專利名稱：彩色觸視覺系統、觸覺顯示寫入器、觸覺顯示寫入單元及方法
技術領域：
本發明是有關于一種視覺取代系統，且特別是有關于一種彩色觸視覺系統、觸覺顯示寫入器、觸覺顯示寫入單元及方法。
背景技術：
多種不同方法被提出用以恢復失去的視覺或加強現有的視覺，上述方法包括視覺假體及視覺取代。視覺假體通常由植入式神經刺激器所組成，并且植入式神經刺激器會耦接外配帶式攝影機。視覺假體可以提供原本具有視力但由于視力退化疾病所造成失明的人恢復些許視力，并且成功的透過視覺假體依據盲人失去視力的方式恢復盲人的視覺。并且依據盲人失去視力的方式成功的透過視覺假體恢復盲人的視覺。視網膜上的假體曾被提倡， 并且透過一些組織開發視網膜上的假體。此方式可成功運用于視覺感官退化所造成的失明，并且視神經可完全發展于發病失明之前，其中引起視覺感官退化的疾病例如視網膜色素變性及老年性黃斑部變性。假體系統使用的視網膜下的植入式微芯片為發展于美國史丹佛大學中Daniel V. Palanker的研究機構，并且其研究描述于D. Palanker等人于2005 年發表于 J. Neural Eng.，Vol. 2，pp. S105-S120 名為 “Design of a high-resolution optoelectronic retinal prosthesis"的論文、D. V. Palanker 等人發表的第 7，047，080 號的美國專利(專利名稱為‘、elf-sufficient retinal prosthesis powered by intraocular photovoltaic cells”)及第 7，447，547 號的美國專利(專利名稱為“Neural prosthesis based onphotomechanical deflectors and tactile sensory cells，，)。 Robert Greenberg R^^t Second Sight Medical Products&司的同,fl]!!出一禾中才直入式視網膜微芯片陣列，其描述于Robert Greenberg等人所發表第7，263, 403號及第 7，499，754號的美國專利(專利名稱為“Retinal prosthesis”)。Alan Y. Chow與其在 Optobionics公司的同事提出了一種視網膜下的植入式微光電二極管陣列，用以治療視網膜色素變性，其描述于Alan Y. Chow等人于2004發表于Arch. Ophthalmol.，Vol. 122， pp.460 469 名禾爾為"The Artificial SiliconRetina Microchip for the Treatment of Vision Loss From Retinitis Pigmentosa，，的論文。視網膜假體需要從外部植入，其不但具有植入技術的風險，且具有在貼近神經組織的地方運作電子裝置的風險。如上所述，視覺假體適于原本具有視力且因退化性疾病而失明的個案。因為假體放置于眼睛內部，其主要用以治療視覺損傷，并且無法理想地對有視力的人增強其視覺。由于某些緣故，視覺取代方法可以更加完善。一般而言，若人體中由視網膜傳送感覺信息至大腦的能力受損的話，則會造成失明。在視覺取代系統中，會透過聯結未受損的視覺處理路徑以從另一種感知模式(例如觸覺)獲取數據，以此恢復視覺感受。透過視覺取代，信息由觸覺感官轉送至視覺中樞，其信息會被理解并視為影像。在視覺取代系統中，影像獲取裝置(如數字攝影機)會產生信號以表示所接收到的影像，此影像被處理并轉送至一刺激器陣列，此刺激器為配置以刺激受試者某一區域的觸覺感官。以下則提出一些視覺取代系統以舉例。Paul Bach-y-Rita提出一種為電觸覺顯示器的視覺取代系統，電觸覺顯示器包括電極陣列，并且電觸覺顯示器為配置于受試者的舌頭。上述可見于Paul Bach-y-Rita等人于 1998 發表于 Jour. Rehabilitation Research andDevelopment 名為"Form Perception with a 49-point electrotactile stimulusarray on the tongue :A technical note，， 的文章，以及Paul Bach-y-Rita等人所發表之第6，430，450號的美國專利(專利名稱為 "Tongue-based tactile outputdevice，，)。 K. Kasmarek的同· 持續進行電觸覺刺激器的開發工作。一個標準的電觸覺舌頭顯示系統包括舌頭顯示單元、 控制器及攝影機，并且Wicab公司持續努力開發一種裝置適于商業使用。此系統可提供灰階信息，但無法提供色彩信息。當舌頭以其它方式使用時，此裝置無法使用于舌頭，例如當人們吃東西或說話。用以表示視覺、聽覺及修改觸覺信息至皮膚的方法為探討于Kurt A. Kaczmarek等人于 1991 年一月發表于 IEEE Trans. Biomed. Eng.，Vol. 38, No. 1.名為"Electrotactile and Vibrotactile Displays for Sensory SubstitutionSystems，，白勺^1 巾。角蟲yE^IlJiHIj 可以為機械觸覺、電觸覺或熱觸覺。協助盲人及視力受損的俄羅斯共和國基金會，其發展一種具有觸覺顯示器的觸視覺系統，其附掛于受試者背上。此顯示器包括一電極陣列。攝影機接收影像并傳送代表影像的信號至計算機，則計算機對信號進行處理對并傳送電子脈波至此陣列中的電極。德國海德堡的 Ruprecht-Karls 大學中的 Kirchhoff-Institut fur Wrysik(Kirchhoff物理研究所)提出一種觸視覺取式系統，其利用一種虛擬觸覺顯示器 (virtual tactile display，VTD)，并且虛擬觸覺顯示器接收數據自具有影像處理能力的攝影系統裝置。上述可見于Thorsten Maucher等人于2000七月發表于Karlsruhe的 ICCHP2000 名為"The Heidelberg TactileVision Substitution System”的論文。虛擬觸覺顯示器包括一移動式觸覺輸出單元，每一移動式觸覺輸出單元具有移動式壓電致動器， 且移動式壓電致動器配置于標準盲文矩陣中。觸覺輸出單元掃描大片輸入區域。此系統包括互補金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)攝影機及專用的超大規模集成電路晶體以獲取影像及進行前置處理。Kirchhoff物理研究所另外提出一種氣動觸覺顯示器，其觸覺刺激物為透過壓縮空氣驅動活塞陣列施加于皮膚。上述參考自 Kirchhoff 物理研究所的網站，其網址為 http://www. kip. uni-heidelberg. de/D
發明內容
根據本發明一實施例，觸覺顯示寫入單元包括探針及一第一致動器及至少一第二致動器，其中此探針具有接觸尖端，此第一致動器及此第二致動器耦接此探針，以此第一致動器及第二致動的啟動導致此探針尖端在Z方向上的位移以及在第一橫向的上位移，此第一橫向具有在χ-y平面上的第一向量。 在某些實施例中，觸覺顯示寫入單元包括第三致動器，其耦接此探針。 在某些實施例中，第一致動器的啟動導致此探針尖端在ζ方向上的位移，第二致動器的啟動導致在第一橫向的上位移。并且，在具有第三致動器的實施例中，第三致動器的啟動導致此探針尖端在第二橫向上的位移，此第二橫向具有在x-y平面上的第二向量。根據本發明一實施例，觸覺顯示寫入單元包括基座、探針、至少一第一及一第二致動器，其中基座具有頂點，探針位于頂點上且具有接觸尖端，第一致動器及第二致動器耦接于基座的第一部位及第二部位，以此第一致動器的啟動導致第一部位在第一方向上的位移，其中此第一方向具有在Z方向上的第一向量，并且以此第二致動器的啟動導致第二部位在第二方向上的位移，其中此第二方向具有在ζ方向上的第二向量。在某些實施例中，觸覺顯示寫入單元包括第三致動器，其耦接基座的第三部位，以此第三致動器的啟動導致第三部位在第三方向上的位移，其中此第三方向具有在ζ方向上的第三向量。在某些實施例中，第一部位、第二部位及第三部位坐落于基座上相對于頂點的一側。在某些實施例中，第一部位及第二部位位移的差距、或者第一部位與第二部位及第三部位其中之一位移的差距導致基座的傾斜及探針在一橫向上的位移，其中此橫向具有 x-y平面上的第一向量。根據本發明一實施例，觸覺顯示寫入器包括多個上述觸覺顯示寫入單元，這些觸覺顯示寫入單元被支撐于x-y陣列中。根據本發明一實施例，觸視覺系統包括上述觸覺顯示寫入器、影像處理器及影像傳感器。此影像處理器將來自影像傳感器的RGB影像信息轉換為具有兩個或兩個以上屬性的色相信息。并且，觸覺顯示寫入器中的致動器為透過信息的屬性而啟動。根據本發明一實施例，在受試者的皮膚的部位產生色彩觸覺刺激的方法包括將探針對準此部位，其中此探針具有一接觸尖端；在此部位沿著皮膚的表面的法線方向移動此接觸尖端一第一距離，此第一距離與色彩的色相模型的一個屬性有關。并且，在此部位， 沿著平行皮膚表面的平面中的至少一橫向移動此接觸尖端一第二距離，此第二距離與色彩的至少一額外屬性有關。在本發明的不同實施例中可提供一彩色觸覺顯示器以輔助盲者或視力受損者，以及增強可視者的視力。本發明不需開刀及其它侵入性步驟來實現。為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作詳細說明如下。
圖IA為紅綠藍(RGB)色彩模型的色彩分布表示圖。圖IB及圖IC為色調色彩模型的分布示意圖。圖2繪示為依據本發明一實施例的觸覺顯示裝置的透視示意圖。圖3A及圖:3B繪示為依據本發明一實施例的觸覺顯示裝置與皮膚上一固定部位的色調色彩對應關系示意圖。圖4繪示為依據本發明一實施例的觸覺顯示裝置的執行過程流程圖。圖5繪示為依據本發明一實施例的色彩視覺陣列的透視圖。圖6繪示為依據本發明另一實施例的色彩視覺陣列的透視圖。
圖7A繪示為依據本發明一實施例的觸視覺系統的基本元件的廣義概念示意圖。圖7B繪示為依據本發明一實施例的觸視覺系統的基本元件配置于受試者的示意 圖。圖8A繪示為依據本發明一實施例觸覺顯示裝置于對比(灰階值)寫入模式的透 視圖。圖8B繪示為依據本發明一實施例的觸覺顯示裝置于色彩寫入模式的透視圖。圖9A及圖9B繪示為依據本發明實施例的觸覺顯示裝置的致動器于裝置探針為不 同配置方式的透視圖。圖10繪示為依據本發明一實施例的裝置探針及致動器的爆炸透視圖。圖11A、圖IlB及圖IlC繪示為圖10的具有探針及致動器的觸覺顯示裝置的示意 圖，其中圖IlB為正視圖，圖IlA為第一(頂部)平面圖，圖IlC為第二(底部)平面圖。圖12A繪示為配置如圖11A、圖IlB及圖IlC的觸覺顯示裝置的陣列設置于受試者 的皮膚表面的透視圖。圖12B繪示為如圖12A的觸覺顯示裝置陣列對著受試者的皮膚以不同方式移動以 表示不同色彩值的透視圖。圖13繪示為依據本發明另一實施例的色彩視陣列的透視圖。圖14A繪示為依據本發明一實施例的觸視覺系統的基本元件的廣義概念示意圖。圖14B繪示為依據本發明一實施例的觸視覺系統的基本元件配置于受試者的示 意圖。圖15繪示為依據本發明一實施例的觸覺顯示裝置的執行過程流程圖。主要元件符號說明C、C'列R 紅色R'、R〃 行G 綠色B 藍色H 色相L 亮度S 飽和度V:亮度值11 皮膚20、52、62、64、1201、1201' ,1202,1202' ,1203,1203' ,1204,1204'、1302:寫入
單元21、1185、1291、1292、1293、1294、1291' ,1292' ,1293'、1392:接觸尖端22、82、92、1184 探針24、26、28、84、86、88、94、96、98、1084、1084 ‘及 1084 “ 、1261、1261 ‘ ,1261 “、 1262,1262'、1262 "、1263、1263'、1263 “、1264、1264 ‘ ,1264" ,1361,1361‘ ,1361“
致動器25、27、29、73、75、85、87、89、95、97、99 耦接關系
31 部位32 接觸點33、33'部份色彩環34:亮度范圍36 角度38、d:距離50、60、1300 陣列56,66 支撐器63、65:區域72、1402 影像傳感器74、1404 影像處理器76、80、81、90、91、1406 影像寫入器1080 觸覺顯示裝置/寫入單元/支架組1082、1082' ,1082"末端1085、1085' ,1085"軸件1182、1213、1214、1312 基座1183,1183'及 1183〃 角落1200 虛線
具體實施例方式本發明將依據圖示作進一步詳細說明，并且圖示所繪示本發明的實施例為二擇一形式。所繪示的圖標為表示本發明的特征及其相關于其它特征及結構，并且本發明不限于圖示的大小。為了使圖標更加清楚，圖標所繪示的本發明實施例中，元件與其它元件的對應關系為繪示于其它圖標中，并且圖標非全部重新標號，以使本發明的圖標中的元件容易辨別。此外，本領域技術人員可透過其知識而理解的部份技術特征則不繪示于圖標中，以使圖標更加清楚。色彩一般由三個分量所定義，并且在不同的色彩模型中，透過投影上述三個分量的值來描述三維體積，其如同歐幾里得(Euclidean)空間中的笛卡爾(Cartesian)分量一般。以紅綠藍(red-green-blue，RGB)色彩模型為例，其色彩分布如圖IA所示，RGB色彩模型是以利用0 1范圍間的非負數數值的立方體來表現，并且將在頂點(0，0，0)的黑色指定為原點，并且沿著三軸(R、G、B)增加強度的數值，而到達位于頂點(1，1，1)的白色，其中白色為黑色的對角線對向位置。而RGB三分量(r，g，b)代表在該立方體內、其表面、或沿其邊的給定色彩點的三維坐標。在某些色彩使用中，色相色彩模型可以更有效地仿真色彩實際被接收的方式。圖 IB及圖IC表示色相色彩模型。圖IB繪示色相-飽和度-亮度(hue-saturation-lightness， HSL)的色彩空間，為所繪示的雙圓椎體。ζ軸代表亮度，并且沿著ζ軸可從黑色(底部)到達白色(頂部)。χ-y平面上至ζ軸的距離代表飽和度。χ-y平面環繞ζ軸的角度代表色相， 其中紅色為0度角。具有一給定亮度值的色彩是位于與ζ軸垂直的色彩環內，而全飽和度色彩是位于色彩環的邊緣。圖IC繪示為色相-飽和度-亮度值(hue-saturation-value，
8HSV)的色彩空間，為所繪示的倒椎體，其中黑色點位于底部，并且全飽和度色彩環繞位于頂 部的圓。z軸代表亮度值，并且沿著z軸可從黑色(底部)到達白色(頂部圓的中央)。x_y 平面上至z軸的距離代表飽和度。以及，x-y平面環繞z軸的角度代表色相，其中紅色為O 度角。如攝影機之類的影像擷取裝置一般使用RGB色彩模型。RGB信號可利用直接轉換 (straightforward transformation)方式轉換為色相模型。以下則提出已知方法，來舉例 說明將RGB空間的紅綠藍(RGB)坐標(其可由數字影像陣列所提供)轉換為色相空間的色 相-飽和度-亮度(HSL)向量，或色相-飽和度-亮度值(HSV)向量。上述方法可參照網 址 http://en. wikipedia. org/wiki/HSL_and_HSV 所述的文章。使r，g，b G
在RGB空間中分別為紅色、綠色與藍色坐標。使max為r、g、b的最大值,而min為r、g、b的最小值。為了找出HSL或HSV空間的色相角度h G
，其計算方式如下
權利要求
1.一種觸覺顯示寫入單元，包括一探針，具有一接觸尖端；以及至少一第一致動器及一第二致動器，耦接該探針，以此該第一致動器的啟動導致該探針的該接觸尖端于一 ζ方向上的位移，并且該第二致動器的啟動導致該探針的該接觸尖端于一第一橫向上的位移，該第一橫向具有在一 χ-y平面中的一第一向量。
2.根據權利要求1所述的觸覺顯示寫入單元，更包括一第三致動器，耦接該探針，以此該第三致動器的啟動導致該探針的該接觸尖端于一第二橫向上的位移，該第二橫向具有在該x-y平面中的一第二向量。
3.一種觸覺顯示寫入器，包括多個權利要求1所述的觸覺顯示寫入單元，該些觸覺顯示寫入單元被支撐于一 x-y陣列中。
4.一種觸覺顯示寫入器，包括多個權利要求2所述的觸覺顯示寫入單元，該些觸覺顯示寫入單元被支撐于一 x-y陣列中。
5.一種觸視覺系統，包括一權利要求3所述的觸覺顯示寫入器；一影像處理器；以及一影像傳感器，其中該影像處理器被編程以將來自該影像傳感器的一 RGB影像信息轉換為具有兩個或兩個以上屬性的一色相信息，并且該觸覺顯示寫入器中的該些致動器為透過該色調信息的該些屬性而啟動。
6.一種在一受試者的皮膚的一部位產生一色彩觸覺刺激的方法，包括將一探針對準該部位，其中該探針具有一接觸尖端；在該部位沿著該皮膚的表面的一法線方向移動該接觸尖端一第一距離，其中該第一距離與一色彩的一色相模型的一屬性有關；以及在該部位，沿著平行該皮膚的表面的一平面的至少一橫向，移動該接觸尖端一第二距離，其中該第二距離與該色彩的至少一額外屬性有關。
7.一種觸覺顯示寫入單元，包括一基座，具有一頂點及一具有接觸尖端且位于頂點上的探針；至少一第一及一第二致動器，耦接該基座的一第一及一第二部位，以此該第一致動器的啟動導致該第一部位于一第一方向上的位移，該第一方向具有在一 ζ方向上的一第一向量，并且以此該第二致動器的啟動導致該第二部位于一第二方向上的位移，該第二方向具有在該ζ方向上的一第二向量。
8.根據權利要求7所述的觸覺顯示寫入單元，其中該第一部位及該第二部位坐落于該基座上相對于該頂點的一側。
9.根據權利要求7所述的觸覺顯示寫入單元，更包括一第三致動器，其坐落于該基座的一第三部位，以此該第三致動器的啟動導致該第三部位在一第三方向上的位移，其中該第三方向具有在ζ方向上的一第三向量。
10.根據權利要求9所述的觸覺顯示寫入單元，其中該第一部位、該第二部位及該第二部位坐落于該基座上相對于該頂點的一側。
11.根據權利要求10所述的觸覺顯示寫入單元，其中該第一、該第二及該第三部位為一三角形排列于該基座的該側。
12.根據權利要求9所述的觸覺顯示寫入單元，該第一部位與該第二部位及該第三部位其中之一位移的差距導致該基座的傾斜及該探針在一橫向上的位移，其中該橫向具有一 x-y平面上的一向量。
13.根據權利要求7所述的觸覺顯示寫入單元，其中該第一部位及該第二部位位移的差距導致該基座的傾斜及該探針在一橫向上的位移，其中該橫向具有一 x-y平面上的一向量。
14.一種觸覺顯示寫入器，包括多個權利要求7所述的觸覺顯示寫入單元，該些觸覺顯示寫入單元被支撐于一 x-y陣列中。
15.一種觸覺顯示寫入器，包括多個權利要求9所述的觸覺顯示寫入單元，該些觸覺顯示寫入單元被支撐于一 x-y陣列中。
16.一種觸視覺系統，包括一權利要求14所述的觸覺顯示寫入器； 一影像處理器；以及一影像傳感器，其中該影像處理器被編程以將來自該影像傳感器的一 RGB影像信息轉換為具有兩個或兩個以上屬性的一色相信息，并且該觸覺顯示寫入器中的該些致動器為透過該色調信息的該些屬性而啟動。
全文摘要
本發明公開了一種彩色觸視覺系統、觸覺顯示寫入器、觸覺顯示寫入單元及方法。該觸覺顯示寫入單元包括具有接觸尖端的探針及至少一第一及一第二致動器。第一及第二致動器耦接探針，以此這些致動器的啟動導致探針尖端于一個或多個第一方向上位移及第一橫向上的位移，此橫向具有在x-y平面中不同于第一方向的第一向量。寫入單元可具有第三致動器，其耦接探針。
文檔編號A61F9/08GK102335064SQ20101023958
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者莊東樺, 林昱佑, 陳士弘, 陳逸舟 申請人:旺宏電子股份有限公司