DE19738810C2 - Vorrichtung zur Darstellung von Kontrastarmen Sehtests auf einem Monitor mittels eines Computers - Google Patents

Abstract

Es handelt sich um eine Vorrichtung zur Darstellung von kontrastarmen Sehtests auf einem Monitor. Die Vorrichtung wird mit einem Computer angesteuert. Es wird dabei eine übliche True Color Grafikkarte mit 8-Bit-Digital/Analog-Wandlern verwendet. Die Vorrichtung enthält eine Dämpfungsschaltung, die mindestens einem der Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet ist. Die Dämpfungsschaltung besteht aus einer Widerstandsanordnung mit mehreren Abgriffen für unterschiedliche Dämpfungswerte. Die Abgriffe sind mit steuerbaren Schaltern versehen, die wahlweise mit dem Monitorausgang verbunden werden können. Die Vorrichtung enthält weiterhin eine Einrichtung zum Zufügen eines Signals für eine einstellbare Hintergrundleuchtdichte; dazu wird ein Signal aus dem Zeilensynchronsignal gewonnen und hinzugefügt. Über eine Schnittstelle des Computers sind die steuerbaren Schalter programmierbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von konstrastarmen Sehtests auf einem Monitor gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs.

Zur Kontrastempfindlichkeitsmessung der Augen werden Sehtestmuster mit geringen Kontrasten benötigt. (Methling & Jaschinski). Die dafür erforderliche Dämpfung des Kontrastes bis an die Sichtbarkeitsschwelle ist mit handelsüblichen Computergraphikkarten nicht ohne weiteres realisierbar.

Nach dem bekannten Stand der Technik werden Untersuchungen zur Kontrastempfindlichkeit mit zwei Verfahren durchgeführt.

Pelli & Zhang (1991) schlagen vor, die 3 Ausgangssignale einer Graphikkarte für die 3 Farbkanäle rot, grün und blau in ein passives Widerstandsnetzwerk einzuspeisen, dessen Ausgangssignal einen monochromen Monitor treibt. Das Widerstandsnetzwerk wird für einen festgelegten Dämpfungswert berechnet, um den im gleichen Maße Kontrast und Leuchtdichte herabgesetzt werden.

Das Verfahren der Firma Cambridge Research Systems (u. a. von Fredericksen, 1997 verwendet) arbeitet mit eigens für Forschungszwecke entwickelten, graphischen Mustergeneratoren, die 256 Grauwerte aus möglichen 4096 Werten darstellen können.

Das meiner Erfindung zugrunde liegende Problem lag darin, eine technisch wenig aufwendige, und somit preiswerte Kontrastdämpfung für Monitore zu erstellen, aber dennoch flexibel in Bezug auf die Kontrastdämpfungswerte und die Leuchtdichte zu sein und weiterhin bei Bedarf sehr feine Kontrastabstufungen zu ermöglichen. Das Problem wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, mehrere Dämpfungswerte (z. B. 100%, 20%, 5%, 2%) schaltungstechnisch gleichzeitig zu realisieren, die durch Umschaltung von Operationsverstärkern auswählbar sind, so daß bei jedem gewählten Dämpfungswert alle 256 Grauwerte zur Verfügung stehen. Dies ist bei mehreren voreinstellbaren und dann wählbaren Hintergrundleuchtdichten möglich. Damit sind auch extrem schwache Kontraste bei großer Leuchtdichte darstellbar.

Die Vorrichtung enthält im Prinzip eine Dämpfungsschaltung aus einer Widerstandsanordnung mit mehreren Abgriffen für unterschiedliche Dämpfungswerte, die einer Graphikkarte eines Computers mit beispielsweise 8-Bit-Digital/Analog- Wandlern nachgeschaltet ist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß hier auf teure Video-DA-Wandler völlig verzichtet werden kann. Es wird keine spezielle oder zusätzliche Graphikkarte benötigt.

Als weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik läßt sich geltend machen: eine größere Freiheit in der Auswahl von Kontrastwerten durch entsprechende Dimensionierung der Widerstandsanordnung und durch Bereitstellung einer entsprechenden Anzahl von Dämpfungswerten sowie größere Freiheit bei der Auswahl von Werten für die Hintergrundleuchtdichte.

In jedem der gewählten Kontrastbereiche steht demnach jeweils die volle 8 Bit Auflösung mit 256 Kontraststufen zur Verfügung.

Der graphische Mustergenerator von Cambridge Research Systems läßt keine frei wählbare Hintergrundleuchtdichte zu, ohne den dann zur Verfügung stehenden Kontrastbereich erheblich einzuschränken. Da die Anzahl der möglichen Werte (256 aus 4096) sich immer auf den vollen Kontrastbereich beziehen, ist die Anzahl der Werte an der Kontrastschwelle allein dadurch schon erheblich begrenzt.

Das Widerstandsnetzwerk von Pelli & Zhang (1991) ermöglicht nur einen festen Dämpfungswert, der vorher berechnet und festgelegt wird, und hat ebenfalls keine Freiheiten in der Wahl der Hintergrundleuchtdichte.

Bei meiner Vorrichtung sind die einzelnen Funktionen über eine Parallelschnittstelle eines beliebigen Computers steuerbar.

Die erreichbare Videoauflösung entspricht der verwendeten Graphikkarte, so daß auch in Videorichtung, also innerhalb einer Zeile, für jedes Pixel alle 3 mal 8 bit Werte der 3 DA Wandlerkanäle wiedergegeben werden können. Es können handelsübliche VGA Monochrom- oder Farbmonitore verwendet werden. Die Schaltung funktioniert bei jeder Zeilenfrequenz.

Durch Aufbau von 3 solcher Vorrichtungen, die parallel eingesetzt werden, sind auch farbige Muster möglich, die beim Verfahren von Pelli mit einer Graphikkarte nicht realisierbar sind.

Die Lösung der Aufgabe wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Abb. 1 Schaltung zur Kontrastabsenkung

Abb. 2 Schaltung des Netzteils und der Hintergrundleuchtdichteerzeugung

Abb. 3 Bestückungsplan des Prototypen

Abb. 4 Ausschnitt des Steuerprogramms

Die Vorrichtung wird einfach an den Ausgang der Graphikkarte eines Personal Computers angeschlossen und mit dem vorhandenen VGA Monitor verbunden. Die Steuerung der Vorrichtung geschieht über eine übliche, in jedem Personal Computer vorhandene Parallelschnittstelle. Die Schaltung selbst besteht unter anderem aus einer Stromversorgung, mehreren schnellen addierenden Operationverstärkern, 6 Relais, und zwei Pegelstellern. Mit Hilfe der Relais 1-4 wird ein Kontrastbereich aus vier möglichen Kontrastbereichen gewählt, die über ein Widerstandsnetzwerk beliebig festgelegt werden können. Im Schaltungsbeispiel wurden 4 Dämpfungswerte für die Maximalkontraste 100%, 20%, 5% und 2% gewählt. In jedem dieser gewählten Bereiche sind dann 256 Kontraststufen mit jeder handelsüblichen 8 Bit Graphikkarte programmierbar.

Damit die Relais keine extrem kleinen Spannungen schalten müssen, was wegen der Übergangswiderstände an den Kontakten zu Ungenauigkeiten führt, werden die Relais in den Ausgang der Operationverstärker gelegt. Um nun den durch die möglicherweise starke Abschwächung verloren gegangenen Austastpegel wieder zu erlangen, bzw. auch bei kleinem Kontrast noch ein helles Monitorbild erzeugen zu können, wird mittels eines monostabilen Flipflops ein künstlicher, einstellbarer Pegel aus dem Zeilensynchronsignal gewonnen und als Offsetspannung mit Hilfe eines Operationsverstärkers aktiv auf das Videosignal addiert. Mit Hilfe der Relais 4 und 5 (Abb. 2) können nun 3 solcher Offsetspannungen gewählt werden, mit denen z. B. eine große, mittlere oder geringe Hintergrundleuchtdichte erzielt werden kann. Diese Offsetspannungen werden am Eingang der Operationsverstärker aktiv addiert. Diese Addition ist unbedingt nötig, um geringe Kontraste auch bei hoher Leuchtdichte darstellen zu können. Damit der Leuchtdichtepegel in voreinstellbaren Stufen wählbar ist, werden die erwähnten zwei weiteren Relais (5 und 6) ebenfalls über die oben genannte Parallelschnittstelle programmiert.

Technische Realisierung

Das von einer True-Color-Graphikkarte (8-Bit-DA-Wandler) über den VGA Anschluß kommende Signal wird auf eine Widerstandsanordnung bestehend aus 4 Widerständen gegeben (Abb. 1), mit dem die jeweiligen Maxima der 4 Kontrastbereiche bestimmt werden. Diese Widerstände können proportional dem Kontrastverhältnis auf einfache Weise berechnet werden. Die an den Widerständen abgegriffenen Signale werden mittels eines schnellen Videooperationsverstärkers vom Typ AD 829 verstärkt.

Gleichzeitig werden auf die Eingänge des Operationsverstärkers noch die Ausgänge der Relais 5 und 6 (Abb. 2) zur Festlegung der Hintergrundleuchtdichte geschaltet. Mit Hilfe eines Monoflops (74221) wird aus dem Zeilensynchronsignal ein neues, künstliches Signal für die Hintergrundleuchtdichte gewonnen. Die Breite des neuen Signals ist abgleichbar, so daß die eingestellte Hintergrundleuchtdichte nur während des Strahlhin- und nicht während des Strahlrücklaufes wirksam ist. Über die beiden Relais 5 und 6 können die einstellbaren Hintergrundleuchtdichten ausgewählt werden. Die Relais für die 4 wählbaren Kontrastbereiche sind mit den Ausgängen der vorgeschalteten Operationsverstärker verbunden (Abb. 1), damit die zu schaltenden Pegel nicht extrem klein sind. Um zusätzlich den Einfluß der Kontaktwiderstände gering zu halten, wurden Relais mit sehr kleinen Übergangswiderständen gewählt, die sich im Bereich von 30 Milliohm bewegen. Die geschalteten Signale gehen dann über treibende Operationsverstärker für jeden der drei Kanäle Rot, Grün und Blau auf den 15 poligen genormten VGA Ausgangsstecker. Die Auswahl eines der jeweils 4 Relais (1-4) geschieht mittels eines Dekoders 74138 (IC9). Dieser wird über die Standard Parallel Schnittstelle des angeschlossenen Computers programmiert. Die Relais für den Hintergrundleuchtdichtepegel (5 und 6) werden ebenfalls über diese Schnittstelle (Abb. 2) mittels eines zweiten Decoders 74138 gesetzt.

Die Vorrichtung ist hier mit einem Netzteil (Abb. 2) ausgestattet. Dazu wird ein Trafo mit zwei Wicklungen benötigt, da für die Operationsverstärker auch eine negative Spannung benötigt wird. Die Operationsverstärker werden mit ±10 Volt betrieben. Der digitale Schaltungsteil wird mit +5 Volt (VCC) betrieben. Diese 3 Betriebsspannungen werden jeweils mit einem Festspannungsregler stabilisiert. Die einzelnen integrierten Bausteine sind außerdem mit 100 nF Kondensatoren abgeblockt. Die Vorrichtung könnte auch mittels eines Steckernetzteiles betrieben werden.

Literatur

D. Methling
W. Jaschinski
Einfluß von Heterophoriekorrektionen auf die binokulare Kontrastempfindlichkeit.
Deutsche Optiker Zeitschrift, 10, 1996
Entnommen: Ophthalmic and Physiological Optics, Vol. 16, Methling, D. und Jaschinski, W.: Contrast sensitivity after wearing prisms to correct for heterophoria, pp 211-215, 1996
Paul H. Artes
Die Pelli-Robson Tafel: Ein Kontrastempfindlichkeitstest für die optometrische Praxis
48. Sonderdruck der WVAO, 1996, S. 132-139
PELLI, Denis G. u. ZHANG, Lan: Accurate Control of Contrast on Microcomputer Displays.
In: Vision Research, Vol. 31, 1991, No 7/8, S. 1337-1350.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Darstellung von kontrastarmen Sehtests auf einem Monitor mittels eines Computers, der die übliche Grafikkarte (True Color) mit beispielsweise 8-Bit- Digital/Analog-Wandlern enthält, mit
   einer Dämpfungsschaltung, die mindestens einem der Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet ist, und
   einer Einrichtung zum Zufügen eines Signals für die Hintergrundleuchtdichte,
   dadurch gekennzeichnet, daß
   die Dämpfungsschaltung aus einer Widerstandsanordnung mit mehreren Abgriffen für unterschiedliche Dämpfungswerte besteht,
   die Abgriffe mit steuerbaren Schaltern verbunden sind, die wahlweise einen der Abgriffe mit dem Monitorausgang der Vorrichtung verbinden,
   die Einrichtung zum Zufügen des Signals für die Hintergrundleuchtdichte ein vom Zeilensynchronsignal getriggertes Monoflop enthält,
   dem Monoflop Pegelsteller zum Einstellen von vorgebbaren Werten für die Hintergrundleuchtdichte sowie weitere steuerbare Schalter zur Auswahl eines dieser Werte nachgeschaltet sind, und
   die Steuersignale für alle steuerbaren Schalter über eine weitere Schnittstelle des Computers zugeführt werden, so daß die Schalter über ein Computerprogramm steuerbar sind.