基于移动平台的视觉刺激系统的设计与实现.docx

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基于移动平台的视觉刺激系统的设计与实现

基于移动平台的视觉刺激系统的设计与实现

周婧玄

中图分类号：

TP319

UDC分类号：

004.42

基于移动平台的视觉刺激系统的设计与实现

作者姓名周婧玄

学院名称软件学院

指导教师王崇文副教授

答辩委员会主席陆耀教授

申请学位级别工程硕士

学科专业软件工程

学位授予单位北京理工大学

论文答辩日期2013年6月

DesignandImplementationofVisualStimulationSystemBasedonMobilePlatform

CandidateName：

JingxuanZhou

SchoolorDepartment:

SchoolofSoftware

FacultyMentor:

A.P.ChongwenWang

Chair,ThesisCommittee：

Prof.YaoLu

DegreeApplied:

MasterofEngineering

Major：

SoftwareEngineering

Degreeby:

BeijingInstituteofTechnology

TheDateofDefence：

June，2013

基于移动平台的视觉刺激系统的设计与实现北京理工大学

研究成果声明

本人郑重声明：

所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。

尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。

与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。

特此申明。

签名：

日期：

关于学位论文使用权的说明

本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。

签名：

日期：

导师签名：

日期：

摘要

视觉训练是一种提高视觉功能和视觉表现的个性化治疗，有助于视觉的更好发育。

视觉刺激系统是将传统的视觉训练与多媒体技术相结合，引入动画、音频、视频等动态媒体，使用户可以交替或同时利用多个感觉通道来感知外界信息，提高了用户接收信息的效率。

随着手机、平板电脑已经成为人们日常生活的必需品，Android操作系统也成为了目前最受欢迎的移动操作平台之一。

基于Android平台下的软件的操作更加简便、界面更加丰富，用户可以更快捷、方便地学习和娱乐。

目前现有的视觉刺激系统只适用于台式计算机或笔记本，交互操作主要是利用鼠标和键盘，这对于儿童来说，操作不方便，难于记忆。

本课题的研究目的是设计与实现一款基于Android移动平台的针对学龄儿童的视觉刺激系统。

系统主要功能包括三种训练方式：

描点、连线、画图；三种训练级别的选择、七种动态背景方式的选择、背景颜色的变换、背景空间频率的变换、移动速度的变换，以及历史成绩查询、背景音效、成绩计算等辅助功能。

本文首先介绍了刺激系统和Android技术的研究背景，然后深入研究了Android操作系统、Android平台下的图形绘制和显示等相关内容。

对比目前主流的视觉刺激系统的功能进行了需求分析，之后提出了基于MVC的总体架构设计，对每个功能模块进行了详细设计，并对关键功能的实现进行了详细的描述，之后对系统的运行进行了截图说明。

论文最后对课题的研究成果与未来展望进行了全面的总结。

关键词：

视觉刺激；Android；移动平台；MVC

Abstract

Visualtrainingisapersonalizedtreatmenttoimprovevisualfunctionandvisualperformance,andcontributetothebetterdevelopmentofthevisual.Visualstimulationsystemisacombinationofthetraditionalvisualtrainingandmultimediatechnology,theintroductionofdynamicmediasuchasanimation,audio,video,sothatuserscanalternatelyorsimultaneouslyusemultiplesensorymodalitiestoperceiveexternalinformation,andimprovetheefficiencyofinformationuseraccepts.Withmobilephones,tabletcomputershavebecomenecessitiesofdailylife,theAndroidoperatingsystemhasalsobecomeoneofthemostpopularmobileoperatingplatform.SoftwaresbasedontheAndroidplatformiseasiertooperate,anditsinterfaceisricher.Userscanmorequicklytolearnandentertainment.Theexistingvisualstimulationsystemonlyappliestodesktopcomputerorlaptop,interactivemodemainlyusethemouseandkeyboard.Itisinconvenient,anddifficulttorememberforchildren.

ThepurposeoftheresearchprojectsisdesignningandimplementingavisualstimulationsystembasedontheAndroidmobileplatformforschool-agechildren.Themainfeaturesofthesystemincludeachoiceofthreetrainingmethods,suchas:

tracingpoint,connection,drawing;choiceofthreelevelsoftraining;sevendynamicbackgroundmodeselection,thetransformationofthebackgroundcolor,background,spatialfrequencytransform,themovingspeedofthetransformation,aswellasbackgroundsound,performancecalculationandotherauxiliaryfunctions.FirstthispaperintroducestheresearchbackgroundofthestimulationsystemandAndroidtechnology,andin-depthstudyoftheAndroidoperatingsystem,Androidplatformgraphicsrendering.Comparethesystemrequirementsanalysisofcurrentmainstreamvisualstimulation.AfterthepaperpresentstheoverallarchitecturebasedonMVC,foreachfunctionmoduleisdesignedindetail.Afterdescribingindetailtheimplementationofkeyfunctions,theoperationofthesystemdescribedforascreenshot.Finally,papersummarizesresultsofresearchtopicsandfutureprospects.

KeyWords:

VisualStimulation；Android；MobilePlatform；MVC

图索引

第1章绪论

1.1课题的研究背景

随着科学的发展，越来越多的视觉资源也随之出现，人们对视觉质量的要求也显得日益迫切。

但是很多人群尤其是儿童因为弱视等视觉功能障碍，表现为视觉质量下降、学习困难、很难从事某种工作等方面。

如果能找到治疗视觉康复治疗的新方法来改善这些异常的视觉功能，将会有利于积极改善视觉质量[1]。

要改善视觉功能，需要通过一定的视觉训练。

而视觉刺激是视觉训练的关键部分，视觉刺激通硬件或软件两种方式在计算机显示器或电视机上进行实现。

用硬件方式实现视觉刺激产生视觉刺激信号的话，就要选用单片机这种方式了。

这种方式的优点是性能比较稳定，缺点是如果要修改界面或功能时，就要改变设置，重新设计电路，很不方便。

考虑到这一缺点，人们提出由软件的方法产生视觉刺激信号，这种方式就是软件编程的方式[2]。

视觉刺激多媒体技术应用先进的电脑多媒体技术将各种传统的弱视治疗方法提升到一个新的平台，应用先进的多媒体高科技技术手段，科学地运用神经系统早期干预理论，通过各种刺激模式，激活视觉通道[3]。

考虑到儿童的特点，视觉训练加入了明快的音乐，生动的界面设计，寓教于乐，使儿童在欢愉的气氛中得到视觉、听觉、手、眼等的刺激，交互性的界面使得儿童更加集中注意力，并且操作简单，儿童也可操作，训练中可随儿童喜欢画面随时更换使枯燥的训练变生动起来，在很大程度上解决了家长陪练的负担，为弱视儿童提供了一个理想的治疗方法，从而提高疗效。

目前手机、平板电脑已经成为人们日常生活的必需品。

应用于这些平台上的儿童教育、娱乐、益智类软件也应用而生。

如果将计算机上的应用移植到移动平台下，让用户不再受位置、条件等约束，不需要使用电脑就可以使用训练系统无疑是一种创新。

1.2国内外研究现状

1.2.1视觉刺激系统

自20世纪60年代以来，美、英、澳大利亚等国家兴起了成人、青少年和儿童视觉健康和眼保健，并且形成了“贝茨疗法”等得到广泛传播的眼保健方面的理论和实践方法体系，在澳大利亚还成立了关于“自然视觉改善法视力训练营”的商业化连锁经营体系。

但是在国外采用多媒体手段的视觉训练的产品目前并不多见，均处于刚刚起步的阶段。

我国是近视高发地区，近视发生率为全世界第二位，近视人口为世界第一位。

国内现有从事眼保健与视觉质量改善的企业有数十家，但绝大多数企业的眼保健产品和手段科技含量和技术水准仍停留在较低的水平。

由于行业不成熟，技术门槛过低，功效不稳定等等因素，导致了社会的质疑和反感，甚至影响了行业的发展。

眼保健技术是眼科学的一个分支，眼科界近年来推崇近视弱视防治环境化、趣味化、玩具化、娱乐化、游艺化，这将使视觉健康训练多媒体系统拥有了广阔的开发空间和升级空间。

从推广趋势来看，我国的眼保健产业的链条的发展一定将会被青少年儿童近视的发生现状所带动，为眼保健产业创造相当大的市场机会。

因此视觉健康训练多媒体系统会有很广阔的推广应用前景。

目前主流视觉刺激系统有以下几种：

（1）增视能视觉刺激系统

此视觉刺激训练通过使用例如：

条栅、正弦波、棋盘格、螺旋线等各种刺激模式，可以达到改善视网膜细胞的感光能力的目的，最大功效地刺激视网膜细胞。

除此之外，增视能视觉训练为了使弱视眼患者的视力在短期内就有显著的提高改善，结合了最新科研成果，为条栅等各种不同刺激模式增加了不同的色彩对比度的选择、不同的空间频率对比度的选择。

CAM视觉刺激：

这种刺激法的刺激源是使用不同频率的黑白条栅或黄白条栅和绿白条栅，在不同方位上的不同空间频率和不同对比度的光栅使弱视眼获得刺激，使得中枢细胞增强发育，进而提高了视力。

后像训练：

为了使视力黄斑区得到功能上的亢进，通过强光来抑制视力的非敏感区，这样一来有助于提高视力和纠正偏心注视在后像形成期间的训练。

红光闪烁刺激：

波长是640nm的红光是黄斑区锥细胞最为敏感的波长，因此当弱视眼收到了这样红光波长的刺激，会有使视力得到提高。

综合CAM视觉刺激、后像训练和红光闪烁刺激这几种方法，增视能训练系统运用认知心理学理论及方法、神经早期干预理论及方法和神经生理学的方法，对大脑神经系统进行刺激训练，在二次投射的条件下对手、眼和大脑的协调训练，通过结合电脑技术，研制开发出的多媒体智能化训练系统，极大地激发儿童的兴趣。

除此之外，立体视训练和独特的双眼融合，不仅能巩固弱视治疗的效果，还可以缩短疗程提高疗效。

通过进行合理的训练使得不同类型的弱视患者均提高了他们得的视觉能力[4]。

（2）视琦多媒体治疗系统

视琦多媒体治疗系统借鉴了当前美国、法国、英国、德国等国家流行的儿童视觉认知法，汇聚国内外教育学、视觉科学、眼科学、儿童认知学、计算机科学、视光学、多媒体科学等多领域知名专家精心设计。

运用当代最新计算机虚拟视线技术模拟多种不同反差和空间频率的刺激模式，并利用多媒体视觉优势使这种治疗方法更加趣味化，符合儿童心理特征，将过去枯燥无味的弱视治疗比恩成了集治疗、娱乐、智力开发，于一体的趣味化视觉训练治疗系统。

通过多种刺激模式：

条栅、正弦波、裂隙光、棋盘格、螺旋线，甚至一些艺术作品的画面等波形及光谱以及一些特殊的视觉信号。

刺激视觉通道，增强视网膜细胞对光的敏感性和反应能力；辅以手、眼、躯体协调运动，能加速视觉神经冲动的传导速度，从而显著提高弱视眼视力,促进大脑神经的发育。

从上世纪60年代开始采用CAM、遮盖、红光刺激、后像等治疗方式来治疗弱视，一直沿用至今，这些方法针对弱视治疗固然有效，但普遍存在枯燥、趣味性不强、疗程长等缺陷，患儿无法持久、主动参与到弱视治疗中，致使疗效不佳，最终导致我国的弱视人群居高不下并有逐年上升的趋势。

（3）视觉眼多维训练系统

视觉眼多维训练系统的主要功能：

1、提高弱视患者的视力与视觉功能；

2、进行轻度斜视的矫治；

3、进行斜视手术后视觉功能的恢复；

4、增强和完善视功能障碍患者的视觉功能；

5、缓解视觉疲劳；

6、提升视觉技巧。

视觉眼多维训练系统的主要特点：

1、包含数百种不同空间频率、不同时间频率、不同色度变换的梯度视觉刺激模式，可以满足各种程度患者的个性化治疗需求；

2、具有近百种不同眼球运动机制、不同视觉精度要求、不同操作难度级别的趣味性人机互动模式，能满足不同年龄患者的认知发展需要和不同程度患者的针对性治疗需求；

3、拥有个性化的诊疗平台，患者和医生可以随时查阅病历，医生可以及时根据患者的治疗进度调整训练方案；

4、设置有智能化的监管系统，医务人员可以透过系统监督指导所有患者的治疗，并对患者的疑问及时作出反应。

这些主流视觉刺激系统功效主要有以下几点：

（1）注意力和反应速度训练

功能：

该系统主要用于对儿童的两种功能的协调训练，一是儿童的注意力，注意力是儿童进行各种心理活动的必要条件，注意力的质量和持续时间直接影响儿童学习活动的质量和时间有的儿童学习速度缓慢，作业完成缓慢，或存在疏忽、遗忘、毛糙等特点，原因是注意力的质量不高。

二是儿童的反应速度。

该训练主要是针对儿童的这两个特征而设计的。

这些方面存在问题，儿童的学习会出现问题，这样的孩子经常遗忘事情，经常忘记做作业，做事的时候经常出现差错。

上课的时候跑神或做小动作。

通过每天10分钟的训练，这些情况会有特别明显的改善。

适宜范围：

多动儿童，注意力不集中儿童，一般儿童的注意力强化训练，一般儿童的抑制能力训练。

（2）黄斑色觉刺激训练

功能：

该训练系统是精细视觉刺激辨别训练，其功能主要有下面几个：

1、提高视网膜核心部位黄斑的兴奋水平和色彩分析的敏感性；

2、提高儿童分别些微刺激的能力；

3、提高儿童使用视觉信息进行复杂思维的能力。

通过强化训练，这些方面的功能都会突飞猛进。

适宜范围：

视觉辨别能力提高，视力提高，视觉性思维能力训练

（3）动作控制训练

功能：

视觉结构临摹训练是传统的动作控制训练方式，其基本原理是训练儿童的空间定位以及与此有关的空间配合能力。

既要训练儿童的空间辨别能力，又要训练儿童的空间概括和动作协调能力，是一个具有实际意义的综合注意训练项目。

其突出功能是提高儿童的大脑抑制功能，提高儿童动作控制的能力，提高儿童的空间定向和思维能力。

适宜范围：

多动儿童，注意力不集中儿童，儿童的大脑抑制功能强化训练。

（4）平面心理旋转功能训练

功能：

这是一种特殊的心理旋转训练，训练儿童在心理上对物体进行空间操作的能力。

研究表明，心理旋转的能力是儿童空间或形象思维的核心。

通过特别设计，该训练可以对儿童的这种心理旋转能力进行专门训练，其训练效果特比突出。

同时这样的训练具有明显的挑战性，儿童会乐此不疲。

适宜范围：

儿童心理旋转功能特异训练。

（5）观察力与平面心理旋转训练

功能：

该训练通过特殊处理，可以使儿童在轻松愉快的状态获得如下功能的训练。

1、心理旋转功能训练。

心理旋转功能就是儿童在心理上操作空间物体的能力，这种能力是儿童形象思维的核心；

2、提高儿童视觉分辨能力，视觉信息精确匹配能力；

3、提高儿童的手眼协调和配合能力。

适宜范围：

心理旋转特异性训练，多动儿童的训练，防止弱视的视觉训练

（6）手眼协调与反应速度训练

功能：

该训练系统对儿童3大心理功能有突出的训练效果：

1、手眼协调功能。

儿童的手眼协调功能是完成学习任务的必要条件，这种功能的强化可以提高儿童学习效率；

2、动作控制功能。

儿童的兴奋性水平偏高，而抑制能力发展滞后，该训练可以提高儿童的抑制功能，提高儿童对动作的控制能力，从而防止多动行为的出现。

同时也可以对已经形成的多动行为进行控制；

3、反应速度提高。

身心反应速度是儿童以后完成各种任务的前提，儿童时期是这种训练的关键期。

适宜范围：

学习效率提高，多动控制训练，反映速度提高训练

（7）大脑抑制功能与注意力集中训练

功能：

用于对儿童4大心理功能的专门训练：

1、空间思维和计划能力。

这种能力是影响儿童学习计划性和创新水平的重要因素；

2、手眼协调能力。

儿童的手眼协调功能是完成学习任务的必要条件，这种功能的强化可以提高儿童学习效率；

3、动作控制功能。

儿童的兴奋性水平偏高，而抑制能力发展滞后，该训练可以提高儿童的抑制功能，提高儿童对动作的控制能力，从而防止多动行为的出现。

同时也可以对已经形成的多动行为进行控制；

4、注意力集中能力。

训练可以突出改善儿童注意力，防止注意力的分散。

适宜范围：

创新能力训练，多动控制，注意力提高训练

1.2.2移动平台技术

（1）平板电脑

平板电脑是一种小型且携带方便的个人电脑。

它主要的输入设备为触摸屏上软键盘输入或语音输入，现在也有很多平板电脑可以外接键盘。

平板电脑的特点：

1、平板电脑具有触摸识别的液晶屏和可用手写输入的电磁感应笔。

平板式电脑结合了移动通信、移动娱乐和移动商务等特点，除了无线网络通信功能还有有手写识别功能，可以称的上是上网本的终结者。

2、按照结构设计分类，平板电脑可分为“可变式平板电脑”和“纯平板电脑”，对比图如图1.1所示。

这两种平板电脑的区别是“可变式平板电脑”是集成键盘的，“纯平板电脑”是外接键盘，一些应用软件内建于这些平板式电脑中，用户通过在屏幕上进行书写就可以向计算机输入手绘图形或文字。

图1.1平板电脑

3、平板电脑按其触摸屏的不同，一般可分为电阻式触摸屏跟电容式触摸屏。

电阻式触摸一般为单点，而电容式触摸屏可分为2点触摸，5点触摸及多点触摸。

随着平板电脑的普及，在功能追求上也越来越高，传统的电阻式触摸已经满足不了平板电脑的需求，特别是在玩游戏方面，要求越来越高，所以平板电脑必然需要用多点式触摸屏才能令其功能更加完善。

（2）平板电脑操作系统

1、Android操作系统

Android是基于Linux平台的开源手机操作系统。

2005年由Google收购并开发改良，于2007年11月5日宣布的操作系统。

Google的介入，Android的强势发展都引起了人们极大的关注，它联合多家无线应用领域的厂商，组成了现在Android这个开放式移动平台。

同时Android也是首个基于移动终端的完整的、开放的移动软件。

因为Android系统的开放和免费，使它成为了最容易被选用的手机操作系统。

现在Android操作系统从智能手机发展到了到平板电脑平台。

2、苹果iOS操作系统

iOS采用UNIX架构，是由苹果公司为iPhone开发的操作系统，主要用于iiPad、Phone和iPodtouch。

并且为iPhone、iPodTouch和iPad的系统版本一直在不断更新。

iOS系统具有良好的用户体验和相当多的应用软件，受到了用户的极大支持，市场占有率一路飙升。

这是因为，在iPad之前的iPhone经过多年的改进，技术已经很成熟了，才吸引了众多的手机爱好者。

3、WebOS操作系统

WebOS作为PalmOS的继任者，它于2009年6月6日正式发布。

该系统界面非常友好，还增加了触控体验。

该系统的重点是能同时处理多个现在任务，还有将Web2.0和在线社交网络一体化。

但是与其他几种操作系统相比较，最明显的缺点就是因为刚刚开始使用的，WebOS平板电脑平台的应用支持不够多。

4、WindowsMobile操作系统

WindowsMobile操作系统是具有革命性的操作系统，它源自于Windows桌面系统，该系统提供了高效的工作环境。

它的很多操作都与在PC机上的使用相同，因而使得人们操作更加简单和更加快捷。

因为它有着桌面应用的血脉，备受大量用户的欢迎。

5、Symbian操作系统

Symbian操作系统多年来一直是得到用户广泛认可的智能手机。

并且长期处于霸主的地位。

这种操作平台的优点是很容易上手的平台，因此使用人群也很广泛，各种软件应用游戏也有很多。

但是缺点是安装软件需要有手机证书，显然与Android对比，不够开放。

因此Symbian目前也因为Android和iPhone受到了很大的冲击。

基于对之前各种主流移动平台开发技术的了解与分析，Android操作系统有以下几点优势：

（1）开源

Android系统是开源的，“开源”是用于描述那些源码可以被公众使用的软件，并且此软件的使用、修改和发行也不受许可证的限制。

Android操作系统的开源意味着开放的平台允许任何移动终端厂商加入到Android联盟中来。

因为Android的开源，专业人士可以利用开放的源代码来进行二次开发，打造出个性化的Android。

例如中国的MIUI就是基于Android2.3原生系统深