1设计构想

项目背景

1.1.1 科技背景

随着当今科技发展速度的激增，越来越多的请电子工业产品以令人惊异的频率更新换代并且已经在百姓的生活中得到普及。移动设施如手机、eBook等就是很典型的例子，包括最近两年推出的各款式的平板电脑如iPad等也在市场上受到了热烈的推崇。可以预见，这些大屏幕的移动设备会在人们的生活中愈来愈普及，并且趋于多样化、多功能化、轻便化。以手机为例，目前中国市场上流行的手机如iPhone、小米都是使用大液晶屏幕的手机，内置的操作系统为IOS系统或安卓系统(Android)，这类手机的触屏手感极好，运算速度更快，图像显示更清晰，在不久之后就会以绝对优势取代非智能手机以及基于塞班系统等的小屏幕手机。

随着这一类以液晶屏为显示主体的移动电子产品功能的多样化，他们的使用用途也越来越广泛，使用地点也因不受限制而越来越广泛。如今不乏看到有人在公交汽车、地铁或长途客车、火车以及飞机上使用这样的大屏幕手机发送短信、浏览照片，使用eBook阅读杂志，或者使用平板电脑看电影等。然而，绝大多数人在以上环境中长时间使用这些设施之后会发生类似于眩晕的不适感，有些人甚至会在短时间的使用后产生头晕的症状。这种症状在公交汽车、客车这样的经常颠簸的交通设施上最为明显，它限制了手机、eBook等在交通工具上的使用，更为严重的是，这种眩晕会伤害人的视力，对人们的身体造成伤害。

1.1.2 医学依据

人的平衡靠大脑正确分析来自前庭、本体感受器和眼的正确估息，以正确反映自身与外界的相互关系，并通过一系列的反射，随时调整这种关系。当三种传入的信息匹配不当时，即发生眩晕。眼的信息来自视觉和动眼反射，通过视觉可以判断视觉与外界的相互关系，增强空间定向能力;动眼反射则和前庭反射共司眼肌运动，使眼肌向所需方向转动，以便视线在身体运动中能准确对准目标。由前庭冲动发出的视线调节，使眼球反射性地朝逆方向转动;由前庭冲动引起的眼球运动，则可追随注视目标，调节视线方向。登高俯视时可发生俯视性眩晕，从飞速行驶的火车车窗注视车外近景时可发生视动性眩晕。而闭眼则可以阻断视觉刺激，防止上述眩晕的发生。由此说明，眼与眩晕发生有关。

眼的信息既来自视觉和动眼反射，则正确的信息必须要有良好的视觉系统(包括视网膜及其传导通路)和正常的屈光系统。否则不能向大脑输送清晰的图像。因此，正常人必须要有完好的眼球运动系统(包括前庭动眼反射、视动性反射、平稳跟踪运动、眼震快相、扫视、融合等)，以获得稳定的视网膜影像，并能根据需要改变视线。^[1]影像必须是相当稳定的（但不是绝对稳定的，否则会引起影像的消退)，才能使影像停留在视网膜上，得到最好的视觉分析。如果没有这种眼球运动系统，任何不随意的头动，甚至心跳这样的轻微振动也能使影像在视网膜上滑过，致使无法获得稳定的视觉。如链霉素中毒患者，其前庭动眼反射不能代偿心跳诱发的头动。而影响正常的学习和工作。眼源性眩晕可由下列各种情况发生。除视动性眩晕有明显的旋转感外，一般均呈视物或自身晃动不稳感，闭眼后症状常消失。对于生理性的眼源性眩晕，主要包含以下两种：

1.偏位性眩晕

视线强制性偏位40度以上，固视1~2分钟后发生的眩晕，伴有眼球不规则的眼震样跳动。此为眼肌过度收缩后本体感觉信号失调所致。

2.视动性眩晕

可固定注视转动的条纹转鼓或在高速行驶的车中注视近物而诱发。伴有视动性眼震，眼球呈锯齿状周期运动，其慢相与外物运动方向一致，其快相方向相反，即眼球的复位运动，临床常利用此法来检查视觉与前庭的联系，即视物中枢是否正常。

1.2 研究目的

如果能开发出这样的新型的使用液晶显示屏的电子移动设备（或技术），它能够大幅减弱人们在交通工具上使用它所承受的眩晕以及视觉疲劳感，这种产品将不仅能够进一步“瓦解”电子移动设备的使用限制，也会更有利于消费者的视力和身体。一种想法是，在移动设施中嵌入一个具有传感器功能的芯片，能够对该电子移动设备的运动情况进行捕捉，并通过对传感器探测到的信号进行运算，得到一个补偿矢量；将在液晶屏幕上显示的信息在经过与补偿矢量的复合运算后的结果显示在屏幕上，使之不会完全随着移动设备的不规则运动而运动。根据后文介绍的现有的医学理论，这种方法确实可以从理论上降低眩晕感。

本次大赛提供的芯片中，有两块具有比较好的运动探测功能，他们分别是LSM303DLHC芯片、L3GD20芯片。将这两块芯片嵌入到移动设备的硬件中，作为捕捉移动设备运动的传感器，即可实现上述功能。在本项目中，将利用LSM303DLHC芯片探测在三维坐标下移动设备的加速运动情况并进行补偿。为得到较为精密的处理结果，需要使用到LSM303DLHC尽可能多的传感维度。而加入L3GD20芯片后的设备与本项目中的设备几乎只有软件与算法上的区别，可作为后续任务，不列入本项目中。

这种通过实时探测设备运动状态并用软件算法进行补偿的办法，我组初步将之称为运动设施上的液晶稳定显示方法(Stable Display on Motive Equipment on LCD, SDME-LCD)。这种方法不仅可以在手机、eBook上的某些程序如短信、照片显示、视频播放等软件中得到应用，也可以用在战地现场直播，现场航拍或试验用精密电子摄像头中；当然，后者可能需要性能更好的传感器芯片和电路设计方法，也许会需要专用集成电路方面的知识。

2方案实施

2.1 工作原理

进入SDME模式后，首先LSM303DLHC开始工作，并将采样得到数据通过ARM处理器进行DSP处理。在DSP中将按照以下程序框图所列选的步骤对信号进行计算。

我们设定在每一个微小的时间段Δt都重复进行以上步骤。首先，将加速度积分得到物体运动的速度，在这个过程中需要设立初速度值，初速度值的设定：以上一个微小时间段的末速度为0即可，这样就能够描述在Δt时间段内物体的速度。将速度看成是震动，并分别对每一个维度上的速度信号进行傅里叶展开，将震动分解成基频信号与谐波叠加的形式。^[2]

能使人眼产生视动性眩晕的信号频率通常在一个范围内，只需要对这一部分频率的运动引起的位移进行补偿即可，无需且不允许对高于或低于这个频率带的波进行补偿。其中低次滤波部分可以通过打开LSM303DLHC的高通滤波模式来进行处理。

通过植入ARM处理器的算法程序，分别计算各维度上的具体的补偿矢量的值。这些补偿矢量应该具有以下特点：

(1) 补偿矢量能够反映且仅能够反映移动设备在某一维度上运动在“指定频率范围”内的运动状况；

(2) 补偿矢量的形成必然是实时的，做到实时采样、实时计算，每一个微小时间Δt内都要更新；

(3) 将某一维度上的补偿矢量与将显示在液晶屏幕上的信息复合运算之后，显示屏上的信息应具有这样的特点，它对指定的频率范围内的移动设备的震动将不再敏感，能在设备振动时保证显示内容的“绝对静止”。^[3]

得到补偿矢量后，下一个工作是对将要显示在液晶屏幕上的元素内容进行补偿，使他们对指定频率范围内的震动不敏感。项目经过实际测试后换用了由以ILI9325为驱动芯片的ALIENTEK2.4`/2.8`QVGA-TFTLCD，在将显示内容的像素上的每个点的位置坐标与补偿矢量叠加后，处理器根据各维度的补偿位移对液晶屏上显示的内容进行修正，即可完成液晶屏上的内容不随屏幕本身的抖动而震动，实现了稳像的目的。

2.2方案流程设计

根据上述原理，设计出系统架构框图如图2.1所示。

图2.1 系统架构框图

3测试与验证

3.1测试结果

测试中设定液晶屏为20fps的刷新率，即与传感器LSM303DLHC加速度采样后每秒钟补偿及显示20帧。规定LCD屏幕显示一定数量的文字，同时为了使补偿平移具有足够的空间，规定文字周围存在约20%屏宽的空白区域。为保证测试的准确性，将整个系统放置在可向任意方向平移的平台上进行平移来测试。

根据实际测试，在八个方向上、带有抖动的移动中，其中右侧、上方、右上（下）方、左上方向补偿效果较好。但是，左侧、左下方、下方的水平较为一般，出现掉帧现象。这样的不平均现象可能是由于加速度计是采用流体原理，对于负方向的误差较大；算法上可以调整FFT的点数，达到效果与性能的双向平衡。另外对于环境中的低次谐波震动如人声等，系统能够较好地进行滤除。

3.2 验证结果

测试的结果说明，按照上文中所提出的方案，本项目确实地实现了基于加速度计的抖动补偿。对于精度的提高可以在算法上进行改进，同时进一步提高刷新率。

此外，为了进一步降低处理器的功耗，可以考虑牺牲一定的便携性，将FFT-DSP部分交由TMS320系列DSP芯片完成。

4总结与展望

测试结果表明，项目目前较好得验证了方案的可行性，基本实现抖动补偿与稳像功能，具有较好的精度。

目前业界并未出现针对于智能移动设备的防抖系统，而对于各种新型以液晶显示屏为最主要使用媒介的电子移动设备（或技术），这种系统能够大幅减弱人们在交通工具上使用它所承受的眩晕以及视觉疲劳感。根据本项目中参考的现有的医学理论，这种系统确实可以从理论上降低眩晕感。当将其产品化后，这种产品将不仅能够进一步“瓦解”电子移动设备的使用限制，也会更有利于消费者的视力和身体。

此外，本系统由于其便于移植、易于产品化的特点，相信随着智能移动设备的全面普及， LCD视动性眩晕补偿系统将以其极佳的实用性深入日常生活之中服务于大众，避免视动性眩晕带来的不便或是减轻各种环境下的视觉疲劳。

参考文献

[1] 张勤修. 水平视动性眼震与血管性眩晕关系的研究[J]. 中国现代医学杂志. 1999.9:23-24

[2] 顾名坤，吕振华. 基于振动加速度测量的振动速度和位移信号识别方法探讨[J].机械科学与技术. 2011.4:Vol.30:4. 523-524

[3] 覃春花.图象稳定技术研究与实现[D].哈尔滨工程大学, 2010 14-15