本发明提供一种色盲辅助眼镜的优化设计方法及等离激元色盲辅助眼镜。方法包括：利用色盲仿真模型得到患者使用与不使用色盲辅助眼镜的感知仿真图像，计算两种图像的对比度与自然度；改变色盲辅助眼镜的滤波光谱参数重复上述步骤，获得自变量为滤波光谱参数，因变量为自然度与对比度的能反映其规律的曲线，根据要求在曲线中选取合适的点，其对应的自变量即为色盲辅助眼镜优化光谱设计参数。再根据该光谱设计参数计算得出制备色盲辅助眼镜的结构光单元‑等离激元金属纳米颗粒需要的药品类型、配比、时长。本发明适用于各种程度的绿色弱、红色弱患者，使得患者能够分辨出原来无法区分的色彩细节信息，同时避免图像过度失真、视觉疲劳等视觉感知问题。
1.一种色盲辅助眼镜的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用色盲仿真模型得到色盲患者使用与不使用色盲辅助眼镜的感知仿真图像，计算两种图像的对比度与自然度；
步骤2：改变色盲辅助眼镜的滤波光谱参数重复步骤1，获得自变量为色盲辅助眼镜的滤波光谱参数，因变量为自然度与对比度的能反映其规律的曲线，根据患者的不同要求，在曲线中选取合适的点，其对应的自变量即为色盲辅助眼镜优化光谱设计参数；
步骤1中利用色盲仿真模型得到色盲患者使用与不使用色盲辅助眼镜的感知仿真图像具体步骤包括：步骤1.1：在色盲仿真模型中输入包含患者色盲类型、患病程度信息以及正常色觉的视锥细胞光效率曲线，根据色盲类型和色弱程度计算出色盲患者的视锥细胞的异常光效率曲线；
步骤1.2：将色盲辅助眼镜的滤波光谱与色盲患者的三种细胞光效率曲线相乘获得经色盲辅助眼镜修正过的视锥细胞光效率曲线；
步骤1.3：将修正过的视锥细胞光效率曲线转换至对立色彩空间中，获得黑白、红绿、蓝黄三个通道的响应曲线；将该响应曲线分别与RGB三基色发光光谱两两组合进行积分与归一化，获得色盲视角转换矩阵；
步骤1.4：将所得的色盲视角转换矩阵用于计算色盲测试图片，每一个滤波光谱分别得到一组色盲患者使用与不使用色盲辅助眼镜视角的感知仿真图像；
步骤1计算出对比度与自然度后，对当前色盲辅助眼镜的滤波光谱进行评估，评估的步骤包括：计算对比度，公式为：
Esymbol＝|SIM(T(Ci))‑SIM(T(Cj))|‑|Ci‑Cj|其中，Ci、Cj为色盲测试图片中的颜色，T(·)为佩戴色盲辅助眼镜后的图片，SIM(·)为色盲视角下的图片；
如果Esymbol大于0，则对比度有提高，Econtrast越大，色盲辅助眼镜提升患者的色彩分辨效果越明显，如果Esymbol小于0，则对比度不增反降，不应采用该滤波光谱；
自然度表征使用色盲辅助眼镜后患者看到的色彩失真程度；自然度越好，色盲患者越容易适应色盲辅助薄膜下的视角；Enaturalness越大，自然度越差，转换为1‑Norm(Enaturalness)来进行评估；1‑Norm(Enaturalness)越大，自然度越好。
2.根据权利要求1所述的一种色盲辅助眼镜的优化设计方法，其特征在于，所述光谱设计参数包括光谱多峰组合数、中心波长、最低透过率、半高宽。
3.采用权利要求1‑2任一所述优化设计方法设计而成的一种等离激元色盲辅助眼镜，包括结构光单元和透明衬底，其特征在于，所述结构光单元为吸收光谱可调的具有等离激元效应的金属纳米颗粒。
4.根据权利要求3所述的一种等离激元色盲辅助眼镜，其特征在于，制备所述金属纳米颗粒需要的药品类型、配比、时长根据所述色盲辅助眼镜的优化设计方法获得的光谱设计参数计算得出。
5.根据权利要求3所述的一种等离激元色盲辅助眼镜，其特征在于，通过控制所述色盲辅助眼镜中的金属纳米颗粒的尺寸、形貌和结构参数，以及金属颗粒与染料混合构成异质结构使得其吸收光谱的中心波长在400nm至780nm可调，最低透过率在0％至100％可调，半高宽最小为20nm。
6.根据权利要求3所述的一种等离激元色盲辅助眼镜，其特征在于，所述金属纳米颗粒为银、金、铝、铜等具有等离激元效应的纳米颗粒，可通过调控单个颗粒的尺寸、形貌和结构参数，进而实现散射吸收比在0.1至10范围可调，抑制滤波薄膜的散射引起的视觉效果下降。
7.根据权利要求3所述的一种等离激元色盲辅助眼镜，其特征在于，所述结构光单元使用不同类型金属纳米颗粒混合制备，通过颗粒的组合来实现多吸收峰组合的透射谱。
8.根据权利要求3所述的一种等离激元色盲辅助眼镜，其特征在于，所述色盲辅助眼镜中，由金属纳米颗粒在镜片表面组成自组装薄膜，单层自组装薄膜的厚度在5～100纳米数量级，眼镜表面可包含单层和多层自组装薄膜，用于调节眼镜对自然光的吸收率，金属纳米颗粒薄层表面覆盖光学透明的二氧化硅或聚碳酸酯保护层。
一种色盲辅助眼镜的优化设计方法及等离激元色盲辅助眼镜
技术领域
[0001] 本发明涉及一种色盲辅助眼镜的优化设计方法及等离激元色盲辅助眼镜，属于算法设计/纳米光学/视觉感知技术领域。
背景技术
[0002] 色盲是一种主要由遗传因素决定的疾病。随着显示和印刷技术的发展以及人们对生活质量追求的逐步提升，色彩越来越多地参与进日常生活，成为信息传递的重要维度。由此，针对色盲患者的视觉体验改进方法的研究越发得到重视。其中，基于滤波方法的色盲辅助薄膜能够被用于改善色盲患者的色觉。色盲辅助薄膜的色觉改善效果主要依赖于其滤波光谱和患者视锥细胞光效率曲线的匹配程度。因导致患者异常视锥细胞的类型和程度不同，色盲患者需要不同滤波光谱设计的色盲辅助眼镜进行色觉改善。前人评估辅助薄膜改善效果的主要依据是色盲志愿者使用辅助薄膜进行石原色盲测试、FM(Farnsworth‑Munsell)色相排序等测试的结果。这些方法没有考虑到色盲患者经过滤波薄膜看到画面的失真影响，且受色盲志愿者个体主观因素和受试样本量影响较大，无法指导滤波谱的优化。目前，缺乏滤波光谱优化方面的研究。
[0003] 因此，亟需建立一种客观的效果评估量化方法进行辅助效果研究，通过精准连续地调控吸收波长、吸光度、线宽和组合光谱等参数为光谱设计的优化提出理论指导。现有的传统滤波技术单纯提升对比度，可能会带来失真、色偏等问题，这些问题可以通过自然度这一指标做定量描述，是现有滤波技术没有研究过的光谱优化方法，所以需要从视觉感知的角度加以优化。传统多层镀膜法制备滤波薄膜工艺复杂，滤波技术成本过高，染料方法制备的滤波薄膜主峰难以精确调控，稳定性差，具有生物毒性。而在显示器件上提供辅助色彩模式的方法只适用于个人显示器件，在公共场合无法应用。如观看电影时，色盲患者无法使用此方法改善视觉。
发明内容
[0004] 技术问题：本发明的目的是提供一种色盲辅助眼镜的优化设计方法及等离激元色盲辅助眼镜，利用计算机仿真模型，结合对比度和自然度两个维度，计算出工艺可实现条件下最优的光谱设计参数，利用等离激元效应和热电子注入效应在光谱调控上的特点，以及自组装、喷墨打印方法制备薄膜上结构光单元单层单分散分布的机制，实现大量、大面积色盲滤波薄膜的制备，对色盲滤波薄膜的实用化和产业化具有变革型贡献。
[0005] 技术方案：本发明的一种色盲辅助眼镜的优化设计方法，包括以下步骤：
[0006] 一种色盲辅助眼镜的优化设计方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1：利用色盲仿真模型得到色盲患者使用与不使用色盲辅助眼镜的感知仿真图像，计算两种图像的对比度与自然度；
[0008] 步骤2：改变色盲辅助眼镜的滤波光谱参数重复步骤1，获得自变量为色盲辅助眼镜的滤波光谱参数，因变量为自然度与对比度的能反映其规律的曲线，根据患者的不同要求(如有些患者对自然度要求较低，可以接受画面的失真，那么对自然度的选取可以稍差，但对对比度的选取要求较高；另一些患者仅要求能分辨出原本分辨不出的颜色即可，对画面不失真要求较高，这类患者选取的自然度较高，对比度较低)，在曲线中选取合适的点，其对应的自变量即为色盲辅助眼镜优化光谱设计参数。所获得的光谱设计参数是针对患者个人的色盲类型、患病程度订制而成的最佳参数。
[0009] 优选的，步骤1中利用色盲仿真模型得到色盲患者使用与不使用色盲辅助眼镜的感知仿真图像具体步骤包括：
[0010] 步骤1.1：在色盲仿真模型中输入包含患者色盲类型、患病程度信息以及正常色觉的视锥细胞光效率曲线，根据色盲类型和色弱程度计算出色盲患者的视锥细胞的异常光效率曲线；
[0011] 步骤1.2：将色盲辅助眼镜的滤波光谱与色盲患者的三种细胞光效率曲线相乘获得经色盲辅助眼镜修正过的视锥细胞光效率曲线；
[0012] 步骤1.3：将修正过的视锥细胞光效率曲线转换至对立色彩空间中，获得黑白、红绿、蓝黄三个通道的响应曲线；将该响应曲线分别与RGB三基色发光光谱两两组合进行积分与归一化，获得色盲视角转换矩阵；
[0013] 步骤1.4：将所得的色盲视角转换矩阵用于计算色盲测试图片，每一个滤波光谱分别得到一组色盲患者使用与不使用色盲辅助眼镜视角的感知仿真图像。
[0014] 优选的，步骤1计算出对比度与自然度后，对当前色盲辅助眼镜的滤光光谱进行评估，评估的步骤包括：
[0015] 计算对比度，公式为：
[0016]
[0017] 结合以下公式进行综合评估：
[0018] Esyrmbal＝|SIM(T(Ci))‑SIM(T(Cj))|2‑|Ci‑Cj|2
[0019] 其中，Ci、Cj为色盲测试图片中的颜色，T(·)为佩戴色盲辅助眼镜后的图片，SIM(·)为色盲视角下的图片；
[0020] 如果Esymbol大于0，则对比度有提高，Econtrast越大，色盲辅助眼镜提升患者的色彩分辨效果越明显，如果Esymbol小于0，则对比度不增反降，不应采用该滤波曲线；
[0021] 计算自然度，公式为：
[0022]
[0023] 自然度表征使用色盲辅助眼镜后患者看到的色彩失真程度；自然度越好，色盲患者越容易适应色盲辅助薄膜下的视角；Enaturalness越大，自然度越差，转换为1‑Norm(Enaturalness)来进行评估；1‑Norm(Enaturalness)越大，自然度越好。
[0024] 优选的，所述光谱设计参数包括光谱多峰组合数、中心波长、最低透过率、半高宽。
[0025] 本发明还提供一种等离激元色盲辅助眼镜，包括结构光单元和透明衬底，所述结构光单元为吸收光谱可调的具有等离激元效应的金属纳米颗粒。制备所述金属纳米颗粒需要的药品类型、配比、时长根据所述色盲辅助眼镜的优化设计方法获得的光谱设计参数计算得出。
[0026] 优选的，利用光谱可控的表面等离激元金属颗粒作为结构光单元，使用打印或自组装等方法转移至透明衬底。由金属纳米颗粒在镜片表面组成自组装薄膜，单层自组装薄膜的厚度在5～100纳米数量级，眼镜表面可包含单层和多层自组装薄膜，用于调节眼镜对自然光的吸收率，金属纳米颗粒薄层表面覆盖光学透明的二氧化硅或聚碳酸酯保护层。
[0027] 优选的，通过控制所述色盲辅助眼镜中的金属纳米颗粒的尺寸、形貌和结构参数，以及金属颗粒与染料混合构成异质结构使得其吸收光谱的中心波长在400nm至780nm可调，最低透过率在0％至100％可调，半高宽最小可达约20nm。
[0028] 优选的，所述金属纳米颗粒为银、金、铝、铜等具有等离激元效应的纳米颗粒，可通过调控单个颗粒的尺寸、形貌和结构参数，进而实现散射吸收比在0.1至10范围可调，抑制滤波薄膜的散射引起的视觉效果下降。所述纳米颗粒可以通过二氧化硅等无机壳层与金属核构成的核壳结构提升稳定性、抗氧化性，防止金属颗粒分解变形。
[0029] 优选的，所述结构光单元使用染料和金属纳米颗粒混合构成异质结构，通过等离激元热电子效应调控染料的吸收波长，得到和优化的目标曲线一致的吸收峰波长；或使用不同类型金属纳米颗粒混合制备，通过颗粒的组合来实现多吸收峰组合的透射谱。
[0030] 优选的，所述滤波片可以组装至不同大小的衬底上，面积范围小至4平方毫米，大至100平方米。
[0031] 有益效果：
[0032] 1.传统研究只注重提升对比度，而且传统使用染料的方法难以调整中心波长。本发明提出色盲辅助薄膜改善效果评估从对比度和自然度两个维度进行，既实现了色盲辅助薄膜对色盲患者色彩分辨能力提升的优化，又兼顾了色彩失真程度，使患者更能适应使用辅助薄膜下的视角。对比度提升一至两个数量级。同时，从光谱多峰组合数、中心波长、最低透射率、半高宽等参数角度为不同患者设计个性化的优化光谱。
[0033] 2.本发明提出使用等离激元纳米颗粒作为结构光单元，化学性质更稳定，无毒副作用，容易实现大批量生产，降低制备成本。相较于传统薄膜滤波制备技术，把等离激元作为滤波结构光单元引入，能够实现对滤波光谱更多维度的调控。
[0034] 3.本发明提出的等离激元效应滤波片的制备方法，能够实现滤波片光谱设计私人定制，针对患者的不同生活需求，通过控制自然度和对比度的变化，可以得到不同的滤波效果。可以在各种透明上制备出等离激元效应滤波片，面积范围小至4平方毫米，大至100平方米。传统镀膜方法通过制备多层膜实现滤波，但一般的镀膜机面积小成本高，本发明的化学组装方法远远突破镀膜机的尺寸，能够降低生产成本，易于推广。
附图说明
[0035] 图1是色盲仿真模型的流程图。
[0036] 图2是石川色盲测试图片。
[0037] 图3是色盲辅助滤波薄膜的结构及使用时的空间位置；(1)显示器，(2)入射光，(2‑1)波长1光，(2‑2)波长2光，(2‑3)波长3光，(2‑4)波长4光，(3)色盲辅助滤波薄膜，(3‑1)保护层，(3‑2)滤波层，(3‑3)透明衬底，(4)出射光，(5)人眼。
[0038] 图4是不同调整染料滤波光谱的最低透射率后，色盲辅助薄膜优化模型计算出的自然度和对比度。
[0039] 图5是通过调整化学制备参数制备出不同中心波长滤波曲线的结构光单元透射光谱；其中半高宽随中心波长的红移发生展宽。
[0040] 图6是半高宽、吸收峰对对比度和自然度影响的曲线。
[0041] 图7是通过打印制备色盲辅助薄膜滤波层的示意图；(6)打印喷头，(3‑2‑1)含结构光单元的打印油墨。
具体实施方式
[0042] 图1为色盲仿真模型的模拟流程，括号中为模拟流程中各个环节所使用的数据。包括显示器、色盲辅助眼镜、眼睛、大脑和计算模块，各部分对应实际使用色盲眼镜时的情景。显示器类型可以有CRT显示器、LCD显示器、LED显示器、OLED显示器等，提供具体型号后由模型调取相应的三基色发光光谱。流程为：在色盲仿真模型中输入包含患者色盲类型、患病程度等信息以及正常色觉的视锥细胞光效率曲线，模型对患者的异常视锥细胞光效率曲线进行计算。输入显示器类型及具体型号，模型调取相应显示器型号的三基色发光光谱。输入光谱线形与可调参数，模型生成一系列在设定范围内可调参数发生改变的滤波片透射光谱。
由以上信息，模型分别计算出能够模拟色盲患者使用与不使用色盲辅助薄膜视角的转换矩阵。
[0043] 本发明完整的技术手段和方法涉及以下步骤：
[0044] 在色盲仿真模型中输入包含患者色盲类型、患病程度信息以及正常色觉的视锥细胞光效率曲线，根据色盲类型和色弱程度计算出色盲患者的视锥细胞的异常光效率曲线。以绿色弱患者为例，该患者的色弱程度为α，则其L和S细胞光效率曲线正常，M细胞光效率曲线需使用如下公式计算获得：
[0045] AreaL＝∫L(λ)dλ
[0046] AreaM＝∫M(λ)dλ
[0047]
[0048] 将色盲辅助眼镜的透射光谱与光效率曲线相乘获得经眼镜修正过的视锥细胞光效率曲线：
[0049]
[0050] 将获得的光效率曲线转换至对立色彩空间中，获得黑白、红绿、蓝黄三个通道的响应曲线：
[0051]
[0052]
[0053] 将该响应曲线分别与显示器的RGB三基色发光光谱两两组合进行积分与归一化，获得三乘三的色盲视角转换矩阵Г，所用公式如下：
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] WSR+WSG+WSB＝1
[0064] YBR+YBG+YBB＝1
[0065] RGR+RGG+RGB＝1
[0066]
[0067] Г即为所求的色盲视角转换矩阵。
[0068] 将所得的色盲视角转换矩阵用于计算色盲测试图片，每一个滤波光谱分别得到一组色盲患者使用与不使用色盲辅助眼镜视角的图片，计算两种图片的对比度与自然度。对比度计算公式为：
[0069]
[0070] 需要结合以下公式进行综合评估：
[0071] Esymbol＝|SIM(T(Ci))‑SIM(T(Cj))|2‑|Ci‑Cj|2
[0072] 其中，Ci、Cj为色盲测试图片中的颜色，T(·)为佩戴色盲辅助眼镜后的图片，SIM(·)为色盲视角下的图片；如果Esymbol大于0，则对比度有提高，Econtrast越大，色盲辅助眼镜提升患者的色彩分辨效果越明显，如果Esymbol小于0，则对比度不增反降，不应采用该滤波曲线。
[0073] 自然度计算公式为：
[0074]
[0075] 自然度表征了使用色盲辅助眼镜后患者看到的色彩失真程度；自然度越好，色盲患者越容易适应色盲辅助薄膜下的视角；Enaturalness越大，自然度越差，转换为1‑Norm(Enaturalness)来进行评估；1‑Norm(Enaturalness)越大，自然度越好。
[0076] 对不同参数的滤波光谱进行上述计算，可以获得自变量为光谱参数，因变量为自然度与对比度的曲线，根据患者的不同要求，在曲线中选取合适的点，其对应的设计参数即为色盲辅助眼镜优化光谱设计参数。如选择使用染料作为结构光单元，其对应的色盲辅助薄膜的滤波光谱曲线为中心波长固定的透射谱，通过这种方法制备的色盲辅助薄膜的最低透射率在0％至100％可调，对其最低透射率在该范围内连续变化的曲线进行如上述所示的仿真计算，得到如图4所示的自然度和对比度曲线。如选择使用银纳米三角板作为结构光单元，其对应的色盲辅助薄膜的滤波光谱曲线为中心波长可调，半高宽随中心波长变化的透射谱，通过这种方法制备的色盲辅助薄膜的最低透射率在0％至100％可调，将其半高宽与中心波长的关系由实验数据拟合带入滤波光谱中，使其最低透射率不变，则改变其中心波长可以获得如图5所示的一组滤波曲线，对这组滤波曲线进行如上述所示的仿真计算，得到如图6所示的自然度和对比度曲线。结合患者对对比度和自然度的具体要求，在图4或图6中选取合适的数据点，其对应的横坐标即为所需的光谱参数。
[0077] 根据色盲辅助眼镜的优化设计方法获得的光谱设计参数计算得出制备金属纳米颗粒需要的药品类型、配比、时长。如使用银纳米板作为结构光单元时，使用化学法合成制备，加入反应的银种子量越少其横向尺寸越大，银纳米板溶液光谱的吸收峰越红移，对实验数据进行拟合可获得种子的量和纳米板吸收峰位置间的对应关系。在反应中加入不同的表面活性剂可以控制制备出的银纳米板厚度，如使用PVP作为表面活性剂制备出的银纳米板厚度，约为柠檬酸钠作为表面活性剂制备出的银纳米板厚度的两倍，其散射消光比随之提升。利用光谱可控的表面等离激元金属颗粒作为结构光单元，使用打印或自组装等方法转移至透明衬底上，通过控制组装的结构光单元密度，可以调控最低透过率，密度越大，最低透过率越低，如图7所示。获得具有等离激元效应的结构光颗粒单层单分散分布的滤波片，所得滤波片滤波层的厚度在5～25纳米数量级。最后，再滤波层上加工一层透明保护层。其结构以及使用时的空间位置关系如图2所示。
