Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Fakultät für Physik und Astronomie
Max - Planck - Institut für Kernphysik
HD-IHEP99-01
HD-ASIC-45-0299
Entwicklung eines
opto elektronischen Sehhilfesystems
Lukas Schmidt-Mende
ASIC-Labor http://wwwasic.ihep.uni-heidelberg.de
Schröderstraße 90 D-69120 Heidelberg
Fakult
at f
ur Physik und Astronomie
Ruprecht-Karls-Universit
at Heidelb erg
Diplomarb eit
im Studiengang Physik
ausgef
uhrt von
Lukas Schmidt-Mende
Februar 1999
Tel: 06221/545607, Fax: 06221/544345
Institut f
ur Ho chenergiephysik, ASIC-Lab or
Schr
oderstrae 90, D-69120 Heidelb erg
Inhalt
In dieser Arb eit wird ein mobiles opto elektronisches Sehhilfesystem f
ur stark sehb ehinderte
Personen vorgestellt. Es hat das Ziel, die durch ihre Behinderung eingeschr
ankte Mobilit
at
dieser Personengrupp e zu verb essern. Dazu wird die Umgebung mit einem sp eziell f
ur sol-
che Aufgab en entwickelten Kamera-Chip aufgenommen und mit Hilfe einer elektronischen
Brille ausgegeb en. Diese b esteht aus zwei LCDs f
ur die Bildausgab e und einer Optik, die
das Bild vergr
oert auf die Netzhaut des Patienten abbildet. Die auszugeb enden Bildda-
ten k
onnen mit Hilfe eines Noteb o oks b earb eitet werden. Das Neuartige an diesem System
ist, da es Sehb ehinderten erm
oglicht, neb en Einstellungen von Kontrast, Helligkeit und
Vergr
oerung des Originalbildes auch eine Bildverarb eitung wie z.B. Kantenverst
arkung
zu w
ahlen.
Abstract
In this thesis the development of a mobile opto electronic vision enhancement system is
presented. The system aims to improve the limited mobilityof visually impaired p ersons.
For that purp ose the enviroment is recorded by a camera esp ecially designed for the requi-
rements of vision enhancement systems and displayed by opto electronic sp ectacles. These
consist of two small LCD-panels for displaying the image and a magnifying optic to pro ject
the image to the retina of the patient. The image information can be pro cessed by a p or-
table computer. Besides contrast, brightness and magnication adjustment of the original
image the main features of the system are various facilities of digital image pro cessing for
instance edge detection.
Inhaltsverzeichnis
Einf
uhrung 1
1 Medizinischer Hintergrund 3
1.1 Aufbau des menschlichen Auges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Sehsch
arfe (Visus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Sehb ehinderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 Refraktionsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Makuladegeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3 Retinitis pigmentosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Sehhilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Vergr
oernde Sehhilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Opto elektronische Sehhilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Das Gesamtsystem - HVES 21
2.1 Die Bildaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Die Bildverarb eitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Die Bildausgab e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Optisches Ausgab eger
at 27
3.1 Auswahlkriterien f
ur ein HMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Vergleichverschiedener HMDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 Beschreibung der
i-glasses
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Umgestaltung der
i-glasses
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Motivation f
ur die Umgestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 Mechanische Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 Auswahl der Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.4 Zusammenbau der Brille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 Die Hardware-Peripherie 43
4.1 Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Kamerachip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 ADC-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 PC-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
I
4.5 Gesamtsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Die Software 53
5.1 Beschreibung des
Visor-Programmes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Neue Implementierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.1 Filtermo dule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.2 Vollbildschirm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 Test des HVES 73
6.1 Gliederung des Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 Testeinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Zusammenfassung und Ausblick 75
A Technische Daten 77
B Grauwertegalisierung 79
C Shortcuts f
ur das
HVES
-Mo dul 81
D Testerfassungsb ogen 83
Literaturverzeichnis 89
Abbildungsverzeichnis 93
Einf
uhrung
Der Sehsinn wird gemeinhin als der wichtigste der menschlichen Sinne aufgefat. Von
daher b estand schon immer das Verlangen, diesen Sinn b eeintr
achtigende Krankheiten zu
b eheb en o der, falls dies nichtm
oglich sein sollte, wenigstens ihre Symptome durch geeignete
Hilfsmittel zu mildern. So wurden schon sehr fr
uh Brillen eingesetzt, um die Brechkraft
des Auges zu optimieren. Lange Zeit stellten optische Systeme die einzigen Hilfsmittel dar.
Erst in den letzten Jahren hab en sich Systeme etabliert, die neb en optischen Bauelementen
auch vermehrt Elektronik einsetzen.
Das in dieser Arb eit vorgestellte Pro jekt eines opto elektronischen Sehhilfesystems ba-
siert stark auf elektronischen Hilfsmitteln. Zur Bildaufnahme wird ein Kamerachip verwen-
det, der im Rahmen des Heidelb erger Pro jektes
\Elektronisches Sehen"
entwickelt wurde.
Die Bilder werden mit Hilfe von LCDs auf die Netzhaut des Patienten pro jiziert. Es wer-
den weiterhin die M
oglichkeiten der Bildverarb eitung genutzt. Auf diese Weise kann die
Geschwindigkeit heutiger Rechner dazu verwendet werden, den Sehb ehinderten die Umge-
bung durch Anwendung von Bildverarb eitungsalgorithmen zu erschlieen. Damit er
onet
sich die M
oglichkeit, den Bildinhalt so aufzuarb eiten, da Sehb ehinderten das Erkennen
von Texten und Ob jekten erleichtert wird. In diesem Zusammenhang bieten sich einer-
seits kantenversch
arfende Bildverarb eitungslter an, andererseits ab er auch eine starke
Vergr
oerung eines Bildausschnittes o der die Invertierung von Bildern, die von Sehb ehin-
derten h
aug als hilfreich empfunden wird.
Diese Funktionen sind im
HVES
(
H
eidelb erger
V
ision
E
nhancement
S
ystem) imple-
mentiert. Dab ei bleibt das System trotz dieser vielf
altigen Funktionalit
at b enutzerfreund-
lich, was sich auch im Design und der Portabilit
at des Systems ausdr
uckt:
HVES
ist im
Vergleich zu anderen
LCD-Bril len
klein und unau
allig. Die Portabilit
at ist gegeb en, da
als PC ein Noteb o ok eingesetzt wird. Dieses dient neb en der Steuerung der Kamera, der
Bildverarb eitung und der Weiterleitung der Bilder an die LCDs auch als User-Interface zur
Steuerung der gew
unschten Einstellungen.
In dieser Arb eit wird zuerst ein kurzer medizinischer
Ub erblick
ub er das menschliche
Auge gegeb en, um dann eine
Ub ersicht
ub er m
ogliche Krankheiten zu geb en, die eine
Sehhilfe erfordern. Insb esondere wird hier auf solche Krankheiten verwiesen, die den Ge-
brauch eines Systems, wie es das
HVES
darstellt, erforderlich machen. Daneb en werden
schon existierende Sehhilfen b eschrieb en.
In Kapitel 2 wird kurz ein Gesamt
ub erblick
ub er
HVES
gegeb en, wob ei auf die einzelnen
2
Komp onenten in den weiteren Kapiteln detaillierter eingegangen wird.
So wird im 3. Kapitel erl
autert, nachwelchen Kriterien das verwendete HMD
1
ausgew
ahlt
wurde und welche Umgestaltungen erforderlichwaren, um es in ein optisches Ausgab eger
at
f
ur ein Sehhilfesystem umzuwandeln.
In dem folgenden 4. Kapitel werden dann die weiteren Hardware-Komp onenten b eschrie-
b en, die neb en dem Ausgab eger
at das Gesamtsystem
HVES
bilden.
Das 5. Kapitel ist der Software gewidmet. Hier wird das Programm zur Steuerung der
Bildein- und -ausgab e b eschrieb en und auf Bildverarb eitungslter eingegangen. Ausf
uhr-
lich wird auf das
HVES
-Mo dul eingegangen, mit welchem alle implementierten M
oglich-
keiten der Bildverarb eitung ausgenutzt werden k
onnen.
Im 6. Kapitel wird die Ausarb eitung eines Tests f
ur das
HVES
b eschrieb en. Hier werden
einer Testp erson sowohl statische Bilder, als auch Bilder der Kamera auf die
LCD-Bril le
pro jiziert.
1
H
ead
M
ounted
D
isplay
Kapitel 1
Medizinischer Hintergrund
Weithin wird davon ausgegangen, da der Mensch typischerweise
ub er 80% [Mayer 96]
seiner Information mit dem Sehsinn aufnimmt. Damit wird die Bedeutung dieses Sin-
nes sehr deutlich. Trotz dieser groen Bedeutung ist es bisher nicht gelungen, einigen
Augenkrankheiten Einhalt zu gebieten, so da es viele Menschen gibt, die auf Sehhilfen
angewiesen sind. Recht problemlos sind Kurz- und Weitsichtigkeit mit Brillen in den Gri
zu bekommen, problematisch ist es ab er bei Krankheiten, die die Netzhaut o der die Seh-
nervenfasern irreversib el zerst
ort hab en. Solche pathologischen Ver
anderungen sind nicht
mehr heilbar, es kann nur versucht werden, durch optische Hilfsmittel ihre Auswirkungen
auf den Alltag zu mildern.
In diesem Kapitel werden b eispielhaft einige Augenfehler aufgef
uhrt und die Gegen-
manahmen aufgezeigt. Zum b esseren Verst
andnis ist ein kurzer Einblick in die Anatomie
des menschlichen Auges unerl
alich.
1.1 Aufbau des menschlichen Auges
Zonulafasern
Pupille
Linse
Ziliarmuskel
Netzhaut-
mitte
(Makula)
Aderhaut
Netzhaut
Lederhaut
Abbildung 1.1:
Horizontalschnitt durch das menschliche Auge (nach: [Uni-Giessen]).
3
4
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
In Abbildung 1.1 ist ein Horizontalschnitt durch das menschlich Auge dargestellt. Die
Formerhaltung des Augapfels (Bulbus) wird durch die ihn umgeb ende Lederhaut, der
Sklera und dem Augeninnendruck gew
ahrleistet. Die Linse des Auges ist an den Zonu-
lafasern aufgeh
angt. Diese sind b eim Sehen in die Ferne (Fernakkommo dation) gespannt,
wo durch die Linse selbst abgeacht wird. Bei der Nahakkommo dation werden die Zonu-
lafasern dagegen durch die Anspannung des Ziliarmuskels entspannt, so da die Linse ihre
urspr
ungliche, st
arker gekr
ummte Form annimmt.
Die Innenseite der Bulbuswand wird bis weit nachvorne von der Netzhaut, der Retina
ausgekleidet. Nur die Stelle, an der der Sehnerv (N. opticus) aus dem Bulbus austritt
(Papilla n. optici), bleibt ausgespart. Dies bildet den sogenannten blinden Fleck im Auge,
an dem keine optischen Signale aufgenommen werden k
onnen. Gegen
ub er der Pupillen
o-
nung ist die Retina leichtvertieft. Hier b endet sich der Punkt des sch
arfsten Sehens, die
Fovea centralis.
Kr
ummungsradien (mm) Brechkraft (dpt)
Honrhautvorder
ache
zentral 7
:
7 48
:
8
rand 8
,
14
1
-
Hornhautr
uck
ache 6
:
8
,
5
:
9
vordere Linsen
ache 10
:
0
,
5
:
3
2
5
:
0
,
9
:
4
2
hintere Linsen
achen 6
:
0
,
5
:
3
2
8
:
3
,
9
:
4
2
Hornhautsystem - 43.0
Linsensystem - 19.1-33.1
Gesamtsystem - 58
:
6
,
70
:
5
Tab elle 1.1:
Optische Eigenschaften des Auges. Hierzu z
ahlen die Kr
ummungsradien und
Brechkr
afte der Hornhaut und der Linse. (Daten aus: [Axenfeld 92])
Die optischen Eigenschaften des Auges sind in Tab elle 1.1 aufgelistet. Cornea, Iris
und Linse sind mit dem Ob jektiv einer Photokamera vergleichbar, w
ahrend die Retina die
lichtempndliche Schicht darstellt. Der optische Apparat wirft das Bild auf den Augen-
hintergrund. Dab ei b esitzt er die in Tab elle 1.1 aufgelisteten Bestandteile mit den dort
erw
ahnten Kr
ummungsradien und Brechkr
aften.
Die Retina (Abb. 1.2) [Silb ernagel 88] b esteht aus St
ab chen und Zapfen, b eides Licht-
rezeptoren. Ihnen nachgeschaltet sind die bip olaren Zellen, die die Information der Re-
zeptoren an die Ganglienzellen weiterleiten. Deren Forts
atze verlassen dann als Sehnerv
(N.opticus) den Bulbus. Die Horizontalzellen und die amakrinen Zellen erlaub en schon in
der Netzhaut eine Reihe von Verschaltungen und damit eine erste Bildverarb eitung und
Datenreduzierung. Wenn Licht in das Auge f
allt, gelangt es durch das optische System des
Auges b estehend aus Hornhaut und Linse und durch den Glask
orp er auf die Retina. Es
1
biologische Variation der Randzone
2
Akkommo dation
1.1. AUFBAU DES MENSCHLICHEN AUGES
5
Amakrine
Lichteinfall
Zapfen
Bipolare
zellen
Horizontal-
Zellen
Schicht
Zellen
Ganglien-
zellen
Stäbchen
Sehnerv
Pigment-
Abbildung 1.2:
Schematische Aufbau der Netzhaut (Retina)(nach: [Uni-Ulm])
wird also auf die Innen
ache der kugeligen H
ulle des Augapfels pro jiziert. Ehe das Licht auf
die lichtempndliche Schicht der Retina gelangt, durchstrahlt es die Nervenfaserschicht, die
Ganglienzellschicht, die Amakrin-Zellenschicht und die Bip olar-Zellenschicht und erreicht
dann die Rezeptor-Schicht, die aus etwa 120 Millionen St
ab chen und 6 Millionen Zapfen
b esteht [Schmidt 97]. Die Rezeptordichte ist f
ur die Zapfen in der Mitte der Fovea, f
ur die
St
ab chen dagegen im p eripheren Bereichamh
ochsten. In der Fovea centralis gibt es keine
St
ab chen. St
ab chen und Zapfen sind
ahnlich aufgebaut. Die Sehfarbstoe der St
ab chen
und Zapfen hab en unterschiedliche sp ektrale Absorptionskurven. Die Absorptionskurvef
ur
die St
ab chen entspricht der des Sehfarbstos Rho dopsin und stimmt in guter N
aherung
mit der sp ektralen Empndlichkeit des Nachtsehens (skotopisches Sehen)
ub erein. F
ur das
Tagsehen (photopisches Sehen) sind drei verschiedene Zapfentyp en mit unterschiedlichen
Sehfarbstoen zust
andig, die b ei unterschiedlichen Wellenl
angen (rot, gr
un, blau) ihre ma-
ximale Absorption hab en (Abb. 1.3). Der minimale Zapfenreihenabstand b etr
agt in der
Fovea 2
;
4
,
2
;
5
m. Es k
onnen no chzwei Punkte getrennt wahrgenommen werden, wenn
sie zwei Zapfen erregen, zwischen denen ein unangeregter Zapfen liegt. Zur Peripherie hin
nimmt die Rezeptordichte ab.
Das Gesichtsfeld des augengesunden Menschen ist ca. 180 Grad weit. Es vermittelt
eine Panoramasicht, wob ei ab er nicht alle Zonen funktionell gleichwertig sind. In der Fo-
vea centralis ist die Sehsch
arfe am gr
oten und sie ist somit b esonders wichtig f
ur die
Erkennung kleiner Details, z.B. b eim Lesen. Die Sehsch
arfe nimmt in den Auenzonen
des Gesichtfeldes (Peripherie) ab. Diese erm
oglichen eine Orientierung im Raum. Bei
vollst
andig funktionst
uchtiger Netzhaut bringt es keine Probleme mit sich, mit dem Zen-
trum des Gesichtsfeldes z.B. ein entferntes Straenschild zu identizieren, ohne dab ei
ub er
6
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
Abbildung 1.3:
Normierte sp ektrale Absorption der drei verschiedenen Zapfentyp en (B, G und
R) und der St
ab chen (S) der menschlichen Retina aufgetragen gegen die Wellenl
ange. (Aus:
[Schmidt 97])
einen naheliegenden Gegenstand zu stolp ern [Pro Retina].
1.2 Sehsch
arfe (Visus)
Alle die weiter unten b eschrieb en Krankheiten f
uhren zu einer verminderten Sehsch
arfe.
Die Abbildung 1.4 zeigt die Sehsch
arfe in Abh
angigkeit vom Ort im Gesichtsfeld. Bei
ca. 15
nasal b endet sich eine Aussparung aufgrund des blinden Flecks (papilla nervi op-
tici). Mit der Sehsch
arfe ist das maximale optische Au
osungsverm
ogen der Fovea centralis
bei st
arkstem Kontrast gemeint. Es wird also die Funktion der Netzhautmitte untersucht.
Sie ist deniert als Kehrwert des in Winkelminuten angegeb enen r
aumlichen Au
osungs-
verm
ogens des Auges:
V isus
=
1
(
W ink el minunten
,
1
) (1.1)
b ezeichnet die L
ucke in Winkelminuten, die von der Versuchsp erson gerade no ch wahr-
genommen wird.
Getestet wird die Sehsch
arfe meist mit Hilfe von Sehtafeln mit Buchstab en verschie-
dener Gr
oe o der mit Landolt-Ringen (Abb. 1.4). Wenn zwei unter einem Sehwinkel von
1.2. SEHSCH
ARFE (VISUS)
7
Abbildung 1.4:
Abh
anigkeit der Sehsch
arfe vom Ort im Gestichtsfeld. Dab ei gibt die rote
Kurve das photopische und die schwarze das skotopische Sehen wieder. Die Anzahl der Zapfen
und St
ab chen ist dazu korreliert. 15
nasal b endet sich der blinde Fleck. An dieser Figur kann
der eigene blinden Fleck festgestellt werden, indem das Kreuz F rechts aus 25 cm Entfernung mit
dem rechten Auge monokular xiert wird. Dann wird der Landolt-Ring links nicht mehr gesehen.
(Aus: [Schmidt 97])
1 Winkelminute b etrachtete Punkte (z.B. die Begrenzung der L
ucke im Landolt-Ring) ge-
trenntwahrgenommen werden, b etr
agt der Visus 1. Bei diesem Test l
at sich die Sehsch
arfe
aus dem Verh
altnis
Ist-Entfernung
Soll-Entfernung
;
(1.2)
aus dem der Buchstab e bzw. die
Onung des Ringes erkannt wird, errechnen. Wird z.B. ein
Buchstab e bei einem Abstand von 5m (Ist-Entfernung) erkannt, der eigentlich auf 8m
(Soll-Entfernung) erkannt werden sollte, so b etr
agt der Visus 5
=
8.
Die Sehsch
arfe korreliert mit der Rezeptordichte und der rezeptiven Feldgr
oe in der
Netzhaut und ist von der Adaptation abh
angig. Eine optimale Au
osung der Sehzeichen
wird nur erreicht, wenn diese scharf auf die Fovea centralis abgebildet werden, d.h. wenn
die Refraktion normal ist bzw. Refraktionsfehler durch Brillengl
aser vollkommen aus-
geglichen werden. Die Sehsch
arfe (Visus cum correctione) ist demnach als maximales
Au
osungsverm
ogen bei optimaler Korrektur zu verstehen. Dagegen wird als Sehleistung
8
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
die Sehsch
arfe ohne Korrektur durch Brillen (Visus naturalis, Rohvisus) b ezeichnet.
1.3 Sehb ehinderungen
Es gibt verschiedene Gr
unde f
ur Sehschw
achen. Die b ekanntesten sind Kurz- und Weit-
sichtigkeit. Bei den Sehb ehinderungen, die durch eine Degeneration der Netzhaut hervor-
gerufen werden, treten Makuladegeneration und Retinitis pigmentosa am h
augsten auf.
In den n
achsten Unterkapiteln wird auf diese Sehb ehinderungen und ihre Ursachen einge-
gangen.
1.3.1 Refraktionsfehler
a) Kurzsichtigkeit c) Astigmatismusb) Weitsichtigkeit
Abbildung 1.5:
Refraktionsfehler b ei a) Kurzsichtigkeit, b) Weitsichtigkeit und c) Astigmatis-
mus (nach: [Laserklinik])
Ein Auge, dessen Optik normal funktioniert, wird als normalsichtig o der emmetrop b e-
zeichnet. Ein Refraktionsfehler (Brechungsfehler, Ametropie) liegt dann vor, wenn die op-
tischen Elemente des Auges die Bilder der Auenwelt nichtscharf auf die Retina abbilden.
Solche Abweichungen von der Norm k
onnen auf abnormale Kr
ummungsradien der Cornea,
der Linse o der auch auf einen zu lang o der zu kurz gebauten Augapfel zur
uckzuf
uhren sein.
Die Refraktionsfehler werden durch die Lage des optischen Fokus unterschieden. Liegt die-
ser vor der Retina, so spricht man von Myopie (Kurzsichtigkeit) (Abb. 1.5 a), bei einem
Fokus hinter der Netzhaut von Hyp eropie (Weitsichtigkeit) (Abb. 1.5 b).
Bei der Myopie [Reim 93] ist also die Brechkraft des optischen Apparates zu stark.
Die Gesamtbrechkraft des dioptrischen Apparates b etr
agt f
ur das normale Auge bei Fer-
nakkommo dation 58
:
6 dpt. Bei dieser Brechkraft wird ein unendlich weit entfernter Ge-
genstand scharf auf der Netzhaut abgebildet, wenn die Distanz zwischen Hornhautscheitel
und Fovea centralis 24
:
4mm b etr
agt. Ist der Bulbus jedo ch l
anger, so liegen Bilder aus
der Ferne mit parallel einfallenden Lichstrahlen vor der Retina. Die Bezeichnung Kurz-
sichtigkeit b edeutet, da in solchen Augen nur naheliegende Gegenst
ande scharf auf der
Netzhaut abgebildet werden, weiter entfernte dagegen verschwommen erscheinen.
1.3. SEHBEHINDERUNGEN
9
Bei der Hyp eropie o der Weitsichtigkeit ist die Brechkraft der Cornea und der Linse
zu gering o der der Augapfel zu kurz gebaut. Das f
ur die Netzhaut b estimmte Bild liegt
b eim Blick in die Ferne, ganz b esonders ab er b eim Blick auf nahe Gegenst
ande hinter der
Retina. Beim jugendlichen Auge kann das Dezit der Brechkraft durch Akkomo dation
m
uhelos ausgeglichen werden. Die wahre Gr
oe der Hyp eropie l
at sich deshalb oft nur
bei Entspannung der Akkommo dation erfassen.
Ein weiterer h
auger Refraktionsfehler ist der Astigmatismus (Abb. 1.5 c). Dieser Bre-
chungsfehler b etrit
ub erwiegend die Cornea. Bei ihm b esteht eine st
arkere Kr
ummung
der optisch brechenden Fl
ache in einer Achse des Kreises, d.h. die normalerweise sph
arische
Ob er
ache nimmt im Extremfall die Form eines Zylinders an (Abb. 1.6). Die auftreen-
Abbildung 1.6:
Beim Astigmatismus werden Lichtstrahlen, die von einer punktf
ormigen Licht-
quelle ausgehen, auf einer Linie vereinigt.
den Lichtstrahlen werden nur
ub er die Achse gebro chen, die quer durch die zylindrisch
gekr
ummte Fl
ache verl
auft. Die l
angs der Zylinderachse auftretenden Strahlen gelangen
auf eine gerade planparallele Fl
ache, die keine optisch Ablenkung erzeugt. Sie verlaufen
ungebro chen durch diesen Teil des Zylinders. Aufgrund dieser Brechungseigenschaften wird
ein punktf
ormiges Ob jekt durch einen optischen Zylinder als Linie abgebildet. Das Bild
wird in einer Richtung verzerrt. Wenn der Astigmatismus nicht mehr als 0
:
5 dpt b etr
agt,
wird er als \physiologischer" Astigmatismus b ezeichnet.
1.3.2 Makuladegeneration
Eine Reihe von erblichen und nichterblichen degenerativen Erkrankungen b eschr
ankt
sich auf das Netzhautzentrum, die Makula. So bleibt das
auere Gesichtsfeld und damit die
Orientierung der Betroenen erhalten. Da die St
ab chen auerhalb der zentralen Netzhaut
funktionst
uchtig bleib en, tritt keine Nachtblindheit auf. Allerdings sind als Symptome
folgende Verschlechterungen feststellbar:
Sehsch
arfe
Lesef
ahigkeit
10
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
Kontrastempnden
Farbsehen
Anpassung an Beleuchtungswechsel
Erh
ohung der Blendempndlichkeit
Erkrankungsalter und Auspr
agung der Symptome variieren mit der Erkrankungsform. Bei-
spiele f
ur verschiedene Krankheiten, die unter Makuladegeneration zusammengefat wer-
den, sind:
Stargardtsche Degeneration
Best'sche vitelliforme Makuladegeneration
Zapfendystropie
Senile Makuladegeneration
Von der senilen Makuladegeneration sind rund 20% der 60j
ahrigen und 50% der 80j
ahrigen
b etroen, wie Reihenuntersuchungen gezeigt hab en [Hollwich88].
1.3.3 Retinitis pigmentosa
Allein in Deutschland leiden mehr als 30
:
000 Menschen an Retinitis pigmentosa. Bei
dieser Augenkrankheit sterb en die Netzhautzellen allm
ahlich ab, in der Regel zun
achst
die St
ab chen, und erst in einem sp
ateren Stadium auch die Zapfen. Je nachdem, welcher
Bereich der Netzhaut durch das Absterb en ausf
allt, sind unterschiedliche Funktionsverluste
die Folge. Die Hauptmerkmale der Retinitis pigmentosa sind:
Einengung und Ausf
alle des Gesichtsfeldes
gest
ortes D
ammerungssehen und Nachtblindheit
St
orungen des Farb en- und Kontrastsehens
Blendungsempndlichkeit
Beim klassischen Verlauf b eginnt sich das Gesichtsfeld von den Auenzonen her einzuen-
gen, bis nur no ch ein kleiner Sehrest im Zentrum
ubrigbleibt. Dies b ewirkt den sogenannten
Tunnelblick (Abb. 1.7). Bei dieser typischen Form der Retinitis pigmentosa ist die Ori-
entierung im Raum erheblich erschwert, obwohl das Sehen im Zentrum no ch funktioniert,
so da z.B. Lesen no ch m
oglich ist. Ein groes Problem ist, da den Betroenen der Ge-
sichtsfeldverlust erst sehr sp
at b ewut wird, da das Gehirn die abgestorb enen Zonen nicht
als schwarze o der weie Flecken erscheinen l
at, sondern sie der Umgebung anpat. Die
Ausf
alle k
onnen als Ring um das Zentrum (Ringskotom) o der auch eckenhaft auftreten.
1.3. SEHBEHINDERUNGEN
11
Abbildung 1.7:
Links: Bild, wie es mit einem gesunden Auge gesehen wird. Rechts: Tun-
nelblick durch Gesichtsfeldeinengung. (Aus: [Pro Retina])
Schon bevor das Gesichtsfeld merklich eingeengt ist, hat das Absterb en der St
ab chen
einen deutlichen Verlust der Sehwahrnehmung in der D
ammerung und Dunkelheit zur
Folge. Der Betroene ist in der Dunkelheit fast blind (nachtblind), was seine Mobilit
at
erheblich einschr
ankt. Dies macht sich zusammen mit Anpassungsschwierigkeiten b ei pl
otz-
lichem Helligkeitswechsel schon b emerkbar, b evor er b ei Tageslicht Sehverluste zu b eklagen
hat.
Da die Zapfen von der Retinitis pigmentosa meist erst in einem sp
ateren Stadium
der Krankheit b etroen werden, die neb en dem Farb ensehen auch verst
arkte Kontraste
vermitteln, machen sich Farb- und Kontrastst
orungen erst sp
ater b emerkbar. Fallen die
Zapfen aus, so erscheinen pl
otzlich dunkle Bilddetails von Helligkeit
ub erstrahlt, was eine
verst
arkte Blendungsempndlichkeit b ewirkt. Das h
auge Zusammentreen von Retinitis
pigmentosa und Grauem Star ist ein weiterer Grund f
ur die Blendungsempndlichkeit . Das
einfallende Licht wird dann an der getr
ubten Linse gestreut und so die Blendungsempnd-
lichkeit no ch verst
arkt. Die Zapfenausf
alle f
uhren zu massiven Farbwahrnehmungsst
orun-
gen, h
aug erst im Blau-Bereich, die zur v
olligen Farbblindheit f
uhren k
onnen.
Eb enso wie b ei der Makuladegeneration gibt es auch b ei der Retinitis pigmentosa ver-
schiedene Untergrupp en. Grunds
atzlichwerden unterschieden:
prim
are Retinitis pigmentosa
assoziierte Retinitis pigmentosa
Pseudo-Retinitis pigmentosa
Die Prim
are Form der Retinitis pigmentosa ist mit 90% auch die h
augste. Ihre Auswir-
kungen wurde ob en b espro chen. Bei der assoziierten Retinitis pigmentosa werden neb en
dem Auge auch no ch andere Organe des K
orp ers b etroen, d.h. es liegt ein Syndrom vor.
H
aug vorkommende Symptome sind:
H
orst
orungen
12
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
Augenbewegungsst
orungen, Dopp elbilder
L
ahmungen und Gehst
orungen
Muskelschw
ache
Wachstumsst
orungen
stark lichtempndliche o der schupp ende Haut
geistige Unterentwicklung
Zystennieren
Herzrhythmusst
orungen
Einige Erkrankungen, die zu solchen Symptomen f
uhren k
onnen sind
Usher Syndrom
Refsum Syndrom
Barde-Biedl Syndrom
Beim Usher Syndrom ist eine rasch rezessiv vererbte Retinitis pigmentosa mit einer schnell
fortschreitenden Innenohrschwerh
origkeit kombiniert, so da die Patienten fr
uhzeitig blind
und taub werden und somit allein auf taktile Kommunikation angewiesen sind. Das Refsum
Syndrom ist eine b ehandelbare Form der Retinitis pigmentosa. Hierb ei ist die Krankheit
mit Schwerh
origkeit, Beeintr
achtigung des Geschmacks- und Geruchssinns, Bewegungs-
und Gleichgewichtsst
orungen o der Hautproblemen verbunden. Bei dieser Erkrankung liegt
aufgrund eines Stowechseldefektes eine Anh
aufung von Phytans
aure im Blut und in an-
deren Geweb en vor, was wahrscheinlichf
ur die verschiedenen Funktionsb eeintr
achtigungen
verantwortlich ist. Der Verlauf dieser Erkrankung kann deshalb durch die strenge Einhal-
tung einer phytans
aurearmen Sp ezialdi
at zum Stillstand gebrachtwerden. Sofern die Di
at
nicht zur Normalisierung der Phytanwerte ausreicht, kann in b estimmten Zeitabst
anden
eine Plasmaseparation vorgenommen werden. Das Bardet-Biedl Syndrom ruft Symptome
wie z.B. Fettsucht,
ub erz
ahlige Finger o der Zehen, geistige Entwicklungsst
orungen o der
Unterentwicklung der Geschlechtsorgane hervor.
Es wird von Pseudo-Retinitis pigmentosa gespro chen, wenn nicht erbliche Erkrankun-
gen die gleichen Symptome zeigen, z.B. Entz
undungen, Vergiftungen durch Medikamente
o der andere Stoe [Pro Retina]. Bisher wurde no chkein Mittel gegen Retinitis pigmentosa
gefunden. Auch die Versuche mit Retina-Implantaten b enden sich no ch in den Anfangs-
stadien. Hier sollen Chips die defekte Netzhaut ersetzen und Lichtreize direkt an den Seh-
nerv weiterleiten (Abb. 1.8) [Retina Implant News in Bonn] [The Retina Implant Pro ject ]
[Sub Retinal Implant Pro ject ].
1.4. SEHHILFEN
13
Abbildung 1.8:
Sub Retina Implant Pro ject - Ein Chip soll die Funktionen der Netzhaut
ub ernehmen. (Aus: [Sub Retinal Implant Pro ject ])
1.4 Sehhilfen
Brillen bilden zusammen mit dem Auge ein zusammengesetztes optisches System. Beim
Anpassen einer Brille mu darauf geachtet werden, da b eim Blick geradeaus nach vorne
die optischen Achsen von Auge und Brillenlinse
ub ereinstimmen. Bei Myopie werden
Zerstreuungslinsen (negative Dioptrie) verwendet, w
ahrend Hyp eropie mit Sammellinsen
ausgeglichen wird (p ositive Dioptrie). In b eiden F
allen ist das Ziel eine scharfe Abbildung
auf der Netzhaut. Auch Astigmatismus kann durch eine Brille korrigiert werden, indem
eine zylinderf
ormig geschliene Linse verwendet wird.
1.4.1 Vergr
oernde Sehhilfen
Mit Hilfe von Brillen o der Kontaktlinsen k
onnen fehlerhafte Augenbrechwerte ausge-
glichen werden, dagegen kann bei funktionellen Defekten z.B. der Netzhaut o der des Seh-
nerves nichts ausgerichtet werden. Es bleibt einem nur die M
oglichkeit, den Patienten mit
sp eziellen optischen Hilfsmitteln ihr Schicksal zu erleichtern. Dazu werden vergr
oernde
Sehhilfen eingesetzt.
Neb en Lup en, Lup enbrillen und Lesegl
asern (Abb. 1.9) gibt es Bildschirm-Leseger
ate
(Abb. 1.10). Alle diese Hilfmittel zeichnen sich durch eine Vergr
oerung aus, die zwischen
1
,
bis 2
,
fach b ei verst
arkten Lesebrillen und 5
,
bis 60
,
fach b ei Bildschirm-Leseger
aten
liegt (Tab. 1.2). Solch eine Vergr
oerung ist dann hilfreich, wenn die Sehsch
arfe durch
krankhafte Ver
anderungen der Netzhaut herabgesetzt ist. Eine der h
augsten Krank-
heiten ist die weiter ob en b eschrieb ene altersb edingte Makuladegeneration. Ein genaues
Erkennen ist diesen Patienten nicht mehr m
oglich. Gibt es ab er no chintakte Regionen der
14
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
Abbildung 1.9:
Verschiedene Mo delle von Fernrohr-Lup enbrillen.
Abbildung 1.10:
Beispiel f
ur ein
Bildschirm-Leseger
at.
Netzhaut, so kann durch die Vergr
oerung eine
Pro jektion auf diese Stelle erfolgen, um z.B. das
Lesen eines Textes wieder zu erm
oglichen. Dab ei
sind alle Sehhilfen f
ur die Patienten gew
ohnungs-
bed
urftig, und zwar umso mehr, je st
arker die
Vergr
oerung ist. So mu der Patient sich z.B. b ei
Brillensystemen an einen sehr viel geringeren Le-
seabstand gew
ohnen. Auch der Umgang mit Bild-
schirmleseger
aten ist gew
ohnungsb ed
urftig. Auf-
grund der hohen Vergr
oerung mu der Patient
sich sehr konzentrieren, nicht die Zeile zu verlie-
ren, die er gerade liest. So erfordert auch der
Umgang mit diesen Ger
aten einige
Ubung. Als
Hilfsmittel, um sich in fremder Umgebung zu-
rechtzunden, k
onnen Fernrohre dienen. Damit
ist es m
oglich, Details, die sich in weiterer Ent-
fernung b enden, z.B. Straenschilder, no ch zu
entziern. Allerdings geht der
Ub erblick
ub er
die n
ahere Umgebung verloren, so ist es nat
urlich
nicht angebracht, mit einem Fernrohr vor den Au-
gen die Strae zu
ub erqueren.
1.4. SEHHILFEN
15
Sehsch
arfe Vergr
oernde Sehhilfe Vergr
oerung
0
;
2 bis 0
;
4 Verst
arkte Lesebrille 1
,
bis 2
,
fach
0
;
2 bis 0
;
4 Leseglas (Lup e) 2
,
bis 4
,
fach
0
;
1 bis 0
;
3 (Fernrohr)-Lup enbrille 2
,
bis 12
,
fach
0
;
02 bis 0
;
1 Bildschirm-Leseger
at 5
,
bis 60
,
fach
Tab elle 1.2:
Verschiedene Sehhilfen mit ihrer Vergr
oerung und ihr Einsatz in Abh
angigkeit der
vorhandenen Restsehsch
arfe.
Das Ziel dieser Arb eit war es, ein mobiles Sehhilfe-System zu entwickeln, da neb en
einer starken Vergr
oerung auch no ch die heutigen Mittel der Bildverarb eitung wie Kan-
tenversch
arfung nutzt. Das entwickelte System nimmt die Umwelt mit einem Kamerachip
auf und leitet diese Daten an einen Rechner weiter, der sie verarb eitet auf zwei kleine
LCDs
3
ausgibt, die sich wie zwei \Fernseher", die in eine Art Brillengestell montiert sind,
vor den Augen des Sehb ehinderten b enden. Damit geh
ort das System zu den opto elktro-
nischen Sehhilfen. Da dieses System im Laufe der Arb eit no ch eingehend b eschrieb en wird,
soll an dieser Stelle nichtweiter darauf eingegangen werden. Es werden ab er im folgenden
schon existierende opto elektronische Sehhilfen b eschrieb en.
1.4.2 Opto elektronische Sehhilfen
Schon seit l
angerer Zeit werden Versuche mit auf dem Kopf zu tragenden Viedeosy-
stemen gemacht. Solche Displaysysteme wurden urspr
unglich f
ur die Raumfahrt und zu
Verteidigungszwecken entwickelt, wo sie auch heute no ch angewendet werden. Diese Tech-
nologie hat sich ab er inzwischen auf andere Bereiche ausgedehnt. So sind sie im
Virtual-
Reality
Bereich inzwischen weit verbreitet. Hier werden 3D-Umwelten simuliert, so da
der Betrachter sich in eine neue Welt versetzt f
uhlt. So gibt es eine Vielzahl von HMDs
4
auf dem Markt, auf die in dem Kapitel 3 \Auswahl und Umgestaltung eines HMDs" weiter
eingegangen wird.
Andere Anwendung nden diese Videosysteme in sogenannten
Wearable Computers
(Abb. 1.11). Damit sind tragbare Videosysteme gemeint, die die Sicht zur Umgebung nicht
verdecken, die ab er Informationen visuell und
ub er Kopfh
orer weiterleiten k
onnen, indem
Bild und Schriftmaterial auf einen kleinen Bildschirm vor das Auge pro jiziert bzw. Text
abgespielt wird. Das System ist an einen kleinen Computer angeschlossen. Damit soll
Arb eitern online-Hilfestellung bei ihrer Arb eit gegeb en werden und so ein Anlernen der
Arb eiter f
ur b estimmte Aufgab en
ub er
ussig gemacht werden.
Desweiteren wird versucht diese Technologie zur Entwicklung einer Sehhilfe zu nutzen.
In Deutschland wird
LVES
5
vertrieb en. Ein weiteres Pro jekt dieser Art ist
POVES
6
.
3
L
iquid
C
ristall
D
isplays
4
H
ead
M
ounted
D
isplays
5
L
ow
V
ision
E
nhancement
S
ystem
6
P
ortable
O
pto electronic
V
ision
E
nhancement
S
ystem
16
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
Kabellose
Komminikationverbindung Tragbarer Computer
Display
und Kopfhörer
See-through
Miniatur Mikrophon
Abbildung 1.11:
Wearable Computer
-System. (Aus: [GT Wearables])
POVES
Das
POVES
-Pro jekt [Mayer 96] wurde von der Europ
aischen Gemeinschaft
7
gef
ordert
und dauerte von Januar 1994 bis Mai 1996 an. Danach ist es wegen Finanzierungspro-
blemen eingestellt worden. Es waren verschiedene europ
aische Firmen und Universit
aten
daran b eteiligt. Ziel war es, eine mobile Sehhilfe mit opto elektronischer Technologie f
ur
den t
aglichen Gebrauch f
ur Personen mit folgenden Sehb ehinderungen zu entwickeln:
Nachtblindheit
Einengung des Sehfeldes im Zentrum
Einengung des Sehfeldes in der Peripherie
St
orungen von Kontrastsehen und Sehsch
arfe
7
TIDE Pro ject TP-1211
1.4. SEHHILFEN
17
Urspr
unglich war es geplant auch Schwierigkeiten b eim Farb ensehen zu l
osen, indem Far-
b en, die nur no ch schlecht o der gar nicht mehr wahrgenommen werden k
onnen, durch
andere f
ur den Sehb ehinderten b esser wahrzunehmende Farb en ersetzt werden. Da das
erstellte System mit einer schwarz-wei Kamera arb eitet, konnte diese Option bisher nicht
realisiert werden.
Das System b esteht aus einer kleinen Kamera, die auf eine Brille mit LCDs montiert ist
und einem Handger
at, mit welchem die Bildverarb eitung und die Stromversorgung geregelt
wird und das dem Anwender auerdem eine Reihe von Einstellungsm
oglichkeiten gibt.
Allgemein werden als p otentielle Anwender Personen mit Sehsch
arfen von 20/100 bis
20/800 in Betracht gezogen, da bei einer Sehsch
arfe b esser als 20/100 preiswerter mit
herk
ommlichen Sehhilfen geholfen werden kann und bei einer Sehsch
arfe unter 20/800
auch mit diesem System keine Hilfe mehr zu erwarten ist.
Beim Test des
POVES
stellte sich heraus, da mit diesem Ger
at den Sehb ehinderten
wenig o der gar nicht geholfen werden kann. Als Gr
unde wurden die niedrige Au
osung und
auch das Fehlen von Farb en angef
uhrt, da dadurch Informationen verloren gehen. In Abbil-
No Processing
Edge
Enhancement
Histogram
Equalisation
350
50
0
TP1
Reading Performance [%]
TP3 TP5 TP7 TP9
300
250
200
150
100
Reading Performance
Testperson
Abbildung 1.12:
Diagramm mit Testergebnis f
ur einen Lesetest. F
ur Punkte, die unter 100%
liegen, ist mit POVES sogar eine Verschlechterung eingetreten. (Aus: [Mayer 96 ])
dung 1.12 ist ein Testergebnis dargestellt. Der Test wurde mit 12 Personen durchgef
uhrt,
wovon zwei aufgrund ihrer zu geringen Sehkraft den Test nicht durchf
uhren konnten. Die
Tests waren auf Ob jekt- und Texterkennung ausgelegt. Die meisten Probleme bildeten
Leseaufgab en. Im Diagramm sind nun die Testp ersonen gegen die Lese-Performance auf-
18
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
getragen, die sich folgendermaen b erechnet:
P er f or mance
=
F ehl er
Z eit ohne S y stem
F ehl er
Z eit mit S y stem
in
% (1.3)
LVES
Im Gegensatz zum
POVES
kann
LVES
kommerziell erworb en werden
8
.
LVES
wurde
an der John-Hopkins-Universit
at of Medicine in Baltimore, Maryland, USA, in Zusam-
menarb eit mit der NASA entwickelt [Dagnelie] und ist seit 1994 im Handel erh
altlich. Das
System b esteht aus einer helmartigen Brille, in die drei CCD-Kameras integriert sind. Zwei
Fixfokus-Kameras f
ur die Pro jektion eines dreidimensionalen Bildes auf zwei CRT-schwarz-
wei Monitore. Eine zus
atzliche Kamera ist f
ur den Einsatz im Nahb ereich konstruiert.
Diese kann gekippt werden, so da z.B. in der Schule ein Umschalten vom Tafelbild auf
die eigenen Aufzeichnungen ohne eine Kopfb ewegung m
oglich ist. Die Nah-Kamera ist mit
einem Autofo cus ausger
ustet und kann 3
,
10-fach stufenlos vergr
oern. Daneb en b esteht
no ch die M
oglichkeit der Kontrastanhebung und einer Helligkeitsumkehr in die inverse
Darstellung.
Abbildung 1.13:
Schematische Darstellung des
LVES
(Aus: [Baum Elektronik GmbH])
Das Gewicht des Kopfteiles b etr
agt 900 g und ist damit recht ho ch, welches wesentlich
durch die Katho denstrahlr
ohren verursacht wird. Diese hab en ab er den Vorteil, da sie
8
bei
Baum Elektronik GmbH
1.4. SEHHILFEN
19
eine hohe Au
osung von f
unf Winkelminuten pro Pixel erreichen. Auch das Steuerteil
wiegt no chmals 900 g. Es kann am Bauch getragen werden. Abbildung 1.13 zeigt eine
schematische Darstellung des Systems.
In der Augenklinik Heidelb erg wurden mit diesem Ger
at umfangreiche Tests durch-
gef
uhrt [Rohrschneider 97].
Vorteile
stufenlose Vergr
oerung (3-10fach)
ungest
ortes Beobachten durch Ver-
decken der Augen
stufenlose Kontrastverst
arkung
Bildhelligkeit und Kontrast in wei-
tem Bereich unabh
angig von Um-
weltleuchtdichte
schneller Autofokus
Mobilit
at (Akkub etrieb)
Invers-Darstellung (weie Schrift
auf schwarzem Grund) m
oglich
Nachteile
keine Farbinformation (nur Schwarz-
Wei-Bild)
Einengung durch helmartigen Aufbau
Belastung der Nackenmuskulatur
durch 900 g schweres Kopfteil
Scheinbewegungen bei Kopfdrehung
bei h
ohergradiger Vergr
oerung
maximale Bildschirmau
osung von 5
Winkelminuten/Pixel
Gesichtsfeldeinengung bei einfacher
Vergr
oerung auf 60
40
Tab elle 1.3:
Gegen
ub erstellung der Vor- und Nachteile des
LVES
gegen
ub er bisherigen Sehhil-
fen. (Aus: [Rohrschneider 97])
In Tab elle 1.3 sind die Vor- und Nachteile aufgef
uhrt, die sich b ei dieser Untersuchung
herausgestellt hab en. Mit
LVES
lie sich die zentrale Sehsch
arfe gegen
ub er einer Brillen-
korrektur um durchschnittlich 8 Visusstufen und bis zu drei Stufen gegen
ub er Fernrohr-
lup enbrillen verb essern. No ch wesentlicher war die Kontrastwahrnehmungsverb esserung
gegen
ub er rein optischen Sehhilfen und die erheblich reduzierte Blendungsempndlichkeit.
Trotz dieser wahrgenommenen Verb esserungen des Sehens auf Kontrast und Visustafeln
gab die Mehrheit der Patienten bei diesen Tests an, f
ur den Einsatz des Systems keine
Verwendungsm
oglichkeit zu hab en. Hierb ei spielt sicher auch das auallende
Auere des
LVES
eine entscheidene Rolle, was die Verwendung des Systems in der
Oentlichkeit f
ur
die Patienten aus kosmetischen Gr
unden unakzeptab el macht.
Das b esondere an dieser opto elektronischen Sehhilfe ist, da sie, anders als die
ublichen
optisch vergr
oernden Sehhilfen, nicht f
ur eine b estimmte Anwendung sp ezialisiert ist,
sondern vielmehr b ei einer Vielzahl von verschiedenen Anwendungen im h
auslichen Bereich
benutzt werden kann. Hierb ei sind auch b eidh
andige T
atigkeiten m
oglich, da das Ger
at
auf dem Kopf getragen wird und somit b eide H
ande frei zur Verf
ugung stehen. Vielen
Betroenen liegt b esonderes die verlorengegangene F
ahigkeit zum Lesen sehr am Herzen.
Hier bietet
LVES
gegen
ub er Bildschirmleseger
aten den Vorteil, da es nichtnur station
ar
20
KAPITEL 1. MEDIZINISCHER HINTERGRUND
zu b enutzen ist. Allerdings ist es als reine Lesehilfe nicht so geeignet, da es den Patienten
schwer f
allt, eine ruhige horizontale Lesef
uhrung allein mit Kopfb ewegungen zu steuern.
Dies ist mit Lesetischen, die eine solche Bewegung unterst
utzen, weitaus einfacher. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil ist die M
oglichkeit, in verschiedenen, wechselnden Abst
anden
zu sehen, was b ei optischvergr
oernden Sehhilfen nur sehr b egrenzt m
oglich ist.
Als Fazit aus diesen Tests ergab sich, da
LVES
nur f
ur einen b egrenzten Kreis von Pati-
enten als zus
atzliches Hilfsmittel neue M
oglichkeiten er
onet. Besonders p ositiv wurde die
Verb esserung der Kontrastwahrnehmung und die deutlich reduzierte Blendung bei gleich-
zeitig variablem Arb eitsabstand in der N
ahe empfunden. Die stufenlose Vergr
oerung
erlaubt eine b essere Anpassung an sp ezielle Anforderungen. Allerdings ist vor einer
arztli-
chen Verordnung dieses Systems eine ausf
uhrliche und zeitintensive Erprobung erforderlich.
Kapitel 2
Das Gesamtsystem - HVES
Die Arb eitsgrupp e
Elektronisches Sehen
am Institut f
ur Ho chenergiephysik hat die
Pro jektstruktur, wie sie in Abbildung 2.1 dargestellt ist. Vision-Chips stehen als Auf-
nahmesysteme zur Verf
ugung. Um ihre Daten mit einem Computer weiterverarb eiten zu
k
onnen, ist eine A/D-Wandlung notwendig. F
ur diese Arb eit wurde dazu eine ADC-Platine
hergestellt, deren Beschreibung in Kapitel 4 zu nden ist. Alternativ kann das Kamerabild
auch einer
\Analoge Kantenextraktion"
unterzogen werden. Von dieser M
oglichkeit wurde
in dieser Arb eit kein Gebrauch gemacht. Die Kontrolle und Verarb eitung der Daten ge-
schieht
ub er einen Computer. Hier k
onnen an Stelle des Kamerabildes auch direkt Daten
aus einer externen Quelle, z.B. dem Internet eingesp eist werden. Als Ausgab eger
ate stehen
ein taktiles und ein visuelles Ausgab eger
at zur Verf
ugung. Diese Arb eit b esch
aftigt sich
mit der visuellen Ausgab e. N
ahere Angab en zu den Schwerpunkten der Arb eitsgrupp e, die
hier nicht weiter erl
autert werden, kann man in [Lo ose 98], [Schemmel 97], [Maucher 98],
und [Jeschke 96] nachschlagen.
Die
LCD-Bril le
als visuelles Ausgab eger
at bildet also einen Zweig. Nur durch die
Integration in das Gesamtpro jekt ensteht das
HVES
. Die Abk
urzung stehtf
ur
H
eidelb erger
V
ision
E
nhancement
S
ystem. Es b esteht aus den Komp onenten:
Vision Chip
PC
LCD-Brille
Diese Komp onenten erf
ullen die folgenden Aufgab enb ereiche:
Bildaufnahme
Bildverarb eitung
Bildausgab e
In Abbildung 2.2 ist dies in einem Diagramm dargestellt. Im Gegensatz zur Abbildung
2.1, die die Eingliederung dieses sp eziellen Pro jektes in das Gesamtpro jekt der Arb eits-
grupp e verdeutlicht, sind hier nur die Komp onenten aufgelistet, die f
ur dieses Pro jekt
21
22
KAPITEL 2. DAS GESAMTSYSTEM - HVES
verwandt wurden. Dab ei wurden nur die Hauptb estandteile genannt, die die eigentli-
chen Aufgab en erf
ullen. Im Kapitel 4 \Die Hardware-Peripherie" werden alle Bestandteile
des Systems b eschrieb en, auch die, die in dem Blo ckdiagramm (Abb. 2.2) nicht erw
ahnt
werden, wie z.B. die ADC-Platine und das PC-Interface, die nur zur Datenkonvertierung
dienen.
Die Abbildung 2.3 zeigt die Realisierung des Systems. Zu sehen sind die
LCD-Bril le
mit
montiertem Kamerachip, das PC-Interface und das Noteb o ok,
ub er das die Steuerung des
Systems und die implementierten Bildverarb eitungsalgorithmen laufen. Das PC-Interface
stellt die Verbindung zwischen LCD-Brille und PC her, falls kein separater Videoausgang
am PC vorhanden ist. Sonst kommt das wesentlich kleinere Video-Interface zum Einsatz,
welches eb enfalls auf dem Photo abgebildet ist. Ein weiterer Kamerachip mit kleinem
Ob jektiv ist zudem no ch auf dem Photo zu erkennen.
2.1 Die Bildaufnahme
Es standen f
ur die Bildaufnahme zwei Generationen des Vision-Kamerachips zur Ver-
f
ugung, die im Institut f
ur Ho chenergiephysik von Herrn M. Lo ose [Lo ose 98] entwickelt
wurden. Eine kurze Beschreibung der Kamerachips b endet sich im Kapitel 4.2:
\Kame-
rachip"
.
2.2 Die Bildverarb eitung
Die analogen Daten der Kamera werden durch einen A/D-Wandler digitalisiert. Ge-
nauere Hinweise dazu b enden sich in dem Kapitel 4.3
\ADC-Platine"
. Die eigentliche
Bildverarb eitung l
auft
ub er einen PC. Um das System p ortab el zu halten und die M
oglich-
keit des mobilen Einsatzes zu gew
ahrleisten, wurde als PC ein Noteb o ok der Firma
Toshiba
verwendet. Auf diesem Rechner l
auft das
Visor-Programm
, mit welchem alle Komp onenten
der Arb eitsgrupp e
Elektronisches Sehen
gesteuert werden k
onnen. Das Programm wurde
von Herrn J. Schemmel entwickelt [Schemmel 97]. Genauere Angab en zu dem Programm
und dessen Erweiterung f
ur das
HVES
Pro jekt erfolgen in Kapitel 5:
\Die Software"
.
2.3 Die Bildausgab e
Auf die Bildausgab e wurde in dieser Arb eit das Hauptaugenmerk gerichtet. Es wurde
aus einen HMD
1
eine
LCD-Bril le
entwickelt. Einzelheiten nden sich in dem Kapitel 3:
\Optisches Ausgabeger
at"
.
1
H
ead
M
ounted
D
isplay
2.3. DIE BILDAUSGABE
23
Elektronisches Sehen
Kantenextraktion
und KontrolleInternet
externe Daten
A/D Wandlung Analoge
(VTD)
taktiler
Grundlagen
Struktur des Projektes
Ausgabe
Vision-Chip
visuelle Ausgabe
taktile
Anwendung in der Praxis
Grundlagenforschung
Sinneswahrnehmung
(LCD-Brille)Wahrnehmung
Digitale Verarbeitung
Abbildung 2.1:
Struktur des Heidelb erger Pro jektes der Grupp e
\Elektronisches Sehen"
. Die
LCD-Bril le
ist unter visueller Ausgab e zu nden (rot umrandet). Die gelb unterlegten Bereiche
b ezeichnen die Arb eitsschwerpunkte der Grupp e. Informationen zu den Teilpro jekten nden
sich, soweit nicht in dieser Arb eit b eschrieb en, in [Lo ose 98], [Schemmel 97 ], [Maucher 98], und
[Jeschke96].
24
KAPITEL 2. DAS GESAMTSYSTEM - HVES
Funktion
Bildausgabe
Bildaufnahme
Bildverarbeitung Computer
Vision-Chip
LCD-Brille
Hardware
realisiert
durch:
Gesamtsystem
HVES
Abbildung 2.2:
Darstellung des Gesamtsystems -
HVES
Das System b esteht aus dem Vision-Chip, der als Kamera zur Bildaufnahme verwendet wird,
einem PC zur Bildverarb eitung und Kontrolle und der LCD-Brille als Ausgab eger
at. Diese drei
Komp onenten - Vision-Chip, Computer und LCD-Brille - bilden das
HVES
.
2.3. DIE BILDAUSGABE
25
PC-Interface
Video-
Interface
ADC-Platine
96x72-Kamerachip
mit Objektiv
LCD-Brille
Notebook
64x64-Kamerachip
Abbildung 2.3:
Photo der
LCD-Bril le
mit montiertem Kamerachip und Noteb o ok. Daneb en
liegen der 96
72-Kamerachip mit kleinem Ob jektiv, das PC-Interface im Hintergrund, davor
das Video-Interface und die ADC-Platine. Bei Verwendung des abgebildeten Noteb o oks wird das
PC-Interface nichtben
otigt. Zusammen bilden diese Komp onenten das Gesamtsystem
HVES
.
26
KAPITEL 2. DAS GESAMTSYSTEM - HVES
Kapitel 3
Optisches Ausgab eger
at
Als Grundlage des optischen Ausgab eger
ates wurde ein HMD verwendet, der den An-
forderungen dieser Arb eit entsprechend weiterentwickelt wurde. In diesem Kapitel werden
die Auswahlkriterien, die zur Wahl eines b estimmten HMDs gef
uhrt hab en und dessen
Umgestaltung zur
LCD-Bril le
b eschrieb en.
Die Angeb ote von HMDs sind vielf
altig. Es gibt Unternehmen, die sich auf die Ver-
marktung von solchen
Virtual Reality
Systemen sp ezialisiert hab en. Da diese Unternehmen
meist im Internet pr
asent sind, fand eine Suche und ein Vergleich der erh
altlichen HMDs
dort statt.
3.1 Auswahlkriterien f
ur ein HMD
F
ur die im Rahmen dieser Arb eit zu entwickelnde Sehhilfe sollten die HMDs folgende
Anforderungen erf
ullen:
Hohe Au
osung der LCDs
Hohes vertikales und horizontales Sichtfeld (VFOV, HFOV)
1
G
unstiger Preis
Unau
alliges Design
Geringes Gewicht
Klein und p ortab el
Hoher Tragekomfort
F
ur diese Arb eit spielt der erste Punkt, die hohe Au
osung der LCDs, keine entschei-
dene Rolle, da die Kamerachips
2
, die hier Verwendung nden nur eine Au
osung von 64
64
1
V
ertical/
H
orizontal
F
ield
o
f
V
iew
2
N
ahere Angab en zum Kamerachip sind in Kapitel 4 zu nden.
27
28
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
bzw. 96
72 Pixeln b esitzen. Die Pixelanzahl aller zur Zeit im Angeb ot b endlichen HMDs
liegt um ein Vielfaches dar
ub er. Damit bildet die Kamera den b egrenzenden Faktor. Da
die zur Zeit verwendeten Kamerachips nur Prototyp en darstellen, und sich ein Kamera-
chip mit einer verb esserten Au
osung (384
288 Pixel) in der Entwicklung b endet, ist
es angebracht, b ereits jetzt LCDs mit einer entsprechenden Au
osung einzusetzen. Als
allgemeines Kriterium richtet sich die Au
osung des HMDs nach der Au
osung des Bild-
aufnahmesystems, so da die Au
osung des Gesamtsystems einen m
oglichst hohen Wert
erreicht.
Dab ei ist jedo ch die Au
osung nicht allein entscheidend f
ur die G
ute des Systems.
Vielmehr sollte neb en einer hohen Au
osung auch eine groe horizontale und vertikale
Ub erdeckung der Displays b estehen. Ist diese gering, ab er die Au
osung der Brille ho ch,
so werden zwar kleine Details dargestellt, k
onnen ab er von den Sehb ehinderten nichtwahr-
genommen werden. Es ist gerade f
ur eine Sehhilfe wichtig, da auch ein groes Sichtfeld
vorhanden ist, damit Details erkannt werden k
onnen.
Analog zu der in Kapitel 1.2 erl
auterten Sehsch
arfe kann auch hier ein derartiger Quo-
tient b erechnet werden. Er ergibt sich aus [Zwern 95]:
Sch
arfe =
Anzahl der Pixel
FOV
60
in [
W ink el minuten
,
1
] (3.1)
F
ur z.B. einen 17"-Zoll Monitor b erechnet sich b ei einem Abstand von 60 cm (FOV= 30
,
1024 Pixel in horizontaler Richtung) damit eine Sch
arfe, die b esser als 1/2 ist. Auf jeden
Fall sollte der Wert nicht geringer als die Sehsch
arfe des Sehb ehinderten sein, der dieses
System verwenden will. Da das Einsatzgebiet von opto elektronischen Hilfmitteln dieser
Art bei einem Visus von 1/5 o der schlechter angesetzt wird [Mayer 96], sollte auch ein
Wert dieser Gr
oenordnung angestrebt werden.
Das Design sollte unau
allig sein, da die Brille sonst keine Akzeptanz b ei den Patienten
ndet. Ein klobiges und futuristisches Aussehen ist sozial sehr unvertr
aglich.
Der Preis spielt sicherlich auch eine Rolle. Dieser korreliert stark mit der Au
osung der
HMDs, wob ei die Entwicklung zu immer h
oheren Au
osungen b ei gleichbleib enden Preisen
geht.
Die drei letzten Punkte, geringes Gewicht, Portabilit
at und Tragekomfort sind eng
miteinander verkn
upft. Ein schweres Kopfteil wird sich eb ensowenig b equem tragen lassen,
wie groe Abmessungen und ein hohes Gewicht zur Mobilit
at b eitragen.
3.1.1 Vergleich verschiedener HMDs
Es gibt grunds
atzlich zwei verschiedene Systeme von HMDs. Die einen verwenden
als Monitorsystem LCDs (
L
iquid
C
rystal
D
isplay), die anderen benutzen CRT-Displays
(
C
atho de
R
ay
T
ub e). Ein LCD b esteht, wie der Name schon sagt, aus Fl
ussigkristallen,
die b eim Anlegen einer Spannung ihre Transparenz verlieren. Dieser Eekt b eruht darauf,
da vor den LCDs ein Polarisator angebracht ist, und durch das Anlegen einer Spannung
die Polarisationsrichtung der LCDs um 90
gedreht wird (Abb. 3.1). So kann b ei angelegter
3.1. AUSWAHLKRITERIEN F
UR EIN HMD
29
LCD mit Spannung
Lichtwellen, um 90° versetzt
polarisierender HintergrundFlüssigkristall
LCD ohne Spannung
Abbildung 3.1:
Prinzip der LCDs
Spannung der weie Hintergrund nicht mehr durchscheinen, w
ahrend ohne Spannung die
Polarisierungseb enen von Hintergrund und LCD
ub ereinstimmen.
Durch Kombination drei farbiger Schichten (rot, gr
un und blau) kann jedes Pixel in
b eliebiger Farb e dargestellt werden.
Im CRT-Display sorgt ein Elektronenstrahl f
ur die Anregung von Phosphorpunkten,
Diese Displays sind z.B. in Fernsehern und Monitoren weit verbreitet.
In einer evakuierten Glasr
ohre werden von der Katho de Elektronen durch das Anlegen
eines elektrischen Feldes und durch Erw
armung emittiert und zur Ano de hin b eschleunigt.
Diese ist mit Phosphor b eschichtet, welches bei Ber
uhrung durch den Elektronenstrahl
Licht emittiert. Der Elektronenstrahl f
ahrt zeilenweise das gesamte Display ab. Gelenkt
wird er durch elektrische Felder, die die Richtung des Strahls in vertikaler und horizontaler
Richtung b eeinussen (Abb. 3.2). Das in Kapitel 1.3.2 b eschrieb ene
LVES
ist nach diesem
Prinzip entwickelt.
Die auf dem Markt existierenden Systeme arb eiten meist mit LCDs. CRTs hab en den
Vorteil, da sie eine b essere Au
osung b esitzen, leider ab er meist nur eine Schwarz-Wei
Darstellung bieten. Auerdem sind Preise und Gewichtvergleichbarer CRTs h
oher als f
ur
LCD-Systeme.
30
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
Firma
(Homepage) Mo dell Technik HFOV [
] VFOV[
] Au
osung Gewicht Gr
oe Preis
i-glasses
i-glasses
TM
dual LCD 30 23
:
6 263
230 230 g klein $580
(www.
i-glasses
.com)
i-glasses
X2 dual LCD 370
325 230 g klein $1995
i-glasses
ProTec dual LCD 42 / 34 diag. 640
480 350 g klein $7995
Forte Technologies
VFX1 dual LCD 48 35
:
5 278
204 450 g mittel $695
(www.iisvr.com) VFX 3D dual LCD mittel $1495
Liquid Image
MRG 2.2 single LCD 84 65 240
240 1900 g mittel $3495
(www.liquidimage.ca) MRG 3c single LCD 84 65 256
256 1900 g mittel $5500
MRG 4 single LCD 61 46 160
234 950 g mittel $2195
X3 single LCD 84 65 640
480 gro $7200
General Reality
CE-200W dual LCD 45 34 230
789 800 g mittel $2495
(www.genreality.com) CE-200M dual LCD 22.5 16.8 230
789 450 g klein $ 1995
Virtual Research
V6 dual LCD 60 diag 640
480 820 g gro $6450
(www. V8 dual LCD 60 diag. 640
480 800 g gro $11200
virtualresearch.com) V8 Bino culars dual LCD 60 / 30 diag. 630
480 gro $11200
Cyclops single LCD 60 / 30 diag. 630
480 gro $4800
Kaiser Electro-Optics
ProView 30 dual LCD 24 18 640
480 800 g mittel $7995
(www.keo.com) ProView 40ST dual LCD 36 27 640
480 800 g mittel $49995
ProView 50ST dual LCD 50 30 640
480 900 g mittel $49995
ProView 60 dual LCD 48 36 640
480 900 g mittel $11995
ProView 80 dual LCD 65 50 640
480 1150 g mittel
nVision
Datavisor HRes dual CRT 50 37 1280
1024 1600 g gro 106950 DM
(www.nvis.com)
Virtual Reality
Visette Pro dual LCD 60 46.8 640
480 850 g mittel 14500 DM
(www.virtuality.com)
Phillips
Scuba single LCD 40 30 225
800 550 g klein $299
Tab elle 3.1:
Auistung einiger HMDs, die zur Zeit angeb oten werden.
3.1. AUSWAHLKRITERIEN F
UR EIN HMD
31
Heizspannung
Beschleunigungspannung
Ablenkung
Elektronenstrahl
Schirm
Abbildung 3.2:
Prinzip eines CRT-Displays
In der Tab elle 3.1 sind b eispielhaft einige Mo delle aufgef
uhrt und deren Sp ezikationen
angegeb en. Um einen m
oglichst ob jektiven Vergleich anstellen zu k
onnen, hab en sich
folgende Angab en durchgesetzt:
HFOV (total
H
orizontal
F
ield
O
f
V
iew) b edeutet die gesamte horizontale
Ub er-
deckung des Displays. Sie wird in Grad angegeb en.
Ub erlappung b ezeichnet den
Ub erlapp zweier Displays in der Mitte.
VFOV (
V
ertical
F
ield
O
f
V
iew)) gibt die vertikale
Ub erdeckung der Displays an.
Auch in diesem Technologie-Bereich gibt es rasche Fortschritte, so da innerhalb kur-
zer Zeitr
aume neue Mo delle auf den Markt kommen. So werden inzwischen auch schon
Au
osungen von
ub er 360
:
000 Pixeln f
ur den Privatanwender erschwinglich.
3.1.2 Beschreibung der
i-glasses
Die f
ur diese Arb eit ausgew
ahlten
i-glasses
(Abb. 3.3) hab en eine Optik, die ein Sicht-
feld von 30
f
ur jedes Auge b ereitstellt. Sie k
onnen
ub er jeder Brille getragen werden,
b esitzen eine 100%-Stereo
ub erlappung und m
ussen nicht an den individuellen Augenab-
stand des Benutzers angepat werden. Sie hab en einen festen Brennpunkt bei 28 cm, der
Ub eranstrengung der Augen entgegenwirkt.
32
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
Abbildung 3.3:
Photo der
i-glasses
Die Anzeige b esteht aus 2-Vollfarb-0
:
7
00
-LCDs. Die Au
osung b etr
agt 180
:
000 Pixel
pro LCD, wob ei 60
:
000 Pixel auf jede der drei Farbgrupp en entfallen. Damit ergibt sich
eine Au
osung von (260
3)
230 Pixeln.
Als Stromzufuhr kann die Netzspannung (200 V -240 V Wechselspannung) verwendet
werden. Das Netzteil liefert dann f
ur den Videob etrieb eine Gleichspannung von 6V und
f
ur den Computerb etrieb von 9 V. Der Videob etrieb hat einen Energieverbrauchvon 3 W.
An dem Videoadapter ist ein Ein-/Ausschalter angebracht. F
ur den Computerb etrieb
wird ein Computer-Interface b en
otigt, welches einen Audio-Stereo-Ein- und Ausgang, sowie
einen VGA-Interface-Ein- und Ausgang b esitzt. Damit kann das Bild gleichzeitig sowohl
auf dem Computerbildschirm als auch in den
i-glasses
b etrachtet werden. Zu b eachten ist
allerdings, da die Bildschirmau
osung des Computers maximal 640
480 Pixel b ei einem
60- o der 70 Hz-Betrieb b etragen darf, da die
i-glasses
ansonsten nicht mehr in der Lage
sind, das Bild darzustellen. Das PC-Interface b esitzt no ch eine Anschlum
oglichkeit f
ur
einen Head-Tracker. Mit diesem kann durch die drei Bewegungsrichtungen Nicken, Wiegen
und Drehen des Kopfes ein Joystick ersetzt werden.
Die Mechanik b esteht aus einem faltbaren Kopfteil, der
LCD-Bril le
. Insgesamt wiegt
die Brille nur ca. 230 g. Es kann ein Visier f
ur geschlossenen Betrieb vor den LCDs einge-
steckt werden, so da die Umgebung vollst
andig abgeschirmt wird.
Eb enso wie die meisten anderen HMDs sind auch die
i-glasses
mit Stereokopfh
orern
ausger
ustet, da HMDs prim
ar f
ur die Wiedergab e von Videos und Computerspielen in
3.2. UMGESTALTUNG DER
I-GLASSES 33
3D-Darstellung hergestellt werden. Hier kann man sich in einer weiteren Entwicklung
eines Sehhilfesystems die Nutzung der Kopfh
orer zur zus
atzlichen Informationsweitergab e
vorstellen.
Ein Schalter seitlich an der Brille l
at stereoskop es Sehen zu, indem abwechselnd in
gen
ugend hoher Frequenz die b eiden LCDs b etrieb en werden. Um dieses M
oglichkeit zu
nutzen, ben
otigt man sp eziell darauf abgestimmte Software.
Berechnet man f
ur die
i-glasses
die Sehsch
arfe nach Gleichung 3.1, so ergibt sich in ho-
rizontaler Richtung ein Wert von ca. 15
=
100
1
=
7. Dieser Wert sollte bei einer weiteren
Entwicklung verb essert werden. Zum Vergleichkann der Wert des in Kapitel 1 b espro che-
nen
LVES
von 1
=
5 in Betracht gezogen werden. F
ur das Gesamtsystem
HVES
b erechnet
sich aufgrund der geringen Kameraau
osung ein wesentlich geringerer Wert (
1
=
20), so
da der Wert von 1/7 nur bei Tests f
ur die Darstellung in h
oherer Au
osung gesp eicher-
ter Bilder G
ultigkeit hat. In einer weiteren Entwicklung sollte unb edingt darauf geachtet
werden, da ein h
oherer FOV-Wert erreicht wird und gleichzeitig die Sehsch
arfe auf 1
=
5
f
ur das Gesamtsystem erh
oht wird.
Auchwenn die
i-glasses
diesen Wert nicht erreichen, hab en sie einige Vorteile gegen
ub er
anderen HMDs. Insb esondere in den weiter ob en b eschrieb enen Punkten unau
alliges De-
sign und geringes Gewicht. Hier sind sie mit ihren nur 230 g wirklich einzigartig. Damit ist
eine der wichtigsten Voraussetzungen, n
amlich die Portabilit
at, erf
ullt. Auerdem b estand
zu dem Zeitpunkt des Kaufes der
i-glasses
ein b esonders g
unstiges Angeb ot, so da sie
auch preislich gegen
ub er den anderen HMDs weit im Vorteil lagen. Das Datenblatt der
i-glasses
ist im Anhang A aufgef
uhrt. Solange keine Kamera mit h
oherer Au
osung zur
Verf
ugung steht, lohnt sich auch die Anschaung einer neuen
LCD-Bril le
nicht.
Allerdings w
urde sich die Umstellung auf die in der Tab elle 3.1 genannten anderen
Versionen der
i-glasses
problemlos gestalten, da diese sich von ihrem
Aueren nicht von
den
i-glasses
unterscheiden, sondern nur in der Au
osung und dem FOV h
ohere Werte
aufweisen. Dies mu allerdings mit einem bis zu 10-fachen Preis b ezahlt werden.
3.2 Umgestaltung der
i-glasses
F
ur die
i-glasses
wurde eine neue Optik entwickelt. Gr
unde, die dazu gef
uhrt hab en
und die Konstruktion der neuen Optik werden in den n
achsten Unterkapiteln b eschrieb en.
3.2.1 Motivation f
ur die Umgestaltung
Da die sehb ehinderten Personen eine starke Vergr
oerung b en
otigen, sollte auch schon
die Optik der Brille die LCDs stark vergr
oert wiedergeb en. Urspr
unglichwar der Strahlen-
gang der
i-glasses
gem
a Abbildung 3.4. Die LCDs werden von ob en homogen b eleuchtet.
Von den LCDs wird das Bild dann
ub er einen im 45
-Winkel stehenden Spiegel auf den
Hohlspiegel pro jiziert, von wo es wieder reektiert wird. Ein Teil des Lichtes geht nun
ungehindert durch den halb durchl
assigen Spiegel durch. Der Betrachter sieht das virtuelle
vergr
oerte Bild der LCDs. Im Strahlengang ist zum einen der Brennpunkt F und zum
34
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
G
LCD
MF
vergrößertes
Bild B
Hohlspiegel
halbdurchlässiger
Spiegel
des LCD’s
Projektion
virtuelles
Abbildung 3.4:
Skizze des Strahlenganges der
i-glasses
. Von rechts kann zus
atzlichnoch Licht
von auen durch den Hohlspiegel und den halb durchl
assigen Spiegel einfallen und unver
andert in
das Auge des Betrachters gelangen, welches sich links zwischen Brennpunkt F und Gegenstand
G b endet, ab er der
Ub ersichtlichkeit wegen nicht mit eingezeichnet ist.
anderen der Mittelpunkt M des Hohlspiegels eingezeichnet. Die Pro jektion der LCDs auf
die Hauptachse des Strahlenganges stellt den Gegenstand G dar. Er wurde eingezeichnet,
um den Strahlengang zu konstruieren. Die Schnittpunkte der Strahlen vom Mittelpunkt M
des Hohlspiegels durch die Randpunkte des Gegenstandes G mit den Strahlen durch den
Brennpunkt F und den Hohlspiegel in H
ohe der Randpunkte des Gegenstandes G geb en
das virtuelle Bild B wieder, welches der Betrachter sieht.
Gleichzeitig kann auch Lichtvon auen durch den Hohlspiegel und den halb durchl
assi-
gen Spiegel direkt und unver
andert in das Auge des Betrachters fallen.
Linsenduplett LCD
Spiegel
Abbildung 3.5:
Strahlengang des HVES. Um den Strahlengang m
oglichst
ub ersichtlich zu
halten, wurden das Linsenduplett als Einzellinse b etrachtet, in dessen Haupteb ene die Strahlen
gebro chen werden.
Auf diese Optik wurde v
ollig verzichtet. Stattdessen wurde der in Abbildung 3.5 skiz-
zierte Strahlengang realisiert. Hier wird das Bild von den LCDs ausgehend durch einen
3.2. UMGESTALTUNG DER
I-GLASSES 35
100%-reektierenden Spiegel
3
umgelenkt und durch die Linsen direkt in das Auge des Be-
trachters geleitet. Der Strahlengang b ewirkt eine 180
Drehung des Bildes, welche
ub er
die Software wieder ausgeglichen wird. Dem Betrachter wird ein erm
udungsfreies Sehen
erm
oglicht, indem sich das Linsenduplett in Abstand seiner Brennweite von den LCDs b e-
ndet und so Strahlen vom gleichen Pixel der LCDs parallel und aufgeweitet aus der Optik
hervorgehen. So kann der Betrachter seine Augen auf unendlich einstellen, um ein scharfes
Bild zu erhalten, was die gew
unschte Entspannung der Augenmuskulatur b edeutet. Diese
Einstellung hat auch den Vorteil, da kein b estimmter Augenabstand gew
ahlt werden mu,
um scharfe Bilder zu erhalten. Je n
aher das Auge an die Linsen heranr
uckt, desto gr
oer
wird der Bildeindruck, was ab er keine Auswirkung auf die Bildsch
arfe hat.
Die Vorteile dieser Optik liegen auf der Hand. Zum einen ist das System lichtst
arker,
da kein Licht durch den halb durchl
assigen Spiegel verloren geht, zum anderen wird durch
diese Optik eine starkeVergr
oerung erreicht, was den Hauptgrund f
ur diese Umgestaltung
darstellt.
3.2.2 Mechanische Konstruktion
Abbildung 3.6:
Brillengeh
ause von unten. Dort wird die LCD-Platine (Abb. 3.7) mit den LCDs
untergebracht. Die neue Optikhalterung (Abb. 3.8) mu daran angepat werden.
Um die im vorigen Abschnitt b eschrieb enen Optik zu realisieren, ist mit dem Programm
Euclid
eine neue Halterung konstruiert worden. Urspr
unglich war eine v
ollige Neugestal-
tung der Brille vorgesehen, die ab er an den M
oglichkeiten der mechanische Werkstatt
gescheitert ist. In der Werkstatt k
onnen nur Teile gefr
ast, ab er nicht gegossen werden,
so da Rundungen und W
olbungen schwierig herzustellen sind. Deshalb mute auf eine
3
Es werden Spiegel der Firma
Spind ler & Hoyer
verwendet.
36
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
Abbildung 3.7:
Steuerungsplatine f
ur die LCDs.
komplette Neugestaltung verzichtet werden. F
ur die neue Optik wurde daher eine neue
Halterung konstruiert, die die alte Halterung mit den halb durchl
assigen Spiegeln und den
Hohlspiegeln ersetzt. Von den
i-glasses
wurde das Brillengeh
ause (Abb. 3.6) verwendet,
das auch weiterhin die Platine (Abb. 3.7) zur Ansteuerung der LCDs b eherb ergt.
Eine Schwierigkeit b estand darin, die neue Optikhalterung genau dem Brillengeh
ause
der
i-glasses
anzupassen. Hierf
ur muten die Rundungen genau abgemessen werden, damit
die Ko ordinaten und Radien in die CNC-Fr
ase der mechanischen Werkstatt einprogram-
miert werden konnten. Eine gesamte Neugestaltung w
are unter diesem Asp ekt einfacher
gewesen, da dann alle Daten b ereitgestanden h
atten.
Abbildung 3.8:
Photo der neuen (links) und der urspr
unglich (rechts) in den
i-glasses
verwen-
deten Optikhalterung. Im linken Photo sind die Linsen und die Aussparung f
ur den Kamerachip
zu sehen.
Neue und alte Optikhalterung sind in Abbildung 3.8 dargestellt. Ein genaueres Bild
des
Redesigns
kann anhand der Abbildung 3.9 gewonnen werden, in der die Konstruktions-
zeichnung abgebildet ist. Die Halterung b esteht aus mehreren Einzelteilen, die nachtr
aglich
3.2. UMGESTALTUNG DER
I-GLASSES 37
SpiegelSpiegel
Linsenhalterungen
Aussparung für die LCDs
Abbildung 3.9:
Konstruktionszeichnung der neuen Optikhalterung.
zusammengef
ugt wurden. So b esteht das Hauptteil (Abb. 3.10) aus einer Platte aus schwar-
Abbildung 3.10:
Dieses Ab deckung wurde dem Geh
ause der i-glasses angepat. Es wird daran
festgeschraubt. In der Mitte b enden sich die Aussparungen f
ur die b eide LCDs. Die Mae der
Zeichnung sind in [ mm] angegeb en.
zen Kunststo, die exakt auf das Brillengeh
ause der
i-glasses
pat. Es b enden sich auf
der Platte Aussparungen und Fassungen f
ur die LCDs. Kleine Stege halten die Platine
zur Steuerung der LCDs in korrektem Abstand. Auerdem k
onnen in die Aussparungen
F
uhrungen f
ur die Schraub en eingesteckt werden. Auf der Unterseite der Platine werden
die Fassungen f
ur die Linsen (Abb. 3.11) angebracht. Diese sind so konstruiert, da die
Linsen ein bichen Spiel hab en und so etwas vor und zur
uck geschob en werden k
onnen.
Auf diese Weise k
onnen sich die Linsen auch vor bzw. hinter der Brenneb ene b enden, so
da die Strahlen aufgef
achert bzw. eingeengt werden. Dies erm
oglicht den Ausgleich von
38
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
für den
Auflage für die Linsen
Kamerachip
der Linsen
Spiegel
Spiegel
Justierungsmöglichkeit
Aussparung
Abbildung 3.11:
Abbildung der b eiden Linsenfassungen, so wie sie an der Brille angebracht
werden. Ob en b enden sich die LCDs, deren Bild
ub er den Spiegel umgelenkt wird und dann
durch die Linse ins Auge des Betrachters f
allt. Die Linsen sind so angebracht, da sie verschob en
werden k
onnen, so da Kurz- und Weitsichtigkeit komp ensiert werden kann.
Hyp ertonie und Myopie. Damit wird das Tragen einer zus
atzlichen `normalen' Brille nicht
mehr notwendig. Diese Einstellung mu f
ur jedes Auge individuell justiert werden.
3.2.3 Auswahl der Linsen
Groer Wert wurde auf die Auswahl der richtigen Linsen gelegt. Hierb ei kommt es auf
folgende Punkte b esonders an:
auerst kurze Brennweite (m
oglichst kleiner
als
f
=30mm f
ur eine starke Vergr
oerung)
geringe Linsenfehler, gute optische Eigenschaften
geringes Gewicht
passende Gr
oe
Leider widersprechen sich diese Forderungen teilweise. Eine kurze Brennweite erfordert
einen starken Kr
ummungsradius der Linse, was aufgrund der nicht mehr zu vernachl
assi-
genden Linsendicke zu stark ausgepr
agten Linsenfehlern f
uhrt. Um eine Auswahl zu treen,
wurden verschiedene Linsenarten und -formen genauer untersucht:
Material: Kunststo, Glas
Form: sph
arisch, asph
arisch, duplett
Fresnel-Linsen
3.2. UMGESTALTUNG DER
I-GLASSES 39
frei freier Durchmesser
d
frei
d Linsendicke
Linsendurchmesser
Abbildung 3.12:
Prinzip einer Fresnellinse. Je mehr Abstufungen die Linse b esitzt, desto feiner
wird ihre Au
osung.
Es zeigt sich, da Glaslinsen nicht geeignet sind, da sie bei Brennweiten von
f
= 30 mm
zum einen sehr dick werden und damit groe Linsenfehler aufweisen, zum anderen auch
vom Gewicht her nicht in Frage kommen. Auch Fresnel-Linsen (Abb. 3.12) scheiden als
Alternative aus. Sie hab en konstruktionsb edingt zwar ein geringes Gewicht und minimale
sph
arische Abb eration. Leider sind solche Linsen ab er standardm
aig kaum im Angeb ot,
sondern m
ussen als Sonderanfertigung in Auftrag gegeb en werden. Dies ist preislich erst
ab einer hohen St
uckzahl akzeptab el und kommt daher f
ur diese Arb eit nicht in Frage.
Getestet wurde eine Fresnel-Linse, die standardm
aig
4
angeb oten wird und den Anforde-
rungen am n
achsten kommt. Sie hat eine Brennweite von
f
= 22 mm, einem wirksamen
Durchmesser von
D
= 33 mm, eine Dicke von
d
= 1
:
3mm und 8 Abstufungen pro Mil-
limeter. Der wirksame Durchmesser vonn
D
= 33 mm reicht f
ur diese Anwendung nicht
aus. Auerdem ist eine Abstufung von nur 8 Stufen pro Millimeter f
ur diese Anwendung
zu gering.
So kommen Kunststo-Linsen der Firma
Eschenbach
5
zum Einsatz. Es werden zwei
plankonvexe
PXM
-Leichtlinsen
6
verwendet, die als Duplett hintereinander mit der eb e-
nen Seite jeweils nach auen benutzt werden. Das
PXM
-Material zeichnet sich durch
sein geringes Gewicht und seine hohe Bruchfestigkeit aus. Die Verwendung zweier Linsen
als Duplett hat den Vorteil, da Linsenfehler komp ensiert werden und das Linsenduplett
wie eine einzelne Linse mit einer kurzen Brennweite wirkt.
Zur genauen Bestimmung der Brennweite wurde das Verfahren nach Bessel [Walcher 89]
angewandt. Ein Gegenstand wird durch die Linse, deren Brennweite zu b estimmen ist, auf
einen Schirm abgebildet. Dab ei gibt es zwei Stellungen der Linse, bei denen ein scharfes
Bild ensteht (Abb. 3.13). Aus dem Abstand
d
dieser b eiden Stellungen und dem Ge-
samtabstand
l
zwischen Gegenstand und Bild kann die Brennweite
f
wie folgt ermittelt
4
bei Fresnel Optics
5
Die Linsen wurden freundlicherweise von der Firma
Eschenbach
zur Verf
ugung gestellt.
6
PXM
ist eingetragenes Warenzeichen der Firma
Eschenbach
.
40
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
d
Bild
Gegenstand
Linsenposition 1 Linsenposition 2
l
Abbildung 3.13:
Versuchsanordnung zur Bestimmung der Linsenbrennweite nach dem Bessel-
verfahren.
werden:
f
=
1
4
l
,
d
2
l
(3.2)
Die Bestimmung dieses Linsendupletts ergab einen Wert von
f
=27mm. Damit kann der
Wert f
ur die Lup envergr
oerung errechnet werden:
V
=
d
0
f
=9
;
26 (3.3)
Hierb ei entspricht
d
0
der deutlichen Sehweite, die b ei 250 mm liegt.
3.2.4 Zusammenbau der Brille
Bei dem Zusammenbau der Brille mute b eachtet werden, da die b eiden identischen
Bilder, die von den LCDs geliefert werden, so ins Auge fallen, da das Gehirn dar-
aus ein Bild entstehen l
at. Bei unterschiedlicher Abbildung von Gegenst
anden auf den
Netzh
auten b eider Augen spricht man von Querdisparation. Bei zu groer Querdisparation
enstehen Dopp elbilder. Nur bis zu einem b estimmten Grad der Querdisparation werden
diese st
orenden Dopp elbilder unterdr
uckt [Schmidt 97]. Es zeigt sich, da es b ei einer nur
geringf
ugigen Fehlstellung der b eiden Linsenhalterungen dem Gehirn nicht mehr gelingt,
die zwei identischen Bilder zu einem zu fusionieren, sondern da ein Dopp elbild entsteht,
welches sich in der Mitte
ub erlappt. Dieses Problem spielt auch b eim Bau von Ferngl
asern
eine Rolle. Hierb ei mu als Regel b eachtet werden, da die Abweichung der optischen
Achsen b ezogen auf die Augenstellung maximal:
divergent: 10' Winkelminuten
konvergent: 60' Winkelminuten
ho ch/tief: 10' Winkelminuten
3.2. UMGESTALTUNG DER
I-GLASSES 41
b etragen darf, da es sonst zu einer St
orung o der Au
osung der Fusion und somit zum
Dopp elbild kommt [Ko enig 59]. Auf keinen Fall d
urfen die Bilder gegeneinander verdreht
sein, da das Gehirn solche Verdrehungen nichtkomp ensieren kann.
Ein weiteres Problem ist, da eine Spule, die f
ur die Spannungsversorgung einer Be-
leuchtungseinheit auf der Steuerungsplatine f
ur die LCDs verantwortlich ist, sehr hei wird.
Nachdem sowohl der vorgeschaltete Spannungsregler, als auch die Spule ausgewechselt
wurden, ab er keine Besserung eintrat, ist klar, da eine der Lamp en zur Beleuchtung der
LCDs zuviel Strom verbraucht. Messungen hab en ergeb en, da der Energieverbrauch der
i-glasses
b ei knapp 4 W liegt. Damit weichterum1Wvon den 3 W Herstellerangab en ab.
Leider konnte dieses Problem nicht b ehob en werden, f
uhrt ab er zu keiner Einschr
ankung
der Funktionalit
at des Systems. Da die Spule sich in dem Brillengeh
ause b endet kommt
dieser Defekt nichtweiter zum Tragen. Er ist nur an einer Erw
armung des Brillengeh
auses
zu b emerken.
Abbildung 3.14:
Die LCD-Brille. Die Optik wurde ersetzt und der Kamerachip vorne an der
Brille montiert. Die b eiden Kab el rechts im Bild stellen die Verbindung zur Kamera (helles
Kab el) und zu den LCDs (dunkles Kab el) her.
Die Abbildung 3.14 zeigt die fertiggestellte LCD-Brille mit neuer Optik. Vorn auf der
Brille in dem quadratischen Geh
ause steckt der Kamerachip auf der Kameraplatine.
42
KAPITEL 3. OPTISCHES AUSGABEGER
AT
Kapitel 4
Die Hardware-Peripherie
In diesem Kapitel werden die einzelnen Hardwarekomp onenten b eschrieb en, die neb en
der
LCD-Bril le
no ch f
ur das System ben
otigt werden. Dab ei wird detaillierter auf die
ADC-Platine
eingegangen, da diese im Rahmen des Pro jektes hergestellt worden ist.
4.1 Computer
Zur Datenverarb eitung wird ein PC ben
otigt. Um die Portabilit
at zu gew
ahrleisten
wird ein Noteb o ok gew
ahlt. Zuerst wurde das Noteb o ok
Portege 610 CT
von
Toshiba
mit einem Pentium
90-Prozessor verwendet. Es stellte sich do ch schnell heraus, da die
Geschwindigkeit dieses Noteb o oks nicht f
ur die recht aufwendige Bildverarb eitung und
-darstellung ausreicht. So werden die Bewegungen der Kamera nur stark verz
ogert regi-
striert, was f
ur das System unakzeptab el ist, da eine verz
ogerte Ausgab e der Kameradaten
eine Orientierung sehr erschwert, und das System so keine sinnvolle Hilfe bieten kann. Ne-
ben der geringen Prozessorleistung ist vor allen Dingen die Graphikkarte des Noteb o oks
den hohen Geschwindigkeitsanforderungen nicht gewachsen. Diese Gr
unde f
uhrten zu dem
Kauf und der Verwendung eines schnelleren Noteb o oks. Es wurde das Noteb o ok
Tecra
8000
von
Toshiba
gew
ahlt. Neb en einem Pentium
II Prozesser mit 300 MHz Taktrate
und einer schnellen Graphikkarte b esitzt dieses Noteb o ok einen Videoausgang. Damit
ist die Benutzung des PC-Interfaces nicht mehr erforderlich, was f
ur die Portabilit
at des
Gesamtsystems einen entscheidenden Vorteil bietet.
4.2 Kamerachip
Als Kamera (Abb. 4.1) werden die von Herrn Markus Lo ose [Lo ose 98] entwickelten
Kamerachips verwendet. Zum einen ein Chip mit einer Au
osung von 64
64 Pixeln
und andererseits eine neue Chipgeneration mit 96
72 Pixeln. Die Chips sind in CMOS-
Technologie gefertigt und hab en gegen
ub er kommerziellen Systemen auf CCD-Basis meh-
rere Vorteile. Zum einen b esitzen sie einen hohen dynamischen Bereichvon mehr als sechs
Dekaden in der Lichtintensit
at (Abb. 4.1), zum anderen b esteht die M
oglichkeit, auf dem
43
44
KAPITEL 4. DIE HARDWARE-PERIPHERIE
30 mm
Objektiv
Chipsockel Mondschein Solarkonstante
Abbildung 4.1: Links:
Kamera
Rechts:
Logarithmisches Antwortverhalten eines Pixels (aus:
[Lo ose 98 ])
Chip weitere Funktionen unterzubringen. So k
onnen Single-Chip Kameras realisiert wer-
den, die auf die individuelle Anwendung zugeschnittene Signalverarb eitung, wie z.B. Bild-
verarb eitung, b ereits auf dem Chip durchf
uhren k
onnen. Der Dynamikb ereich von sechs
Dekaden wird durch eine logarithmische Kompression erreicht: Das zur Lichtintensit
at pro-
p ortionale Signal der Photo dio den wird logarithmiert und verst
arkt. Eine automatische
Blenden-Regelung gleicht den ausgegeb enen Grauwerteb ereich den Lichtverh
altnissen an.
Weiterhin b endet sich auf dem Chip eine
xed pattern noise
-Korrektur. Diese Korrektur
ist auf Grund der hohen Pixel-zu-Pixel Variationen unumg
anglich, wird ab er gew
ohnlich
nicht direkt auf dem Chip durchgef
uhrt.
Gerade f
ur die Anwendung in diesem Pro jekt ist der Dynamikb ereichvon sechs Dekaden
b esonders n
utzlich. Beispielsweise b etr
agt der Unterschied zwischen der Solarkonstanten
(10
3
W
=
m
2
) und der durchschnittlichen Lichtintensit
at b ei Mondschein (10
,
3
W
=
m
2
) genau
sechs Dekaden. Damit werden Bildaufnahmen in dem Helligkeitsb ereich erm
oglicht, den
auch das menschliche Auge ab deckt. Eine externe mechanische Blendenregelung ist wegen
der automatischen elektronischen Blendenregelung nicht mehr erforderlich. Dadurch bleibt
die Kamera sehr kompakt und kann problemlos an der
LCD-Bril le
montiert werden.
Die neue Chip-Generation mit einer Au
osung von 96
72 Pixeln bietet dazu no ch
weitere
Features
. Diese k
onnen
ub er drei Tasten direkt an der Kamera eingestellt werden.
So wird die M
oglichkeit geb oten, eine wahlfreie Auslese b eliebiger Bildb ereiche vorzuneh-
men. Es ist ein digitaler Zo om und eine Mittelung von bis zu 8
8 Pixeln implementiert.
Neb en einem sp eziellen analogen Ausgang f
ur eine maximale Auslesefrequenz von 8 MHz
b esitzt diese Kamera auch einen Videoausgang.
4.3. ADC-PLATINE
45
4.3 ADC-Platine
Parallelp ort Kamera
Pin Name Bemerkung Pin Name
1 nStrob e WriteSlct 1 Reset
2 Data0 D0/SerClk 2 ReadRdy
3 Data1 D1/SerData(Chip)
!
Datain 3 ValRdy
4 Data2 D2/SerData(DAC)
!
DatainDAC 4 ReadEnable
5 Data3 D3 5 SerClk
6 Data4 D4 6 WriteSlct
7 Data5 D5 7 Analogout
8 Data6 D6 8 Datain
9 Data7 D7 9 Gnd
10 nAck nAck 10 DatainDAC
11 Busy high 11 Power (8 V)
12 PE nInit 12 PictBegin
13 Select {
14 nAutofd nCS1 (DAC)
15 nError {
16 nInit PE/Reset
17 nSelectin Readenable
18 Gnd Gnd
19 Gnd Gnd
20 Gnd Gnd
21 Gnd Gnd
22 Gnd Gnd
23 Gnd Gnd
24 Gnd Gnd
25 Gnd Gnd
Tab elle 4.1:
Steckerb elegung des Parallelp orts und 64
64-Kamerachips. Unter Bemerkung ist
die weitere Verbindung des jeweiligen Pins auf der Platine b eschrieb en.
Um die analogen Kameradaten mit dem Computer b earb eiten zu k
onnen, m
ussen diese
zuerst digitalisiert werden. Dies geschieht in der Hauptsache mit einem Analog-Digital-
Wandler (ADC
1
). Damit der ADC verwendbare Daten liefert, mu ein b estimmtes Timing
eingehalten werden (Abb. 4.2), was durch ein
Handshaking
realisiert wird. Es wird als
ADC ein 8-Bit ADC (
MAX 153CWP
2
) im
SO
-Geh
ause verwendet. Desweiteren mu
no ch die Stromversorgung f
ur den ADC geregelt werden. All diese Funktionen sind auf
1
A
nalog
D
igital
C
onverter
2
Der
Max 153CWP
wurde von der Firma
MAXIM
b ezogen.
46
KAPITEL 4. DIE HARDWARE-PERIPHERIE
READ2
CS
WR
RD
INT
D0-D7
tWR
tt
t
t
t
t
tCSS CSH
p
RD
INTL
ACC2 DH
INTH
t
t
Abbildung 4.2:
Der ADC wurde im WR-RD Mo de Timing (
t
RD
> t
IN T L
) (
M ode
= 1) ver-
wendet. (Aus [Maxim 93])
einer Platine implementiert. Es wurde versucht, diese m
oglichst klein zu halten. Sie ist mit
dem Programm
Allegro
entworfen und dann mit einem Fr
asb ohrplotter gefertigt worden.
Alle n
otigen Funktionen sind so auf einer Platine von einer Gr
oe von nur 19
47 mm
untergebracht (Abb. 4.3). Die Verbindung zum Computer wird durch eine 25-p olige Kon-
taktleiste gew
ahrleistet, die direkt mit dem Parallelp ort des Computers verbunden werden
kann. Auf der Platine b enden sich auerdem eine Steckerleiste mit 12 Anschl
ussen f
ur
die Kamera und zwei Anschl
ussen f
ur die Stromversorgung. Diese kann wahlweise 9 V o der
5V b etragen.
Die Steckerb elegungen des 12-p oligen Anschlusses f
ur die Kamera und die der 25-p oligen
Steckerleiste f
ur den Anschlu an den Parallelp ort des Computers sind in Tab elle 4.1 be-
nannt. Eine Schaltskizze ist in Abbildung 4.5 zu sehen. Um eine b essere
Ub ersichtlichkeit
zu gew
ahrleisten, wurden h
aug die Verbindungen nicht durchgezogen, sondern nur be-
nannt. Leitungen mit gleichen Namen bilden ein Netz auf der Platine und sind somit
verbunden.
Ob en in der Schaltskizze ist die Stromversorgung skizziert. Der 9 V -Anschlu ist f
ur
einen station
aren Gebrauch mit der Versorgung
ub er ein 9 V-Netzteil gedacht, welches
auch f
ur die Spannungsversorgung des PC-Interfaces ben
otigt wird. Um auch einen net-
zunabh
angigen Betrieb zu erm
oglichen, kann der 5 V-Anschlu genutzt werden. Die 5V
werden
ub er einen DC/DC-Wandler auf 9 V transformiert. Die 5 V k
onnen direkt aus dem
Noteb o ok abgegrien werden. Hierzu wurde ein Kab el zusammengel
otet, welches auf der
einen Seite einen PS/2-Stecker, welcher in den PS/2-Anschlu des Noteb o oks pat und
4.3. ADC-PLATINE
47
Steckerleiste
für den Kamera-
stecker
Wandler
Monoflop
Powerversor-
gung 9 V
ADC
Powerversor-
gung 5 V
DC/DC-
DAC
NAND-Gatter
Stecker zur
Umschaltung
zwischen den
Kamerachips
Abbildung 4.3: Links:
Platinenob erseite
Rechts:
Unterseite
auf der anderen Seite einen Stecker f
ur den Anschlu an die ADC-Platine b esitzt. Diese
5V k
onnen auch f
ur die Versorgung der
i-glasses
im Videob etrieb genutzt werden, so da
das gesamte System unabh
angig von einem festen Netzanschlu ist und vollst
andig
ub er
den Akku des Noteb o oks versorgt werden kann. Die 9 V werden in der weiteren Schaltung
stabilisiert und gegl
attet. Links daneb en b endet sich die 12-p olige Pfostenleiste f
ur den
Kamera-Stecker und darunter die f
ur den Parallelp ort. Weiter unten b endet sich der
ADC, der die eigentliche Aufgab e der Digitalisierung der analogen Daten erf
ullt. Mit den
darunter eingezeichneten NAND-Gattern wird das
Handshaking
durchgef
uhrt, welches das
vom ADC geforderte Timing (Abb. 4.2) realisiert. Der auch no ch eingezeichnete DAC
und die Op erationsverst
arker sind daf
ur da, dem ADC die richtigen Referenzspannungen
V
RE F
,
und
V
RE F
+
zu liefern. Die b eiden 220 nF-Kondensatoren, die sich jeweils am Aus-
gang der Op erationsverst
arker b enden, sind zwar auf der Platine vorgesehen, ab er nicht
b est
uckt. Sie sollen eventuell vorhandenes Rauschen unterdr
ucken. Es b esteht ab er die
Gefahr, da mit diesen Kondensatoren die Ausg
ange der Op erationsverst
arker zu schwin-
gen b eginnen. Da dieser Bereich der Platine nicht sonderlich rauschempndlich ist, d
urften
diese Kondensatoren keine groe Auswirkung hab en, so da auchkeine Verb esserung durch
sie erwartet wird. Daher wird auf eine Best
uckung verzichtet. F
ur den neuen Kamera-
chip mit der Au
osung 96
72 ist ein mo diziertes
Handshaking
erforderlich. Hierf
ur ist
auf der Platine eine Leitung so verlegt, da je nach Kameramo dell die notwendige Ver-
bindung hergestellt werden kann. So ist bei dem neuen Kamerachip genau die invertierte
48
KAPITEL 4. DIE HARDWARE-PERIPHERIE
unten1357911131517
24681012141618
13579111315
246810121416
oben
unten
oben
Abbildung 4.4: Links:
Skizze des Adaptersteckers. Ob en ist die Pinb elegung f
ur die Verwen-
dung des 64
64-Kamerachips dargestellt, die durch diesen Adapter in die untere Pinb elegung
f
ur den 96
72-Kamerachip
ub ergeht. Die Zuordnung der Leitungsnummer zu den einzelnen
Leitungen ist Tab elle 4.2 zu entnehmen.
Rechts:
Photo des Adaptersteckers.
Darstellung der ReadReady-Leitung erforderlich. Um diese zu erhalten, mu einfach die
Steckverbindung auf der R
uckseite der Platine umgesteckt werden (Abb. 4.3).
Die Platine wurde mit einem Fr
asb ohrplotter
3
gefr
ast und durchkontaktiert. Die Pla-
tine ist in
Allegro
entworfen worden, diese Daten sind dann in das Programm
CircuitCam
imp ortiert und dort f
ur den Fr
asb ohrplotter aufb earb eitet worden. Dieser kann dann mit
dem Treib erprogramm
BoardMaster
und den Daten aus
CircuitCam
angesteuert werden.
Die Durchkontaktierungen hab en Probleme b ereitet, dergestalt da viele Vias ho ch-
ohmig waren und daher nachtr
aglich no ch mit L
otzinn b earb eitet werden o der durch
F
adeldr
ahte umgangen werden muten. Dab ei kostete es viel Zeit und Geduld die je-
weiligen ho chohmigen Verbindungen zu nden und zu b eheb en.
Kameraadapterstecker
Um die Platine auch f
ur den neuen Kamerachip verwenden zu k
onnen, mute ein Ad-
apterstecker gebaut werden, da die Steckerb elegung sich etwas von der urspr
unglichen
Steckerb elegung unterscheidet.
In Tab elle 4.2 sind die b eiden Steckerb elegungen der b eiden Kamerachip-Generationen
aufgelistet. In Abbildung 4.4 ist der Adapterstecker schematisch dargestellt. Der Adap-
ter wurde f
ur den Stecker entwickelt, der direkt in den Steckkontakt der Kameraplatine
geh
ort. Dieser Steckkontakt wurde gew
ahlt, um die analoge Datenleitung in der abge-
schirmten Ader des Verbindungskab els zwischen Kamera und ADC-Platine b elassen zu
k
onnen. Ansonsten h
atte ein neues Verbindungskab el erstellt werden m
ussen. Der Ad-
apterstecker ist ab er so klein gehalten, da er nur eine Verl
angerung des urspr
unglichen
Steckers um 7 mm b edeutet.
3
LPKF ProtoMat 91s/VS
der Firma
LPKF CAD/CAM Systeme GmbH
4.4. PC-INTERFACE
49
Pinb elegung Bezeichnung Pinb elegung
96
72-Chip 64
64-Chip
1 Reset 1
2 ReadReset 6
3 ReadWait 2
4 ValRdy 3
5 LineStart 4
6 FrameStart 5
7 SerClk 8
8 DataIn 9
9 WritSlct 7
10 VideoOut -
11 Out OP -
12 Out Sourcefollow 16
13 Power (9-12
V
) 14
14 GND 15
15 EEPROM Clk -
16 EEPROM CS -
17 EEPROM DataOut SI -
18 EEPROM DataIn SO -
Tab elle 4.2:
Steckerb elegung des Kamerachips f
ur die 96
72 und die 64
64-Kamera.
4.4 PC-Interface
Das PC-Interface dient der Wandlung der Daten von VGA-Graphikformat in Video-
format. Diese Konvertierung wird nur ben
otigt, falls das System mit einem PC ohne
Videoausgang benutzt wird. Da f
ur diese Arb eit ein Noteb o ok mit Videoausgang zur
Verf
ugung steht, d.h. diese Datenumwandlung hier intern schon im Rechner stattndet, ist
es in diesem Fall nicht mehr notwendig. Im Anhang A b enden sichunter den technischen
Daten der
i-glasses
auch Angab en zum PC-Interface.
4.5 Gesamtsystem
Bei der Nutzung des Videoausganges des Noteb o oks
Tecra
ist zu b eachten, da es nur
dann m
oglich ist, ein Videosignal auszugeb en, wenn nicht die h
ochste Farbtiefe gew
ahlt
wird. Dann b esteht ab er die M
oglichkeit, zwischen verschiedenen Ausgab en zu w
ahlen,
namentlich zwischen dem Display des Noteb o oks, einem externe Bildschirm o der einer
Ausgab e
ub er den Videoausgang. Mit den Funktionstasten
Fn+F5
k
onnen die einzelnen
Ausgab emo di gew
ahlt werden. Es ist m
oglich, gleichzeitig zwei Mo di zu w
ahlen. Z.B. ist
es f
ur diese Anwendung sinnvoll, zu Testzwecken das Bild sowohl auf einem Bildschirm,
50
KAPITEL 4. DIE HARDWARE-PERIPHERIE
als auch in der
LCD-Bril le
auszugeb en.
Bei der Verwendung der
i-glasses
mit dem PC-Interface mu darauf geachtet werden,
da die Bildschirmau
osung und damit das VGA-Signal f
ur den Bildschirm nicht h
oher
als 640
480 (Standard-VGA-Au
osung) ist, da es sonst in der
LCD-Bril le
nicht zu einer
Anzeige kommt. Eb enso sollte darauf geachtet werden, da die vertikale Bildschirmwie-
derholfrequenz zwischen 60 und 70 Hz liegt, was dem Standard-VGA-Mo dus entspricht.
Eine Abbildung (Abb. 2.3) des Gesamtsystems b endet sich in Kapitel 2. Dort k
onnen
die hier b eschrieb enen Einzelteile, die das Gesamtsystem bilden, wiedergefunden werden.
Das ganze System l
at sich problemlos im mobilen Einsatz verwenden. Das Noteb o ok
bildet das mit Abstand gr
ote und mit knapp 3Kg schwerste Einzelteil dieses Systems.
Hier sollte die M
oglichkeit, die notwendigen Aufgab en durch sp eziell f
ur diese Aufgab e
no ch zu entwickelnde Hardwarebauteile erf
ullen zu lassen, in Zukunft genutzt werden.
4.5. GESAMTSYSTEM
51
Abbildung 4.5:
Die Schaltung, wie sie auf der Platine realisiert wurde (Beschreibung siehe
Text).
52
KAPITEL 4. DIE HARDWARE-PERIPHERIE
Kapitel 5
Die Software
Das
Visor-Programm
[Schemmel 97] wurde von Herrn J. Schemmel entwickelt, um die
von der Kamera gelieferten Daten in den Sp eicher des Computers einzulesen, dort weiter-
zuverarb eiten und dann auszugeb en. Die Hauptmerkmale des
Visor-Programmes
sind:
Programmierung der Kameraeinstellungen
Softwarem
aige Korrektur des
xed pattern noise
1
M
oglichkeit der Bildverarb eitung in Form von Ausgab e-Mo dulen, die in
b eliebiger Reihenfolge auch hintereinander geschaltet werden k
onnen
Einlesen von Bitmaps zum Testen der Bildverarb eitung
Aufzeichnung und Wiedergab e von Bildsequenzen
Abbildung 5.1 zeigt einen m
oglichen Bildschirmaufbau.
5.1 Beschreibung des
Visor-Programmes
Das
Visor-Programm
b esteht aus einem Hauptprogramm, dem weitere Mo dule hin-
zugef
ugt werden k
onnen. Es l
auft unter
Windows 95/98
und ist in C++
2
geschrieb en.
C++ ist eine ob jektorientierte Programmiersprache, d.h. ein wesentliches Element stellen
\Klassen" dar. Eine Klasse kann Daten und Funktionen enthalten. Ihre Eigenschaften
k
onnen von anderen Klassen geerbt werden. So k
onnen z.B. Fensterklassen zur graphi-
schen Benutzerob er
ache auf andere Klassen
ub ertragen werden. Bei der Programmierung
kann auf schon vorhandene Klassen zur
uckgegrien werden, so da viele Ob jekte schnell
ohne groen Aufwand realisiert werden k
onnen. Ein groer Vorteil der ob jektorientierten
Programmierung ist, da auch umfangreiche Programme
ub ersichtlich gestaltet werden
k
onnen.
1
xed pattern noise
ist der Ausdruck f
ur Pixelvariationen, deren Ursache in der Kamerahardware
b egr
undet ist, also nichts mit dem eigentlich aufgenommenen Bild zu tun hab en. Diese Variationen sind
daher zeitlichkonstant und k
onnen softwarem
aig korrigiert werden.
2
Borland C++
f
ur Windows, Version 5.01
53
54
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
Abbildung 5.1:
Visor-Hauptfenster und zwei Mo dul-Fenster. Zum einen rechts das
Camera
-
Fenster, in dem die Kamera-Bilder erscheinen und unten der Deriche-Filter, dessen Einstellungen
rechts in dem Parameter-Fenster zu sehen sind.
Die Men
upunkte des Hauptprogrammfensters sind in Tab elle 5.1 aufgelistet. Im Men
u-
punkt
File
kann ein Bild im Bitmap-Format
3
gew
ahlt und eingelesen werden. Auerdem
b endet sich unter diesem Men
upunkt der
Exit
-Button zum verlassen des Programmes.
Wichtig ist das
Input
-Men
u. Hier kann zwischen verschiedenen Eingab e-M
oglichkeiten
gew
ahlt werden. F
ur dieses Pro jekt wurde haupts
achlich die Kamera als
Input-Device
gew
ahlt, um ab er Filter zu testen, waren teilweise auch Bitmaps sehr hilfreich. Wird
die Kamera als
Input-Device
selektiert, so erscheint automatisch ein Dialogfenster zur
Einstellung der Kameraparameter (Abb. 5.2). Hier k
onnen u.a. die DACs auf der ADC-
Platine und auch auf der Kamera-Platine eingestellt werden. Die Dialogfenster des 64
64-
und des 96
72-Kamerachips unterscheiden sich etwas in ihrem Aufbau.
3
Es gibt zwei grunds
atzlichverschiedene Arten, Graphiken zu sp eichern, die Bitmap- und die Vektor-
Darstellung. Bei dem Bitmap-Format wird die Graphik in einzelne Bildpunkte zerlegt und diese werden
als Bit-Muster (Bitmap) gesp eichert. Damit wird im wesentlichen der Bildschirmsp eicher dargestellt.
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
55
File Input Clipb oard Filter Filtersize Options Help
New Bitmap Bitmap Copy Select 20*20 Grid Ab out
Op en Bitmap Camera Paste Ro ot Filter 32*32 Rotate Help
Picture 1 TCP/IP Filters 40*40 Hor. line
Picture 2 As Childs 48*48 Ver. line
Op en Video 64*64 View x2
Save as ASCI I 96*96 View x3
Print 128*128 View x4
Printer Setup Custom
Exit
Tab elle 5.1:
Men
upunkte mit Untermen
us zum Visor-Hauptprogrammfenster.
Der Men
upunkt
Clipboard
enth
alt die
ublichen
Copy
und
Paste
Funktionen.
Unter
Filter
kann der sogenannten \Ro ot-Filter" ausgew
ahlt werden. Damit ist das
prim
are Mo dul gemeint, von dem alle anderen Mo dule abh
angen, so da eine Baumstruk-
tur entsteht. Das vom Hauptprogramm
ub ermittelte Bild wird an die untergeordneten
Weiterverarb eitungsmo dule
ub ergeb en. Hier kann das Bild u.a. mit verschiedenen Bild-
verarb eitungsltern b earb eitet werden. Auerdem sind verschiedene ausgab eb ezogene Mo-
dule integriert, wie z.B. das Mo dul zur Vollbildschirmdarstellung. In jedem Mo dul wer-
den die Daten des
ub ergeordneten Mo duls aufgenommen und weiterverarb eitet und je
nach Einstellung an andere Mo dule weitergeleitet. F
ur diese Anwendung wurde meist der
\Camera"-Filter als Hauptmo dul o der Ro ot-Filter verwendet. Von diesem aus k
onnen
dann alle anderen Filter b eliebig angew
ahlt werden.
Mit
Filtersize
kann aus einer Reihe von verschiedenen Filtergr
oen gew
ahlt werden.
Wird die Kamera als
Input-Device
verwendet, mu je nach Kameramo dell eine Filtergr
oe
von 64
64 bzw. von 96
72 gew
ahlt werden.
Mit
Options
k
onnen z.B. aus einem Bitmap nur eine horizontale o der vertikale Linie
angezeigt werden o der der anzuzeigenden Bildausschnitt vergr
oert werden. Dies kann f
ur
Testzwecke sehr hilfreich sein.
Eine Dokumentation des Programmes kann unter
Help
abgerufen werden.
Die ob en angespro chen Aufnahme und Wiedergab e von Bildsequenzen wird
ub er die
unter der Men
uleiste angebrachten Buttons (Abb. 5.1) gesteuert. Hier b esteht die M
oglich-
keit, Eingangsbilder o der auch die Ausg
ange von einzelnen Mo dulen aufzuzeichnen.
5.2 Neue Implementierungen
Neu zu dem Programm dazugekommen sind drei Mo dule:
HVES-Modul
Deriche-Filter
56
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
Abbildung 5.2:
Visor-Hauptfenster, welches teilweise von dem Dialogfenster zur Einstellung
der Kameraparameter
ub erdeckt wird.
Vollbildschirm-Darstellung
In den n
achsten b eiden Unterkapiteln werden diese Mo dule ausf
uhrlich b eschrieb en. Sie
sind sp eziell f
ur die Anwendung der
LCD-Bril le
programmiert, wob ei sie nat
urlich auch
mit allen anderen Programmteilen des
Visor-Programmes
verwendet werden k
onnen.
5.2.1 Filtermo dule
Eine wichtige Aufgab e der Software b esteht in der digitalen Bildverarb eitung. Dar-
unter wird allgemein die Bearb eitung der Originalbilddaten verstanden. Hier gibt es ver-
schiedene Algorithmen, die zur Anwendung kommen k
onnen. Da bei diesem Pro jekt eine
Vereinfachung und Verdeutlichung des Originalbildes angestrebt wird, kommen hier Filter
zur Kantendetektion in Frage. Diese Filter hab en die Aufgab e, Kanten m
oglichst kon-
trastreich darzustellen, ohne das Kamera-Rauschen zu verst
arken. Die Unterdr
uckung von
Rauschen geschieht durch sogenannte Gl
attungsop eratoren. Dab ei wird angenommen, da
lokale Grauwertschwankungen als St
orungen zu interpretieren sind. Die so angestrebte
Bildverb esserung soll m
oglichst nicht auf Kosten der Bildsch
arfe erreicht werden.
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
57
Gl
attungslter
Die einfachste Form der Gl
attung b esteht darin, da der Mittelwert in einer b estimmten
Umgebung eines Punktes b erechnet wird. Aus Symmetriegr
unden wird meist eine quadra-
tische 3
3, 5
5, 7
7
;:::
-Umgebung gew
ahlt. Wenn nun
S
=(
s
(
x; y
)) ein Grauwertbild
mit 256 Graustufen ist, so mu f
ur eine
m
m
-Umgebung folgende Rechnung durchgef
uhrt
werden:
S
,!
S
0
:
s
0
(
x; y
)=
1
m
2
k
X
u
=
,
k
k
X
v
=
,
k
s
(
x
,
u; y
,
v
)
;
(5.1)
wob ei
m
= 3
;
5
;
7
;:::
und
k
= (
m
,
1)
=
2 ist. So b erechnet sich zu jedem Bildpunkt
s
(
x; y
) der Mittelwert der
m
m
-Umgebung, der
s
0
(
x; y
) zugewiesen wird. F
ur eine 3
3
-Umgebung werden folgende Werte mit in die Berechnung einb ezogen:
0
@
s
(
x
,
1
;y
+1)
s
(
x; y
+1)
s
(
x
+1
;y
+1)
s
(
x
,
1
;y
)
s
(
x; y
)
s
(
x
+1
;y
)
s
(
x
,
1
;y
,
1)
s
(
x; y
,
1)
s
(
x
+1
;y
,
1)
1
A
(5.2)
Ein Problem ergibt sich f
ur die Randwerte, da z.B. kein Grauwert f
ur die Position
(
,
1
;
,
1) deniert ist. Diese Problem kann gel
ost werden, indem im einfachsten Fall die
ben
otigten Werte zuvor auf einen b estimmten Grauwert festgesetzt werden, o der b esser,
indem der Randb ereich des Bildes zu allen Seiten fortgesetzt wird.
Die Berechnung des Mittelwertes kann auch als Faltungsop eration [Hab er
acker 91]be-
trachtet werden. Allgemein ist die Faltung zweier Funktionen
s
(
x; y
) und
h
(
x; y
) der dis-
kreten Variablen
x
und
y
folgendermaen deniert:
1
X
u
=
,1
1
X
v
=
,1
s
(
x
,
y; y
,
v
)
h
(
u; v
)
:
(5.3)
Da hier ab er nur
ub er eine
m
m
-Umgebung des Bildes
S
gemittelt werden soll, kann die
Gleichung 5.1 als Faltung des Bildausschnittes mit einer Maske
H
= (
h
(
u; v
)) b etrachtet
werden:
s
0
(
x; y
)=
1
m
2
m
,
1
X
u
=0
m
,
1
X
v
=0
s
(
x
+
k
,
u; y
+
k
,
v
)
h
(
u; v
) (5.4)
mit
k
=(
m
,
1)
=
2 und
m
=3
;
5
;
7
;:::
. Die Maske
H
hat b ei der einfachen Mittelwertbil-
dung mit z.B.
m
=3 folgendes Aussehen:
H
=(
h
(
u; v
)) =
0
@
1 1 1
1 1 1
1 1 1
1
A
(5.5)
DurchVer
anderung der Werte in dieser Maskek
onnen die einzelnen Umgebungspixel
s
(
x; y
)
unterschiedlich stark gewichtet werden. So kann z.B. der Wert
h
(2
;
2) = 2 gesetzt werden,
so da der Grauwert der Mitte der Umgebung dopp elt gewertet wird. Allerdings w
are
58
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
dann der Mittelwert
S
0
auch bei homogenen Bild anders als von
S
. Soll der Mittelwert
erhalten bleib en, so m
ussen die Elemente von
H
normiert werden, so da ihre Summe
m
2
ergibt. Damit ergibt sich f
ur die Maske mit dopp elt gewichteter Mitte folgendes:
H
=(
h
(
u; v
)) =
0
@
0
:
9 0
:
9 0
:
9
0
:
9 1
:
8 0
:
9
0
:
9 0
:
9 0
:
9
1
A
(5.6)
Zur Vereinfachung wird der Faktor
1
m
2
aus Gleichung 5.4 im folgenden in die normierte
Maske
H
mit einb ezogen, so da die Summe der Elemente von
H
eins ergibt.
Eine b essere Gl
attung wird mit der Binomialmaske[J
ahne 93] erhalten. Dab ei wird die
Gausche Funktion im diskreten Bild durch die Binomialverteilung approximiert. Diese
kann im Pascalschen Dreieck dargestellt werden:
n
=0 1
n
=1 1 1
n
=2 1 2 1
n
=3 1 3 3 1
n
=4 1 4 6 4 1
n
=5 1 5 10 10 5 1
n
.
.
.
(5.7)
F
ur die 2. Ordnung (
n
= 2) lauten damit die Ko ezienten: (1 2 1). Die zweidimen-
sionale Binomialmaske ergibt sich dann durch Faltung einer horizontalen und vertikalen
1D-Binomialmaske. F
ur den Fall der zweiten Ordnung folgt:
H
=
1
4
(1 2 1)
1
4
0
@
1
2
1
1
A
=
1
16
0
@
1 2 1
2 4 2
1 2 1
1
A
(5.8)
Ein Beispiel ist in Abbildung 5.4 gezeigt. Dort wird auf ein Originalbild der Binomiallter
angewandt, so da eine Gl
attung zu erkennen ist. Allerdings wirkt das Bild insgesamt auch
unsch
arfer.
Kantendetektion
Es k
onnen nun auch no ch negative Werte in der Maske zugelassen werden, so da
Dierenzop eratoren entstehen. Ergibt die Summe aller Elemente von
H
null, so errechnet
sich f
ur homogene Bildb ereiche der Wert null. Bei Grauwert
ub erg
angen wird die St
arke
des
Ub erganges geliefert. So k
onnen Grauwertkanten und Linien aus Bildern extrahiert
werden. Eine Dierenzbildung b ei einer Funktion mit diskretem
x
hat die Form:
s
(
x
+1)
,
s
(
x
)
x
+1
,
x
=
s
(
x
+1)
,
s
(
x
) (5.9)
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
59
Eine einfache Dierenzbildung zwischen zwei Werten ist in der Praxis nicht einsetzbar,
da dies zu anf
allig gegen
ub er St
orungen, wie z.B. Rauschen, ist. Einer der bekanntesten
Kantenop eratoren, bei dem auch weitere Nachbarn no ch ber
ucksichtigt werden, ist der
Sob elop erator mit folgenden Masken:
H
x
=
0
@
1 2 1
0 0 0
,
1
,
2
,
1
1
A
H
y
=
0
@
1 0
,
1
2 0
,
2
1 0
,
1
1
A
(5.10)
Hier wird die Dierenzbildung zur
ub ern
achsten Zeile bzw. Spalte b erechnet, so da kleine
St
orungen direkt b enachbarter Pixel das Ergebnis nicht b eeinussen. Eine Rauschminde-
rung wird durch die gleichzeitige Mittelung senkrecht zur Richtung des Gradienten b ewirkt.
Ein Beispiel f
ur den Sob elop erator ist in Abbildung 5.3 gezeigt. Ein Problem b eim Sob el-
Abbildung 5.3: Ob en links:
Originalbild.
Unten:
Anwendung des vertikalen (links) und des
horizontalen (rechts) Sob ellters.
Ob en rechts:
Anwendung b eider Filter gemeinsam auf das
Originalbild.
Filter ist, da dieser auf horizontal bzw. vertikal verlaufenden Grauwertkanten b esonders
anspricht, d.h. der Op erator ist nicht richtungsunabh
angig, wie eigentlich erw
unscht.
Einer der bekanntesten richtungsunabh
angigen Kantendetektoren ist der Laplace-Op-
60
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
erator. Im kontinuierlichen Fall ist er als
=
@s
2
(
x; y
)
@x
2
+
@s
2
(
x; y
)
@y
2
(5.11)
zweidimensionale zweite Ableitung deniert. Daraus ergibt sich f
ur den diskreten Fall die
Maske:
H
=(1
,
2 1) +
0
@
1
,
2
1
1
A
=
0
@
0 1 0
1
,
4 1
0 1 0
1
A
(5.12)
H
aug werden statt dessen die folgenden Masken verwendet:
H
=
0
@
1
,
2 1
,
2 4
,
2
1
,
2 1
1
A
o der
H
=
0
@
1 1 1
1
,
8 1
1 1 1
1
A
(5.13)
Der Laplace-Op erator ist etwas anf
alliger gegen
ub er St
orungen als der Sob ellter, da hier
Abbildung 5.4: Ob en links:
Originalbild.
Ob en rechts:
Anwendung des Binomiallters auf
das Originalbild. Eine Gl
attung ist zu erkennen.
Unten:
Anwendung des Laplace-Filters auf das
jeweilig dar
ub erliegende Bild. Es wird deutlich, da der Laplace-Filter rechtst
orungsanf
allig ist
und daher ein vorherige Gl
attung b en
otigt wird.
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
61
keine Mittelung senkrecht zur Richtung des Gradienten stattndet. Als diskrete Nach-
bildung der zweiten Ableitung ergibt er bei einer b eliebig geneigten Eb ene den Wert 0,
obwohl der Gradient dieser Fl
ache nichtunb edingt den Wert 0 hab en mu. Abbildung 5.4
zeigt das Ergebnis der Anwendung des Laplace-Op erators.
Ein weiterer Filter zur Kantendetektion ist der Kirsch-Op erator [Klette 95]. Dieser
Filter b esteht aus acht Faltungskernen der folgenden Form:
H
=
0
@
,
3 5 5
,
3 0 5
,
3
,
3
,
3
1
A
(5.14)
Die sieb en weiteren Kerne ergeb en sich durch sukzessive45
-Grad-Drehungen. Jeder dieser
Faltungskerne kann als signalangepate Maske b etrachtet werden, die das Mo dell einer
idealen Kante in einer der drei Grundrichtungen (b ei quadratischen Bildpunktraster mit
acht Nachbarn) darstellt. Eine gewisse Gl
attung in Richtung der Kante ist schon im
Op erator b einhaltet.
Der \Einseitige Kantenop erator" sucht das Minimum in einem 3
3-Fenster und be-
rechnet dann
s
0
(
x; y
)=
s
(
x; y
)
,
min
(
x;y
)
2
U
s
(
x; y
)
;
mit
U
=3
3-Umgebung von (
x; y
)
:
(5.15)
Dadurch kommt eine Kantenbreite von nur einem Bildpunkt zustande, weswegen dieser
Kantenop erator auch als \einseitig" b ezeichnet wird.
Da die bisher b eschrieb enen Kantendetektions-Filter recht st
orungsempndlich gegen-
ub er Rauschen sind, ist es unumg
anglichvor der Kantendetektion eine Gl
attung des Bildes
durchzuf
uhren.
Dies ist b eim Deriche-Filter anders, da hier mit Hilfe eines Parameters
auch gleich
der Einub ereich einer Gl
attung festgelegt werden kann. Da der Deriche-Filter recht
komplex und auch in einem eigenen Mo dul implementiert ist, wird auf ihn erst in einem
der n
achsten Unterkapitel eingegangen.
Alle diese Filter wurden im
HVES-Modul
integriert. Hier k
onnen
ub er eine Dialogb ox
(Abb. 5.5) neb en dem gew
unschten Filter no ch weitere Optionen angew
ahlt werden. Es
ist m
oglich, erst eine Binomial-Filterung durchzuf
uhren, b evor einer der Kantenop eratoren
angewendet wird. So kann eine vorherige Gl
attung des Bildes vorgenommen werden. Im-
plementiert sind eine Gl
attung mit einer 3
3 und einer 5
5-Maske, je nachdem, welcher
Gl
attungsgrad bevorzugt wird. Je nachdem, ob in der Dialogb ox
gl
atten
angeklickt ist,
b ezieht sich die Gl
attung nur auf die Kantendetektoren, o der auch auf die Ausgab e des
Originalbildes.
Grauwertskalierung
Eine weitere wichtige Option ist die Grauwertskalierung. Neb en einer linearen Streckung
in einem b estimmten Grauwertb ereich, kann auch eine exp onentielle Grauwertskalierung
62
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
Abbildung 5.5:
Dialogb ox zur Einstellung der Parameter des
HVES-Moduls
. Neb en der Aus-
wahl des gew
unschten Kanten-Op erators k
onnen der Binomial-Filter, Grauwertskalierungen und
andere Optionen angew
ahlt werden. Auf die m
oglichen Optionen wird im Text eingegangen.
gew
ahlt werden. Damit wird eine Ausdehnung des Grauwertb ereiches auf die volle Grau-
wertskala b ewirkt.
Eine lineare Streckung wird durch folgende Rechnung erzeugt:
s
0
(
x; y
)=
8
<
:
0 f
ur
s
(
x; y
)
< min
s
(
x;y
)
,
min
max
,
min
255 f
ur
min
s
(
x; y
)
max
255 f
ur
s
(
x; y
)
> max
(5.16)
min
und
max
entsprechen den minimalen und maximalen Grauwerten, bei denen die
Streckung b eginnen bzw. enden soll. Diese Werte k
onnen im Dialogfenster zum
HVES-
Modul
frei gew
ahlt werden. Bei
Wahl automatisch
werden diese Werte auf den kleinsten
bzw. gr
oten Grauwert des aktuellen Bildes festgesetzt. Die obige Gleichung entspricht der
in Abbildung 5.6 dargestellten st
uckweise linearen Grauwertkennlinie.
Die exp onentielle Streckung mit b eliebig w
ahlbaren Parameter
wird durch
s
0
(
x; y
) = 255
s
(
x; y
)
255
(5.17)
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
63
0
0255
255
s’(x,y)
0
0255
255
min max s
s
B
A
CD
s(x,y) s(x,y)
s’(x,y)
Abbildung 5.6:
Links: St
uckweise lineare Grauwertkennlinie
Rechts: Kurven A (
>
1) und B (
<
1): einfache exp onentielle Grauwertskalierung mit Exp o-
nent
; Kurven C (
>
1) und D (
<
1): S-f
ormige Transformationskennlinie mit Wendepunkt
am Grauwert s.
erreicht. Hier wird die Gleichung 5.16 mit
min
=0 und
max
= 255 verwendet, allerdings
der Wert
s
(
x; y
)noch zus
atzlich mit dem Exp onenten
versehen. Eine S-f
ormige Streckung
b erechnet sich dagegen mit
s
0
(
x; y
)=
8
>
<
>
:
s
(
x;y
)
s
,
1
f
ur 0
s
(
x; y
)
s
255
,
(255
,
s
(
x;y
))
(255
,
s
)
,
1
f
ur
s
s
(
x; y
)
255
(5.18)
s
gibt den Wendepunkt der S-f
ormigen Transformationskennlinie an (Abb. 5.6). Alle diese
Skalierungen erm
oglichen es, den Grauwertb ereich optimal zu w
ahlen, so da maximale
Kontraste ohne Informationsverluste erhalten werden.
Eine weitere Variation der Grauwertkennlinie kann durch die Egalisierung des Grau-
werthistogrammes erreicht werden [Klette 95]. Darunter wird eine Transformation der
Grauwerte verstanden, so da sie gleichverteilt sind. Durch Einstellung des Parameters
kann eine Unter- bzw.
Ub eregalisierung gew
ahlt werden. Mit
= 1 ist das Zielhistogramm
gleichverteilt, mit Werten
<
1 wird eine schw
achere Egalisierung erzeugt. Bei einer
st
arkeren Egalisierung (
>
1) sind seltene Grauwerte des Originalbildes im transformier-
ten Bild h
auger als im egalisierten Bild (
= 1). Die Egalisierung wird erreicht, indem in
einem ersten Rechenschritt das Histogramm der Grauwerte (
hist
(
x; y
)) b estimmt wird. In
einem weiteren Schritt wird die Transformationsgleichung, die auf diesen Histogrammwer-
ten basiert, festgelegt:
s
0
(
x; y
)=
255
Q
s
(
x;y
)
X
w
=0
hist
(
w
)
mit
Q
=
255
X
w
=0
hist
(
w
)
(5.19)
64
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
130 150 170 190
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
s(x,y)
s’(x,y)
γ=5 γ=0.1γ=1
Abbildung 5.7:
Darstellung der Tranformationsgleichung zur Grauwertegalisierung mit ver-
schiedenen
-Faktoren (rot:
=0
:
1, gr
un:
= 1 und blau:
= 5).
In Abbildung 5.7 sind Transformationsgleichungen mit
= 0
:
1,
= 1 und
= 5 f
ur
ein Bild dargestellt. Man kann deutlich erkennen, da b ei einem sehr kleinen
-Faktor die
Grauwertegalisierung einer linearen Grauwertskalierung sehr
ahnlich sieht. Im Anhang B
(Abb. B.2) sind das Bild, das als Grundlage der abgebildeten Transformationsgleichung
dient und die Ergebnisse der verschiedenen
-Faktoren dargestellt. Um eine Vorstellung
von der Wirkungsweise dieser Grauwertegalisierung zu bekommen, ist daneb en auch das
Grauwerthistogramm des jeweiligen Bildes abgedruckt.
Mit dieser Grauwertskalierung k
onnen insb esondere die Bilder verb essert werden, bei
denen nicht die gesamte Grauwerteskala von 0
:::
255 ausgenutzt wird. Allerdings kann
sie sich st
orend bei gut ausgeleuchteten Bildern auswirken, die nur wenige Graustufen
b einhalten. Die Egalisierung ruft in einem solchen Fall unerw
unschte Zwischengraustufen
hervor.
Zus
atzlich zu diesen Eigenschaften wurden no chweitere Einstellungsm
oglichkeiten pro-
grammiert. In der folgenden Liste ist eine
Ub ersicht
ub er die zu w
ahlenden Parameter
gegeb en:
Wahl des Kanten-Op erators (Laplace, Sob el, Kirsch, Einseitiger Kantenop erator,
Deriche)
M
oglichkeit der Gl
attung mit dem Binomiallter (Wahl zwischen 3
3 und 5
5-
Filtermaske)
Wahl der Art der Grauwertskalierung (linear, exp onentiell, S-f
ormig, Grauwertegali-
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
65
sierung)
Wahl des Exp onenten der exp onentiellen und S-f
ormigen Grauwertskalierung (Pa-
rameter
), der Schwelle
s
f
ur die S-f
ormige und des minimalen und maximalen
Grauwertes f
ur die lineare Grauwertskalierung
Invertierung
Binarisierung und Wahl des Binarisierungslevels
Ub erlagerung des Originalbildes bzw. des gegl
atteten Originalbildes
Multiplikationsfaktor der Kantenverst
arkung
Setzen eines Osets
Zo om
Zo om-Gl
atten
Wahl der Randgr
oe
Darstellung des Bildes um 180
gedreht (Parameter
usd
)
Auf die ersten Punkte wurde weiter ob en schon eingegangen, so da diese an dieser Stelle
nichtnoch einmal erl
autert werden m
ussen, sondern hier als erstes die Invertierung disku-
tert werden soll. Diese b ewirkt eine Umkehrung der Grauwerte, d.h. alles was vorher hell
war, wird dunkel und umgekehrt. Diese Einstellm
oglichkeit tr
agt der Tatsache Rechnung,
da Sehb ehinderte manche Dinge wie z.B. Schrift in invertierter Form, also bei Schrift
wei auf schwarzem Grund, b esser erkennen k
onnen. Gerade bei Schrift o der anderen
Zweip egelbildern ist es teilweise sinnvoll, diese zu binarisieren, wenn die Lichtverh
altnisse
gleichm
aig sind und so die Kontraste vom weiem Blatt zur schwarzen Schrift immer gleich
stark sind, so da als Ergebnis nur Schwarz-Wei-Werte erhalten und alle dazwischenlie-
genden st
orenden Graut
one eliminiert werden. Bei der einfachen Binarisierung wird eine
Schwelle
s
gew
ahlt und alle Graut
one unter dieser Schwelle werden wei und die dar
ub er-
liegenden schwarz abgebildet. Bei der Binarisierung mit Hysterese wird der Schwellenwert
s
zus
atzlich mit einer Hysterese
versehen, die zur Unterdr
uckung des Diskretisierungs-
rauschens dient. Die St
arke des Einusses der Hysterese kann durch den Parameter
L
b eeinut werden. Es gilt:
s
0
(
x; y
)=
0 wenn
s
(
x; y
)
<s
+
L
255 sonst
(5.20)
mit
=
+1 wenn
s
(
x
,
1
;y
)+
s
(
x
,
1
;y
,
1) +
s
(
x; y
,
1)
<
2
255
,
1 sonst
(5.21)
66
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
Bei der Berechnung werden die schon binarisierten Nachbarn des jeweiligen Pixels in Be-
tracht gezogen. Der Hystereseparameter
wird wird dann +1, falls von den drei in Be-
tracht gezogenen Nachbarn die Mehrheit den Wert 255 b esitzt, ansonsten wird
=
,
1.
Die Hysterese soll verhindern, da rauschb edingte Grauwertschwankungen um die Bina-
risierungsschwelle
s
aufgrund der Binarisierung auf den vollen Grauwertumfang verst
arkt
werden.
Da die Umwelt abgebildet werden soll, ist es sinnvoll, sich das Originalbild zusammen
mit verst
arkten Kanten anzuschauen. Manchmal kann es ab er auch vereinfachend sein,
wenn nur die Kanten abgebildet werden. Wichtig ist in jedem Fall, den Verst
arkungsfaktor
der Kanten frei w
ahlbar zu gestalten, so da diese unterschiedlich stark b etont werden
k
onnen. Hierb ei b ewirkt eine starke Verst
arkung eine dicke ausgepr
agte, ab er damit auch
nicht mehr so scharfe Kante. Falls das Bild insgesamt zu hell o der dunkel erscheint, kann
die Helligkeit mit der Angab e eines Osets ver
andert werden. Dieser Wert wird dann zu
jedem Pixel addiert bzw. subtrahiert.
Da Sehb ehinderte eine starkeVergr
oerung b en
otigen, wurde diese Option auch in dem
Filter-Mo dul integriert. Dab ei b edeutet ein Zo om-Wert von 3 eine Vergr
oerung der Mitte
des Bildes um den Faktor 4 in jede Richtung o der, anders ausgedr
uckt, jeder Pixel wird
um drei weitere Pixel verl
angert. Der Zo om-Wert 0 gibt also das Bild in der Gr
oe wieder,
wie es die Kamera liefert. Bei der geringen Kamera-Au
osung ist ein Zo om nat
urlichnur
b egrenzt sinnvoll. Solange jeder einzelne Pixel erkannt wird, bringt eine Vergr
oerung
nur Informationsverlust. K
onnen einzelne Pixel ab er nicht mehr getrennt wahrgenommen
werden, so kann deren Vergr
oerung von Nutzen sein. Wird
Zoom-Gl
atten
angew
ahlt, so
s(0,-1) s(1,-1)
s(1,0)
s(1,1)s(0,1)
s(-1,0) s(0,0) s(0,0)
s(0,0)s(0,0)
s(0,0)
s(0,0) s(0,0) s(0,0)
s(1,0)s(0,0)
s(0,0)
s(-1,1)
s(-1,-1)
s(1,0) s(0,0)
(s(0,0)+ (s(0,0)+
(s(0,0)+
(s(0,0)+(s(0,0)+
(s(0,0)+
(s(0,0)+
s(0,-1))
/2
/2
/2 /2 /2
/2
/2/2
s(-1,-1)) s(1,-1))
s(-1,0)) s(1,0))
s(-1,1)) s(0,1)) s(1,1))
(s(0,0)+
Abbildung 5.8:
Schematische Darstellung der Zo omfunktion. Es wurde zur Demonstration
ein Bereich von 3
3 Pixeln gew
ahlt. Im linken Bild ist die Pixelverteilung des Originalbildes
dargestellt. Das mittlere Bild gibt das Ergebnis des Zo omens mit dem Zo om-Wert 1 wieder.
Im rechten Bild ist zus
atzlich die Funktion
Zoom-Gl
atten
aktiviert, so da der Mittelwert der
jeweiligen Pixel als Verl
angerung gew
ahlt wird.
wird nicht jeder Pixel um die jeweilige Zo omstufe verl
angert, sondern an den Grenzen der
vergr
oerten Pixel wird der Mittelwert aus zwei b enachbarten Pixeln gew
ahlt (Abb. 5.8).
Damit wird eine gewisse Gl
attung im vergr
oerten Bild erhalten und die Abstufungen
zwischen den dargestellten Pixeln werden etwas weicher.
Bei der
Wahl der Randgr
oe
handelt es sich um die Umgehung des Randproblems. So
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
67
ist bei den ob en diskutierten Filtern das Problem gegeb en, da sie an den Bildr
andern
eine nichtvorhandene Kante detektieren, da keine weiteren Pixel auerhalb des Bildrandes
existieren. Es hat sich gezeigt, da das Verl
angern des Bildes um eine b estimmte Anzahl
von Pixeln mit einem mittleren Grauwert in jeder Richtung keine optimale L
osung bietet.
Daher wurde jeweils die letzte Randzeile des Bildes nach auen hin verl
angert. Je nach
Einstellung des Parameters kann so das eigentliche Bild um bis zu 10 Pixel an jeder Seite
erweitert werden. Da dies nat
urlich zu einem wesentlich erh
ohten Rechenaufwand f
uhrt und
gar nicht b ei jeder Einstellung der
ubrigen Parameter notwendig ist, wurde die Randbreite
variab el gehalten.
Die Drehung des Bildes um 180
ist sp eziell f
ur die Anpassung an die
LCD-Bril le
ge-
dacht, da diese den Strahlengang umkehrt, so da ohne eine softwarem
aige Drehung in der
LCD-Bril le
alles auf dem Kopf dargestellt w
urde. Da diese Option nur f
ur den Gebrauch
der
LCD-Bril le
sinnvoll ist, wurde in dem Dialogfenster hierf
ur kein Eintrag vorgesehen.
Diese Einstellung kann ab er in der
Hves.ini
-Datei direkt als
usd
=0 bzw.
usd
=1 einge-
tragen werden, indem mit der linken Maustaste auf das Ausgab efenster des
HVES-Moduls
geklickt und in dem sich dadurch
onenden Feld unter [
P ar ameter
] der gew
unschte Wert
eingetragen wird.
Beschreibung des Deriche-Filters
Der Deriche-Filter [Klette 95] ist in Programmierung und Sp eicherb edarf aufwendiger
als die schon b eschrieb enen Op eratoren. Die Kantendetektion erfolgt hier in mehreren
Bilddurchl
aufen. Im folgenden sollen die charakteristischen Merkmale dieses Op erators
etwas genauer b etrachtet werden.
Dieser Filter b ewirkt eine sehr gute Kantendetektion im Sinne folgender Kriterien. Zum
einen ist er gegen
ub er Rauschen sehr unempndlich, ab er denno ch ist seine Empndlich-
keit gegen
ub er wahren Kanten sehr ho ch und die Kantenlage wird sehr genau gefunden.
Der Filter hat eine rekursive Struktur, so da auch kleine Fenster groe Einugebiete
erzielen. Die Fenstergr
oe kann mit einem Parameter
eingestellt werden. Dab ei ist die
Rechenzeit unabh
angig von der Gr
oe dieses Parameters. Die Berechnung erfolgt in acht
Bilddurchl
aufen, wob ei vier in horizontaler und vier in vertikaler Richtung verlaufen.
Ein groer Nachteil dieses Op erators ist seine Komplexit
at. Zudem werden meh-
rere Bildsp eicher erfordert, um Zwischenergebnisse zu sp eichern und weiterverwenden zu
k
onnen.
In Abh
angigkeit von
werden zuerst einige Ko ezienten b erechnet:
a
=
,
(1
,
e
,
)
2
; b
1
=
,
2
e
,
; b
2
=
e
,
2
; a
0
=
,
a
1
,
b
1
,
b
2
;
a
1
=
a
0
(
,
1)
e
,
; a
2
=
a
1
,
a
0
b
1
; a
3
=
,
a
0
b
2
(5.22)
Diese gehen dann in die Rechnung mit ein, wenn das Teilergebnis
H
(
x; y
) =
g
h
1
(
x; y
)+
g
h
2
(
x; y
) b erechnet wird:
g
v
1
(
x; y
) =
f
(
x; y
,
1)
,
b
1
g
v
1
(
x; y
,
1)
,
b
2
g
v
1
(
x; y
,
2) (5.23 i)
68
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
g
v
2
(
x; y
) =
f
(
x; y
+1)
,
b
1
g
v
2
(
x; y
+1)
,
b
2
g
v
2
(
x; y
+2) (5.23 ii)
g
hv
(
x; y
) =
a
(
g
v
1
(
x; y
)
,
g
v
2
(
x; y
))
g
h
1
(
x; y
) =
a
0
g
hv
(
x; y
)+
a
1
g
hv
(
x
,
1
;y
)
,
b
1
g
h
1
(
x
,
1
;y
)
,
b
2
g
h
1
(
x
,
2
;y
) (5.23 iii)
g
h
2
(
x; y
) =
a
2
g
hv
(
x
+1
;y
)+
a
3
g
hv
(
x
+2
;y
)
,
b
1
g
h
2
(
x
+1
;y
)
,
b
2
g
h
2
(
x
+2
;y
) (5.23 iv)
Werden die gleichen Bildsp eicher mehrfachf
ur Zwischenergebnisse verwendet, so l
at sich
das Teilergebnis
V
(
x; y
)=
g
h
1
(
x; y
)+
g
h
2
(
x; y
)so b erechnen:
g
v
1
(
x; y
) =
f
(
x
,
1
;y
)
,
b
1
g
v
1
(
x
,
1
;y
)
,
b
2
g
v
1
(
x
,
2
;y
) (5.23 v)
g
v
2
(
x; y
) =
f
(
x
+1
;y
)
,
b
1
g
v
2
(
x
+1
;y
)
,
b
2
g
v
2
(
x
+2
;y
) (5.23 vi)
g
hv
(
x; y
) =
a
(
g
v
1
(
x; y
)
,
g
v
2
(
x; y
))
g
h
1
(
x; y
) =
a
0
g
hv
(
x; y
)+
a
1
g
hv
(
x; y
,
1)
,
b
1
g
h
1
(
x; y
,
1)
,
b
2
g
h
1
(
x; y
,
2) (5.23 vii)
g
h
2
(
x; y
) =
a
2
g
hv
(
x; y
+1)+
a
3
g
hv
(
x; y
+2)
,
b
1
g
h
2
(
x; y
+1)
,
b
2
g
h
2
(
x; y
+2) (5.23 viii)
Das Resultatbild
h
(
x; y
) setzt sich aus den Kantenbildern
H
(
x; y
) der horizontalen und
V
(
x; y
)vertikalen Kanten zusammen:
h
(
x; y
)=
p
H
(
x; y
)
2
+
V
(
x; y
)
2
(5.24)
Dieser Filter extrahiert die Kanten und hat zugleich eine gl
attenden Wirkung. Die
St
arke der Gl
attung kann mit Hilfe des Parameters
variiert werden. Je kleiner der Pa-
rameter
gew
ahlt wird, desto st
arker wird die Gl
attung, da das Einugebiet und damit
die Fenstergr
oe steigt. Dab ei spielt die Gr
oe von
f
ur den Rechenaufwand keine Rolle.
Dies ist ein groer Vorteil dieses rekursiven Kantenop erators gegen
ub er nichtrekursiven
Op eratoren, bei denen der Rechenaufwand im allgemeinen quadratisch mit der der Fen-
stergr
oe steigt, womit u.U. eine sehr hohe Rechenzeit verbunden ist. Mit einem groen
Wert von
werden exakt p ositionierte Kanten erhalten, allerdings ist der Filter damit
dann rauschempndlicher, was sich in ruhigen Bildabschnitten ohne ausgepr
agte Kanten
b esonders st
orend b emerkbar macht. Dagegen b ewirkt ein kleines
eine st
arkere Gl
attung
und damit ein recht rauschfreies Bild. Daf
ur werden die Kanten breiter und unsch
arfer.
Es kann solange an den Parametern gespielt werden, bis die f
ur die Anwendung optimale
Einstellung gefunden ist.
In Abbildung 5.9 wurde der Deriche-Op erator mit unterschiedlichen Parametern auf
dasselb e Bild angewendet.
Auch auf diesen Filter k
onnen die vielf
altigen Einstellungsm
oglichkeiten (Abb. 5.5), die
ob en b eschrieb en wurden, angewandt werden.
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
69
Abbildung 5.9: Ob en links:
Originalbild. Die anderen Bilder geb en die Anwendung des
Deriche-Filters mit verschiedenen Parametern auf dieses Bild wieder:
Ob en rechts:
= 0
:
5,
unten rechts:
= 10 und
unten links:
=2, wob ei hier da Kantenbild zus
atzlich mit dem
Originalbild
ub erlagert ist. In allen F
allen ist der Multiplikationsfaktor f
ur die Kantenst
arke auf
Mul
= 2 gesetzt.
Rechenaufwand der Filter
Ein wichtiges Kriterium f
ur eine hohe Bildausgab efrequenz, ist die ben
otigte Rechen-
geschwindigkeit f
ur den iplementierten Filter. Die im
HVES-Modul
integrierten Filter
sind alle bez
uglich ihrer Geschwindigkeit optimiert. Dazu sind alle Rechenschritte soweit
wie m
oglich zusammengefat. Bei Filtern, die mit einer Maske b eschrieb en werden, wie
z.B. dem Sob ellter, erfordert bei einer Maskengr
oe von (2
r
+1)
(2
r
+1) jedes Pixel
(2
r
+1)
2
Multiplikationen und (2
r
+1)
2
,
1 Additionen. Dies summiert sich schon bei
kleinen Maskengr
oen zu einer groen Anzahl von Rechenop erationen. Daher ist es not-
wendig, den Rechenaufwand zu verringern. Dies l
at sich meist einfach bewerkstelligen.
70
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
Als Beispiel sei die 5
5(
r
= 2) Binomialmaske herausgegrien.
1
256
0
B
B
B
B
@
1 4 6 4 1
4 16 24 16 4
6 24 36 24 6
4 16 24 16 4
1 4 6 4 1
1
C
C
C
C
A
=
1
16
,
1 4 6 4 1
1
16
0
B
B
B
B
@
1
4
6
4
1
1
C
C
C
C
A
(5.25)
Diese Maske ist separab el, d.h. sie kann in zwei Faltungen mit je einer horizontalen und
einer vertikalen 1D-Maske zerlegt werden. Damit werden nur no ch 4
r
+1 =10 Multipli-
kationen und 4
r
= 8 Additionen zur Berechnung ben
otigt. Eine solche Zerlegung ist mit
allen separablen Masken durchf
uhrbar. Der Rechenaufwand w
achst dann nur no ch linear
und nicht mehr quadratisch mir
r
.
Da hier viele Eintr
age der Maske mehrfach vorhanden sind, k
onnen diese zusammen-
gefat werden, so da sich die Maske auf nur sechs unabh
angige Faktoren reduziert:
1
256
(1 4 6 16 24 36 ). Wird diese Art der Zusammenfassung gew
ahlt, so reduziert
sich der Rechenaufwand auf sechs Multiplikationen und 24 Additionen. Damit ist die Zahl
der Multiplikationen, die h
aug mehr Zeit ben
otigen als Additionen, auch gegen
ub er der
separierten Maske stark zur
uckgegangen. Der Nachteil dieser Umformung ist, da f
ur jede
Maske ein eigenes Faltungsprogramm entwickelt werden mu, w
ahrend f
ur alle separablen
Masken das gleiche Programm genutzt werden kann.
Im
HVES-Modul
sind alle Filter hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit optimal zusammen-
gefat. F
ur b eliebige 3
3 und 5
5 Masken b esteht im
Visor-Programm
ein Mo dul, bei
welchem diese direkt eingegeb en werden k
onnen. Dieses Mo dul hat den Nachteil, da es
keine Geschwindigkeitsoptimierung b einhaltet, ist ab er dazu geeignet, mit b eliebigen 3
3
und 5
5-Masken zu exp erimentieren, um so geeignete Filter zu nden.
Da b eim Kirsch-Op erator 8-Filtermasken b erechnet werden m
ussen, erfordert dieser
Filter genauso wie der Deriche-Filter, der aufgrund seiner Komplexit
at viele Rechenschritte
ben
otigt, sehr viel mehr Rechenzeit als die anderen Filter.
Filter Berechnungsdauer
pro Bild
[ ms]
Laplace-Filter 1
;
63
Sob el-Filter 6
;
77
Kirsch-Filter 23
;
12
Einseitiger Kanten-Filter 8
;
72
Deriche-Filter 26
;
28
Tab elle 5.2:
Bildaktualisierungszeiten, die mit dem Noteb o ok
Tecra
zur Berechnung der ver-
schiedenen Filter f
ur ein Bild von 96
72-Pixeln b en
otigt werden.
Aus dem Histogramm der Abbildung 5.10 k
onnen die typischen Zeiten entnommen
werden, die pro Bildb erechnung f
ur ein Bild von 96
72-Pixeln vom Noteb o ok
Tecra
f
ur die
5.2. NEUE IMPLEMENTIERUNGEN
71
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
Zeit in [ms]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Anzahl der Counts
Ohne Filter
Laplace
Sobel
Kirsch
Einseitiger
Deriche
Abbildung 5.10:
In diesem Histogramm ist die Zeit in [ ms] gegen die Anzahl der Counts
aufgetragen. Daraus lassen sichf
ur die einzelnen Filter b ei Verwendung des Noteb o oks
Tecra
die
Berechnungsdauern ermitteln, die in Tab elle 5.2 explizit angegeb en sind.
Berechnung der einzelnen Filter ben
otigt werden. Es wurden jeweils 1000 Up date-Zeiten
zwischen zwei Bildaktualisierungen aufgenommen. Ohne Filter werden 67
;
5ms ben
otigt.
Diese recht hohe Zahl erkl
art sich durch die sehr langsam eingestellte
Readout
-Zeit f
ur
die Kamera. Durch einen geringeren Wert kann diese Zeit verk
urzt werden. So hab en
die Absolutwerte des Histogramms (Abb. 5.10) keine groe Aussagekraft. Was ab er sehr
deutlich zu sehen ist, sind die Zeitabst
ande zwischen den Up date-Zeiten b ei der Berechnung
der verschiedenen Filter. Daraus ergeb en sich die Berechnungsdauern f
ur die einzelnen
Filter. Diese sind in Tab elle 5.2 f
ur alle implementierten Filter angegeb en. Es wurde aus
jeweils 1000 aufgenommen Werten der Mittelwert gebildet. Au
allig an dem Histogramm
ist, da es f
ur jeden Filter ein Hauptmaximum und jeweils 5 ms sp
ater zwei Neb enmaxima
gibt. Dies l
at vermuten, da hier vom Computer durchgef
uhrte Interrupts vorliegen, die
genau diese Zeit in Anspruch nehmen. Da es f
ur die Geschwindigkeitsb erechnung nur
auf relativeWerte ankommt und eine Mittelung
ub er 1000 Werte stattndet, hab en diese
Zeitverz
ogerungen keinen Einu auf die Bestimmung der Up date-Zeiten.
72
KAPITEL 5. DIE SOFTWARE
5.2.2 Vollbildschirm
Es wurde ein Mo dul
dxdraw
[Sch
urmann 98] implementiert, mit dem die M
oglichkeit
geschaen ist, ein b eliebiges Ausgab efenster auf den vollen Bildschirm zu pro jizieren. Dab ei
k
onnen verschiedene Optionen angew
ahlt werden:
stretch bitmap
upside-down display
aktivate Fullscreen
Ist die Funktion
stretch bitmap
selektiert, so wird bei der Vollbildschirmdarstellung die
gesamte zur Verf
ugung stehende Bildschirmgr
oe ausgenutzt. So wird nat
urlich ein qua-
dratisches Fenster verzerrt, da es horizontal st
arker gestreckt wird, als vertikal, um das
gesamte 4 : 3-Format des Bildschirmes zu nutzen. Andererseits kann diese Option auch
deselektiert werden, dann wird die gr
otm
ogliche Darstellung gew
ahlt, die ohne Verzerrung
des Bildes no ch m
oglich ist.
Die
upside-down display
Option erm
oglicht einem die Wahl zwischen normaler und
an der x-Achse gespiegelter Darstellung. Dies wurde implementiert, um die Umkehrung
des Strahlenganges der Optik der
LCD-Bril le
auszugleichen. Soll also die
LCD-Bril le
verwendet werden, ist es sinnvoll, diese Option zu w
ahlen.
Mit der Maus kann
aktivate Ful lscreen
selektiert werden, so da die Vollbildschirm-
darstellung des jeweiligen Fenster-Mo duls erscheint, zu dem das
dxdraw
-Fenster geh
ort,
d.h. welches dieses Fenster aufruft. Mit der
Esc
-Taste kann diese Darstellung wieder ver-
lassen werden.
F
ur die Programmierung wurde
Microsoft's DirectDraw
aus der
DirectX-library
ver-
wendet. Die Darstellung im Vollbildschirmmo dus kann auch durch eine einfache Vergr
oe-
rung des darzustellenden Fensters bewerkstelligt werden, do ch geht dies auf Kosten der
Geschwindigkeit, was b ei der Verwendung der Kamera st
orend ist, da dann die Bildaktua-
lisierung zu langsam vonstatten geht.
Kapitel 6
Test des HVES
6.1 Gliederung des Tests
Die Tests zur Eignung des
HVES
als Sehhilfesystem sind wie folgt aufgebaut:
Test mit verschiedenen Testreihen von Bitmaps
{
Geometrische Muster
{
E's
{
Zahlenreihen
{
Text
{
Photo mit verschiedenen Motiven (H
auser, Tiere, Personen)
Test mit Kamerabildern
{
Orientierung im Raum
{
Motiv: Personen
{
Motiv: Schrift verschiedener Schriftgr
oen
Der genaue Testablauf kann Anhang D entnommen werden. Hier sind zum einen die Bild-
reihen mit den Testmotiven (Abb. D.1) abgedruckt, zum anderen ist der Testerfassungs-
b ogen (Abb. D.2 - D.6) mit aufgenommen, auf dem der gesamte Test mitprotokolliert
wird.
Ziel der Tests ist es, einen Einblick in die St
arken und Schw
achen des Systems zu
bekommen. Insb esondere soll festgestellt werden, ob das System mit evtl. no ch vorzuneh-
menden Verb esserungen (wie z.B. einer erh
ohten Kameraau
osung), ein einsatzb ereites
Sehhilfesystem darstellt.
73
74
KAPITEL 6. TEST DES HVES
6.2 Testeinstellungen
F
ur den Test werden ein Noteb o ok mit Videoausgang, die
LCD-Bril le
mit montierter
96
72-Kamera, die ADC-Platine, das Video-Interface und die jeweils dazugeh
origen Kab el
ben
otigt.
Es wird das
Visor-Programm
gestartet und ein sp eziell f
ur diesen Test aufgebautes
Bitmap mit 25 Testmotiven (Abb. D.1) geladen. Die Bildschirmau
osung wird auf 1024
768 bei einer Farbtiefe von 16-Bit eingestellt. Das
Camera
-Mo dul stellt das
Root
-Fenster
dar, von welchem aus das
HVES
-Mo dul aufgerufen wird. Die Ausgab e des Noteb o oks mu
auf LCD/TV eingestellt sein, so da die Ausgab e sowohl auf dem Monitor, als auch in der
LCD-Bril le
erscheint. Bei der gew
ahlten Bildschirmau
osung wird nur ein Ausschnitt des
Monitors auf die
LCD-Bril le
ausgegeb en. Welcher Ausschnitt zur Anzeige kommt, kann
mit der Stellung der Maus selektiert werden. Virtuell steht der gesamte Bildschirm zur
Anzeige in der Brille zur Verf
ugung.
Zu Testzwecken ist es sinnvoll, den Sehb ehinderten nur das Test- bzw. das Kamerabild
anzubieten, nicht ab er auch die Anzeige der Parametereinstellungen. Es gen
ugt, wenn
diese zur Bedienung vom Testleiter eingesehen werden k
onnen. Es wurde sp eziell f
ur die-
sen Test die M
oglichkeit geschaen, die Parametereinstellungen
ub er Tastatureingab en zu
ver
andern. Dies funktioniert nur, wenn das
HVES
-Mo dul-Fenster zuvor mit der Maus
selektiert wird. Die Funktion der einzelnen Tasten kann Tab elle C.1 entnommen wer-
den. Damit ist ein hin- und herfahren mit der Maus nicht mehr erforderlich, was den
in der
LCD-Bril le
angezeigten Bildausschnitt verschieb en und damit zu einer Verwirrung
der Testp erson f
uhren w
urde. Das
HVES
-Mo dul wird zur Anzeige auf die
LCD-Bril le
gebracht, indem es auf eine Gr
oe von
mag
= 8
:
5 vergr
oert und in der rechten unteren
H
alfte des Bildschirmes plaziert wird. F
ahrt man mit der Maus zu eb en dieser Ecke, so
wird in der
LCD-Bril le
genau dieses Fenster angezeigt.
Geplant war eine Durchf
uhrung des Tests an der Augenklinik Heidelb erg, Ophthal-
mologische Rehabilitation. Leider mute der geplante Termin seitens der Augenklinik
kurzfristig abgesagt werden und es war vor der Abgab e dieser Arb eit kein neuer Termin
mehr zu bekommen.
Zusammenfassung und Ausblick
Ziel dieses Pro jektes war es, eine opto elektronische Sehhilfe f
ur Sehb ehinderte zu ent-
wickeln. Dab ei wurde ein im Institut f
ur Ho chenenergiephysik entwickelter Kamerachip
zur Bildaufnahme verwendet. Zur Bildverarb eitung und Steuerung des Systems kam ein
Noteb o ok zum Einsatz. Auf die Ausgab e wurde in dieser Arb eit das Hauptaugenmerk
gerichtet. Es wurde aus einem HMD, wie es f
ur Virtual Reality Systeme auf dem Markt
erh
altlich ist, eine
LCD-Bril le
entwickelt. Das System wurde
HVES
genannt, was f
ur
H
eidelberger
V
ision
E
nhancement
S
ystem
steht.
Hier sollen neb en den Vor- und Nachteilen des entwickelten Systems weitere Entwick-
lungsm
oglichkeiten aufgezeigt werden:
Bew
ahrt hat sich die
LCD-Bril le
mit den LCDs. Da diese immer preiswerter werden
und eine immer b essere Au
osung vorweisen, k
onnen daraus in Zukunft sicher gute und
preiswerte Systeme entwickelt werden. Das geringe Gewicht der Brille bildet einen groen
Vorteil gegen
ub er Systemen mit CRT-Displays. Nur so ist der n
otige Tragekomfort auch
ub er einen l
angeren Zeitraum zu gew
ahrleisten.
Auch die Optik der
LCD-Bril le
hat sich in dieser Anwendung b ew
ahrt: Eine ca. 9-fache
Vergr
oerung der LCDs konnte erreichtwerden. F
ur die Aufh
angung der Linsen kann no ch
eine b essere Mechanik entwickelt werden. Zur Zeit k
onnen die Linsen verrutschen und eine
exakt p ositionierte Einstellung ist nicht ganz einfach zu erhalten. Eine b essere Halterung
mit der M
oglichkeit, die Linsen gezielt vor- und zur
uckzuschieb en, k
onnte hier Abhilfe
schaen. So w
urde es dann auch keine Probleme b ereiten, Refraktionsfehler gezielt durch
eine pr
azise Einstellung des Abstandes der Linsen von den LCDs zu komp ensieren. Wichtig
ist in jedem Fall, da eine solche Einstellung leicht, exakt und ohne groen Aufwand
vorgenommen werden kann.
Einen Schwachpunkt bildet momentan sicherlich die Kamera aufgrund ihrer geringen
Au
osung. Zudem verliert der Sehb ehinderte ein Vielzahl von Informationen, da die Ka-
mera nur Schwarz-Wei Bilder liefert. Hier ist sicherlich eine Kamera mit wesentlich
h
oherer Aufl
osung erforderlich. Es bleibt abzuwarten, ob die hier momentan in der Ent-
wicklung b endliche Kamera mit einer Aufl
osung von 384
288 Pixeln ausreicht, o der ob
eine gr
oere Au
osung erforderlich ist. Diese Au
osung erf
ullt die Minimalanforderungen
einer sinnvoll einsetzbaren Sehhilfe, f
ur eine vergr
oerte Darstellung ist sie ab er vermutlich
no ch zu gering. Sicherlich wird der Informationsverlust durch die fehlende Farb darstellung
immer ein Problem dieses Kameratyps bleib en. Andererseits bildet der hohe Dynamikb e-
reich von sechs Dekaden mit logarithmischer Kennlinie einen Vorteil: Die Kamera kommt
75
76
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
ohne externe Blende aus, so da sie sehr kompakt bleibt, da ihre Gr
oe haupts
achlich durch
ihre Optik b estimmt wird. Hier hat sich klar gezeigt, da eine einzelne Linse mit einer
Brennweite von
f
=5mm keine ausreichende Bildqualit
at liefert, so da auf ein kleines
Ob jektiv zur
uckgegrien werden mu, was mehr Platz als eine Einzellinse b eansprucht.
Denno ch bleibt die Kamera in ihren Maen so klein, da sie problemlos an der
LCD-Bril le
angebracht werden kann.
Die Mobilit
at wird haupts
achlich aufgrund der Gr
oe und des Gewichtes des Noteb o oks
eingeschr
ankt. Hier ist auf Dauer sicher eine Bew
altigung der durchzuf
uhrenden Aufga-
ben mit Hilfe von Hardwarebauteilen erforderlich. Da dazu nicht die volle Funtkonalit
at
eines PCs b en
otigt wird, ist hier eine Realisierung mit programmierbaren Logikbausteinen
denkbar.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, da
HVES
no ch kein marktreifes Pro dukt
darstellt, ab er mit den hier genannten Entwicklungsvorschl
agen sicher das Potential dazu
hat. Zur Zeit bietet es dem in Kapitel 1 b eschrieb enen
LVES
no chkeine Konkurrenz. Der
Versuch, mit Hilfe von LCDs eine Brille zu entwickeln, sollte in jedem Fall weiter verfolgt
werden, da dieses Konzept vielversprechend ist.
Anhang A
Technische Daten
Noteb o ok Tecra 8000 von
Toshiba
Allgemein
Gewicht: 2
;
86 Kg
Prozessor 300 MHz
Festplatte 6 GB
Sp eicher 64 MB
CD-Rom, Bildschirm 13
;
3
00
XGA
Umgebungsb edingungen
Betrieb b ei 5
,
35
C
und 20%
,
30% Luftfeuchte
Stromversorgung
Netzadapter: 45 Watt, 100
,
240 V Wechselstrom, 50 o der 60 Hz
Computer: 15 V Gleichstrom, 3
;
0A
Prozessor
Mobile Pentium
II Prozessor 300 MHz
Sp eicher: 64MB
Anschl
usse
1
Parallel, 1
Seriell
VGA-Anschlu, Video-Ausgang
PS/2-Maus/Tastatur
Infrarotschnittstelle
Universal Serial Bus (USB)
zwei Steckkartenpl
atze
Tab elle A.1:
Technische Daten des Noteb o ok
Tecra 8000
von
Toshiba
(aus: Benutzerhandbuch)
77
78
ANHANG A. TECHNISCHE DATEN
i-glasses
Optik
Verzerrungsfreie Anzeige, die optimal im ge
oneten Betrieb benutzt werden kann
Sichtfeld: 30
f
ur jedes Auge
Fester Brennpunkt bei 28 cm,um
ub eranstrengung der Augen zu vermeiden
i-glasses
m
ussen nicht an individuellen Augenabstand angepat werden
100 % Stereo
ub erlappung
i-glasses
k
onnen
ub er jede Brille getragen werden
Anzeigen
2-Vollfarb-0,7"-Fl
ussigkristall-Anzeigen
Au
osung: 180.000 Pixel pro Fl
ussigkeitskristall-Anzeige
VideoMute
Mechanik
Ergonomischf
ur maximalen Tragekomfort
Faltbares Kopfteil (Video-Brille)
Gewicht: ca. 230 g
Visier f
ur geschlossenen Betrieb
Ergonomischverstellbare Kopfh
orer
Elektrik
Netzspannung: Eingang 200 V
,
240
V
Wechselspannung, Ausgang 6V Gleichspannung
Energieverbrauch: 3W
Leicht zug
anglicher Ein-/Ausschalter
Audio
Stereo-RCA-Stecker, 1Volt
Frequenz 20 Hz
,
30 kHz
Stereoklang
Interface
Eingang: 1 Videokanal
Video: Einzelkanal-RCA-Eingang
Audio: Stereo-RCA-Eing
ange
3-D-F
ahigkeit
Stereoskop es Sehen
Fild seqeuntial, ohne Flimmern
Computer-Interface
Video: Einzelkanal-RCA-Eingang
Audio: Stereo-Eingang und Pass-through-Ausgang
VGA-Interface-Eingang und Pass-through-Ausgang
60 o der 70 Hz
,
Betrieb
Field und Line sequential: 3-D-Formate
Netzanschlu: Eingang 220 V
,
240 V Wechselspannung, Ausgang 9V Gleichspannung
Head Tracker
Drei Bewegungsrichtungen: Nicken, Wiegen, Drehen
250 Hz
,
Abtastrate
Tab elle A.2:
Technische Daten der
i-glasses
(aus: Benutzerhandbuch
i-glasses
)
Anhang B
Grauwertegalisierung
130 150 170 190
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
s(x,y)
s’(x,y)
γ=5 γ=0.1γ=1
Abbildung B.1:
Darstellung der Tranformationsgleichung zur Grauwertegalisierung:
s
0
(
x; y
)=
255
Q
P
s
(
x;y
)
w
=0
hist
(
w
)
mit
Q
=
P
255
w
=0
hist
(
w
)
und den Faktoren
=0
:
1 (rot),
=1
(gr
un) und
= 5 (blau) dar. Die dazugeh
origen Bilder sind auf der n
achsten Seite in abgebildet.
79
80
ANHANG B. GRAUWERTEGALISIERUNG
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0
100
200
300
400
500
600
Pixelzahl
w
Pixelzahl
Pixelzahl
Pixelzahl
w
w
w
Abbildung B.2:
In der ersten Reihe ist das Originalkamerabild mit seinem Grauwerthistogramm
dargestellt. Die Bilder darunter stellen von ob en nachunten das Ergebnis der Grauwertegalisie-
rung mit
= 0
:
1,
= 1 und
= 5 dar. Da durch die Grauwertskalierung Bildrauschen stark
hervortritt, wurde auf die Bilder neb en der Egalisierung auch der Binomiallter mit einer 3
3-
Maske angewandt.
Anhang C
Shortcuts f
ur das
HVES
-Mo dul
Im
HVES
-Mo dul k
onnen die Parameter zum einen in dem hier abgebildeten Parameter-
Dialogfenster eingestellt werden, zum anderen b esteht ab er auch die M
oglichkeit der Ein-
stellung
ub er b estimmte Tasten. Dazu mu das
HVES
-Mo dul-Fenster aktiviert sein. Wel-
che Taste welche Einstellung b ewirkt, kann der nachfolgenden Tab elle entnommen werden.
Abbildung C.1:
Dialogb ox zur Einstellung der Parameter des
HVES-Moduls
. Neb en der Aus-
wahl des gew
unschten Kanten-Op erators k
onnen der Binomial-Filter, Grauwertskalierungen und
andere Optionen angew
ahlt werden. Alle diese Optionen k
onnen auch
ub er eine Tastatureingab e
eingestellt werden, wie in Tab elle C.1 angegeb en.
81
82
ANHANG C. SHORTCUTS F
UR DAS
HVES
-MODUL
Funktion Taste
Originalbild
Original o
Orig. gl
atten g
Kantenop eratoren
Laplace l
Sob el s
Kirsch k
Einseitiger e
Deriche d
Alpha 1 2
Multiplikationsfaktor
Mul m n
Binomial-Gl
attung vor der Kantendetektion
3
3 3
5
5 5
Grauwertskalierung
Linear u
Wahl automatisch p
Min. Grauwert
o
a
Max. Grauwert . -
Exp onentiell x
S-f
ormig v
Schwelle s 7 8
Grauwertegalisierung h
Gamma 9 0
Binarisierung
Normal b
Mit Hysterese w
Binlevel +
]
Hystereseparameter F5 F6
Allgemeine Einstellungen
Invertieren i
Zo om r t
Zo om-Gl
atten q
Rand F3 F4
Oset F1 F2
Tab elle C.1:
Shortcuts f
ur das
HVES
-Mo dul. F
ur die Slider sind jeweils zwei Tasten angegeb en
(links: Erh
ohung, rechts Erniedrigung des entsprechenden Wertes)
Anhang D
Testerfassungsb ogen
Die Aufnahme der Tests erfolgt
ub er den folgenden Testerfassungsb ogen mit folgenden
Testmustern:
Abbildung D.1:
F
unf Reihen mit den Testmustern.
83
84
ANHANG D. TESTERFASSUNGSBOGEN
2
Testablauf:
1. Ohne Kamera:
Testreihe 1: Geometrische Muster
Einstellungen: Erkannt:
Ja / Nein Bewertung des
Erkennens (1-6):
Verbes-
serung
(- 0 +):
Kommentar:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
5:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
Deriche (α=5, Mul=1)
5:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
Inverses Bild.
5:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
Inverses Bild
Deriche (α=5, Mul=1)
5:
Weitere Einstellungen und Kommentare:
1
Testerfassungsbogen Datum: 25.01.99
Uhrzeit:
Lfd.Nr.:
HVES - LCD-Brille
- Notebook (mit Netzteil)
- Video-Interface
- Videokabel
- ADC-Platine
- Kamera+Kabel
- PS-Versorgungskabel
- (PC-Interface & Zubehör)
Einstellungen - Visor-Programm
- Bitmap 25_Testmotive
- Grid auf 24
- HVES-Modul auf mag=8.5
- Bildschirmeinstellungen LCD/TV
Personenangaben
Geschlecht:
M / W Alter: Visus: LVES-Erfahrung:
Ja Nein
Augenkrankheit:
Sonstiges:
Abbildung D.2:
Testerfassungsb ogen Seite 1 zur Abfragung von Personenangab en und Seite 2
mit der Testreihe 1: Geometrische Muster.
85
4
Testreihe 3: Zahlen
Einstellungen: Erkannt
Bildnr.: Bewertung des Erkennens:
Verbesserung: Kommentar:
Originalbild Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Laplace(Mul=1) Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Laplace
Glättung (3x3). Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Original
Skal. S-förmig
(s=210, γ=10) Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Original
Skal. S-förmig
(s=210, γ=10)
Zoom (1-2)
Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Weitere Einstellungen und Kommentare:
3
Testreihe 2: E
Einstellungen: Erkannt
(ab Bildnr?): Bewertung des Erkennens:
Verbesserung: Kommentar:
Originalbild Ja / Nein
Bildnr:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Skal. Linear
(min=254) Ja / Nein
Bildnr:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Skal. Linear
Zoom (1-3). Ja / Nein
Bildnr:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Skal. Linear
Invertierung Ja / Nein
Bildnr:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Weitere Einstellungen und Kommentare:
Abbildung D.3:
Testerfassungsb ogen Seite 3 mit der Testreihe 2: \E's" und Seite 4 mit der
Testreihe 3: Zahlen.
86
ANHANG D. TESTERFASSUNGSBOGEN
6
Testreihe 5: Photos
Einstellungen: Erkannt:
Ja / Nein Bewertung des
Erkennens (1-6):
Verbes-
serung
(- 0 +):
Kommentar:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
5:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
Laplace (Mul=2)
Glättung (3x3)
5:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
Deriche (α=5, Mul=2)
5:
1:
2:
3:
4:
Originalbild
Deriche (α=5, Mul=2)
Skal. S-förmig
(s=130, γ=1.5)
5:
1:
2:
3:
4:
Deriche (α=5, Mul=1)
5:
Weitere Einstellungen und Kommentare:
5
Testreihe 4: Text
Einstellungen: Erkannt
Bildnr.: Bewertung des Erkennens:
Verbesserung: Kommentar:
Originalbild Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Laplace(Mul=1) Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Laplace
Glättung (3x3) Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Original
Skal. S-förmig
(s=210, γ=10) Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Original
Skal. S-förmig
(s=210, γ=10)
Zoom (1-3)
Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Deriche (α=5,
Mul=1) Ja / Nein
Bildnr.:
1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Weitere Einstellungen und Kommentare:
Abbildung D.4:
Testerfassungsb ogen Seite 6 mit der Testreihe 4: Text und Seite 6 mit der
Testreihe 5: Photos.
87
8
Motiv: Person
Einstellungen: Erkannt: Bewertung des Erkennens:
Verbesserung: Kommentar:
Originalbild Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Grauwertegal.
(γ=0.1) Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Laplace
(Mul=2)
Glättung (3x3)
Grauwertegal.
Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Sobel (Mul=0.5)
Glättung
Grauwertegal.
Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Weitere Einstellungen und Kommentare:
7
2. Mit Kamera:
Einstellungen: - Offset Korrektur
- Standard (Lukas) -Kameraeinstellungen
Allgemeiner erster Eindruck:
Kann etwas erkannt werden? Ja / Nein
Orientierung möglich? Ja / Nein
Sonstige Kommentare:
Abbildung D.5:
Testerfassungsb ogen Seite 7 zum \Allgemeinen ersten Eindruck" vom Kame-
rabild und Seite 8 mit einer Person als Motiv.
88
ANHANG D. TESTERFASSUNGSBOGEN
10
Allgemeine Kommentare zu dem Gesamtsystem:
Tragekomfort ?
Verbesserungsvorschläge:
Vergleich mit LVES:
Sonstiges:
Uhrzeit:
9
Motiv: Text
Einstellungen: Erkannt: Bewertung des Erkennens:
Verbesserung: Kommentar:
Originalbild Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Grauwertegal.
(γ=0.1) Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Laplace
(Mul=2)
Glättung (3x3)
Grauwertegal.
Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Originalbild
Sobel (Mul=0.5)
Glättung
Grauwertegal.
Ja / Nein 1 2 3 4 5 6
Ja / Nein
Weitere Einstellungen und Kommentare:
Abbildung D.6:
Testerfassungsb ogen Seite 9 mit Text als Kameramotiv und Seite 10 mit
Fragen, Kommentaren und Verb esserungsvorschl
agen zum Gesamtsystem.
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92
LITERATURVERZEICHNIS
Abbildungsverzeichnis
1.1 Das menschliche Auge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Die Netzhaut (Retina) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Absorptionskurven der verschiedenen Zapfentyp en . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Verteilung der Lichtsinneszellen auf der Netzhaut . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Refraktionsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Astigmatismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7 Tunnelblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.8 Retinaimplantat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.9 Fernrohr-Lup enbrillen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Bildschirm-Leseger
at . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.11 Wearables Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.12 POVES Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.13 LVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1 Struktur des Heidelb erger Pro jektes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Komp onenten des
HVES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Photo des Gesamtsystems -
HVES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 Prinzip der LCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Prinzip eines CRT-Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Photo der
i-glasses
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Strahlengang der
i-glasses
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 Strahlengang des HVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.6 Brillengeh
ause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.7 LCD-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.8 Photo de Optikhalterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9 Konstruktionszeichnung der neuen Optikhalterung . . . . . . . . . . . . . . 37
3.10 Deckel f
ur das Brillengeh
ause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.11 Linsenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.12 Prinzip einer Fresnellinse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.13 Besselverfahren zur Brennweitenb estimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.14 HVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 Kamera und logarithmisches Antwortverhalten eines Pixels . . . . . . . . . 44
93
94
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.2 WR-RD Mo de Timing des ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Photo der ADC-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Adapterstecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5 Schaltskizze der ADC-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1 Bildschirmaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 Dialogfenster zur Kameraeinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3 Sob ellter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4 Binomial- und Laplacelter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5 Parametereinstellungen des
HVES-Moduls
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6 Grauwertskalierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.7 Transformationsgleichung der Grauwertegalisierung . . . . . . . . . . . . . 64
5.8 Zo om-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.9 Deriche-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.10 Histogramm zur Berechnungsdauer der Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
B.1 Transformationsgleichung der Grauwertegalisierung . . . . . . . . . . . . . 79
B.2 Beispiel f
ur die Grauwertegalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
C.1 Parametereinstellungen des
HVES-Moduls
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
D.1 Testmuster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
D.2 Testerfassungsb ogen Seite 1 und 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
D.3 Testerfassungsb ogen Seite 3 und 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
D.4 Testerfassungsb ogen Seite 5 und 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
D.5 Testerfassungsb ogen Seite 7 und 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
D.6 Testerfassungsb ogen Seite 9 und 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Danksagung
Herzlichen Dank an alle, die zur Durchf
uhrung meiner Diplomarb eit b eigetragen hab en,
insb esondere:
Herrn Prof. K. Meier f
ur die Bereitstellung dieses sehr interessanten Themengebietes und
die vorbildliche Betreuung,
Herrn Prof. J. Bille f
ur die
Ub ernahme der Zweitkorrektur,
Herrn J. Schemmel f
ur die Einarb eitung in die Software und die zahlreichen Programmier-
tips,
Herrn M. Lo ose f
ur die Einf
uhrung in
Allegro
und die tatkr
aftige Unterst
utzung bei der
Entwicklung der
ADC-Platine
,
Herrn T. Maucher f
ur die zahlreichen Tips, seine enorme Hilfb ereitschaft in allen aufkom-
menden Fragen und die Durchsicht des Manuskripts,
Herrn J. Langeheine f
ur sein t
aglich aufmunterndes \Guten Morgeeen!", das sorgf
altige
Korrekturlesen des Manuskripts und seine vielen Verb esserungsvorschl
age,
Herrn F. Sch
urmann f
ur die Programmierung des
dxdraw
-Mo duls und sein oenes Ohr f
ur
alle meine Programmierw
unsche,
Herrn R. Achenbach f
ur seine groe Hilfsb ereitschaft bei allen aufkommenden Fragen im
Testlab or, allen weiteren Mitgliedern des ASIC-Lab ors f
ur die Hilfsb ereitschaft und die
stets gute Arb eitsatmosph
are,
Herrn Lamade sowie allen weiteren Mitarb eitern der mechanischen Werkstatt f
ur die Fer-
tigung der neuen Optikhalterung,
meinen Freunden, die t
aglich mittags in der Mensa Interesse an meiner Arb eit gezeigt und
mir gute Ratschl
age gegeb en hab en,
meinen Eltern f
ur die umfassende Unterst
utzung w
ahrend meines gesamten Studiums.
