CN1559338A - 包觉异常定量检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测人体色觉是否正常的仪器及检测方法，由计算机PC、高性能彩色CRT显示器、光电标准人眼定标系统、专用应答键盘、打印机、遮光罩及下鄂支撑架组成，计算机PC输出的视频信号至高性能彩色CRT显示器、输出的打印指令至打印机，光电标准人眼定标系统检测的自动检测信号至计算机PC的数据接口，专用应答键盘的信号输出端至计算机PC的键盘输入接口。优点：一是实现了机控制全自动色觉异常的心理物理定量检测；二是通过一次测量即可获得从中性灰沿红－绿和黄－蓝颜色混同线向红色、绿色、蓝色、黄色方向的颜色视觉辨别阈值，建立与临床上的色觉正常、色盲以及各种不同色弱程度的对应关系，从而实现色觉异常的自动定量检测。

Description

色觉异常定量检测仪

技术领域：

本发明涉及一种用于检测人体色觉是否正常的仪器及检测方法，属医疗检测设备制造领域。

背景技术：

目前色觉异常的检查方法主要有颜色混合器测定法，该仪器的工作原理是基于瑞利的颜色混匹配方程：红(R)+绿(B)＝黄(Y)，即红光与绿光混合可以匹配出黄光。该色觉异常检查仪的圆形观察窗分为左右两个半视场，右半视场中直接提供黄光，其亮度(明度)可调；左半社场中则同时投射红光和绿光，因此实际上左半视场中显示的是红光和绿光的混合色。对于正常色觉者而言，既可以同时分辩红、绿、黄等颜色，也可以用适当的比例的红光和绿光混合匹配出黄光，最终看到左右两半视场的黄色完全一致。而对异常色觉而言，可能既不能正常分辩红色、绿色或黄色，也不能用红色光和绿色光匹配黄色光，或者即使能用红光和绿光匹配出黄光，但所用的红光和绿光的比例失调。比例失调的程度取决于色弱或色盲的严重程度，如绿色弱者需要更多的绿色才能匹配出黄色，红色弱者需要更多的红色，二色觉者可以用任何比例的红光和绿光混合“匹配”出黄光，但实际上并不是真正意义上的颜色匹配，而只是感受的灰度相同罢了。最早的Nagel型色觉异常检查仪(颜色混合器)中的红光波长为670nm，绿光和黄光波长分别采用于35nm和589.3nm。实用化的颜色混合器采用的波长为670.8nm(红)、546(绿)和589.3nm(黄)。该仪器主要用于检查红、绿色弱和色盲，而且颜色匹配方式固定，测定结果对操作过程和光源等硬件有较大的相关性，对被测者的颜色理解力和文化程度等个人因素也有一定的依赖性，所以检测结果的客观性和有效性受到影响，此外该方法对蓝(紫)色觉者异常不能进行直接的测定。

发明内容：

设计目的：采用计算机控制的彩色CRT显示器模拟色仿真技术，设计一种全新的计算机控制色觉异常自动定量检测仪。

设计方案：本发明主要由主计算机PC、高性能真彩色CRT显示器、光电标准人眼定标系统、专用应答键盘、打印机、遮光罩以及下鄂支撑架等部分组成，人眼与颜色刺激之间的距离(观察距离)为50cm，在功能上主要包括显示器光色参数自动定标、计算机模拟色仿真显示以及颜色辨别特性心理物理定量测试等功能模块组成。

技术方案1：色觉异常定量检测仪由计算机PC、高性能彩色CRT显示器、光电标准人眼定标系统、专用应答键盘、打印机、遮光罩及下鄂支撑架组成，计算机PC输出的视频信号至高性能彩色CRT显示器、输出的打印指令至打印机，光电标准人眼定标系统检测的自动检测信号至计算机PC的数据接口，专用应答键盘的信号输出端至计算机PC的键盘输入接口。光电标准人眼定标系统由光谱三刺激值曲线的光色传感器、光电信号放大与A/D变换等信号处理与采集单元、PC接口与数据通讯以及供电单元等模块构成，光谱三刺激值曲线的色度型光色传感器从彩色CRT显示器荧光屏上获得的颜色剌激的光电信号，经高精度快速放大和A/D转换，由微处理机系统读入所采集到的数字信号，并进行数据处理后，经由串行接口与主机PC进行数据通讯；专用应答键盘由微处理机进行监控管理，并利用共享的串行接口RS-232与主机通讯，其专用键盘包括开始/中止、左上、左下、右上、右下以及相同等专用按钮，分别用于启动和中止色觉阈值测试过程、应答测试颜色刺激所在四个小正方形色块位置以及无法辩别颜色刺激色块时的按键。光谱三刺激值曲线的光色传感器包含X、Y、Z三个颜色通道，其输出的光电信号分别由三路放大电路进行电流-电压转换(A1)和电压放大(A2)，经过放大的模拟电压信号由多通道高分辩率A/D变换器转换成数字信号，使三路光电信号在微处理机系统的控制下准确地读入二级单片机，微处理机系统读入光电数字信号并进行数据处理后，将结果通过串行接口RS-232送至主计算机PC，从而完成颜色信息的一次光电采集过程；光电传感器响应特性的光度色度定标系统自动存储于定标系统内部基于I²C总线可电擦除只读存储器E²PROM中，RESET电路为微处理机系统提供可靠的上电复位信号，外部晶振电路OSC为单片机系统提供准确的工作时钟，复位与外部晶振电路(RST&OSC)、可电擦除只读存储器(E²PROM)等外围电路与单片机主体芯片CPU一并组成微处理单片机系统。

技术方案2：色觉异常定量检测设计方法，如权利要求1所述，首先对彩色CRT显示器的R、G、B三色荧光粉发光特性进行测定和分析，建立其γ曲线的数学模型，利用R、G、B三色电子枪的激发特性和三色荧光粉的色品坐标构成三色缓冲器颜色输入值与CIE标准色度系统之间的特征矩阵及其映射关系实现颜色的仿真显示。光电标准人眼定标系统的光度色度校正与测试包括光电定标系统调试和颜色信号发生器，首先用带望远镜系统的高精度彩色亮度计或光谱光度计，对光电标准人眼定标系统中符合(CIE)标准光谱三刺激值曲线的X、Y、Z三个色度通道光电传感器进行光度色度校正，修正系数自动存入定标系统内部基于I²C总线的可电擦除只读存储器E²PROM中，使光电定标系统与测试软件之间参数分离，其次利用颜色信号发生器提供的中心十字线标志将标准光谱光度计和光电控头分别瞄准和定位于CRT屏幕的中央，然后根据需要将屏幕的颜色设置成白、黑、红、黄、绿、蓝等各种单色或混色，并用标准光谱光度计测出该屏幕颜色的色度参数(三刺激值或色度坐标)，接着，将光电探头对准屏幕，由光电定标系统调试和校正软件测定CRT上显示的定标颜色的信号，将该定标颜色参数输入指定文本框中，由软件功能自行计算出各色度通道的修正系数，最后，经由主机与光电定标系统的微处理机之间的串行通讯将光色校正系数传给二级微机，并自动存入定标系统内部基于I²C总线可电擦除只读存储器E²PROM中，以备系统进行GAMA标定时实时调用；计算机模拟色仿真显示模块是基于彩色CRT显示器R、G、B三色荧光粉色度参数及其γ特性的定标数学模型，按照CIE计算机控制的CRT显示器色度特性定标的标准建立CRT三色缓冲器数字输入值(LUT-R，LUT-G，LUT-B)与CIE-XYZ参数之间的变换模型及特征矩阵，即：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}-R\\ \mathrm{LUT}-G\\ \mathrm{LUT}-B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}\mathrm{Lum}-R\\ \mathrm{Lum}-G\\ \mathrm{Lum}-B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

其中(Lum-R，Lum-G，Lum-B)＝(L_R，L_G，L_B)表示R、G、B三色荧光粉的发光亮度，根据荧光粉的定标参数可以确定目标显示颜色三刺激值(X，Y，Z)与三色荧光粉发光亮度之间的映射特征矩阵A：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]=A^{-1}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

由此可以求出所需R、G、B电子枪的激发亮度(L_R，L_G，L_B)，根据CRT输入输出定标特性所确定的γ曲线的数学模型：

$\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]=f\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}-R\\ \mathrm{LUT}-G\\ \mathrm{LUT}-B\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}-R\\ \mathrm{LUT}-G\\ \mathrm{LUT}-B\end{array}\right]=f^{-1}\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]$

或以获得在CRT上显示要求的颜色剌激所需要的三色缓冲器数字输入参数(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最终达到在常规彩色CRT显示器上保真再现具有要求亮度和色度的颜色剌激的模拟色仿真功能；利用光电标准人眼定标系统的光度色度校正与测试模块在CRT显示指定CIE1931色度坐标X、Y和明度系数Y的颜色，由此测试和验证颜色复现结果的准确性和可靠性，其中包括颜色仿真算法的科学性、CRT显示器γ定标和校正的有效性以及CRT本身显色特性的优劣等各种因素。GAMA标定，首先分别将R、G、B三色数字缓冲器的输入值设为0，1，2，3，……225，然后由光电标准人眼定标系统自动测出每组颜色激励输入值所对应屏幕显示颜色的发光亮度Lum-R、Lum-G、Lum-B，由此建立(LUT-R，LUT-GLUT-B)与(Lum-R，Lum-G，Lum-B)之间的对应关系LUT，在上述γ特性测试的同时，由光电定标系统的X、Y、Z三个色度通道获得了R、G、B三色荧光粉单独发光时的三刺激值(X_R，Y_R，Z_R)、(X_G，Y_G，Z_G)、(X_B，Y_B，Z_B)，并计算出三色荧光粉的色品坐标(X_R，Y_R)、(X_G，Y_G)、(X_B，Y_B)，从而确定目标颜色的三刺激值(X，Y，Z)与三色荧光粉发光亮度之间的映射特征矩阵，由此求出所需R、G、B电子枪的激发亮度(L_R，L_G，L_B)，再根据CRT输入输出定标特性所确定的γ曲线数学模型，即可获得在CRT上显示要求的颜色刺激所需要的三色缓冲器数字输入参数(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最终达到在常规彩色CRT显示器上保真再现具有要求亮度和色度数的颜色刺激的模拟色仿真功能。测试刺激是由处于CRT显示器中心部位的四个1°×1°小正方形组成的田字形色块，各个小正方形色块之间有不超过0.1°视角宽的黑色小分隔，四小正方形色块组由约0.1°视角的黑色边框与其所在的背景隔开，从而充分抑制因色块分界处的高频成分所引起的明度对比灵敏度，使在颜色辩别的心理物理机制中色度对比灵敏度占主导地位，以达到色觉特性的精确定量检测。测试剌激显示过程中采用时间间隔条件，即一个周期中包含两个显示背景色的时间段和两个黑色时间间隔，分别处于测试刺激显示的开始和结束时刻，在黑色间隔时间，包括背景色和四个小正方形色块组成的测试刺激在内的所有区域的发光被切断为黑屏，只有外围的亮框一直持续显示，以使观察者保持对白色温点而不是测试剌激的完全适应状态。心理物理测定方法为变形交错阶梯法，在一个阶梯中同时包含在四个颜色方向上的一组刺激，并且具有随机的显示次序，在阶梯的初始回转折中，首先显示一个(色觉正常者)明显可辩的步长，然后系统地缩减各颜色距离的调制步长，直至其达到某个临界值，从而形成有效的振荡收敛过程，并产生十次左右的回转折点，最后由计算机软件自动处理观察者对每个呈示颜色刺激的应答记录，并解出对应各方向的辩色阀值。

技术方案3：色觉异常定量检测步骤，整个测试过程分为暗适应、背景适应、辩色阀值测定等步骤，在每次辩色判断时，由软件随机地决定测试色在四个小正方形中的某一个色块上显示，而另外三个小正方形仍保持为与背景一致的颜色，测试色对应于根据所采用的心理物理测试方法而确定的在不同方向上与颜色中心的预测颜色距离或色差，观察者的视觉任务是判断其颜色不同于背景色的小正方形色块的位置(即四个小正方形色块中仅有的一个显示不同颜色的方块的位置)，然后按下指定的按键作为他/她的应答，由此计算机自动记录该判定结果并起动下一次辩色判断测试。

本发明与背景技术相比，1、实现了机控制全自动色觉异常的心理物理定量检测。2、通过一次测量即可获得从中性灰(Gray)沿红-绿(Red-Green)和黄-蓝(Yellow-Blue)颜色混同线向红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)、黄色(Yellow)方向的颜色视觉辨别阈值(色觉容限值)。3、给出红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)、黄色(Yellow)视觉方向上的辨色阈值色度示意图，同时显示在CIE1931色度系统和CIE1976均匀颜色空间中的色觉阈值测定结果ΔR、ΔG、ΔB、ΔY和ΔE_R、ΔE_G、ΔE_B、ΔE_y以及红色与绿色、黄色与蓝色视觉方向上辨色阈值的相对量(比值)ΔR/ΔG、ΔY/ΔB和ΔE_R/ΔE_G、ΔE_y/Δ E_B，由此建立与临床上的色觉正常、色盲以及各种不同色弱程度的对应关系，从而实现色觉异常的自动定量检测。4、被验者的身份(如姓名、门珍号、病历卡号等)有关信息以及检测日期和测试的起始与结束时间等各种过程数据自动记录在检测结果中，并可以打印输出各种测试结果数据。5、具有精细测试(分级精细、时间较长)和快速测试(时间较短、分级稍粗)两种模式，可以由用户自由选用，以适应不同的检测对象和分级要求。6、根据检测对象和要求，可以由用户自行设置暗适应和亮适应的时间(以秒为单位)，从而有效提高检测效率。7、针对被子验者不同的文化程度或知识水平、年龄层次等个人因素的差异，在测试过程中的实际有效测试模块之前设计了训练测试模块，并可由用户自行设定训练次数，充分保证检测的精度和有效性。8、检测过程中的操作界面友好，具有全中文图文实时引导信息，并提供标准普通话语音指引说明，有效避免误操作。9、对以往检测过的所有结果数据文件自动保存在计算机硬盘上，并可随时检索和查阅这些历史文档。10、彩色CRT显示器光色参数自动定标功能，确保在彩色CRT显示器上能准确实时地显示具有要求亮度和色度参数的颜色刺激以进行颜色辨别特性的定量测试，达到计算机模拟色仿真显示目标。11、由光电标准人眼定标系统实现彩色CRT显示器R、G、B三色荧光粉发光特性和色度坐标的自动测定，并对R、G、B三色电子枪γ曲线进行自动校正，由此可由用户自行定期对彩色CRT显示器进行光色性变化所带来的误差，使仪器的测试结果精确可靠，并具有长期的稳定性。12、具有彩色CRT显示器R、G、B三色荧光粉发光特性和三色电子枪γ曲线校正结果的图示功能，可以确认存储更新或随时查阅。13、利用系统测试模块，并借助带望远镜系统的高精度彩色亮度计或光谱光度计(另购)，对光电标准人眼定标系统中符合国际照明委员会(CIE)标准光谱三刺激值曲线的色度型光电传感器进行光度色度校正，修正系数自动存入定标系统内部基于I²C总线的可电擦除只读存储器E²PROM中，从而使光电定标系统与测试软件之间参数分离，具有任意配置和可组装性，为仪器的生产、调试和维护提供了灵活适应性和便利性。14、显示测试颜色刺激的彩色CRT显示器在进入实际检测前需要1小时以上的预热时间，但又不能因显示固定的图样而导致CRT荧屏显色的空间不一致性或色纯度的降低，所以本仪器设有匀速平移黑白条纹的屏幕保护功能，以满足在开机后实际检测前以及不同次检测之间CRT荧屏的特殊保护需要。

附图说明：

图1是色觉异常定量检测仪的结构示意图。

图2是色觉异常定量检测仪的方框示意图。

图3是测试红-绿和黄-蓝颜色混同线示意图。

图4是测试刺激基本图样。

图5是系统软件主界面示意图。

图6是光电定标系统专用颜色发生器基本界面。

图7是光电定标系统调试与校正界面。

图8是CRT颜色复现模块初始界面。

图9是彩色CRT显示器屏幕保护图样。

图10是系统测试参数设置界面。

图11是被验者身份输入界面。

图12是系统测试引导界面。

图13是系统测试结果报告界面。

图14是系统测试参数信息窗口。

图15是颜色视觉检测报告打印格式。

图16是CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线。

图17是光电标准人眼定标系统电气原理示意图。

具体实施方式：

色觉异常定量检测仪由计算机PC6、高性能彩色CRT显示器1、光电标准人眼定标系统7、专用应答键盘4、打印机5、遮光罩及2下鄂支撑架3组成，计算机PC6输出的视频信号至高性能彩色CRT显示器1、输出的打印指令至打印机5，光电标准人眼定标系统7检测的自动检测信号至计算机PC6的数据接口，专用应答键盘4的信号输出端至计算机PC6的键盘输入接口，参见附图1和2。

一、光电标准人眼定标系统：为了在彩色CRT显示器上显示具有要求亮度和色度参数的颜色刺激以进行颜色辨别特性的定量测试，必需对彩色CRT的R、G、B三色荧光粉发光特性进行测定和分析，建立其γ曲线的数学表征模型，并利用R、G、B三色电子枪的激发特性和三色荧光粉的色品坐标构成三色缓冲器颜色输入值与CIE标准色度系统之间的特征矩阵及其映射关系，从而实现颜色的仿真显示。

二、计数机模拟色仿真显示模块：利用基于彩色CRT显示器R、G、B三色荧光粉色度参数及其γ特性的定标数学模型，按照CIE关于计算机控制的CRT显示器色度特性定标的指导工作标准(Guide tocharacterizing the colorimetry of computer-controlled CRTdisplays)，建立CRT三色缓冲器数字输入值(LUT_R，LUT_G，LUT_B)与CIE-XYZ参数之间的变换模型及其特征矩阵，即

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}\_R\\ \mathrm{LUT}\_G\\ \mathrm{LUT}\_B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}\mathrm{Lum}\_R\\ \mathrm{Lum}\_G\\ \mathrm{Lum}\_B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]--\left(1\right)$

其中(Lum_R，Lum_G，Lum_B)＝(L_R，L_G，L_B)表示R、G、B三色荧光粉的发光亮度。根据荧光粉的定标参数可以确定目标显示颜色三刺激值(X，Y，Z)与三色荧光粉发光亮度之间的映射特征矩阵A：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ \end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ \end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ \end{array}\right]=A^{-1}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ \end{array}\right]--\left(2\right)$

          Z        L_B          L_B        Z

由此可以求出所需R、G、B电子枪的激发亮度(L_R，L_G，L_B)，再根据CRT输入输出定标特性所确定的γ曲线的数学模型：

$\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]=f\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}-R\\ \mathrm{LUT}-G\\ \mathrm{LUT}-B\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}\_R\\ \mathrm{LUT}\_G\\ \mathrm{LUT}\_B\end{array}\right]=f^{-1}\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]--\left(3\right)$

可以获得为在CRT上显示要求的颜色刺激所需要的三色缓冲器数字输入参数(LUT_R，LUT_G，LUT_B)，最终达到在常规彩色CRT显示器上保真再现具有要求亮度和色度参数的颜色刺激的模拟色仿真功能。

三、颜色辩别特性心理物理定量测试模块：①颜色刺激：基于颜色视觉的理论，参照国际照明委员会(CIE)关于颜色辨别和色差研究的指导标准，通过对CIE1931色度图上各组红-绿(R/G)和黄-蓝(Y/B)颜色混同线的计算和分析，选择其交点正好处于色度图中心(x＝0.333，y＝0.333)的一对红-绿(R/G)和黄-蓝(Y/B)颜色混同线作为测试颜色刺激的演变轨迹，并确定其交点中性灰(Gray)为色觉测定的颜色中心(color center)，而且这两根颜色混同线刚好正交(如图3所示)，为色觉测试和色度计算提供了合理可靠的参数和方便快捷的路径。同时，设计专门的刺激图样(stimulus pattern)按照国际通行的心理物理测试方法进行人眼色觉特性的定量检测与分析。②空间条件：测试刺激(test stimulus)是由处于CRT显示器中心部位的四个1°×1°小正方形组成的田字形色块(如图所示)，各个小正方色块之间有不超过0.1°视角宽的黑色小分隔；四小正方形色块组由约0.1°视角的黑色边框与其所在的背景色(background)隔开，从而充分抑制因色块分界处的高频成分所引起的明度对比灵敏度，使在颜色辨别的心理物理机制中色度对比灵敏度占主导地位，以达到色觉特性的精确定量检测。背景色设置成所选中心色(center color)的中性灰，并被一个亮框(bright bord)包围。该亮框的亮度设为CRT色域(color gamut)范围内所能显示的最高亮度如100cd/m²，并具有CIE D65标准照明体的色度指标。这个“白色”亮框使CRT上显示的刺激能模拟物体表面色(surface color)或相关色(related color)而不是原本的孔径色(aperture color)，同时定义了刺激图像的白色温点。③时间特性：测试刺激显示过程中采用时间间隔条件，即一个周期中包含两个显示背景色的时间段和两个黑色时间间隔，分别处于测试刺激显示的开始和结束时刻。在黑色间隔时间，包括背景色和四个小正方形色块组成的测试刺激在内的所有区域的发光被切断为黑屏，只有外围的亮框一直持续显示，以使观察者保持对白色温点而不是测试刺激的完全适应状态。④测定方法：目前，国际上视觉科学研究中被广泛采用的主要心理物理测定方法有调整法、阶梯法或上下法、恒常刺激法等等。在本系统中，为了能客观可靠地测出从中性灰向红色、绿色、蓝色、黄色等方向沿颜色混同线轨迹上的颜色辨别阈值，采用阶梯法进行辨色能力的实际测试。辨色阈值的测试过程是在完全屏蔽外界杂散光的暗室条件下进行的。为了避免由测试刺激的显示次序而导致观察者可能的判断偏差或臆想，本系统对传统的阶梯法进行改良，形成变形交错阶梯法。一个阶梯中同时包含在四个颜色方向上的一组刺激，并且具有随机的呈示次序。在阶梯的初始回转折中，首先显示一个(色觉正常者)明显可辨的步长，然后系统地缩减各颜色距离的调制步长，直至其达到某个临界值，从而形成有效的振荡收敛过程，并产生十次左右的回转折点。最后，由计算机软件自动处理观察者对每个呈示颜色刺激的应答记录，并解出对应各方向的辨色阈值。⑤测定步骤：整个测试过程分为暗适应、背景色适应、辨色阈值测定等步骤。在每次辨色判断时，由软件随机地决定测试色在四个小正方形中的某一个色块上显示，而另外三个小正方形仍保持为与背景一致的颜色。测试色对应于根据所采用的心理物理测试方法而确定的不同方向上与颜色中心的预测颜色距离或色差。观察者的视觉任务是判断其颜色不同于背景色的小正方形色块的位置(即四个小正方形色块中仅有的一个显示不同颜色的方块的位置)，然后按下指定的按键作为他/她的应答，由此计算自动记录刻判定结果并起动下一次辨色判断测试。

四、软件与硬件设计：1、软件设计：色觉异常定量测试软件用VC++设计，运行平台为Windows 9X。整个系统软件主要包括①光电标准人眼定标系统的光度色度校正与测试、②CRT颜色复现、③GAMA标定、④屏幕保护、⑤测试参数设置、⑥辨色阈值测试、⑦以往测试结果文档查阅等功能模块。

(1)光电标准人眼定标系统的光度色度校正与测试

本模块中，只用于仪器生产和调试，主要包括颜色信号发生器和光电定标系统调试与校正等两个专用软件，如附图5。

颜色信号发生器专用软件的基本界面如图6所示。进入本界面后，首先利用提供的中心十字线标志将标准光谱光度计和本仪器的光电探头分别瞄准和定位于CRT屏幕的中央；然后，根据需要可以将屏幕的颜色设置成白、黑、红、黄、蓝等各种单色或混色，并用标准光谱光度计测出该屏幕颜色的色度参数(三刺激值或色度坐标)；接着，将本仪器的光电探头对准屏幕，由光电定标系统调试和校正专用软件(如图7所示)测定CRT上显示的定标颜色信号，将该定标颜色参数输入指定文本框中，由软件功能自行计算出各色度通道的修正系数；最后，经由主机与光电定标系统的专用微处理机之间的串行通讯将光色校正系数传给二级微机，并自动存入定标系统内部基于I²C总线的可电擦除只读存储器E²PROM中，以备系统进行GAMA标定时实时调用。

此外，也可以利用该模块发生各种颜色刺激信号，对已经光度色度校正的光电标准人眼定标系统的测色精度进行验证，从而检验光电定标系统校正系数的准确性和有效性。

(2)、CRT颜色复现

在CRT显示器上准确地给出所需亮度和色度坐标的颜色刺激信号是整个系统正确工作的基础和前提。利用该模块可以在CRT显示指定CIE1931色度坐标X、Y和明度系数Y的颜色，由此测试和验证颜色复现结果的准确性和可靠性，其中包括颜色仿真算法的科学性、CRT显示器γ定标和校正的有效性以及CRT本身显色特性的优劣等各种因素。本功能只用于仪器的生产和调试，对于用户是不可见的。图8是该功能模块的初始界面示意图。

(3)GAMA标定

为了在彩色CRT显示器上显示具有要求亮度和色度参数的颜色刺激以进行颜色辨别特性的定量测试，必须对彩色CRT的R、G、B三色荧光粉发光特性进行测定和分析，建立三色电子枪γ曲线的数学模型，从而获得三色缓冲器颜色输入数字值与CIE标准色度系统之间的特征矩阵及其映射关系，达到颜色仿真显示的目标。这个环节就是通过GAMA标定功能模块来实现的。

首先，分别将R、G、B三色数字缓冲器的输入值为0，1，2，3……，255，然后由光电标准人眼定标系统自动测出每组颜色激励输入值所对应屏幕显示颜色的发光亮度Lum_R，Lum_G，Lum_B，由此建立(LUT_R，LUT_G，LUT_B)与(Lum_R，Lum_G，Lum_B)之间的对应关系LUT(Look-upTable)。

(4)屏幕保护

显示测试颜色刺激的彩色CRT显示器在进入实际检测前需要1小时以上的预热时间，但又不能因显示固定的图样而使显象管局部老化或不均匀老化，导致CRT荧屏显色的空间不一致性或色纯度的降低，所以本仪器设有匀速平移黑白条的屏幕保护功能(如图9所示)，以满足在开机后实际检测前以及不同次检测之间CRT荧屏的特殊保护需要。

(5)测试参数设置

系统软件设计了两种测试方式(模式)，即精细测试和快速测试。精细测试模式对色觉异常定量检测具有精细的分级，但测试时间相对较长；快速测试模式所需的测试时间较短，但分级精度稍粗。可以由用户自由选用，以适应不同的检测对象和分级要求。

根据检测对象和要求，可以由用户自行设置暗适应和亮适应的时间(以秒为单位)，从而有效提高检测效率；同时，针对被验者(观察者)不同的文化程度或知识水平、年龄层次等个人因素的差异，在测试过程中的实际有效测试模块之前设计了训练测试模块，且实现了实际测试与训练测试之间的无缝连接，使被验者在进入实际测试之前在无意识中获得训练的机会，并可由用户自行设定训练次数，充分保证检测的精度和有效性。

系统测试参数的设置对话框如图10所示

(6)辨色阈值测试

本系统利用软件功能实现色觉异常的心理物理全自动定量检测。

检测过程中的操作界面友好，具有全中文图文实时引导信息，并提供标准普通话语音指引说明，以适应不同年龄和文化层次的被验者，有效避免误操作。

在进入测试模块之后，首先弹出被验者身份输入对话框，如图11所示。在该界面上，要求用户输入被验者的姓名、门诊号、病历卡号等有关信息，这些资料将与检测日期和测试的起始与结束时间等各种过程数据一起自动记录在检测结果中。同时，被验者的姓名将与测试时间一并构成检测结果数据文件名，以便文档检索时易于识别，并且不会产生重名文件而造成数据覆盖丢失。因此，如果用户没有完整输入被验者的姓名，系统软件将给出警告提示信息，由用户选择重新输入或按系统提供的由当时的日期和刻组成的缺省文件名来存储测试结果数据。

完成被验者身份确认后，系统将显示进行辨色阈值测试操作的图文引导界面，如图12所示。同时，仪器的多媒体系统还将给出“请按 键开始测试！”的标准普通话语音提示信息，以满足不同层次被验者的指导需要。

在用户按下专键盘上的 键后，系统进入暗适应状态，并提供语音提示信息“暗适应开始，请稍候！”。此时，CRT屏幕为全黑，被验者应平心静气地注视荧屏中央；暗适应的时间长度由系统参数设置模块中预先设定。暗适应结束后，系统自动进入背景色适应(或称亮适应)阶段，屏幕上出现如图4所示的标准测试刺激图样，并给出语音提示“现在是亮适应，请稍候！”；亮适应的时间按系统参数设置模块中的预设值由计算机自动控制。

亮适应完成后，系统将进入辨色阈值的心理物理测试阶段，包括训练测试和实际测试过程；训练测试的判断次数(对应训练时间)由系统参数设置模块预先设定。辨色阈值的测试过程按照前文“颜色辨别特性心理物理定量测试模块”所述的方法和流程进行。

每次视觉判断周期开始时，系统给出“咚”的一声提示音，同时按预设的阈值测试时间条件呈示颜色刺激，然后等待被验者按键应答。通过一次测量即可获得从中性灰(Gray)沿红—绿(Red-Green)和黄—蓝(Yellow-Blue)颜色混同线向红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)、黄色(Yellow)方向的颜色视觉辨别阈值(色觉容限值)。

由系统软件控制各个颜色方向上阈值测定的阶梯振荡过程，并自动判定振荡的收敛条件。在各方向颜色距离的上下振荡变换中，系统随机插入色觉正常者明显可辨的参考颜色刺激，结合参考刺激的判断结果可以验证该测试过程的有效性。

颜色阈值测试完成后，系统将立即以图13所示的测试报告给出检测结果。测试报告给出在CIE1931标准色度系统中，红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)、黄色(Yellow)视觉方向上的辨色空间中的色觉阈值测定结果ΔR、ΔG、ΔB、ΔY和ΔE_R、、ΔE_G、ΔE_B、ΔE_y以及红色(Red)与绿色(Green)、黄色(Yellow)与蓝色(Blue)视觉方向上辨色阈值的相对量(比值)ΔR/ΔG、ΔY/ΔB和ΔE_r/ΔE_G、ΔE_Y/ΔE_B，由此建立与临床上的色觉正常、色盲以及各种不同色弱程度的对应关系，从而实现色觉异常的自动定量检测，包括色觉正常、红色盲(甲型)、绿色盲(乙型)、蓝色盲(丙型)、黄色盲以及各种不同程度的红色弱、绿色弱、蓝色弱、黄色弱等定量检测结果。

在该测试结果报告中，还给出了被验者的姓名、门珍号、病历卡号等身份信息，同时列出了该次检测的起始和结束时间，以便参考。在该测试结果界面上，还可以利用

按钮进行历史检测文档的检索和查阅。

如果希望了解或核对测试参数，可以点击该界面左上角的

按钮，系统将立即弹出当前所显示的测试结果报告对应的测试参数信息窗口，如图14所示。

最后，如果需要书面的测试报告，可以按该界面上的

按钮，便能获得如图15所示格式的测试结果数据打印报告。

(7)历史文档查阅

以往检测过的所有测试结果数据自动保存在计算机硬盘上，并可由此功能按文件名随时检索并查阅这些历史文档。

五、硬件设计：

本系统自行设计的硬件电路主要有光电标准人眼定标系统、视觉判断应答用专用键盘以及供电电源等。

光电标准人眼定标系统由符合国际照明委员会(CIE)标准光谱三刺激值曲线(如图16所示)的色度型光电传感器获得彩色CRT显示器荧屏上所呈示颜色刺激的光电信号，经高精度快速放大和A/D转换，由专微处理机系统读入所采集到的数字信号，并进行数据处理后，经由串行接口与主机(PC)进行数据通讯。

图17示意了光电标准人眼定标系统的电气连接原理框图。符合CIE标准光谱三刺激曲线的光色传感器包含X、Y、Z三个颜色通道，其输出的光电信号分别由三路放大电路进行电流-电压转换(A1)和电压放大(A2)；放大电路选用美国Anology Device公司出品的高频响、低漂移快速高精度运算放大器组成，确保光电信号得到实时的保真处理。经过放大的模拟电压信号由多通道高分辨率A/D变换转换成数字信号；模拟转换器采用TexasInstrument公司的高精度多输入通道快速A/D，外围电路简单，从而使三路光电信号在专用微处理机系统的控制下便捷准确地读入二级单片机。专用微处理单片机在选用性能价格比很高的Philips公司出品的功能非常丰富，具有模拟比较器、WDT(看门狗)、I²C总线、上电与掉电复位电源监控器、UART(全双工通用异步串行通讯)等功能部件，其时钟频率可高达20MHz，为实现本系统的光电定标要求提供了基础和前提。微处理机系统读入光电数字信号并进行数据处理后，将结果通过串行接口RS-232送至主计算机PC，从而完成颜色信息的一次光电采集过程。光电传感器响应特性的光度色度定标系数自动存储于定标系统内部基于I²C总线的可电擦除只读存储器E²PROM中，RESET电路为微处理机系统提供可靠的上电复位信号，外部晶振电路OSC为单片机系统提供准确的工作时钟；复位与外部晶振电路(RST&OSC)、可电擦除只读存储器(E²PROM)等外围电路与单片机主体芯片CPU一并组成专用微处理单片机系统。

另外，本测试系统配置的视觉测试专用应答键盘也由该微处理机系统进行监控管理，并利用共享的串行接口RS-232与主机通讯。专用键盘包括

以及相同等专用按钮，分别用于启动和中止色觉阈值测试过程、应答测试颜色刺激所在四个小正方形色块的位置以及无法辨别颜色刺激色块时的按键。

六、技术参数：

1、色觉测定方向数：4

2、背景色(中心色)：Y＝30cd/m²，x＝0.333，y＝0.333

3、参照色(边框色)：Y＝100cd/m²，x＝0.3127，y＝0.3290(CIE D65)

4、暗适应时间：1.5-3.0min(可自行设定)

5、背景色(亮)适应时间：0.5-1.0(可自行设定)

6、精细测试：10-15min(一般正常色觉者，不含暗适应和亮适应时间)

7、快速测试：4-6min(一般正常色觉者，不含暗适应和亮适应时间)

8、训练次数：0-100次(可自行设定)

9、白场标定色温：CIE D65(x＝0.3127，y＝0.3290)

10、彩色CRT显示器γ自动标定时间：约1.5小时

11、光电标准人眼定标系统：

    颜色测量通道数：3(X，Y，Z)

    亮度测量范围：0-150cd/m²

    光色测量精度(D65自场标定后)：ΔY≤±2％，ΔX，Δy≤±0.005

    光色测量重复性(D65白场标定后)：ΔY≤±1％，ΔX，Δy≤±0.002

12、电气条件：220V，50Hz

13、环境条件：25℃±3℃

应该理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种色觉异常定量检测仪，其特征由计算机PC、高性能彩色CRT显示器、光电标准人眼定标系统、专用应答键盘、打印机、遮光罩及下鄂支撑架组成，计算机PC输出的视频信号至高性能彩色CRT显示器、输出的打印指令至打印机，光电标准人眼定标系统检测的自动检测信号至计算机PC的数据接口，专用应答键盘的信号输出端至计算机PC的键盘输入接口。

2、根据权利要求1所述的色觉异常定量检测仪，其特征是：光电标准人眼定标系统由光谱三剌激值曲线的光色传感器、光电信号放大与A/D变换等信号处理与采集单元、PC接口与数据通讯以及供电单元等模块构成，光谱三剌激值曲线的色度型光色传感器从彩色CRT显示器荧光屏上获得的颜色剌激的光电信号，经高精度快速放大和A/D转换，由微处理机系统读入所采集到的数字信号，并进行数据处理后，经由串行接口与主机PC进行数据通讯；专用应答键盘由微处理机进行监控管理，并利用共享的串行接口RS-232与主机通讯，其专用键盘包括开始/中止、左上、左下、右上、右下以及相同等专用按钮，分别用于启动和中止色觉阈值测试过程、应答测试颜色剌激所在四个小正方形色块位置以及无法辩别颜色剌激色块时的按键。

3、根据权利要求2所述的色觉异常定量检测仪，其特征是：光谱三剌激值曲线的光色传感器包含X、Y、Z三个颜色通道，其输出的光电信号分别由三路放大电路进行电流-电压转换(A1)和电压放大(A2)，经过放大的模拟电压信号由多通道高分辩率A/D变换器转换成数字信号，使三路光电信号在微处理机系统的控制下准确地读入二级单片机，微处理机系统读入光电数字信号并进行数据处理后，将结果通过串行接口RS-232送至主计算机PC，从而完成颜色信息的一次光电采集过程；光电传感器响应特性的光度色度定标系统自动存储于定标系统内部基于I²C总线可电擦除只读存储器E²PROM中，RESET电路为微处理机系统提供可靠的上电复位信号，外部晶振电路OSC为单片机系统提供准确的工作时钟，复位与外部晶振电路(RST&OSC)、可电擦除只读存储器(E²PROM)等外围电路与单片机主体芯片CPU一并组成微处理单片机系统。

4、一种色觉异常定量检测设计方法，其特征是：如权利要求1所述，首先对彩色CRT显示器的R、G、B三色荧光粉发光特性进行测定和分析，建立其γ曲线的数学模型，利用R、G、B三色电子枪的激发特性和三色荧光粉的色品坐标构成三色缓冲器颜色输入值与CIE标准色度系统之间的特征矩阵及其映射关系实现颜色的仿真显示。

5、根据权利要求4所述的色觉异常定量检测设计方法，其特征是：光电标准人眼定标系统的光度色度校正与测试包括光电定标系统调试和颜色信号发生器，首先用带望远镜系统的高精度彩色亮度计或光谱光度计，对光电标准人眼定标系统中符合(CIE)标准光谱三剌激值曲线的X、Y、Z三个色度通道光电传感器进行光度色度校正，修正系数自动存入定标系统内部基于I²C总线的可电擦除只读存储器E²PROM中，使光电定标系统与测试软件之间参数分离，其次利用颜色信号发生器提供的中心十字线标志将标准光谱光度计和光电控头分别瞄准和定位于CRT屏幕的中央，然后根据需要将屏幕的颜色设置成白、黑、红、黄、绿、蓝等各种单色或混色，并用标准光谱光度计测出该屏幕颜色的色度参数(三剌激值或色度坐标)，接着，将光电探头对准屏幕，由光电定标系统调试和校正软件测定CRT上显示的定标颜色的信号，将该定标颜色参数输入指定文本框中，由软件功能自行计算出各色度通道的修正系数，最后，经由主机与光电定标系统的微处理机之间的串行通讯将光色校正系数传给二级微机，并自动存入定标系统内部基于I²C总线可电擦除只读存储器E²PROM中，以备系统进行GAMA标定时实时调用；计算机模拟色仿真显示模块是基于彩色CRT显示器R、G、B三色荧光粉色度参数及其γ特性的定标数学模型，按照CIE计算机控制的CRT显示器色度特性定标的标准建立CRT三色缓冲器数字输入值(LUT-R，LUT-G，LUT-B)与CIE-XYZ参数之间的变换模型及特征矩阵，即：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}-R\\ \mathrm{LUT}-G\\ \mathrm{LUT}-B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}\mathrm{Lum}-R\\ \mathrm{Lum}-G\\ \mathrm{Lum}-B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

其中(Lum-R，Lum-G，Lum-B)＝(L_R，L_G，L_B)表示R、G、B三色荧光粉的发光亮度，根据荧光粉的定标参数可以确定目标显示颜色三剌激值(X，Y，Z)与三色荧光粉发光亮度之间的映射特征矩阵A：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]=A^{-1}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

由此可以求出所需R、G、B电子枪的激发亮度(L_R，L_G，L_B)，根据CRT输入输出定标特性所确定的γ曲线的数学模型：

$\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]=f\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}-R\\ \mathrm{LUT}-G\\ \mathrm{LUT}-B\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}-R\\ \mathrm{LUT}-G\\ \mathrm{LUT}-B\end{array}\right]=f^{-1}\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]$

或以获得在CRT上显示要求的颜色剌激所需要的三色缓冲器数字输入参数(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最终达到在常规彩色CRT显示器上保真再现具有要求亮度和色度的颜色剌激的模拟色仿真功能；利用光电标准人眼定标系统的光度色度校正与测试模块在CRT显示指定CIE1931色度坐标X、Y和明度系数Y的颜色，由此测试和验证颜色复现结果的准确性和可靠性，其中包括颜色仿真算法的科学性、CRT显示器γ定标和校正的有效性以及CRT本身显色特性的优劣等各种因素。

6、根据权利要求5所述的色觉异常定量检测设计方法，其特征是：GAMA标定，首先分别将R、G、B三色数字缓冲器的输入值设为0，1，2，3，……225，然后由光电标准人眼定标系统自动测出每组颜色激励输入值所对应屏幕显示颜色的发光亮度Lum-R、Lum-G、Lum-B，由此建立(LUT-R，LUT-G LUT-B)与(Lum-R，Lum-G，Lum-B)之间的对应关系LUT，在上述γ特性测试的同时，由光电定标系统的X、Y、Z三个色度通道获得了R、G、B三色荧光粉单独发光时的三剌激值(X_R，Y_R，Z_R)、(X_G，Y_G，Z_G)、(X_B，Y_B，Z_B)，并计算出三色荧光粉的色品坐标(X_R，Y_R)、(X_G，Y_G)、(X_B，Y_B)，从而确定目标颜色的三剌激值(X，Y，Z)与三色荧光粉发光亮度之间的映射特征矩阵，由此求出所需R、G、B电子枪的激发亮度(L_R，L_G，L_B)，再根据CRT输入输出定标特性所确定的γ曲线数学模型，即可获得在CRT上显示要求的颜色剌激所需要的三色缓冲器数字输入参数(LUT-R，LUT-G，LUT-B)，最终达到在常规彩色CRT显示器上保真再现具有要求亮度和色度数的颜色剌激的模拟色仿真功能。

7、根据权利要求4所述的色觉异常定量检测设计方法，其特征是：测试剌激是由处于CRT显示器中心部位的四个1°×1°小正方形组成的田字形色块，各个小正方形色块之间有不超过0.1°视角宽的黑色小分隔，四小正方形色块组由约0.1°视角的黑色边框与其所在的背景隔开，从而充分抑制因色块分界处的高频成分所引起的明度对比灵敏度，使在颜色辩别的心理物理机制中色度对比灵敏度占主导地位，以达到色觉特性的精确定量检测。

8、根据权利要求7所述的色觉异常定量检测设计方法，其特征是：测试剌激显示过程中采用时间间隔条件，即一个周期中包含两个显示背景色的时间段和两个黑色时间间隔，分别处于测试剌激显示的开始和结束时刻，在黑色间隔时间，包括背景色和四个小正方形色块组成的测试剌激在内的所有区域的发光被切断为黑屏，只有外围的亮框一直持续显示，以使观察者保持对白色温点而不是测试剌激的完全适应状态。

9、根据权利要求4所述的色觉异常定量检测设计方法，其特征是：心理物理测定方法为变形交错阶梯法，在一个阶梯中同时包含在四个颜色方向上的一组剌激，并且具有随机的显示次序，在阶梯的初始回转折中，首先显示一个(色觉正常者)明显可辩的步长，然后系统地缩减各颜色距离的调制步长，直至其达到某个临界值，从而形成有效的振荡收敛过程，并产生十次左右的回转折点，最后由计算机软件自动处理观察者对每个呈示颜色剌激的应答记录，并解出对应各方向的辩色阀值。

10、一种色觉异常定量检测步骤，其特征是：整个测试过程分为暗适应、背景适应、辩色阀值测定等步骤，在每次辩色判断时，由软件随机地决定测试色在四个小正方形中的某一个色块上显示，而另外三个小正方形仍保持为与背景一致的颜色，测试色对应于根据所采用的心理物理测试方法而确定的在不同方向上与颜色中心的预测颜色距离或色差，观察者的视觉任务是判断其颜色不同于背景色的小正方形色块的位置(即四个小正方形色块中仅有的一个显示不同颜色的方块的位置)，然后按下指定的按键作为他/她的应答，由此计算机自动记录该判定结果并起动下一次辩色判断测试。

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