СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТНОГО ЗРЕНИЯ В ЧИСЛЕННОМ ВИДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING COLOUR VISION IN NUMERICAL WAY AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Ссылки на патенты и литературу
1. Квасова М. Д. Зрение и наследственность. // - М. - СПб.: Изд-во Диля Паблишир, 2002.
2. Миланич А.И. Количественный контроль аномалий цветовосприятия методом сравнения цвета полей. // Метрология. - 2008. - №11. - С.31-36.
3. Русинов М.М., Грамматин АЛ., Иванов П.Д. и др. Вычислительная Оптика. Справочник. // - М.: Изд-во ЛКИ, 2008, - стр.98.
4. Xiaoguang Chen, Zhong Lu. Американский патент №5469453 от 29 ноября 1994 г.
Область техники.
Изобретение относится главным образом к оптометрическим средствам диагностики, точнее к способам выявления дальтонизма и нарушений контрастного зрения, но также может быть полезным для ряда других областей и не только медицины. Например, контроль диапазона цветовосприятия и контрастного зрения водителей транспорта или летчиков, сравнительный контроль цветопередачи дисплеев и т.д.
Предшествующий уровень техники.
Принято считать, что глаз человека способен различать до 6-10 миллионов различных оттенков в спектральной области 360-780 нм и около 100 градаций серого. Сетчатка содержит 3 вида колбочек, которые ответственны за цветное зрение человека. Равномерное возбуждение всех 3 видов колбочек вызывает ощущение белого цвета, которое при уменьшении интенсивности света переходит в оттенки серого и сумеречное зрение. Контроль цветовосприятия пациента производится главным образом при помощи таблиц Рабкина [1], когда пациенту предъявляют цветные, мозаичные картинки и просят сказать, какую фигуру или цифру он видит. Такой способ не позволяет производить диагностику в численном виде и является качественным методом для выявления дальтонизма. То есть после предъявления таблиц пациенту оптометрист укажет, что у пациента норма восприятия цветов либо присутствуют некоторые отклонения. Практика оптометрии показывает, что очень редко встречаются случаи полного отсутствия восприятия любых цветов («полная цветовая слепота»), а гораздо чаще (2-8% мужчин и 0,4% женщин [1]) встречается «частичная цветовая слепота». Сегодня известны три основные разновидности «частичной цветовой аномалии», в соответствии с которой такие люди подразделяются на: «краснослепых» (наиболее частые случаи), «фиолетослепых» и «зеленослепых», что собственно и указывает оптометрист, если по таблицам Рабкина выявлен дальтонизм.
До последнего времени не существовало метрологических методик и устройств для численного определения степени дальтонизма, и на то существуют серьезные причины. Главная причина состоит в том, что основной метрологической единицей оптометрии являются «ощущения», а их очень трудно оцифровать.
В работе [2] был предложен «метод сравнения цвета полей» для оцифровки ощущений, но различие спектральных характеристик мониторов, либо различие использованных типографских красок наряду с различными условиями и различными спектрами освещения теста делали практически невозможным метрологическое применение предложенного метода на практике. Суть предложенного метода сравнения цвета полей состоит в том, что глазу предъявляются два близких (в системе R, G, B) цвета - пробный и изменяемый, и определяется та минимальная разница в градациях цветов, которую различает пациент. Следует подчеркнуть, что придя из оптометрии, RGB система далеко не единственная цветовая система (существуют CMYK, Lab и др.), но данная система удачно коррелирует с 3 типами колбочек сетчатки, отвечающих за цветное зрение человека и даже называемых R, G и B.
Сегодня RGB система широко используется для задания цветов мониторов. Число градаций спектральной мощности (интенсивности) каждого цвета 256 (от 0 до 255). Причем серому цвету соответствует равенство градаций 3 компонент. Соотношение мощностей R, G и B определяет температуру источника, как эквивалент излучения «черного тела», но из-за сложного спектра излучения монитора такой параметр не вполне корректен. Значению 0, 0, 0 соответствует отсутствие мощности (нулевая яркость) каждой из компонент и «черный цвет», а максимальному значению 255, 255, 255 - белый цвет. Таким образом, стандартная RGB градация цветов современного компьютера, когда каждый из оттенков красного, зеленого и голубого соответствует числу от 0 до 255, дает в итоге 16777216 возможных оттенков, что существенно больше, примерно 6-10 миллионов оттенков доступных человеческому глазу. В оптометрии используют более точную систему, точнее учитывающую как температуру источника излучения, так и возможность «отрицательных» значений цветовых компонент и т.д., но от этого процесс метрологии цветовых ощущений нисколько не упрощается.
Основное отличие от компьютерной RGB системы состоит в том, что в оптометрии строго задан стандарт для каждого из основных цветов [3]. Для стандартных цветов: R - 700,0 нм, G - 546,1 нм, B - 435,8 нм - определены три монохроматические длины волны (CIE RGB) и предполагается, что любая длина волны вызовет те же субъективные ощущения, что и комбинация из стандартных цветов разной интенсивности. То есть считается, что 3 монохроматические длины волны должны дать всевозможные цветовые оттенки, правда с использованием «отрицательных» координат, поскольку практика показывает, что не все цветовые оттенки можно описать в данной системе и приходится вводить отрицательные координаты для цвета (то есть к тестируемому цвету добавлять «немного» основного) и т.д. Это связано с тем, что имея разные чувствительности для R, G, B колбочек, в общем случае, невозможно добиться точного эквивалента любого монохроматического цвета комбинацией возбуждения 3 основных монохроматических цветов, и это утверждение можно доказать математически (в рамках существующей модели цветного зрения). Например, трудно определить цвета на границе спектральной чувствительности глаза (360 нм или 780 нм), если все длины волн RGB стандарта находятся внутри указанного интервала. Кроме того, определение «цветовой» температуры источника производят по двум, а не 3, длинам волн, и здесь также возникают трудности и т.д.
Поскольку основных цветов 3: R - red (красный), G - green (зеленый) и B - blue (синий), то теоретически можно различать более 16 миллионов оттенков цвета и 256 градаций серого (8 бит для одной или 24 бит для 3-х компонент цвета соответствуют True Color) и этого вполне достаточно для нужд практической оптометрии. При необходимости RGB систему легко расширить, например, используя шкалу с 512, 1024 или даже с 65536 градациями (15/16-битную шкалу реально используют и она известна как High Color, a 24-битная как True Color и 30/36/48-битные - Deep Color). Необходимость увеличения числа градаций обусловлена тем, что, как оказалось, в определенных спектральных областях некоторые пациенты с нормальным зрением способны различать цвета, отличающиеся на единицу градации при 8-битной системе.
Таким образом, в RGB системе цвет можно представлять в виде вектора, соотношение компонент которого характеризуют собственно оттенок цвета, например, в 8-битной градации, а длина вектора определяет его интенсивность (мощность). Повторим, что серому оттенку соответствует R=G=B.
В качестве прототипа рассмотрим Американский патент №5469453 от 29 ноября 1994 г. «Метод и очки для выявления дальтонизма» [4]. Суть метода состоит в том, что на компьютере генерируются разные спектрально-цветовые изображения, которые рассматриваются через специальные цветные очки. Использовались 32 вида спектров и очков, которые позволили разделить всех пациентов на 4 группы. То есть предпринята попытка сопоставить каждому случаю дальтонизма определенные количественные характеристики и при помощи правильно подобранных цветных очков даже частично компенсировать дальтонизм. Использовались 4 типа спектральных зависимостей пропускания очков в диапазоне 450-560 нм с 8 градациями по пропусканию в каждой группе. Для большей объективности результаты теста обрабатывались на компьютере. Следовательно, авторы используют компьютерную RGB систему цветообразования, хотя полученные результаты разделяют на 4 условные группы (A, B, C и D).
К сожалению, предложенный метод обладает всеми недостатками метода [2], поскольку спектр каждого монитора сильно отличается даже от спектра монитора того же производителя, но другой модели, сами очки с заданными градациями и их спектральные характеристики трудно воспроизводимы и т.д. То есть, обладая некоторыми объективными характеристиками, метод все же остается качественноколичественным, к тому же трудно воспроизводимым другими оптометристами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, цель данного изобретения состоит в разработке способа объективной диагностики цветовых и контрастных параметров зрения в численном виде свободного от рассмотренных ранее недостатков и создании устройства для его реализации.
Основным недостатком методов [2, 4] является большой разброс спектральных характеристик используемых тестов и источников освещения. Но современный уровень техники позволяет добиться необходимых спектральных характеристик и необходимой точности для заданной длины волны, например, при помощи интерференционных фильтров или с использованием «узкополосных» источников излучения и т.п. Полуширина спектральной линии может быть увеличена до нескольких десятков нанометров, а максимум длин волн должен находиться в области красного, зеленого и голубого, но не обязательно строго соответствовать заданным стандартным цветам. Отказ от строгой монохроматичности излучения не принципиален, хотя обладает определенными преимуществами, поскольку «крылья» такого спектра могут перекрывать границы спектральной чувствительности глаза.
Возможны 2 метода численного измерения цветоаномалий и/или контрастности по оттенкам серого: статический, когда сравниваются цвета 2 рядом расположенных полей (см. Фиг.1а), и динамический, когда используется одно поле с периодически изменяющимся цветом самого поля (см. Фиг.1б). Поясним суть метода.
Для статического способа устройство должно быть оснащено по крайней мере двумя источниками излучения, спектральная мощность которых пропорциональна подводимой электрической мощности. Изменяя величину токов (или напряжений и токов), можно изменять спектральную мощность компонент с необходимым шагом, например 256, 512 или 1024 градаций, а также суммарную мощность излучения. Источником такого излучения может быть светодиод, лампа накаливания и т.д. Совместно со спектральными фильтрами, например, на базовых длинах волн R - 700,0 нм, G - 546,1 нм, B - 435,8 нм или за счет спектра самого диода можно создавать необходимые цветовые гаммы с требуемым шагом градации. Совмещая два поля тестовое и поле сравнения с разными цветами (см. Фиг.1а) и варьируя цвет одной половины теста (поле сравнения), можно добиться субъективного равенства двух цветов и объективно измерить «ошибку» такого совмещения по каждой из компонент R, G и B. Если дополнительно использовать цвета с равными компонентами R=G=B (что соответствует серому), то можно измерить параметры контрастной чувствительности. Предпочтительным является использование равных мощностей компонент R G и B, но можно задавать и различные температуры источника, хотя для широкого спектра это затруднительно. Варьируя величину суммарной спектральной мощности, можно получать цифровые выражения для указанных выше параметров при разной освещенности. При этом одно из полей (тестовое или пробное) может быть внешним (например, монитор) и сравниваться с изменяемым цветом. Устройство может быть дополнено измерителем мощности суммарного излучения для контроля условий освещенности или для выравнивания световых потоков R, G, B компонент или мощностей двух полей. Это стационарный способ диагностики цветовосприятия и/или контрастной чувствительности.
Динамический способ отличается от стационарного тем, что используется единственный источник спектрального излучения, у которого два набора R1, G1, B1 и R, G, B попеременно подаются на общий источник излучения с частотой 0,1-30 Гц (см. Фиг.1б). Тогда выравниванию цветов тестового (пробного) и сравнения (изменяемого) соответстует ощущение отсутствия миганий источника. Данный способ не позволяет тестировать внешние устройства (мониторы, краски и т.д.), но обладает несомненными преимуществами для выявления цветоаномалий пациента, поскольку использование одного источника излучения, безусловно, повышает идентичность спектральных характеристик тестового и сравнительного сигналов. Аналогично статическому способу при равенстве спектральных компонент определяется контрастная чувствительность. Если варьируется одна из компонент цвета, то данный метод позволяет определить контрастную чувствительность в данном цвете и т.д. Можно дополнять устройство измерителем мощности, задавать требуемую температуру источника, выравнивать мощности спектральных компонент и т.д., как описано в статическом способе.
Следует отметить, что в силу вышесказанного выбор базовых цветов и ширин спектральных линий базовых цветов обладает большой степенью условности. Поэтому для дешевого, массового устройства можно использовать, например, диоды белого цвета с длинами волн 635 нм (полуширина 20 нм), 520 нм (полуширина 20 нм) и 460 нм (полуширина 30 нм) или другие согласованные длины волн и полуширин. Для исследовательских целей предпочтительно использовать другие длины волн, в том числе максимально близкие к стандартным цветам (но не монохроматические) или простирающиеся до границы спектральной чувствительности глаза. Поскольку спектр излучения светодиода зависит от тока, напряжения и температуры, желательно стабилизировать данные параметры, но также можно использовать, например, смещение спектра диода от температуры для небольшого (от единиц нм до десятков нм) смещения максимума излучения диода при изменении температуры от -70 до +100 градусов Цельсия.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
В устройстве для реализации предложенного способа используется один (динамический способ) или не менее 2 источников излучения (статический способ), спектральная мощность которых может варьироваться в диапазоне красного, зеленого и синего с числом градаций не менее 256 за счет изменения подводимой мощности по каналам R, G, B. Спектральный состав излучения не обязательно должен соответствовать стандартным цветам и не обязательно должен быть монохроматическим. Также не обязательно использовать источник с заданной эквивалентной температурой. Наоборот, иногда предпочтительно использовать равенство спектральных мощностей R, G B, что не соответствует никакой эквивалентной температуре.
Предпочтительно использовать красный цвет в диапазоне 590-750 нм (соответствует спектрам GaAsP и GaP и др. светодиодов), зеленый в диапазоне 490-570 нм (соответствует спектрам InGaN/SiC и InGaAl/SiC и др. светодиодов), синий в диапазоне 380-480 нм (соответствует спектрам GaN/SiC и InGaS/SiC и др. светодиодов). Полуширина спектральной компоненты может составлять от долей нанометра до 100 нм и более по полувысоте, а граница спектра может простираться даже за границу спектральной чувствительности глаза. Предпочтительно использовать источники с полушириной 10-50 нм. Возможно дополнительно использовать спектральные фильтры, в том числе с управляемой полосой пропускания. Для контроля мощности излучения можно использовать люксометр или любой другой измеритель мощности светового потока, который может быть интегрирован в прибор и может обеспечивать контроль требуемого соотношения спектральных компонент. Для повышения точности измерений можно использовать температурную стабилизацию излучателя. При этом изменение температуры стабилизации излучателя может изменять спектр излучения (например, для светодиода) и выполнять роль управляемого спектрального фильтра.
Суммарный поток излучения должен быть не менее 700-1000 люкс, что соответствует области фотопии и стандарту проведения оптометрических измерений. Как отмечалось выше, при малых освещенностях теряется способность к цветному зрению (включается сумеречное зрение), и измерение цветовосприятия некорректно при малых освещенностях. Монохроматичность или конечная ширина спектра излучения никак не препятствует выполнению условия превышения минимальной освещенности.
Устройство должно содержать схему управления источником излучения, которая позволяет изменять мощность каждой из цветовой компоненты с выбранной шкалой градаций по выбранной программе. Предпочтительно использовать не менее 256 градаций для каждой цветовой компоненты.
При статическом методе одна пробная (тестовая) половина поля (Фиг.1а) соответствует фиксированным значениям R, G, B, которые могут быть сгенерированы случайным образом или взяты из таблицы для выполняемого теста, либо соответствуют внешнему устройству, а параметры R1, G1, B1 спектрального состава второго поля сравнения (изменяемого) может варьировать пациент. Задачей пациента является выравнивание цвета двух полей. Выполнив серию измерений при разных значениях R, G, B (в разных спектральных диапазонах) и обработав результаты, определяют средний модуль отклонения векторов R1, G1, B1 от векторов R, G, B. Если отклонение меньше допустимого, то результат теста - «норма» (N) или (N, N, N). Если выявлено отклонение в красной области, то результат может быть представлен как ΔR (240-255, N, N) или в процентах, или в другом виде. Аналогично могут быть указаны отклонения по нескольким цветовым координатам и по контрастной чувствительности. При этом предложенный метод измерений легко автоматизировать, что повышает объективность и достоверность полученных результатов.
Для пациента с нормальным зрением сравнение поля с полем исследуемого объекта (монитор и т.л.) позволяет определить цветовые характеристики исследуемого объекта. При этом желательно предварительно выровнять освещенности поля устройства и исследуемого объекта, для чего в устройство может быть вмонтирован измеритель мощности.
Динамический метод отличается от статического лишь тем, что используется один излучатель. При этом источник излучения попеременно с частотой 0,1-30 Гц подает на излучатель R, G, B и R1, G1, B1 спектры тестовые и сравнения. Как и прежде пациент должен добиться максимально близкого совпадения двух цветов за счет изменения градаций цвета сравнения, что выразится в отсутствии миганий источника излучения. Далее результаты серии тестов обрабатываются аналогично описанному стационарному методу.
Оба представленных метода и устройства позволяют исследовать контрастную чувствительность по серому, задавая дополнительно условие R=G=B и R1=G1=B1, выбирая число градаций с требуемой точностью. Кроме того, возможно определение контрастной чувствительности по одному цвету (по одной цветовой компоненте) и ряд других новых тестов.
В обоих методах и в устройстве можно использовать управляемые спектральные фильтры для изменения спектра излучения источника и неуправляемые для стабилизации параметров излучения, измеритель мощности, стабилизацию или управляемое изменение температуры светодиодов для тех же целей и ряд других известных технических приемов.
Таким образом, данный способ и устройства для его реализации позволяют перевести измерения цветовосприятия или цветоаномалий в численный вид.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для предпочтительной реализации изобретение пояснено при помощи следующих рисунков:
Фиг.1 - схематичное пояснение статического а) и динамического б) метода.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Итак, в качестве излучателя (источника) используем диод белого цвета, например, серии BL-L515RGBC-CA компании BetLux Electronics, который представляет 3 разных диода с раздельными каналами управления, заключенными в один корпус. Спектр испускания такого диода при комнатной температуре имеет максимум 630 нм (R - полуширина 20 им), 525 нм (G - полуширина 20 нм) и 430 нм (B - полуширина 30 нм). Стоимость такого диода около 1 доллара. Для него существуют готовые драйвера для изменения (стабилизации) напряжения и токов в пределах 2,1-2,8 В (для R) и 3,8-4,5 В (для G и B) и 10-35 мА соответственно. Изменяя ток с шагом примерно 0,1 мА, можно обеспечить 256 градаций R, G, B. Возможна стабилизация температуры светодиода, а также использование спектральных фильтров.
Используя случайно генерируемые числа в диапазоне от 50 до 255 для каждой из компонент R, G, B и цифро-аналоговый преобразователь, можно задать спектр для тестового поля излучателя. Данный сигнал длительностью 0,1 с подается на светодиод. Затем схема управления диодом примерно на такое же время (от 0,05-0,2 с) передается управлению пациентом, который, используя интерфейс устройства, изменяет R1, G1, B1 компоненты сигнала сравнения. Данная последовательность повторяется с частотой примерно 5 Гц. Субъективное отсутствие миганий цвета диода соответствует окончанию теста, при этом пациент нажимает кнопку и результат теста фиксируется в памяти устройства. Затем генерируется новое случайное число и тест повторяется. Вместо случайно генерируемых цветов, может проводиться тестирование по предопределенным цветам, программный поиск цветоаномалий по результатам серии тестов и т.д. После запрограммированной серии измерений 10-300 раз происходит автоматическая обработка и вывод результата.
Для большей унификации измерений тутовые значения R, G, B могут быть прошиты в памяти устройства, как и количество тестов в серии. Но может использоваться и интерактивный механизм выявления дальтонизма, основанный на выявлении области максимальных расхождений и генерации тестовых R, G, B в этой области.
При переходе в область серого такое устройство позволит объективно измерять контрастную чувствительность. Кроме того, пациенту можно давать возможность изменять не 3, а 1 или 2 спектральные компоненты R, G, B, автоматически задавая совпадение 2 или 1 компонент и т.д.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации обладают широким спектром функциональных возможностей, измерения цветовосприятия и контрастной чувствительности. Измерения происходят в численном виде, результаты измерений объективны, а процесс измерений легко автоматизировать.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Способ численного измерения цветовосприятия и устройство для его реализации могут быть компактны, автономны, результаты измерений надежны и имеют коммерческую перспективу. Также это изобретение полезно как средство первичной диагностики для врачей общей практики и позволяет любому человеку без специальных знаний диагностировать параметры зрения водителей, летчиков и т.д.