自動導航盲人眼鏡的設計與研究

朱昱如 梅 燁 孫云帆 成雅琪 李無雙

（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

2015年，地球上的73.3億人口中有3600萬人失明。據估計，到2021年，這個數量會上升到3850萬。如今，盲道被占有的現(xiàn)象越來越嚴重，隨著機動車的劇增，盲人的出行及其不便。制造出小型盲人眼鏡，通過紅外掃描和語音播報的結合，將盲人眼鏡視線區(qū)域內的路況播報出來，精準地向盲人進行實時播報，以方便盲人繞行。該項目的研發(fā)很好地解決了視障群體地出行問題，為那些黑暗中的人們帶來了一個可以單獨外出感受世界的機會，讓他們打開自己“心靈”的窗戶。

1 系統(tǒng)設計

1）設計原理。超聲波感應裝置內含三維掃描儀，掃描儀利用自然界物質的特定的光對圖像進行讀取，在掃描儀工作的時候，它會發(fā)出的強光照射在物體上，這些強光反射在光感應器上。當光感應器接收到這些信號后，將這些信號傳送到圖像轉換器，圖像轉換器再將其轉換成芯片能讀取的信號，然后通過驅動程序轉換成正確的圖像。產生圖像后將此成像轉碼后與語音播報系統(tǒng)連接在一起，有語音系統(tǒng)為其同聲播報，在遇到緊急情況，掃描儀發(fā)出超聲波，將其反饋給蜂鳴器，使其發(fā)出緊急提醒。在眼鏡芯片內置GPS導航系統(tǒng)，可自動為盲人定位，實時了解到盲人的動態(tài)。

2）設計特色。（1）實時語音播報可讓盲人及時了解路況，有效避開障礙物。（2）定位系統(tǒng)可掌握盲人的位置，以便家人尋找。（3）產品簡單輕巧，方便攜帶。（4）利用超聲波等裝置使誤差在毫秒內，安全性能較高。（5）據統(tǒng)計大多數盲人會有嚴重的自卑感和挫敗感。在現(xiàn)有的自動導航盲人拐杖中，盲人手持拐杖對他們來說他們與常人不一樣，但是自動導航盲人眼鏡可以有效地解決這個問題，盲人戴上眼鏡看起來與常人一樣，在為盲人導航的同時也減輕了盲人的自卑感。

2 系統(tǒng)結構

1）超聲波模塊。本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，前方測距電路的輸入端接單片機端口，單片機執(zhí)行編碼程序后，在端口輸出一個脈沖信號，經過三極管的放大，驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)出脈沖超聲波，并保持持續(xù)發(fā)射。單片機兩側的測距電路的輸入端分別接兩個不同的端口，接收頭采用與發(fā)射頭配對的裝置，將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺涍\算放大器兩極放大后加至帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊，內部的壓控振蕩器的中心頻率，電容決定其鎖定帶寬。調節(jié)電阻在發(fā)射的載頻上，則集成塊輸入信號大于規(guī)定電壓伏數，輸出端由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。單片機根據超聲波往返時間計算距離。前方測距電路的輸出端接單片機端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門的輸出接單片機端口，同時單片機的其它兩個輸出端接到單片機的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。

2）雙向語音播報模塊。雙向語音播報模塊通過麥克風陣列獲取用戶命令，就是將一段語音信號轉換成相對應的文本信息，系統(tǒng)主要包含特征提取、聲學模型，語言模型以及字典與解碼四大部分，其中為了更有效地提取特征對所采集到的聲音信號，主控制系統(tǒng)將對采集到的信號進行濾波、分幀等預處理工作，把需要的信號從原始信號中提取出來；之后，特征提取工作將收集到的聲音轉為聲學模型提供合適的特征向量；在語音播報轉置中裝入已有的聲學模型系統(tǒng)，在聲學模型系統(tǒng)中再根據聲學特性計算每一個特征向量在聲學特征上的得分；而語言模型則根據聲學系統(tǒng)收集到的語音，計算該聲音信號對應可能詞組序列的概率；最后根據已有的字典，對詞組序列進行解碼，得到最后可能的文本表示。

3）圖像識別模塊。圖像識別模塊由攝像頭、TV攝像機、數據存儲器、圖像數據處理器組成，本模塊首先通過主控制器驅動攝像機采集各種圖像，并把圖片儲存成數據記錄在儲存器中，通過數據存儲器存儲圖像數據，圖像數據處理器對于你所看到的圖像進行圖像數據處理，再呈現(xiàn)在你的眼前。該眼鏡中一共安裝了兩個攝像頭，一個沿著水平方向轉動，一個沿著垂直方向轉動，以便能夠全面掃描到我們所看到的物品。當你戴上眼鏡后，眼鏡的主控制系統(tǒng)會把激光和紅外線發(fā)射出去，當光線觸碰到物體后，物體就會將光線折射回來，利用對于反射光線的方向以及時間的測量，就可以計算出物體離我們的距離，從而給人的大腦傳遞出物體的方向和距離信息。在這款導盲眼鏡中，我們?yōu)榱嗽鰪娧坨R的實用性與自然場景的真實性，我們采用改進型的CIFAR-10自然場景庫作為測試訓練樣本。在實際的系統(tǒng)圖像訓練中，加入了桌椅、樹木、垃圾桶等生活中常見的一些東西，以便對于自然生活場景的模擬更加真實。在該系統(tǒng)的訓練過程中，由于樣本繁多，數據繁雜，隱含層需要相對較多的節(jié)點數才能展現(xiàn)出較好的特征，再加上圖片本身的信息量很大，需要較多次的迭代，整個訓練過程持續(xù)了很長時間，最終呈現(xiàn)出來的結果與現(xiàn)實生活物品基本一樣。經過上述功能組合后的視覺系統(tǒng)，可以應用到檢查、監(jiān)視（對廠區(qū)內異?，F(xiàn)象的監(jiān)視或對室內外可疑人物的監(jiān)視）、裝配、加工、分類、移動（與地圖的匹配或障礙物回避），以及對人的檢查和識別等 場合。

4）GPS導航模塊。該系統(tǒng)利用GPS定位系統(tǒng)與手機和眼鏡相結合，在盲人行走時，通過定位系統(tǒng)與語音系統(tǒng)的相結合為盲人實時播報地理位置，同時該系統(tǒng)與手機相連，與手機綁定后盲人的家人可隨時追蹤到盲人的地理位置。我們還將系統(tǒng)設置了安全距離，在超聲波掃描到障礙物小于安全距離時，控制系統(tǒng)將圖像信息傳至聲音系統(tǒng)中的蜂鳴器會緊急告知盲人已達警示作用。

3 結語

自動導航盲人眼鏡意利用現(xiàn)有智能導航技術、語音播報技術、緊急提醒技術、GPS定位技術將其混合使用，在為盲人實現(xiàn)實景語音同聲播報導航，解決盲人出行難的問題。通過結合三維掃描儀、超聲波感應、語音播報以及GPS定位系統(tǒng)為盲人完成精準的實時路況播報。其中，在系統(tǒng)中我們也將裝置緊急提醒裝置，在突發(fā)情況下，緊急提醒盲人有效避開障礙物，在系統(tǒng)中我們也會加入幫助盲人文字識別的裝置，在沒有盲文的情況下，盲人亦可通過語音閱讀。

該系統(tǒng)代替了昂貴的導盲犬，解決了許多盲人家庭無法承擔導盲犬的價格以及導盲犬的有限問題，讓盲人可以更好地外出活動。同時也解決了盲人因為自己與他人不一樣的自卑心理，讓更多的盲人更愿意出行，更愿意與他人交流。