高清视标仪的软硬件设计

0 引言

在医院眼科及眼镜店中进行验光时，最后一步必定是主觉验光。最早是在纸上印视标，用荧光灯照亮，挂在被检者正前方5m处，由被检者观察大小、形状、指向不一的视标，进行眼屈光度的主觉检测。后来发展到投影视标，由投影机射出强光，照在投影板上，被照亮的各类符号通过投影镜头投射在专用幕布或反射板上。但是，这种视标仪具有大量的机械结构，存在对焦问题，且投影的视标符号与周围的明亮背景反差极小，一般明室视标对比度仅为2～10（与室内亮度有关），严重限制了反差测试能力，且使用寿命有限[1]。同时，普通红绿标的色饱和度不高，影响了观察的准确性。而且受光学原理所限，这类视标不能形成偏振投影，所以也不能形成优质的立体影像，不能对人眼的立体视觉进行检测，有一定的局限性。因此，开发高清的、能进行三维图像显示的视标仪在屈光检查中有重要的意义。这类视标仪清晰度高、反差大，可以形成立体影像，大大地提高了性能，拓展了应用范围。

1 高清视标仪的系统概述

由于该视标仪需要向高清显示器上输出高清图像，另一方面又需要对遥控器的指令做出实时反应，处理有关矢量图像，因而需要处理器有较高的处理速度，并且具有能够输出高清图像的数字接口——DVI-D或者HDMI接口。同时要求主机的功耗低、体积小，能装在一个很小的空间里，因此，可以考虑支持高清输出的ARM系统以及通用计算机主板。为了保证一定的视标生成速度、图像处理速度，考虑到软件系统的便利性，降低软硬件开发成本，提高开发速度，选择通用的、集成低功耗赛扬处理器的minithin iTX主板，主要用作视标仪软件系统，不涉及硬件控制部分。

该主板支持硬解1 080p MPEG-2、VC-1和H.264 3种高清视频，支持HDMI接口及DVI+VGA双接口，支持LVDS双八位数据通道，与3D高清显示器或面板连接简便；且整机功耗只有19～25W，适于作为视标仪的硬件平台。

（3）遮盖功能选择：包括单个视标的遮盖、水平的遮盖以及竖直的遮盖。在遮盖状态下，可通过上、下、左、右4个方向键来选择遮盖的区域；再次按下键则分别取消相应的遮盖。

为实现对视标系统及主机的遥控，另外单独设计遥控器、遥控信号接收解码及控制系统，用于各种遥控信号的解码，将之传递给主机产生各种动作，控制液晶面板背光的亮度，对主机进行开机、复位、待机、关机等操作。

遥控信号的解码采取单片机解码的方式。单片机解码控制系统采用自带USB接口及驱动的、混合信号MCU C8051F320[3]，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件、其他数字外设及USB接口部件，简化了USB技术的开发，缩短了开发周期。

2 遥控系统的基本结构及原理

该高清视标仪用遥控器完成所有操控，包括启动、复位、关机、若干种视标图像的生成计算以及调用、变换、显示等。

遥控面板的设计以最简操作为目标，基本操作都能一键完成，面板上分割为5个区域：

（1）视标选择：按下对应的按键，视标会依次切换成E标、C标、字母标、数字标、儿童标等。

（2）测试功能选择：包括红绿背景、反色、对比度选择、色盲图、立体视感（这里采用3D面板上安装的圆偏振片配合对应的3D偏振镜片的方法，立体感大大强于传统的红绿滤光片方法）、散光表散光轴位测试等。

NB0038是一种用于红外遥控接收或其他方面的小型一体化接收头[5]，中心频率为38.0 kHz，独立的PIN二极管同放大、滤波整形电路集成在同一封装上，可抑制自然光的反射干扰，防止无用脉冲输出。

（4）操作键：包括上、下、左、右的选择、确认以及对各图标进行缩放、旋转等。

（5）参数设置：包括选择视标的型号，根据距离远近及是否镜像，对所有的图标进行初始化，长按进入界面设置。

该设计采用NEC6122的键码编码协议[4]，并选用HT6221芯片作为遥控器的红外发射编码芯片。其特点为：具有8位地址码、8位命令码以及它们的反码以提高可靠性；数据以脉冲时间长短调制；38 kHz载波频率，位时间1.12或2.25ms。

信号的开始由一段9ms、38 kHz的载波信号和4.5ms的关断时间构成。之后就是代码的逻辑“1”、“0”信号，分别占据2.25及1.12ms时长，每个信号起始均由560μs长的载波（约21个载波周期）脉冲加之后的关断所构成，如图1所示。如果一直按着某键，在正常的键码后则不断发送以110ms为周期的重复码，重复码由9ms的载波信号和4.5ms的关断及一个560μs的载波组成，如图2所示。

图1 NEC遥控信号格式（左前导码，右数据1和0的传输时序）

图2 NEC遥控信号重复格式

为降低仪器成本，软件平台采用开源Linux系统，结合C++开发平台[2]，作为整机的软件系统。因为二者都集成了大量实用的底层软件接口，所以开发者不用花费精力编制庞大复杂的应用软件系统。

3 主机的软硬件设计

3.1 主机硬件结构

该视标仪的硬件结构如图3所示。

图3 3D高清视标仪的基本结构

一体化红外接收头NB0038接收到遥控信号后，经内部放大、解调、整形后产生脉冲信号传至单片机的P0.0口，触发中断，单片机经解码之后得到正确的遥控键码，连同重复次数码作为一个数据包发给主机的USB口。主机从接到的USB信号中，得到相关的按键信息。主机USB缓存区的数据变化，作为槽脉冲触发主程序调用键码处理程序。单片机的P2.0端口用于检测主板的电源电压，当打开总电源之后主板得电，电源指示电压升高，将该电压引线连至单片机的P2.0端作为PW得电检测，单片机检测到这个信号之后在P2.1端口产生高电平，使三极管导通，拉低主板电源上电电压，使主机启动。为了防止主机在运行过程中意外死机，可以通过按下遥控器上的几个特殊组合键及长按键，经单片机识别之后，在P1.0口产生高电平，使主板的RST复位端产生低电平，从而重启主机。另外，还在视标仪的下部中心位置设置LED灯，长按遥控器可以启动该灯的亮灭。

主板上具有LVDS液晶显示接口，为降低干扰，提高图像的稳定性，可以直接通过LVDS屏线与3D显示面板的LVDS接口相联[6]。事实证明，这种连接方式最为直接，信号转换环节更少，显示效果要比DVI或HDMI接口更好。液晶显示面板LED背光的接口形式为BLE-6PINS-CCAACC，为四阴极结构，正好用LED背光芯片MAX16826来驱动。该芯片可以通过I2C接口，接收来自C8051f320单片机的硬件I2C串行总线数据，独立对4串LED灯的电流和电压进行控制，保证面板的亮度均匀性。一般不用PWM的占空比来调节屏幕亮度，而直接用I2C总线数据控制电流的办法调整屏幕亮度，以避免屏幕的闪烁。

3.2 单片机软件设计

对于同一顺序位内的船舶，在通常情况下按照所靠泊位的不同，根据西侧泊位先、东侧泊位后的原则进行排序，但要避免进靠相邻泊位的船舶尾随进港，造成一船等待相邻船舶靠泊的局面。

遥控接收程序的流程如图4所示。

图4 遥控接收程序流程图

3.3 主机软件设计

为节省开发与系统成本，该主机系统软件为基于开源的Linux系统，系统自带1 920×1 080的高清显示驱动程序。应用程序的开发平台为C++，完全面向对象，容易扩展，并且允许真正的组件编程。

整个应用软件实质上是不断读取遥控器上发来的键码，并采取相应的显示动作。为此目的，首先是制作相应的视标，如E字标、字母标、数字标以及相应的3D图标等，以SVG格式的矢量图形式存储在文件夹内。制作3D图标时，左右两眼看到的2幅图像各取奇数行和偶数行，交错存放，并分别通过液晶显示器偏振面板的左旋偏振和右旋偏振（这样左眼图像为左旋偏振光，右眼图像为右旋偏振光），再由受检者佩戴的圆偏振片分离出2幅图像[8]。整个程序由10个C++功能模块构成，其流程如图5所示，其中包括主程序（main.cpp）、颜色设置模块（colorsettingdialog.cpp）、距离设置模块（distancedialog.cpp）、图标设置模块（iconselectdialog.cpp）、语言设置模块（languagedialog.cpp）、键码读取及处理（keydialog.cpp）、镜像设置（mirrordialog.cpp）、视标显示及缩放模块（svg view.cpp）、用户选择模块（usertypedialog.cpp）、视力单位设置模块（VisusunitDialog.cpp）等（图5中惊叹号部分）。

在main.cpp主函数中包括：

fd=open（“/dev/remote”，O_RDWR）；//打开红外遥控设备等实现系统的初始化及打开红外遥控功能

键码读取及处理（keydialog.cpp）用来读取遥控器发送过来的按键码，根据其短按、长按（结合长按重复码），调用相应的显示模块，进入到系统菜单等。其基本结构为：

图5 主机处理程序流程图

其中还包括：

视标显示及缩放模块（svgview.cpp）用来在进入视标显示状态下，对视标的缩放、旋转、切换、遮挡等操作。其函数包括：

SvgView：：SvgView（Widget*parent）：Graphics View（parent）

void SvgView：：open File（const File&file）//打开视标文件

void SvgView：：set Icon Scale（int viewpower）//根据视力值确定各个图标的缩放倍数

void SvgView：：loadoptoset（int setnum）//装载各视标集的矢量文件等svgview类函数集

这2个部分是视标系统的主要部分，其代码占整个代码长度的90%以上。

距离设置模块（distancedialog.cpp）中包括：

Distance Dialog：：Distance Dialog（Widget*parent）：Dialog（parent）；

此函数主要用作系统设置时的视标图像生成计算。某些检查环境由于受场地大小所限，并非都满足5m的标准检查条件，故在此输入检查距离即可对整个视标的大小重新计算，以满足等效的要求。此外，还包括镜像设置模块，以便受空间限制时，在镜像中观察视标。此模块设置完成后，在平时使用中不再调用。同时，在系统设置中，调用的模块还包括语言设置模块等。以上应用程序在C++环境下编译执行通过后，连同图标文件打包成一个可执行文件，放至系统根目录下开机自动执行。

4 实际使用比较

按瑞利判据，人眼的最小分辨距离S=1.22λ/D×L。若以人最灵敏的光波长λ=550 nm、眼瞳直径的调节范围约为D=2～8mm计，在标准视力表距离5m处能分辨的最小距离为S=0.42～1.7mm。该3D高清液晶显示面板点距0.266mm、亮度250 cd/m2，均满足人眼分辨极限要求且符合纸质视力表的国标要求。将该视标仪与纸质标准视力表（按国标、后照法亮度大于200 cd/m2）、投影式视标仪、低分辨率液晶视标仪（1 280×1 024，点距 0.294mm，以下简称“低分视标仪”）在室内明亮进行实测对比实验，结果见表1。

表1 视力表实测结果

在同一环境、同一摄影曝光参数条件下对所摄4种视标的图像直方图如图6所示。

该视标仪在暗环境下的反差约为1∶23，在亮环境下的反差变为1∶16，与之对比，投影视标仪在暗环境下约为1∶7，但在亮环境下的反差严重恶化为1∶2。与表1相互印证，在低反差下，通过投影视标仪测得的视力要比标准值低。由对比分析可知，该视标仪的分辨率、反差及使用的方便程度等都优于投影视标仪，也不存在对焦精度的问题；像素点距优于低分视标仪，与国家制定的视力表标准较为接近，但又避免了纸质印刷的视力表的可记忆性、不可更改性、检查距离固定这一致命的缺点。同时又具备丰富的图标，适合各类人群、国别，具备散光轴、红蓝视标、立体测试等。因而该视标仪在众多的医疗机构、眼镜店内将得到越来越广泛的应用，并将取代另外几类视标仪。

图6 各视标仪在不同环境下的图像直方图

5 结论及展望

该设计采用低功耗的小型ITX主板，带3D圆偏振片的全高清液晶面板、一体化的红外接收头、单片机红外解码、控制系统，并采用完全遥控的方式，研制成功了具有3D立体视觉测试功能的高清视标仪，目前已做好整机模具，可批量生产。经实际使用，获得了比以往视标仪更好的性能和更灵活的使用，提升了视力检测的准确度。与此同时，该设计也可以采用主板与显示器分离的设计，将控制板、主板做成一台主机的形式，显示部分采用商品化的3D显示器，二者采用HDMI高清数据线相连接，这样便于用户选购，降低运输及维护成本。目前，国内市场上尚无高清视标仪，因此，本设计填补了这一空白。

在设计过程及最终成品的检测中，视标仪的图像质量评价是一个极其重要的因素，对检测的精度及准确度有着直接的影响。下一步的工作将围绕视标仪图像质量的评价展开，以期视标质量的规范统一。