplikationen die h ufig mehr Zeit ben tigen als Additionen auch gegen ber der separierten Maske stark zur ckgegangen Der Nachteil dieser Umformung ist da f r jede Maske ein eigenes Faltungsprogramm entwickelt werden mu w hrend f r alle separablen Masken das gleiche Programm genutzt werden kann Im HVES Modul sind alle Filter hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit optimal zusammen gefa t F r beliebige 3 x 3 und 5 x 5 Masken besteht im Visor Programm ein
105. werden k nnen Gegen ber der Pupillen ff nung ist die Retina leicht vertieft Hier befindet sich der Punkt des sch rfsten Sehens die Fovea centralis Kr mmungsradien mm Brechkraft dpt Honrhautvorderfl che zentral 48 8 rand Hornhautriickflache 5 9 vordere Linsenfl che 5 0 9 4 hintere Linsenfl chen 8 3 9 42 Hornhautsystem 43 0 Linsensystem 19 1 33 1 Gesamtsystem 58 6 70 5 Tabelle 1 1 Optische Eigenschaften des Auges Hierzu z hlen die Kriimmungsradien und Brechkrafte der Hornhaut und der Linse Daten aus Axenfeld 92 Die optischen Eigenschaften des Auges sind in Tabelle 1 1 aufgelistet Cornea Iris und Linse sind mit dem Objektiv einer Photokamera vergleichbar w hrend die Retina die lichtempfindliche Schicht darstellt Der optische Apparat wirft das Bild auf den Augen hintergrund Dabei besitzt er die in Tabelle 1 1 aufgelisteten Bestandteile mit den dort erw hnten Kriimmungsradien und Brechkr ften Die Retina Abb 1 2 Silbernagel 88 besteht aus St bchen und Zapfen beides Licht rezeptoren Ihnen nachgeschaltet sind die bipolaren Zellen die die Information der Re zeptoren an die Ganglienzellen weiterleiten Deren Forts tze verlassen dann als Sehnerv N opticus den Bulbus Die Horizontalzellen und die amakrinen Zellen erlauben schon in der Netzhaut eine Reihe von Verschaltungen und damit eine erste Bildverarbeitung und Datenreduzierung Wenn Licht in das Auge f llt gelangt es durc

Entwicklung eines optoelektronischen Sehhilfesystems

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