“人路協(xié)同”環(huán)境下基于機(jī)器視覺的視障導(dǎo)識系統(tǒng)設(shè)計

王宸璐,劉華勝,楊雨菁,姜宇豪,徐佳婉

（吉林大學(xué),吉林 長春 130022）

0 引言

智能交通系統(tǒng)（ITS）是綜合運用信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)加強(qiáng)車輛、道路和使用者三者之間的聯(lián)系，從而形成一種保障安全、提高效率、改善環(huán)境、節(jié)約能源的綜合運輸系統(tǒng)。目前智能交通系統(tǒng)主要針對車輛等載運工具與其他道路基礎(chǔ)設(shè)施的聯(lián)系，行人角度考慮較少，對視障人士的出行關(guān)注更少。視障群體由于自身限制，獲取周邊路況信息的能力低，較難應(yīng)對實時變化的車流路況，因而更需要外界的輔助引導(dǎo)，實時獲取前方人、車、路、環(huán)境的信息對其出行有極其重要的作用。

目前針對視障群體的智能化研究主要集中在導(dǎo)盲設(shè)備領(lǐng)域，包括智能盲杖、移動式機(jī)器人和穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備等，通過搭載多種傳感器和單片機(jī)芯片處理系統(tǒng)，實現(xiàn)障礙預(yù)警、語音提醒、GPS定位導(dǎo)航、摔倒檢測等功能。朱愛斌等[1]用多圖像傳感器進(jìn)行 3D 場景重建，配合用戶腰部和腳腕處的超聲波傳感器檢測障礙物。Bai J& Lian S & Liu Z[2]設(shè)計的導(dǎo)盲眼鏡集成了超聲波測距儀、深度攝像機(jī)和魚眼攝像機(jī)，根據(jù)采集的信息利用 A*算法生成感興趣的點分布圖，規(guī)劃出全局最短路徑，實現(xiàn)基于動態(tài)目標(biāo)選擇策略的虛擬盲道跟蹤方案。盲人出行系統(tǒng)方面，彭琳鈺等[3]提出了一種基于深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能導(dǎo)盲終端系統(tǒng)，能夠?qū)υ趶?fù)雜環(huán)境中常見障礙物的種類及當(dāng)前場景、警示標(biāo)志實現(xiàn)準(zhǔn)確識別。當(dāng)前針對導(dǎo)盲領(lǐng)域的智能化研究主要是在現(xiàn)有環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)技術(shù)識別獲取周圍環(huán)境的障礙物等信息，通過多種方式傳遞給使用者，但缺乏外界環(huán)境的改進(jìn)研究。

該文在智能交通系統(tǒng)的背景下提出智能人路協(xié)同系統(tǒng)IPICS（Intelligent Pedestrian Infrastructure Cooperative Systems），并針對視障群體構(gòu)建了“人路協(xié)同”環(huán)境下基于機(jī)器視覺的視障導(dǎo)識系統(tǒng)，從盲道和標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計入手，借助先進(jìn)技術(shù)為視障群體提供更為詳盡的實時道路信息，對視障群體的安全保障和推進(jìn)無障礙環(huán)境建設(shè)提供支撐。

1 智能人路協(xié)同系統(tǒng)及基于機(jī)器視覺的視障導(dǎo)識系統(tǒng)框架

1.1 智能人路協(xié)同系統(tǒng)

基于“智能車路協(xié)同系統(tǒng)（IVICS）”概念，該文結(jié)合人、路之間的交通特征以及新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等提出“智能人路協(xié)同系統(tǒng)（IPICS）”概念，簡稱人路協(xié)同系統(tǒng)。該系統(tǒng)是針對目前智能交通系統(tǒng)(ITS)中所缺失的行人相關(guān)方面，將車路協(xié)同拓展到人路協(xié)同，加強(qiáng)行人與道路之間的聯(lián)系，從而形成的一種保障安全、便利出行、高效暢通的信息化智能化行人出行系統(tǒng)。

智能人路協(xié)同系統(tǒng)（IPICS）基于“以人為本”的設(shè)計理念，從服務(wù)行人角度出發(fā)，采用傳感探測、機(jī)器識別、無線通信、互聯(lián)網(wǎng)等多種先進(jìn)技術(shù)，實時獲取行人行進(jìn)路徑、位置信息、道路擁堵狀況等信息，并通過多渠道進(jìn)行信息傳輸交互，實現(xiàn)對人、車、路信息的全面感知，以達(dá)到行人與基礎(chǔ)設(shè)施、行人與行人之間智能協(xié)同配合，人人、人路之間多層次全方位動態(tài)實時信息交互的效果，并在所獲取信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理分析，從而最大程度利用行人和路況信息，優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、提高行人出行效率、降低危險事故發(fā)生可能性。

1.2 基于“人路協(xié)同”的視障導(dǎo)識系統(tǒng)框架

非視障群體可以通過視覺直接感知周圍環(huán)境信息，從而直接建立人—人、人—路之間的聯(lián)系，但視障群體很難全面感知道路行人信息和實時路況信息。因此，該文基于“人路協(xié)同”環(huán)境，針對視障群體建立了視障導(dǎo)識系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 “人路協(xié)同”環(huán)境下基于機(jī)器視覺的視障導(dǎo)識系統(tǒng)

該系統(tǒng)由無障礙基礎(chǔ)設(shè)施、智能導(dǎo)盲設(shè)備、云端無線通信三個層次構(gòu)成，以現(xiàn)有無障礙設(shè)施為基礎(chǔ)，基于機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行視障導(dǎo)識設(shè)施設(shè)計，為智能導(dǎo)盲設(shè)備提供易于識別感知的外界環(huán)境。智能導(dǎo)盲設(shè)備作為中間層，通過機(jī)器視覺等先進(jìn)技術(shù)對出行環(huán)境及導(dǎo)識設(shè)施所提供的信息進(jìn)行識別感知，并與云端數(shù)據(jù)層進(jìn)行無線通信，通過信息交互多維度獲取道路、行人等實時信息，最大限度輔助視障群體全方位感知道路信息。

目前智能導(dǎo)盲設(shè)備以及云端無線通信方面都已有較為深入的研究，相關(guān)技術(shù)如機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、無線通信等也已經(jīng)較為成熟，但受制于現(xiàn)行環(huán)境無障礙基礎(chǔ)設(shè)施的限制，不能夠較好地發(fā)揮作用，無法形成完整系統(tǒng)的智能人路協(xié)同環(huán)境。故該文主要針對無障礙導(dǎo)識設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，包括盲道、視障群體標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)計。

2 視障導(dǎo)識設(shè)施設(shè)計

2.1 設(shè)計內(nèi)容

現(xiàn)階段我國無障礙基礎(chǔ)設(shè)施主要指盲道，視障者行走時通過觸覺感知環(huán)境信息。雖然我國無障礙環(huán)境建設(shè)方面有一定的法律、規(guī)范等制度保障，但仍然存在難以辨別方向、缺少提示信息、銜接不暢、鋪設(shè)不合理等問題。一方面由于現(xiàn)行《無障礙設(shè)計規(guī)范》[4]中針對盲道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在不足：提示盲道磚單一，不能夠提示多種場景；具體鋪設(shè)連續(xù)長度、緩坡處理、以及曲線系數(shù)等鋪設(shè)相關(guān)要求沒有明確強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)；缺乏與公共交通、公共設(shè)施等的銜接；缺乏針對視障群體的標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計。另一方面，現(xiàn)狀盲道鋪設(shè)不規(guī)范，隨意性強(qiáng)，無人監(jiān)管，缺少法律約束，社會對此不夠重視。該文根據(jù)“人路協(xié)同”的視障導(dǎo)識系統(tǒng)要求，針對現(xiàn)有導(dǎo)盲系統(tǒng)的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，包括三個方面：

（1）盲道優(yōu)化設(shè)計。包括行進(jìn)盲道的優(yōu)化設(shè)計及指示盲道的補(bǔ)充設(shè)計。

（2）導(dǎo)識標(biāo)線設(shè)計。解決盲道斷口的銜接以及不易辨別方向的問題。

（3）導(dǎo)識標(biāo)志設(shè)計。用以解決與公共交通、公共設(shè)施等場景的引導(dǎo)銜接問題。

通過盲道與導(dǎo)識標(biāo)志標(biāo)線相結(jié)合，借助機(jī)器視覺深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行輔助識別感知，從而解決視障群體出行困難，保障其安全出行。

2.2 設(shè)計依據(jù)

基于機(jī)器視覺的檢測識別原理，該文從兩方面進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。一是顏色形狀設(shè)計，導(dǎo)識設(shè)施選取鮮明且對比度強(qiáng)烈的顏色，便于色彩空間的閾值分割，提高分割準(zhǔn)確度；采用常見的具有明確輪廓的幾何形狀，便于邊緣檢測提取，從而準(zhǔn)確識別。二是類型設(shè)計，從深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練角度，為使數(shù)據(jù)集精簡化易于收集，在具體設(shè)計時采取歸類設(shè)計的原則，大類標(biāo)識統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，輔助以具體標(biāo)識標(biāo)注，從而避免因標(biāo)識類型過多過雜而難以獲得充足大量不同環(huán)境的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

2.3 設(shè)計方案

2.3.1 盲道優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)行盲道設(shè)計存在行進(jìn)盲道顏色單一，易受光照遮擋等影響識別準(zhǔn)確度；提示盲道指示信息單一，缺乏對路口具體類型、臺階等特殊場景的提示等不足，不能夠給視障群體提供充足準(zhǔn)確的信息。針對這些問題，該文依據(jù)機(jī)器視覺識別檢測原理以及人體感知機(jī)理，通過采取鮮明顏色對比和改變凸起形狀，對盲道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖2所示，從而解決行進(jìn)盲道識別邊界分割易受光照遮擋等影響，指示盲道單一提示信息有限的問題，以便于視障者自身感知和機(jī)器視覺檢測識別。具體設(shè)計詳解見表1。

表1 盲道優(yōu)化設(shè)計詳解

圖2 盲道優(yōu)化設(shè)計示意圖

2.3.2 導(dǎo)識標(biāo)線設(shè)計

導(dǎo)識標(biāo)線設(shè)計主要用于未被盲道覆蓋的區(qū)域，以解決視障群體出行的“最后一公里”銜接問題。針對視覺障礙者出行過程中存在的銜接及提醒缺失等問題，共設(shè)計四種類型標(biāo)線：行進(jìn)標(biāo)線、連接標(biāo)線、警告標(biāo)線和禁止標(biāo)線。為了與現(xiàn)有道路標(biāo)線進(jìn)行區(qū)分且便于機(jī)器視覺識別，采用了紫色和黃色兩種底色作為標(biāo)線的顏色，以不同的線形表示不同的功能，設(shè)計及詳解見圖3和表2。

圖3 導(dǎo)識標(biāo)線設(shè)計示意圖（單位：mm）

表2 導(dǎo)識標(biāo)線設(shè)計詳解

2.3.3 導(dǎo)識標(biāo)志設(shè)計

交通標(biāo)志通過圖形符號、顏色和文字向交通參與者傳遞特定信息，由于視障群體本身不能夠通過視覺進(jìn)行標(biāo)志的感知識別，故導(dǎo)識標(biāo)志的作用主要基于機(jī)器視覺深度學(xué)習(xí)方法檢測識別來實現(xiàn)。由于機(jī)器視覺深度學(xué)習(xí)的交通標(biāo)志識別難點在于數(shù)據(jù)集有限，為簡化數(shù)據(jù)集，避免所需數(shù)據(jù)集過于繁雜不易收集，該文采取分類標(biāo)志的設(shè)計方法，對需要提示引導(dǎo)以及警告禁止的常見場景進(jìn)行歸類，每一大類設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)志，具體場景信息通過輔助標(biāo)志加以注明，從而達(dá)到“一步準(zhǔn)，二步精”的效果。具體導(dǎo)識標(biāo)志設(shè)計包括三種標(biāo)志類型，共7個大類20個場景，如圖4所示，設(shè)計詳解見表3。

表3 導(dǎo)識標(biāo)志設(shè)計詳解

圖4 導(dǎo)識標(biāo)志設(shè)計示意圖

3 新型導(dǎo)盲系統(tǒng)實施建議

雖然新型盲人系統(tǒng)的可行性較好，但在具體實施的過程中還需要注意以下情況：一是盲人標(biāo)識系統(tǒng)的更新，對現(xiàn)有盲人標(biāo)識系統(tǒng)的重新設(shè)計和更新是該新型盲人系統(tǒng)成功實施的前提；二是智能導(dǎo)盲設(shè)備的推廣，導(dǎo)盲設(shè)備是視障者的“眼睛”，智能導(dǎo)盲設(shè)備的推廣是該系統(tǒng)成功實施的背景要求；三是導(dǎo)盲設(shè)備、行人以及車路環(huán)境聯(lián)結(jié)成網(wǎng)，實現(xiàn)信息實時更新、精確計算、合理規(guī)劃；四是提前規(guī)劃、逐步投入、有序建設(shè)，做到現(xiàn)有設(shè)施與新型導(dǎo)盲設(shè)施的有效銜接。

4 總結(jié)

該文基于智能人路協(xié)同系統(tǒng)提出了智能人路協(xié)同系統(tǒng)（IPICS），在“人路協(xié)同”環(huán)境下，構(gòu)建了由無障礙基礎(chǔ)設(shè)施，智能導(dǎo)盲設(shè)備及云端無線通信三個層次構(gòu)成的視障導(dǎo)識系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)通過機(jī)器視覺進(jìn)行環(huán)境感知并與周圍人、車、路進(jìn)行實時通信，輔助視障群體全方位實時獲取出行相關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上，依托機(jī)器視覺識別感知技術(shù)原理對盲道和針對視障群體的導(dǎo)識標(biāo)志標(biāo)線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，解決了現(xiàn)行盲道指示信息有限、出行途中缺乏銜接引導(dǎo)等問題。該文所提出的智能人路協(xié)同系統(tǒng)及視障導(dǎo)識系統(tǒng)符合現(xiàn)今智能交通發(fā)展趨勢，充分考慮了弱勢群體出行場景，具有較好的應(yīng)用價值。