CN110141185B - 一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，包括微机控制系统、电源管理系统、机械系统、语音系统、环境感知系统和图像系统；所述微机控制系统，用于接收各系统反馈的信息，将信息处理后再对各系统发出控制信号，完成相应的功能。所述机械系统能够更换穿戴设备的可视镜片窗口的镜片。所述语音系统能够对佩戴者发出声音提示和采集回答信息，所述图像系统能够拍摄高清图像并进行模糊化处理。本发明可通过裸眼成像清晰度和实际成像清晰度对比，提醒佩戴者的视力水平。并可以通过视力训练，辅助佩戴者对其晶状体进行锻炼，帮助佩戴者预防近视和监测视力，并具备加热按摩、光强监测和坐姿纠正功能。本发明具有低功耗、便携等特点。

Description

一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备

技术领域

本发明涉及人类生活必需中的保健中的医学中的理疗装置中的用于眼睛的锻炼器，尤其涉及一种护眼穿戴设备，提供早期视力预防监测和视力训练。

背景技术

随着信息化工业革命持续深入，电子设备大量普及，办公人群用眼频率越来越高，时间越来越长，而学生学业负担也愈发重，用眼程度也不断加深。现代生活中娱乐设施逐渐由更多电子设备组成，普通人群不论上班或者休闲都有大量时间在使用眼睛，而大部分人群没有自我护眼意识，近年来近视和眼部疲劳人数不断增多。

当人们看不清时，最先想到的方法就是戴眼镜，近年来戴眼镜的人越来越多。客观存在的问题是，戴眼镜的人越来越多，已经戴上眼镜的人的度数越来越深，戴上眼镜基本就意味着永远不能摘下。其原因在于，戴眼镜给了人们一种短暂的视觉清晰，提供了舒适，但晶状体本身的调节能力并未恢复，因此依赖眼镜后，晶状体的弹性越来越差，度数也在继续加深。

保护视力重在预防，及时发现问题才能解决问题，但是人们却很容易忽视近视初期时的视力问题，因为人们不知道清晰的世界是怎么样的，以为自己看到的是清晰的。而目前市面上还没有在视力刚出现问题就能发现的设备，因此本设备从预防提醒入手，帮助人们在视力问题初期时及时发现自己的问题，并通过视力训练来不让度数增长。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种护眼穿戴设备，以解决早期视力预防监测问题。目前市面上存在的视力保护措施，均是在患者有近视症状后提供辅助眼睛调焦的设备，比如眼镜，却没有帮助患者对自身的晶状体进行锻炼恢复。眼镜可以辅助患者，却不能从本质上缓解患者的近视症状，反而弱化了晶状体的功能，一定程度上恶化了患者的近视症状。帮助晶状体维持良好的活性，需要帮助人群养成合适的用眼习惯。此穿戴设备帮助佩戴者通过比对裸眼所见清晰度和图像实际成像清晰度，警醒预防佩戴者关注自己的视力，并提供视力训练功能，帮助佩戴者锻炼晶状体，从本质上保护视力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，包括微机控制系统、电源管理系统、机械系统、语音系统、环境感知系统和图像系统；

所述微机控制系统，用于接收各系统反馈的信息，将信息处理后再对各系统发出控制信号，完成相应的功能。微机控制系统能够记录图像系统中图像处理模块进行模糊化处理后的图片的清晰值，并查询在微机控制系统数据库中存储的清晰值与视力情况对应表，通过语音系统告知佩戴者其视力情况并记录相关数据，可通过蓝牙通信协议与某类移动设备进行信息传递，将穿戴设备内部采集的数据上传至云端。

所述机械系统包括步进电机、镜片状液晶显示屏和透明平光镜片，在微机控制系统的控制下，机械系统将更换穿戴设备的可视镜片窗口的镜片，切换为透明平光镜片或者镜片状液晶显示屏。切换为透明平光镜片时，佩戴者能够通过镜片观察远处的任一事物作为目标观测物，切换为镜片状液晶显示屏时，能够在镜片状液晶显示屏上显示图像系统拍摄的清晰的目标观测物的图片；

所述语音系统包括扬声器、阵列麦克风和语音处理模块，在微机控制系统的控制下，能够通过扬声器向佩戴者发出各种提示信息或者询问，通过阵列麦克风采集佩戴者的回答，经过语音处理模块后，向微机控制系统反馈信息。语音系统能够向图像系统发送两个阶段的指令。

所述环境感知系统由光强检测模块和位移传感模块组成。光强检测模块在微机控制下，定时采集环境光强数据，将采集到的光强数据进行处理，当光照强度为200-500Lx之外时，通过语音系统提醒佩戴者改善环境光照强度；位移传感器检测佩戴者头部是否移动，用来判断佩戴者是否找到目标观测物，并通过语音系统询问佩戴者进行确认。

所述图像系统包括可变焦高清摄像头、焦距调节模块和图像处理模块，可变焦高清摄像头在焦距调节模块的控制下，调节高清摄像头焦距并拍摄目标观测物的清晰图片。图像系统接收语音系统发出的第一阶段指令，将拍摄的目标观测物的清晰图片在镜片状液晶显示屏上向佩戴者展示，让佩戴者了解目标观测物的实际清晰度。图像处理模块能够对拍摄所得目标观测物的清晰图片进行模糊化处理，使图片的清晰值降低10，并显示在镜片状液晶显示屏上展示给佩戴者，通过语音系统询问佩戴者降低清晰值后的图片和佩戴者通过透明平光镜片所观察的目标观测物清晰度是否一致，若佩戴者认为不一致，继续进行模糊化处理，直到佩戴者通过语音系统确认镜片状液晶显示屏所显示图片与其通过透明平光镜片所观察的目标观测物清晰度一致，通过微机控制系统记录当前图片的清晰值，确定视力情况；然后图像系统接收语音系统发出的第二阶段指令，调节当前图片清晰值，使清晰值增加5作为训练目标图片，通过语音系统提醒佩戴者通过透明平光镜片观察目标观测物一分钟，并与训练目标图片比较，如果佩戴者认为目标观测物与训练目标图片的清晰度不一致，则向佩戴者再次展示训练目标图片，直到佩戴者认为目标观测物与训练目标图片的清晰度一致，或者佩戴者连续5次均认为目标观测物与训练目标图片的清晰度不一致，则图像系统对训练目标图片进行模糊化处理，使清晰值减少2，重复进行确定视力情况之后的步骤。

进一步地，所述清晰值采用SMD2(灰度差分乘积聚焦评价函数)，清晰值的取值范围在100-300，公式如下：

D(f)＝∑_y∑_x(|f(x+1，y)-f(x，y)|²+|f(x，y+1)-f(x，y)|²)

式中x与y代表被处理图片某个像素点的坐标，f(x，y)代表计算该点的灰度值，该函数对每一个像素点邻域两个灰度差相乘后再逐个像素点累加，D(f)为计算得到的清晰值。

进一步地，所述电源管理系统由可充电，大容量的7.2V锂电池提供电源，通过5V和3.3V稳压模块提供不同电压等级，为穿戴设备内部功能系统提供电源。

进一步地，所述微机控制系统能够将训练目标图片清晰值与确定佩戴者视力情况时所观察到的图片清晰值作差，如果差值超过设定的安全训练阈值30，即本次使用穿戴设备后的裸眼可见的清晰值提高超过30，对眼睛的晶状体训练程度足够充分，为避免过度使用穿戴设备造成晶状体过度疲劳，将通过语音系统提醒佩戴者停止使用。

进一步地，该设备还包括热控制模块，通过发热电阻丝，在微机控制系统控制下，实现温度可调的恒温发热，对眼部进行热敷。

进一步地，该设备还包括测距模块，利用超声波的测距功能，监测使用者眼睛距电脑屏幕的距离或眼睛距桌面的距离，默认距离设定为眼睛距桌面35cm或眼睛距电脑屏幕80cm，使用者可根据自身情况通过语音系统自行设定，当距离小于设定值时，通过振动和语音提醒使用者注意健康用眼距离，在恢复大于设定值的距离后解除提醒。

进一步地，该设备还包括震动模块，该模块包含微型振动电机，在微机控制系统的控制处理下，对太阳穴、天应穴和精明穴进行不同强度的震动按摩，使用者可根据自身实际情况通过语音系统选择适合自己的强度，促进眼部血液循环。

本发明的有益效果为：

本发明可通过裸眼成像清晰度和实际成像清晰度对比，监测佩戴者的视力水平。并可以通过视力训练，辅助佩戴者对其晶状体进行锻炼，帮助佩戴者通过自我调节和锻炼保护视力，并具备加热按摩、光强监测和坐姿纠正功能，预防近视。本发明具有低功耗、便携等特点。

干预警示佩戴者的视力情况，在佩戴者视力疲惫早期发出保护视力的警告。

本发明在患者出现近视症状的早期提供护眼提醒，还可以在休息时提供视力训练功能。

附图说明

图1为本穿戴设备设想使用情况的示意图；

图2为图像清晰度对比的信号流程图；

图3为视力预防监测功能的流程图；

图4为视力训练功能的流程图；

图5为本穿戴设备功能结构的框架图；

图6为本穿戴设备正视外型，和功能模块所处分布示意；

图7为本穿戴设备俯视图；

图8为本穿戴装备侧视图。

图中标号表示：1、低功耗高速度微型计算机；101、蓝牙通讯模块；102、光强检测模块；201、可视镜片窗口；202、可变焦高清摄像头；203、阵列麦克风。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明的目的是提供一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，包括微机控制系统、电源管理系统、机械系统、图像系统、语音系统和环境感知系统，还包括热控制模块、测距模块和震动模块；

所述热控制模块，通过发热电阻丝，在微机控制系统控制下，实现温度可调的恒温发热，对眼部进行热敷。

所述测距模块，利用超声波的测距功能，监测使用者眼睛距电脑屏幕的距离或眼睛距桌面的距离，默认距离设定为眼睛距桌面35cm或眼睛距电脑屏幕80cm，使用者可根据自身情况通过语音系统自行设定，当距离小于设定值时，通过振动和语音提醒使用者注意健康用眼距离，在恢复大于设定值的距离后解除提醒。

所述震动模块，包含微型振动电机，在微机控制系统的控制处理下，对太阳穴、天应穴和精明穴进行不同强度的震动按摩，使用者可根据自身实际情况通过语音系统选择适合自己的强度，促进眼部血液循环。

所述电源管理系统由可充电，大容量的7.2V锂电池提供电源，通过5V和3.3V稳压模块提供不用电压等级，为穿戴设备内部功能系统提供电源。

所述微机控制系统，其核心是低功耗高速度微型计算机1(简称微机)。微机控制系统接收各子系统反馈的信息，将信息处理后再对各子系统发出控制信号，完成相应的功能。微机控制系统包含蓝牙通讯模块101，可通过蓝牙通信协议与某类移动设备进行信息传递，将穿戴设备内部采集的数据上传至云端。

所述语音系统包括扬声器、阵列麦克风203和语音处理程序，在微机控制系统的控制下，能够通过扬声器向佩戴者发出各种提示信息或者询问，通过阵列麦克风203采集佩戴者的回答，经过语音处理程序后，向微机控制系统反馈信息。

所述图像系统包括可变焦高清摄像头202、焦距调节程序和图像处理程序，可变焦高清摄像头202在焦距调节程序的控制下，可根据距离大小调节摄像头焦距，保证拍摄出清晰的图像。图像处理程序用于调节图像的清晰值，可以增大或者减小图像的清晰值，并显示在液晶显示屏上。

所述机械系统包括步进电机、液晶显示屏和透明平光镜片，在微机控制系统的控制下，机械系统将更换佩戴设备的可视镜片窗口201的镜片，换为透明平光镜片或者镜片状液晶显示屏。

所述环境感知系统由光强检测模块102和位移传感模块组成。光强检测模块102在微机控制下，定时采集环境光强数据，将采集到的光强数据进行处理，当光线过强或过暗时，提醒佩戴者采取措施以保证合适的用眼光强；位移传感器在穿戴设备的预防监测功能激活后检测佩戴者头部是否移动，用来初步判断佩戴者是否找到目标观测物。

所述清晰值采用SMD2(灰度差分乘积聚焦评价函数)，清晰值的取值范围在100-300，公式如下

D(f)＝∑_y∑_x(|f(x+1，y)-f(x，y)|²+|f(x，y+1)-f(x，y)|²)

式中x与y代表被处理图片某个像素点的坐标，f(x，y)代表计算该点的灰度值，该函数对每一个像素点邻域两个灰度差相乘后再逐个像素点累加，D(f)为计算得到的清晰值。

如图2所示，很多人出现了视力问题但无法觉察的原因就是自身并不知道清晰的物体本应如何，在佩戴者观察远处事物后，通过设备内部的液晶显示屏在近处向其展示摄像头拍摄的清晰图像，佩戴者将清晰图像和脑海中之前看到的图像对比，将差异化程度反馈给设备，然后设备对清晰图像进行模糊化处理。差异化程度越大，需要降低的清晰度也越大。将模糊化处理过后的图片再次展示给佩戴者，直到将清晰图片的清晰度降低至佩戴者实际看到事物的清晰度。通过这样的闭环反馈，能帮助佩戴者迅速评估其视力情况。

如图1所示，佩戴者戴上本穿戴设备，开始使用。穿戴设备的镜片处通过机械系统切换为透明平光镜片，设备的语音系统提醒佩戴者通过镜片观察远处的任一事物。若微机控制系统的位移传感器检测到佩戴者头部超过3秒无移动，语音系统询问佩戴者是否确定目标观测物，待佩戴者确定目标观测物后，设备图像系统工作，通过焦距控制程序调节高清摄像头焦距并拍摄目标观测物的清晰图片。

拍摄完成后，设备的透明平光镜片通过机械系统切换为镜片状的液晶显示屏，将清晰图片向佩戴者展示，让佩戴者了解目标观测物的实际清晰度。随后图像系统运行，图像处理程序对拍摄所得的清晰图片进行一次模糊化处理，首先将图片的清晰值降低10，处理完成后再次通过液晶显示屏展示给佩戴者，语音系统询问佩戴者当前图像和佩戴者裸眼所见的目标观测物清晰度是否一致，若佩戴者认为不一致，回答不是通过语音系统传递给微机控制系统，微机控制系统再次激活图像系统，继续进行模糊化处理，使当前液晶显示屏上的图片清晰值再降低10。

如此反复，直到佩戴者认为液晶屏所显示图片与其裸眼所见的目标观测物清晰度一致，语音系统询问佩戴者清晰度是否一致，佩戴者回答是，语音系统向微机控制系统传递，微机控制系统记录当前图片的清晰值，查询在微机控制系统数据库中存储的清晰值与视力情况对应表，语音系统告知佩戴者其视力情况并记录相关数据，随后可进行视力训练。

如图3流程图所示，本佩戴设备通过上述功能，为佩戴者提供预防监测自身裸眼视力的功用。佩戴者通过比较裸眼所见的目标观测物与高清摄像头所拍摄的清晰图片，可以直观感受到自身视力的水平，本佩戴设备可警醒佩戴者对裸眼视力进行恢复保护。

如图4流程图所示，视力训练为，将当前与佩戴者裸眼观察一致的图片的模糊化程度降低，图像系统使液晶屏显示图片的清晰值增加5，通过语音系统提醒佩戴者观察并记忆这张图片。随后机械系统收起液晶显示屏，将佩戴设备的镜片切换为透明平光镜片，语音系统提示佩戴者再次观察本来选定的目标观测物一分钟，佩戴者的大脑将主动调节晶状体，努力观察到和清晰值增加后图片相同的效果。随后语音系统询问佩戴者能否观察到相同的效果，如果佩戴者回答不能，则图像系统再次向佩戴者展示清晰值增加后的图片，佩戴者观察液晶显示屏图片后继续裸眼观察实际的目标观测物，直到佩戴者认为裸眼能够观察到同等清晰的目标观测物。如果佩戴者连续5次都无法裸眼观察到同等清晰的目标观测物，则图像系统对图片进行模糊化处理，使清晰值减少2，重复上述步骤。

当佩戴者能够裸眼观察到同等清晰度的目标观测物，将当前图片清晰值与视力训练前的第一次裸眼见到的最模糊图片清晰值作差，如果差值超过设定的安全训练阈值30，即本次训练后裸眼可见的清晰值提高超过30，对眼睛的晶状体训练程度足够充分，为避免过度使用视力训练造成晶状体过度疲劳，语音系统提醒佩戴者注意适度训练，则本次训练结束。

本可穿戴设备以上所使用功能的框架图如图5所示。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，其特征在于，包括微机控制系统、电源管理系统、机械系统、语音系统、环境感知系统和图像系统；

所述微机控制系统，用于接收各系统反馈的信息，将信息处理后再对各系统发出控制信号，完成相应的功能；微机控制系统能够记录图像系统中图像处理模块进行模糊化处理后的图片的清晰值，并查询在微机控制系统数据库中存储的清晰值与视力情况对应表，通过语音系统告知佩戴者其视力情况并记录相关数据，可通过蓝牙通信协议与移动设备进行信息传递，将穿戴设备内部采集的数据上传至云端；

所述机械系统包括步进电机、镜片状液晶显示屏和透明平光镜片，在微机控制系统的控制下，机械系统将更换穿戴设备的可视镜片窗口的镜片，切换为透明平光镜片或者镜片状液晶显示屏；切换为透明平光镜片时，佩戴者能够通过镜片观察远处的任一事物作为目标观测物，切换为镜片状液晶显示屏时，能够在镜片状液晶显示屏上显示图像系统拍摄的清晰的目标观测物的图片；

所述语音系统包括扬声器、阵列麦克风和语音处理模块，在微机控制系统的控制下，能够通过扬声器向佩戴者发出各种提示信息或者询问，通过阵列麦克风采集佩戴者的回答，经过语音处理模块后，向微机控制系统反馈信息；语音系统能够向图像系统发送两个阶段的指令；

所述环境感知系统由光强检测模块和位移传感模块组成；光强检测模块在微机控制下采集环境光强数据，将采集到的光强数据进行处理，当光照强度为200—500Lx之外时，通过语音系统提醒佩戴者改善环境光照强度；位移传感器检测佩戴者头部是否移动，用来判断佩戴者是否找到目标观测物，并通过语音系统询问佩戴者进行确认；

所述图像系统包括可变焦高清摄像头、焦距调节模块和图像处理模块，可变焦高清摄像头在焦距调节模块的控制下，调节高清摄像头焦距并拍摄目标观测物的清晰图片；图像系统接收语音系统发出的第一阶段指令，将拍摄的目标观测物的清晰图片在镜片状液晶显示屏上向佩戴者展示，让佩戴者了解目标观测物的实际清晰度；图像处理模块能够对拍摄所得目标观测物的清晰图片进行模糊化处理，使图片的清晰值降低10，并显示在镜片状液晶显示屏上展示给佩戴者，通过语音系统询问佩戴者降低清晰值后的图片和佩戴者通过透明平光镜片所观察的目标观测物清晰度是否一致，若佩戴者认为不一致，继续进行模糊化处理，直到佩戴者通过语音系统确认镜片状液晶显示屏所显示图片与其通过透明平光镜片所观察的目标观测物清晰度一致，通过微机控制系统记录当前图片的清晰值，确定视力情况；然后图像系统接收语音系统发出的第二阶段指令，调节当前图片清晰值，使清晰值增加5作为训练目标图片，通过语音系统提醒佩戴者通过透明平光镜片观察目标观测物一分钟，并与训练目标图片比较，如果佩戴者认为目标观测物与训练目标图片的清晰度不一致，则向佩戴者再次展示训练目标图片，直到佩戴者认为目标观测物与训练目标图片的清晰度一致，或者佩戴者连续5次均认为目标观测物与训练目标图片的清晰度不一致，则图像系统对训练目标图片进行模糊化处理，使清晰值减少2，重复进行确定视力情况之后的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，其特征在于，所述清晰值采用灰度差分乘积聚焦评价函数，清晰值的取值范围在100-300，公式如下

D(f)＝∑_y∑_x(|f(x+1，y)-f(x，y)|²+|f(x，y+1)-f(x，y)|²)

式中x与y代表被处理图片某个像素点的坐标，f(x,y)代表计算该点的灰度值，该函数对每一个像素点邻域两个灰度差相乘后再逐个像素点累加，D(f)为计算得到的清晰值。

3.根据权利要求1所述的一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，其特征在于，所述电源管理系统由可充电、大容量的7.2V锂电池提供电源，通过5V和3.3V稳压模块提供不同电压等级，为穿戴设备内部功能系统提供电源。

4.根据权利要求1所述的一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，其特征在于，所述微机控制系统能够将训练目标图片清晰值与确定佩戴者视力情况时所观察到的图片清晰值作差，如果差值超过设定的安全训练阈值30，即本次使用穿戴设备后的裸眼可见的清晰值提高超过30，对眼睛的晶状体训练程度足够充分，为避免过度使用穿戴设备造成晶状体过度疲劳，将通过语音系统提醒佩戴者停止使用。

5.根据权利要求1所述的一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，其特征在于，该设备还包括热控制模块，通过发热电阻丝，在微机控制系统控制下，实现温度可调的恒温发热，对眼部进行热敷。

6.根据权利要求1所述的一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，其特征在于，该设备还包括测距模块，利用超声波的测距功能，监测使用者眼睛距电脑屏幕的距离或眼睛距桌面的距离，默认距离设定为眼睛距桌面35㎝或眼睛距电脑屏幕80㎝，使用者可根据自身情况通过语音系统自行设定，当距离小于设定值时，通过振动和语音提醒使用者注意健康用眼距离，在恢复大于设定值的距离后解除提醒。

7.根据权利要求1所述的一种视力预防监测并具备视力训练功能的穿戴设备，其特征在于，该设备还包括震动模块，该模块包含微型振动电机，在微机控制系统的控制处理下，对太阳穴、天应穴和精明穴进行不同强度的震动按摩，使用者可根据自身实际情况通过语音系统选择适合自己的强度，促进眼部血液循环。

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