CN101505710B - 用于视觉缺陷人员的辅助系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在其部分视野中具有视觉障碍的视觉缺陷人员的辅助系统，其目的在于通过身体上穿戴的传感器为这些人提供一种主动告知他们在所述视觉障碍侧的物体或运动的技术方案。

Description

用于视觉缺陷人员的辅助系统

本发明涉及一种用于视觉缺陷人员的辅助系统，并且涉及一种用于辅助视觉缺陷人员的方法。

部分视野中的视觉问题(如视觉疏忽(visual neglect)或视野缺损(visual field loss))是由许多中风患者和颅脑损伤幸存者所表现出的缺陷。在西方世界，中风是导致死亡的第三主要原因，并且是造成永久性残疾的最主要原因。在美国发病率是每年700000，由于社会的老龄化，发病率有增加的趋势。例如，每年105000个新患者表现为视觉疏忽。与眼睛的缺陷(比如近视)相反，视野的减小源于神经学上的原因。因此，这些患者经常碰撞物体，这使得他们的生命处于危险境地并且制约了他们独立生活的能力。

美国专利申请出版物2006/0028544 A1涉及一种带有电子眼系统的电子导盲手杖，无论何时检测到固体或液体障碍物，所述电子眼系统都能够提示听觉或触觉警告。该已知的电子眼系统的缺陷是：它不能区别运动物体和静止物体。

因此，本发明的目的是提供一种用于视觉缺陷人员的、具有对运动物体的增强识别的辅助系统。

上述目的可以通过一种用于视觉缺陷人员的辅助系统来实现，所述系统包括：

-第一方位传感器，其适于布置为接近所述人员的躯干，以用于检测所述人员的运动，

-第二方位传感器，其适于布置在所述人员的头部处，以用于检测所述人员头部的运动和方位，

-至少一个运动检测器，其用于检测物体的运动和/或存在，所述运动检测器适于布置在所述人员的头部处，

-评价系统，其用于比较来自运动检测器与来自第一和第二方位检测器的数据。

在本发明的意义下，第一和第二方位传感器检测人员本身的运动。在本发明的意义下，所述运动检测器检测在人员的周围邻近地区的物体的存在和/或运动。如果该人员本身正在运动和/或转动他/她的头，则所述周围邻近地区相对于所述运动检测器而运动。在本发明的意义下，所述评价系统至少包括任意类型的数字信号处理设备。

根据本发明的辅助系统的优点在于，通过在所述评价系统中比较来自所述运动检测器与来自第一和第二方位检测器的数据，即使该人员和/或其头部也在运动，也可以区分出实际运动的物体。另一个优点是，来自所述检测器的信息使得所述评价系统能够确定是否该人员将碰撞到被检测的物体。本发明的目的在于，提供一种用于视觉缺陷人员的技术方案，以用于主动通知他们在他们视野的“隐藏”侧中的物体或运动。由于该人员的观看方向是已知的，所以所述辅助系统无论如何将不会通知该人员已经被该人员所识别的运动或物体，从而提供患者更加独立的生活、更高质量的生命并减少例如碰撞这样的严重情况。

在本领域，合适的运动检测器是公知的。优选地，所述运动检测器包括视频或红外相机、雷达、激光或声纳传感器中的一个或多个，其更优选地被调整以覆盖患者视野的受损区域。

颅脑损伤或中风的普遍视觉影响是人员视野的缺损或我们观看侧边的能力的缺损。存在许多种类可以发生的视野缺损，但是最普遍的形式是同侧偏盲或每个眼的半视野缺损。如果脑的后部在其一侧上受损，视野的缺损会发生在两个眼睛中的相对侧上。患者经常错误地认为所述缺损只在一个眼上。当颅脑的某些部分受损时，该患者也可能不能意识到一侧的空间，所述空间通常在左侧。与视野缺损不同，这个问题不是感觉的物理缺损，而是对所述区域注意力的缺损。单侧性忽视是一种注意力混乱，其中患者不能注意到位于空间一侧的、诸如物体和人之类的刺激物。它最普通地源于大脑右半球的颅脑损伤或中风，从而导致空间的左手侧的视觉疏忽。

所述运动检测器和第二方位传感器优选地被布置在所述患者可穿戴的眼镜、头带、帽子或者便帽上。有利地，所述人员的头部运动由所述运动检测器和所述第二方位传感器二者跟随。

在优选实施例中，所述辅助系统包括红外、雷达(无线电波的检测和测距)、激光雷达(光检测和测距)、激光或声纳发射器，其中所述红外、雷达、激光雷达、激光或声纳发射器更优选地被布置在所述患者可穿戴的背包中。通过在所述系统中使用有源发射器，可以有利地增强所述系统的可靠性，特别是针对例如在交通中的快速运动物体而言。如果患者受轮椅的约束，则所述红外、雷达、激光雷达、激光或声纳发射器还可以附接到轮椅上。

在优选实施例中，第一和/或第二方位传感器包括磁力计和/或加速计。特别地，向量磁力计用于通过检测磁场的变化来确定所述人员的头部和/或身体的方位。向量磁力计具有测量在特定方向上的磁场分量的能力。例如使用三个正交的向量磁力计允许唯一地定义磁场强度、倾角和磁偏角。所述加速器被用于检测施加于所述方位传感器上的加速度，以辨识所述人员及其头部的运动。例如，最优选地，第一和/或第二方位传感器是磁力计和加速计的组合，其特别地可以被小型化以适合装在诸如移动电话的印刷电路板上。

第一方位传感器优选地被布置在所述人员可穿戴的腰带上。可替代地，对于受轮椅制约的人员，第一方位传感器优选布置在轮椅上。

在所述辅助系统的优选实施例中，所述评价系统包括微处理器，其适合于计算来自第一和第二方位传感器的数据的全局光流。在本发明的意义下，光流是用于在视觉表示中评价物体的运动的概念。典型地，所述运动表示为起始于或终止于数字图像序列中的像素的向量，其可由所述运动传感器所检测。在本发明的意义下，所计算的全局光流表示由于所述人员和/或人员头部的运动而引起的所述人员的周围环境的相对运动。而且优选地，所述微处理器将所计算的全局光流与由所述运动检测器检测到的实际光流进行比较，以确定运动物体的存在。例如，如果不存在运动物体，则所述全局光流与所检测到的实际光流相匹配。因此，任何运动物体都会引起所述全局光流与所检测的实际光流之间的差异，这有利地用于对运动物体的识别。

优选地，所述评价系统进一步包括数据存储设备。特别地，所述数据存储设备存储有关所述人员视野的信息，例如有关视角的数据、所述人员的视觉受损的部位。所述辅助系统有利地不考虑所述人员自己能够看见的所检测到的运动物体。因此增强了所述辅助系统的可接受性，因为人不会接收不必要的干扰警告。

所述辅助系统优选地包括用于向所述人报警的、优选以表带或手表形式的反馈设备，例如声音发生器或振动报警器。特别地，只有在确定运动物体在所述人员的视野之外时，才向该人报警。

优选地，所述辅助系统进一步包括通信系统，其将本发明的辅助系统的部件(特别是微处理器)连接到运动检测器、第一和第二方位传感器、反馈设备和存储设备。在特定的优选实施例中，所述通信系统至少部分为无线的。由于本发明的辅助系统的远程布置的部件，所以无线通信是有利的，特别是如所谓的无线个人局域网(WPAN)更是如此。

本发明的另一个目的是一种用于辅助视觉缺陷人员的方法，所述方法包括以下步骤：

-a1)通过布置为接近于该人员的躯干的第一方位传感器来确定所述人员的运动，

-a2)通过布置在人员的头部处的第二方位传感器来确定所述人员的视向，

-b)通过微处理器来根据第一和第二方位传感器的数据来计算全局光流，

-c)通过布置在该人员的头部处的至少一个运动检测器来检测实际光流，以及

-d)通过将所计算的全局光流与所述实际光流进行比较来识别运动物体。

特别地，步骤b)、c)和d)包括视频相机或红外相机信号的数字图像处理。光流可以有利地用于模式识别、计算机视觉、和其他图像处理应用。一些用于确定光流的方法是相位相关(标准化互功率谱(cross-power spectrum)的逆)、分段相关(绝对差的和、标准化互相关)、基于梯度约束的配准、Lucas Kanade方法和Horn Schunck方法。

优选地，所述方法进一步包括下列步骤：

-e)确定所识别的运动物体的运动方向，

-f)将所识别的运动物体的运动方向与所述人员的运动进行比较，以及

-g)如果所识别的运动物体与所述人员之间的碰撞是可预测的，则通过反馈设备来向所述人员报警。

优选地，所述方法进一步包括步骤：如果所识别的物体在所述人员的视野之外，则通过反馈设备来向所述人报警。有关所述人员视野的信息优选地存储在存储设备上。有利地，只有当与所识别物体的碰撞实际上是可能的和/或所述人员自己不能看见所识别的物体时，才向所述人报警。

在可替代实施例中，通过雷达或激光雷达检测器来检测快速运动和/或金属的物体。雷达和激光雷达检测器有利地适用于形成了对视觉受损人员的最高危险的交通状况。

本发明的另一个目的是在患有视觉疏忽和/或视野缺损的中风或创伤性颅脑损伤受害者的神经功能康复中使用如在这里前面所描述的辅助系统。所述辅助系统可以有利地应用于中风或创伤性颅脑损伤受害者的监测和训练，或作为用于这些人员的独立辅助装置。

通过下面结合附图给出的、通过实例示出本发明的原理的详细描述，本发明的这些和其他特性、特征和优点将变得显然。所述描述仅仅为了实例的需要而给出，而没有限制本发明的范围。下面引用的参考图称为附图。

图1和图2示意性示出了根据本发明的辅助系统并且示出所述辅助系统的应用。

图3示出根据本发明方法的流程图。

将针对特定实施例并参照某些附图来描述本发明，但是本发明并未受限于此，而是仅仅受限于权利要求。所描述的附图仅仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大了并且未按比例绘制。

在当指示单个名词时使用了不定冠词或定冠词(例如“一”、“这”)的地方，除非另外特别声明，其包括多个所述名词。

此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分多个相似元件并且不必用于描述序列或时间顺序。应当理解的是，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以除了这里所示出或描述的顺序之外的其他顺序来操作。

而且，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、之上、之下等等用于描述性的目的，而不必用于描述相对位置。应当理解的是，这样使用的术语在适当情况下是可互换的，并且这里所描述的本发明的实施例能够在不同于这里所示出或描述的方位的其他方位进行操作。

应当注意，本说明书和权利要求书中所使用的术语“包括”不应该被解释为限于其后所列出的装置，它不排除其他元件或步骤。因此，这个表达“一种设备包括装置A和B”的范围不应当被限于仅仅由部件A和B构成的设备。它的意思是，针对本发明，所述设备的相关部件仅仅是A和B。

图1示出人员头部H的示意性顶视图。在所述人员的右半球中的箭头R表示非受损视野，而例如由于视觉疏忽或视野缺损，他的左半球中的视觉(由箭头L表示)是受损的。根据本发明的辅助系统至少部分地附于所述人员的头部H，以便考虑所述人员的头部运动。这里，第二方位传感器2和多个运动检测器3(特别是相机)附于头部周围。本领域的技术人员会意识到，本发明的辅助系统适用于人类的自然视野之外，即所述辅助系统也能够向任何视觉受损或没有任何视觉受损的人员提供关于在其背后的运动的信息。

在图2中，示意性描述了带有根据本发明的辅助系统的所有部件的人员。为了使用所述辅助系统，所述人员在其头上戴着第二方位传感器2和运动检测器3，优选地将上述部件戴在该人员所戴的眼镜5上。运动检测器3优选地包括一个或多个小型相机。第一方位传感器1(或躯干T方位传感器)和微处理器41例如作为类似移动电话的设备而被穿在腰带上。微处理器41连同存储设备42一起构成评价系统4。反馈设备6(例如振动警报器或声音警报器)作为手镯而被戴在手臂A上。在这里，重要的是，选择所述人员的没有遭受中风或创伤性颅脑损伤意外的手臂。随后，所述辅助系统跟随患者的运动方向以及他的观看方向。使用运动检测器3和评价系统4的微处理器41，识别场景中的运动物体，并且基于所存储的有关该人员视野的信息，可以确定所述人自己是否已经注意到它们，其中所述信息存储在存储设备42上。如果确定了运动物体已经脱离了所述人的注意，触发反馈设备6的振动或声音警报，并且所述人员开始意识到该状况。

第一方位传感器1与包括微处理器41和存储设备42的评价系统4可以一起布置在同一个外壳中。所述身体上穿戴的传感器(即第二方位传感器2)和运动检测器3以及反馈设备6构成了优选地基于无线传输和通信的网络，其用虚连接线43表示。在这里，通过某种标准进行通信的传感器平台在本领域是公知的，这种标准例如为Zigbee标准。ZigBee是使用基于用于无线个人局域网的IEEE 802.15.4标准的小、低功率的数字无线电的高级通信协议套件规范的名称。第一和第二方位传感器1、2是磁力计和加速计的组合。它们优选地被小型化以适合装在例如移动电话的印刷电路板上。对于微处理器41的可行的选择是超低功率数字信号处理设备。

图3中概述了根据本发明的方法，并且从而概述了用于微处理器41的处理软件中的信息流。所述处理开始于初始点S。确定人员的运动(a1)和确定人员的观看方向(a2)以及随后根据数据计算全局光流(b)的步骤与由运动检测器3检测实际光流同时执行。在计算光流时，重要的是，分辨由于人员相对于静态物体的运动引起的全局光流与物体本身移动的光流。从患者的角度来看，后者是最令人感兴趣的。评价系统4通过比较所计算的全局光流与实际光流来识别那些运动物体(d)。在步骤(e)中，通过比较运动物体的位置与存储在存储设备42中的视野数据来确定运动物体是否在人员的视野中。如果运动物体不在人员的视野中(N)，则由反馈设备6发出警报(f)。如果人员能够自己看到运动物体(Y)，则完成迭代而没有任何进一步的动作。

Claims (20)

1.一种用于视觉缺陷人员的辅助系统，包括

-第一方位传感器(1)，适于布置成邻近于所述人员的躯干，用于检测所述人员的运动，

-第二方位传感器(2)，其适于布置在所述人员的头部处，用于检测所述人员头部的运动和方位，

-至少一个运动检测器(3)，用于检测物体的运动或存在，所述运动检测器适于布置在所述人员的头部处，

-评价系统(4)，用于比较来自所述运动检测器(3)与来自第一和第二方位传感器(1，2)的数据。

2.根据权利要求1的辅助系统，其中所述运动检测器(3)包括视频相机或红外相机、雷达传感器、激光雷达传感器、激光传感器或声纳传感器中的一个或多个。

3.根据权利要求1的辅助系统，其中所述运动检测器(3)调整为覆盖所述人员的视觉疏忽或视野缺损区域。

4.根据权利要求1的辅助系统，其中所述运动检测器(3)和第二方位传感器(2)布置在所述人员可穿戴的眼镜(5)、头带或者帽子处。

5.根据权利要求2的辅助系统，进一步包括红外、雷达、激光雷达、激光或声纳发射器。

6.根据权利要求5的辅助系统，其中所述红外、雷达、激光雷达、激光或声纳发射器布置在所述人员可穿戴的背包中。

7.根据权利要求1的辅助系统，其中所述第一和/或第二方位传感器(1，2)包括磁力计和/或加速计。

8.根据权利要求1的辅助系统，其中第一方位传感器(1)布置在所述人员可穿戴的腰带上。

9.根据权利要求1的辅助系统，其中第一方位传感器(1)布置在轮椅上。

10.根据权利要求1的辅助系统，其中所述评价系统(4)包括：微处理器(41)，其适于根据第一和第二方位传感器(1，2)的数据来计算全局光流，所述微处理器(41)将所计算的全局光流与由所述运动检测器(3)所检测到的实际光流进行比较，以确定运动物体的存在。

11.根据权利要求1或者10所述的辅助系统，其中所述评价系统(4)包括数据存储设备(42)，其存储有关所述人员的视野的信息。

12.根据权利要求1的辅助系统，还包括反馈设备(6)，用于如果确定了运动物体在所述人员视野之外时向所述人员报警。

13.根据权利要求11所述的辅助系统，进一步包括通信系统(43)，将所述微处理器(41)与所述运动检测器(3)、第一和第二方位传感器(1，2)、反馈设备(6)和数据存储设备(42)中的一个或多个进行连接。

14.根据权利要求13的辅助系统，其中所述通信系统(43)至少部分是无线的。

15.一种用于辅助视觉缺陷人员的方法，包括下列步骤：

a 1)通过布置为接近所述员人躯干的第一方位传感器(1)来确定所述人员的运动，

a 2)通过布置在所述人员的头部处的第二方位传感器(2)来确定所述人员的视向，

b)通过微处理器来根据第一和第二方位传感器(1，2)的数据来计算全局光流，

c)通过布置在所述人员的头部处的至少一个运动检测器(3)来检测实际光流，以及

d)通过将所计算的全局光流与所述实际光流进行比较来识别运动物体。

16.根据权利要求15的方法，进一步包括下列步骤：

e)确定所识别运动物体的运动方向，

f)将所识别的运动物体的运动方向与所述人员的运动进行比较，以及

g)如果所识别的运动物体与所述人员之间的碰撞是可预测的，则通过反馈设备(6)来向所述人员报警。

17.根据权利要求15的方法，进一步包括下列步骤：

如果所识别的物体在所述人员的视野之外，则通过反馈设备(6)向所述人员报警。

18.根据权利要求15的方法，其中有关所述人员的视野的信息存储在存储设备(42)上。

19.根据权利要求15的方法，其中所述第一和/或第二方位传感器(1，2)包括磁力计和/或加速计，以及所述至少一个运动检测器(3)包括视频相机或红外相机中的一个或者多个。

20.根据权利要求15的方法，其中所述至少一个运动检测器(3)包括雷达或激光雷达检测器中的一个或者多个，而且通过所述雷达或激光雷达检测器来检测快速运动和/或金属的物体。

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