基于B/S的空间对比敏感度测量研究
2015-02-21周小强眭建锋
周小强 梁 振 眭建锋 何 珊
(安徽医科大学生命科学学院生物医学工程系，合肥 230032)
基于B/S的空间对比敏感度测量研究
周小强 梁 振*眭建锋 何 珊
(安徽医科大学生命科学学院生物医学工程系，合肥 230032)
空间对比敏感度是一种比视锐度更全面的视觉功能评价指标，但由于其测量技术相对复杂至今无法广泛普及。目前，实现空间对比敏感度测量的技术方案有：Psychtoolbox + Matlab、VisionEgg + Python、C/C++等。但是这些技术方案或多或少的面临着软件授权、使用复杂、跨平台等问题。为解决这些问题，提出一种基于B/S架构的空间对比敏感度实现方法。前端使用HTML5 + JavaScript + CSS组合实现空间对比敏感度测量程序，服务器端采用轻型建站方案(如：Windows + IIS6 + 花生壳软件)。用户通过浏览器访问测量页面即可完成空间对比敏感度的测量。本研究采用的测量方法为正弦光栅随机出现在注视点左右两侧，空间频率选择0.5、1、2、4、8、16 cpd，每个空间频率的对比度调整120次，对比度以二进一的方式进行调整。三名被试参与了该实验，实验结果与其他研究组的结果一致。最后表明，提出的基于B/S架构的空间对比敏感度测量方案完全可行。该方法解决了软件授权费用、使用复杂、跨平台等问题，实现了客户端零维护、访问即测量的优点。本研究提出的技术方案将会给空间对比敏感度的普及带来很大推进作用。
视觉功能； 空间对比敏感度； B/S； HTML5；
引言
人类对视功能的评估多用视锐度、视野、双眼视功能、光觉、色觉等检查来完成。在临床上主要是以视力表检查来评价视功能，但这种视力表视锐度的测定是有局限性的，不能全面、精确地反映人眼形觉功能的特性，特别在弱视、青光眼、黄斑病变等与视敏度相关性不强的眼科疾病的评价和检查中，视力表检测往往会遗漏这些眼科疾病的早期表现。近年来随着眼科学的不断探索研究，发现采用对比敏感度(contrast sensitivity，CS)来评价和诊断视功能具有更好的准确性和预测性[1]。对比敏感度是指辨认在平均亮度下两个可见区域差别的能力，是人眼对恰好能识别出的某一空间频率(视标大小、粗细)的黑白相间光栅或条纹阈值的倒数[2]。如果两个区域在空间范围内相互靠近，辨认它们之间亮度差异的能力称为空间对比敏感度(spatial contrast sensitivity)。如果可见区域随着时间先后而出现，辨认其亮度差异的能力称为时间对比敏感度(Temporal Contrast Sensitivity)[3]。本研究对比敏感度指的是空间对比敏感度，目前普遍认为空间对比敏感度比时间对比敏感度具有更成熟和权威的眼科诊断意义，而关于时间对比敏感度的研究则未得出一致性结论[4-5]。
目前流行的空间对比敏感度检查方法是使用对比敏感度检查仪来检查使用者的对比敏感度，此种检查仪器价格相对昂贵远达不到大面积普及的要求。国内外也有研究组开发出基于单机版的空间对比敏感度测量软件和基于网络的客户端/服务器(client/server,C/S)模式的空间对比敏感度检查系统，但这些软件或系统只能在特定的实验条件和环境下操作运行，或者到指定的场所才能进行检查[6-8]。例如，有基于C/C++语言开发的单机空间对比敏感度测量软件，也有基于Psychtoolbox或Vision Egg编写的空间对比敏感度测量软件。基于C/C++的测量软件，只能运行在Windows系统，由于不能跨平台而限制了其应用范围。若使用基于Psychtoolbox或Vision Egg的空间对比敏感度检查软件，则用户除需安装相应的检查软件外，还需要安装Matlab或Python，这种方法虽然有很好的空间对比敏感度检查效果，但是需要Matlab或Python运行环境，而且在这些环境上面安装Psychtoolbox或Vision Egg又需要特别的安装技巧，非普通用户可以掌握。此外，Matlab软件还需要高昂的授权费用，因此该方案局限于科学研究。
为了解决这些问题，提出了基于浏览器/服务器模式(browser/server，B/S)的解决方案，本设计利用HTML5、CSS以及JavaScript等互联网技术，设计了一款基于Web浏览器的空间对比敏感度测量软件。在这种模式下，程序存储在服务器端，用户不需要自己进行软件的升级和维护，因而大大降低了用户的费用和使用难度。B/S模式最大的优点是只需在一个可以连接互联网的电脑或者终端设备上，通过浏览器(browser)访问指定网址即可进行空间对比敏感度测量，可在任何地方进行操作而无需安装专业的软件，将系统功能实现的核心部分集中到服务器(server)上，简化了系统的开发、维护和使用，降低了成本。使用者只需要有一个浏览器，如IE、Google Chrome或Safari等，就可以进行空间对比敏感度的检查。随着互联网技术的高速发展，所提出的方案将会有力推进空间对比敏感度检测的普及。
1 材料和方法
1.1 系统配置
本设计使用的用户计算机配置：CPU为主频3.20 GHz的Pentium(R) E5800双核处理器，显卡为NVIDIA GeForce 405，HP LE1901w显示屏，内存2 GB和硬盘500 GB的存储系统，操作系统是Microsoft Windows XP。服务器端计算机配置为：Lenovo主机，系统为Windows Server 2003，IIS 6.0，动态域名解析软件使用花生壳。代码编辑环境使用Sublime Text 2，编译解释器使用Google Chrome。
1.2 技术方法
1.2.1 编程技术
本设计的网页前端主要使用HTML5 + JavaScript + CSS组合技术完成。HTML5是HTML的下一个主要修订版本，现在仍处于发展阶段。作为一种网页描述语言，HTML5具有很多其他网页描述语言不具备的特点和优点，多设备跨平台是这个技术的主要优点之一。使用HTML5编写空间对比敏感度测量软件的网页前端很好地解决了在各种平台和各种浏览器上兼容运行的问题。本软件程序中主要使用
在服务器端本设计使用Windows Server 2003 + IIS6.0 + 花生壳软件这种小型网站架构方法来搭建服务器。其中IIS6是互联网信息服务(Internet Information Services)6.0版本，IIS 6.0 和 Windows Server 2003在网络应用服务器的管理、可用性、可靠性、安全性、性能与可扩展性方面提供了许多新的功能，这种组合提供了可靠的、高效的、连接的、完整的网络服务器解决方案。花生壳软件可以提供免费的动态域名解析功能，凭借这一服务可以建立拥有固定域名和最大自主权的互联网主机。因此使用这种方式可以以较低的成本创建起一个高效、稳定的网站系统。
1.2.2 程序设计
空间频率(spatial frequency, SF)是指每度视角内图像或刺激图形的亮暗作正弦调制的栅条周数，单位是周/度(c/d)[10-11]。不同空间频率的对比敏感阈值是不同的，本设计分别设置空间频率为0.5、1、2、4、8、16 c/d的6组正弦光栅刺激源。所有SF值随机出现，若在某组SF下连续两次判断正确，则在此SF组下对比度降低10%，若此组SF下前一次判断错误而此次判断正确，则对比度保持不变，而判断错误则此组下对比度直接提高10%。每组测试120次。然后计算对比度拐点的平均数(去除前3个拐点)，该均值既为对比度阈值CT，对比敏感度CS为对比度阈值倒数即CS=1/CT。对比敏感度函数计算公式如下：
f=-10lgCS-1=-10lgCT
(1)
式中, CS是对比敏感度，CT对比度阈值。对6组的空间对比敏感度平均值大小作折线图。
程序流程图如图1所示。
图1 程序流程图Fig.1 Program flow chart
1.2.3 刺激源实现
本设计使用高斯模糊的正弦光栅视标作为刺激源。为了显示器亮度的非线性，准确呈现正弦光栅，对光栅视标做Gamma(γ)校正处理。在计算机系统中，由于显卡或者显示器的原因会出现实际输出的图像在亮度上有偏差，这种偏差可以通过Gamma曲线进行矫正[12]。Gamma校正公式为
(2)
式中，uncorrected为未校正的像素点亮度值，corrected为γ校正过后的像素点亮度值，γ为Gamma校正系数。
一般情况下，当用于Gamma矫正的值大于1时，图像的高光部分被压缩而暗调部分被扩展，当Gamma矫正的值小于1时，图像的高光部分被扩展而暗调部分被压缩，Gamma矫正一般用于平滑的扩展暗调的细节[13]。经过实际亮度测试调整，本设计的γ值取γ=0.5。
2 结果
2.1 刺激源实现效果
正弦光栅刺激源每次显示时间有0.5 s，给用户判断及操作键盘的时间有1.5 s，若没有或者未及时做出判断响应，则此次判断测试作废，继续下个周期随机显示下次正弦光栅图像，且时间周期不变。
下图为空间对比敏感度测定过程中随机出现的其中两组不同SF值下的正弦光栅图：
图2 空间对比敏感度测量过程中的随机图片。(a)其中一个随机图片；(b)另一个随机图片Fig.2 Random pictures in measurement process of spatial contrast sensitivity. (a) One of random pictures; (b) Another random picture
2.2 浏览器支持预览
基于B/S的系统是通过浏览器来访问页面，目前，琳琅满目的浏览器并不是全部都完美地支持本研究的设计软件，这是由各互联网公司采用的内核技术不同和浏览器版本决定的，在PC端和移动设备终端所使用的浏览器也是有差别的。为方便不同浏览器用户，目前主流浏览器的支持情况的测试统计结果如表1所示。表中“×”和“√”分别表示此浏览器不能和可以支持本研究的软件程序。其中IE8和IE9分别是Internet Explorer 8和Internet Explorer 9版本。值得说明的是，本研究所说的对IE6/7/8浏览器“不支持”仅指本研究所用的测试的程序不支持。事实上，完全可以通过引入html5.js来支持。
表1 主流浏览器支持预览表
Tab.1 The table of major browsers about whether to support our program
浏览器IE8ChromeFirefoxOperaSafariIE9支持否×√√√√√
2.3 空间对比敏感度曲线
本测量方法经被试试用，系统稳定工作，软件有效运行。表2是3名被试在不同空间频率下对比敏感度拐点的平均值。
表2 不同空间频率下对比敏感度拐点平均值
Tab.2 Contrast sensitivity inflection point average of different spatial frequencies
被试不同SF(c/d)下空间对比敏感度05124816SJF16759670355ZXQ138110077337HS11738980373
为了更加直观地观察空间对比敏感度的大小变化规律，对3名被试测定的空间对比敏感度大小做折线图展示，如图3所示。通过折线图，可以明显看出人眼的空间对比敏感度曲线近似呈“”形状，这一结果也符合国内外视功能研究小组在空间对比敏感度方面的研究成果[14-15]。
图3 空间对比敏感度折线图Fig.3 The line chart of spatial contrast sensitivity
3 讨论
视功能的评价方法多种多样，空间对比敏感度检查是一种新颖有效的检查方法。它能灵敏、全面地反映视功能状态，对一些眼科病的早期诊断、手术时机、治疗方式及疗效评估都有一定价值，在进一步研究视觉生理机制及中枢性疾病也起到一定作用。本设计不同于C/S模式或基于C/C++语言编写的系统，也异于Psychtoolbox或Vision Egg 工具编写的软件。本设计基于B/S充分发挥互联网优势，通过浏览器链接访问网址即可简单有效测量空间对比敏感度。这种基于网络的测定方式的出现意味着人们可以更客观便捷地自我检查视功能，打破了以往传统眼科检查的局限性。
此方法可以用于普通使用者在眼科方面的早期自我排查，也可以用于临床诊断的快速测量以及大量被试的空间对比敏感度数据采集。甚至可以在本方法基础上进一步设计对弱视的在线治疗软件系统。
网络化和信息数据化是未来各行各业的发展趋势，本设计充分利用高新技术，将医学测量更加普及和精确。简单的客户端配置就能给普通用户带来互联网在眼科检查方面的福利，无需传统的昂贵复杂的服务器系统。即使是在单机情况下或者无法连接互联网的地区，也可在本地主机上通过浏览器打开测量文件程序，充分发挥本设计优势。在浏览器支持方面，笔者的网页可以通过目前市场上大部分主流浏览器链接访问，多种浏览器可以满足不同平台和不同使用习惯的用户需求。但一些版本过低的浏览器不支持本研究的设计，例如IE 8及以下版本不支持HTML5，以及微软公司已宣布停止支持Microsoft XP系统的服务，IE 8及以下版本将逐渐退出市场。当然，将来投入运行时，可以添加兼容性代码，使之支持全部浏览器。
4 结论
基于B/S，本研究设计出一个测定空间对比敏感度的方法。通过访问网页并对页面出现空间频率分别为0.5,1,2,4,8,16 cpd的高斯模糊的正弦光栅刺激源进行位置判断，每组空间频率分别测定120次作为统计样本，软件根据用户的每次判断结果进行对比度增大10%、减小10%或者不变的反馈调整，并对每组空间频率下对比度变化的拐点值进行统计求平均值。通过这一方法可以测量出使用者的空间对比敏感度和在各空间频率下的视功能状况，特别有助于发现在高频空间敏感度下的异常，例如弱视在空间频率SF=16时表现空间对比敏感度值的明显偏差。本设计也对眼科的检查和科研起到了很好的简化步骤降低成本的作用。
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The Study of Spatial Contrast Sensitivity Measurements Based on B/S Structure
Zhou Xiaoqiang Liang Zhen*Sui Jianfeng He Shan
(SchoolofLifeSciences,AnhuiMedicalUniversity,Hefei230032,China)
visual function; spatial contrast sensitivity; B/S; HTML5
10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 01.018
2014-07-09， 录用日期:2014-09-23
高等学校省级优秀青年人才基金(2012SQRL068ZD)；安徽省自然科学基金(1308085QC55)
R318
D
0258-8021(2015) 01-0124-05
*通信作者(Corresponding author)，E-mail: liangzhen@foxmail.com
