基于安卓系統(tǒng)的色盲辨色軟件設(shè)計(jì)

孫養(yǎng)龍 鄧計(jì)才 于廣游 周倩倩

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

基于安卓系統(tǒng)的色盲辨色軟件設(shè)計(jì)

孫養(yǎng)龍 鄧計(jì)才 于廣游 周倩倩

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

色盲人群的色彩分辨能力低于正常人，論文在分析H分量旋轉(zhuǎn)色盲矯正方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了具有色盲模擬、色盲檢測和色盲矯正功能的實(shí)時(shí)視頻圖像處理系統(tǒng)，并在android系統(tǒng)移動(dòng)終端上設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的應(yīng)用軟件，經(jīng)實(shí)際測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，可以幫助色盲色弱人群提高對(duì)色彩的分辨能力。

H分量旋轉(zhuǎn)；色盲仿真；色盲檢測；色盲矯正

1 引言

色盲又稱色覺辨認(rèn)障礙，由視網(wǎng)膜上傳遞顏色信息的感光錐體細(xì)胞異常或不全引起。色盲人群中，紅綠色盲最為常見，在男性和女性中的比例分別為8%和0.5%。目前對(duì)色盲的治療以矯正輔助為主。其中，在三通道色覺模型[1]基礎(chǔ)上利用圖像處理來輔助色盲色彩識(shí)別的方法，在安全性和可行性方面較其他方法具有明顯的優(yōu)勢。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，研究人員將電子信息處理技術(shù)應(yīng)用于色彩檢測提出了基于ARM系統(tǒng)的色盲矯正設(shè)計(jì)方案[2]，該方案采用基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法[3]，可有效改善色盲患者區(qū)分顏色的能力，但實(shí)用性不強(qiáng)。本文分析了經(jīng)典色盲矯正算法的原理，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，采用H分量旋轉(zhuǎn)算法[4]，開發(fā)出了可以運(yùn)行在手機(jī)等移動(dòng)終端的安卓應(yīng)用軟件，其開發(fā)和應(yīng)用成本低，更加貼近實(shí)用。

2 理論分析

2.1 色盲仿真模型

研究表明，正常人眼睛含三種錐體細(xì)胞，即L（短波類型）、S（中波類型）、M（長波類型），它們構(gòu)成了人眼LMS空間模型。LMS空間和RGB空間的位置關(guān)系如圖1所示，其中箭頭方向（沿著L軸）為紅色盲的投影方向。沿L軸方向的顏色被投影到同一點(diǎn)，出現(xiàn)該方向上顏色的重疊和混淆，而紅色和綠色恰在此方向上，所以紅色盲不能分辨紅綠。同理，對(duì)于綠色盲，M軸為投影軸，導(dǎo)致顏色重疊混淆于R=G的平面上[5][6]，因此綠色盲同樣不能辨別紅和綠；對(duì)于藍(lán)色盲，其投影軸和投影平面分別為S軸和B= G平面，最終造成藍(lán)色盲在分辨藍(lán)和綠上存在障礙。

圖 1 紅色盲色彩空間轉(zhuǎn)換圖

2.2 色盲矯正原理

從色盲仿真模型可知，顏色立方體中的顏色沿著某一方向投影到色盲顏色面上，在此方向上顏色的種類和多少，決定了色盲的類型和程度。H分量旋轉(zhuǎn)法通過旋轉(zhuǎn)H分量，達(dá)到以顏色立方體中黑白兩點(diǎn)間連線為軸旋轉(zhuǎn)立方體的目的，旋轉(zhuǎn)的結(jié)果使得大多數(shù)顏色不出現(xiàn)在同一投影方向上，從而使這些顏色能夠被很好地區(qū)分開。為此需要找到合適的旋轉(zhuǎn)角度。

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于容易混淆紅色和綠色的紅綠色盲，當(dāng)對(duì)圖像的H分量旋轉(zhuǎn)120度時(shí)，可獲得最優(yōu)的矯正圖像。因?yàn)樵贖SV顏色空間模型中，H分量旋轉(zhuǎn)120度后，紅色變換到綠色，綠色變換到藍(lán)色，而在色盲模型中，綠色和藍(lán)色在紅、綠色盲顏色面上的距離最大，所以矯正后圖像中相應(yīng)的顏色信息會(huì)清楚的顯現(xiàn)出來。對(duì)藍(lán)色盲的矯正也是同理。

3 軟件開發(fā)

軟件的開發(fā)需要在PC機(jī)上完成，然后再移植到安卓系統(tǒng)上。本軟件的開發(fā)過程包括：開發(fā)環(huán)境搭建，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)。

3.1 開發(fā)環(huán)境搭建

所需要的軟件安裝包有JDK，eclipse，Android SDK和NDK，ADT和CDT，OpenCV for android等。其中，JDK是應(yīng)用最為廣泛的Java SDK，屬整個(gè)Java的核心，包括了運(yùn)行環(huán)境、工具和基礎(chǔ)類庫；eclipse是基于Java且開放源碼的可擴(kuò)展平臺(tái)，附帶有標(biāo)準(zhǔn)的插件集。根據(jù)軟件之間的依賴關(guān)系，按照一定的順序安裝軟件，JDK和eclipse是基本的開發(fā)環(huán)境，需要先行安裝和配置。

3.2 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本軟件預(yù)設(shè)的功能及對(duì)視頻圖像的處理方法，設(shè)計(jì)了如圖2所示的程序結(jié)構(gòu)圖。在對(duì)視頻圖像進(jìn)行變換前，先完成對(duì)所獲圖像的預(yù)處理，以提高后期處理的速度和效果。預(yù)處理后的圖像分別用于正常視頻顯示、色盲模擬處理和色盲矯正處理。最終通過軟件界面上的切換按鈕，分時(shí)顯示不同處理結(jié)果的視頻圖像。

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

3.3.1 色盲模擬實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣運(yùn)算，可獲得在不改變圖像整體亮度和布局情況下的校正圖像。以紅色盲為例，模擬過程如圖3所示，包括：數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換，顏色通道提取與運(yùn)算，通道合成和圖像顯示。

圖 3 紅色盲模擬程序流程圖

進(jìn)行顏色通道提取時(shí)，程序運(yùn)用opencv的圖像容器Mat存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的方法，將Java程序獲得的RGBa格式圖像通過數(shù)據(jù)指針進(jìn)行。

3.3.2 矯正算法實(shí)現(xiàn)

矯正算法的理論基礎(chǔ)是H分量旋轉(zhuǎn)，根據(jù)該理論，在對(duì)圖像矩陣的實(shí)際處理過程中要經(jīng)歷如圖4的變換過程。

圖 4 矯正算法實(shí)現(xiàn)框圖

圖4中H通道的數(shù)據(jù)矩陣加60，是因?yàn)樵趏pencv中，對(duì)通道的賦值范圍是0～255，其中H通道元素的值以180為周期，即250所對(duì)應(yīng)顏色與70所對(duì)應(yīng)顏色等價(jià)，理論中需要做的120度旋轉(zhuǎn)，在程序中只需要轉(zhuǎn)過60度。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，對(duì)圖像進(jìn)行H分量旋轉(zhuǎn)120度等效于RGB格式的圖像轉(zhuǎn)換為BRG格式的圖像，通過此方法可有效提高程序的運(yùn)算速度。

4 結(jié)果分析

基于上述程序結(jié)構(gòu)和矯正算法，采用java及opencv相結(jié)合設(shè)計(jì)開發(fā)了顏色識(shí)別矯正系統(tǒng)軟件，并在手機(jī)上進(jìn)行了測試，該手機(jī)系統(tǒng)為Andriod2.3，CPU型號(hào)為高通驍龍Snapdragon MSM8260，800萬像素CMOS攝像頭，視頻圖像分辨率為720P（1280×720，30幀/秒）。圖5展示了該軟件運(yùn)行的工作界面。軟件打開，首先獲取到的是正常視頻圖像，觸摸菜單鍵后，在當(dāng)前窗口的下方有正常、輔助和仿真三個(gè)一級(jí)菜單，選擇輔助模式后，即可獲得進(jìn)行H分量旋轉(zhuǎn)之后的實(shí)時(shí)圖像；選擇仿真模式，會(huì)在當(dāng)前窗口的中央彈出一個(gè)包含三個(gè)選項(xiàng)的二級(jí)菜單，在此可以選擇紅色、綠色和藍(lán)色三種色盲模式并獲得實(shí)時(shí)視頻圖像。

圖 5 軟件使用界面

圖 6 色盲檢測圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（因出版印刷原因，對(duì)圖中數(shù)字進(jìn)行了處理，原圖請?jiān)L問：http：//t.cn/8sPYFuG）

圖6中三幅圖像展示了本軟件對(duì)色盲檢測圖的處理效果。從圖①和圖②對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，色盲模擬中紅色盲效果非常明顯，正常情況下可以分辨出數(shù)字“26”，在經(jīng)過色盲模擬處理之后數(shù)字“2”幾乎無法分辨。色盲矯正算法對(duì)圖像的處理結(jié)果如圖③所示，可以發(fā)現(xiàn)圖像較原圖①有明顯的變化，紅色盲原本不能分辨出的數(shù)字2得到清晰顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)我們面對(duì)需要分辨不同顏色的情景時(shí)，通過該軟件可以達(dá)到很好的分辨效果。

5 總結(jié)

本文通過基于H分量旋轉(zhuǎn)的色盲矯正算法，開發(fā)出可高效運(yùn)行于手機(jī)移動(dòng)終端的安裝軟件。并對(duì)H分量的旋轉(zhuǎn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了算法執(zhí)行的速度。軟件所采用的H分量旋轉(zhuǎn)算法對(duì)紅、綠、藍(lán)三種色盲均具有一定的矯正作用，增強(qiáng)了色盲患者對(duì)顏色的分辨能力，使其看到原圖像中看不到的信息。但算法本身是通過降低低頻顏色分辨率換取高頻顏色的分辨率，因此在處理顏色種類多且分布均勻的圖像時(shí)不能獲得最佳矯正效果。本文接下來的工作，是研究獲得針對(duì)不同圖像和色盲種類最佳H分量旋轉(zhuǎn)角度的方法，同時(shí)開發(fā)可佩戴的色盲輔助設(shè)備。

[1]Martin CE，Keller JG，Rogers SK，et al.Color blindness and a color human visual system model[J].IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics-Part A：Systems and Humans，2000，30：494-500.

[2]王恩，馬煜，汪源源.嵌入式色盲圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2011，1：45-49.

[3]王恩，馬煜，汪源源.基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展，2011，32(2)：63-67.

[4]鮑吉斌，汪源源，馬煌等.基于H分量旋轉(zhuǎn)的色盲矯正方法[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展，2008(3)：125-130.

[5]Brettel H，Vienot F，Mollon JD.Computerized simulation of color appearance for dichromats[J].Journal of Optical Society of Americal.1997，14：2647-2655

[6]Vienot F，Brettel H，Mollon JD.Digital video colourmaps for checking the legibility of displays by dichromats[J].Color Re?seach and Application.1999，24：243-252

R774.1+4

B

1671-0037（2014）03-54-2

孫養(yǎng)龍（1988-）男，在讀碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。