盲人實(shí)時(shí)景物辨知儀的設(shè)計(jì)及研究

蘇重清，邢學(xué)剛，魯 亮

大慶油田總醫(yī)院 設(shè)備科，黑龍江 大慶 163001

盲人實(shí)時(shí)景物辨知儀的設(shè)計(jì)及研究

蘇重清，邢學(xué)剛，魯 亮

大慶油田總醫(yī)院 設(shè)備科，黑龍江 大慶 163001

將景物視為具有灰階的黑白畫面，然后將其亮度高于或低于一定灰度值的部分用電路定義為0，而將其余部分用電路定義為1，由此將彩色景物轉(zhuǎn)換為僅由黑白兩種顏色表示的“木刻畫”，再將此“木刻畫”中的兩種顏色中的一種用振動(dòng)的像素表示出來(lái)供盲人觸摸。盲人靠觸摸這種“木刻畫”可一定程度地實(shí)時(shí)辨知景物。此辨知儀稍加改造還能辨別彩色景物。

盲人實(shí)時(shí)景物辨知儀；木刻畫；光傳感器；導(dǎo)視儀

1 問題的提出及其意義

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全世界約有 4 千萬(wàn)盲人和1.1億人正處于失明的危險(xiǎn)中[1]。他們不但使自己的生活質(zhì)量下降而且給社會(huì)和家庭都帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。如果能讓他們借助于儀器一定程度地辨知周圍的景物，不但能提高他們的生活質(zhì)量和生命質(zhì)量，而且能有效地減輕上述負(fù)擔(dān)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了盲人實(shí)時(shí)景物辨知儀[2]。

目前，有一些關(guān)于導(dǎo)視儀的研究和設(shè)計(jì)[3-4]，但均未見具體電路，也未見其應(yīng)用。本設(shè)計(jì)用光傳感器探測(cè)將景物成像為“木刻畫”，探測(cè)所及可達(dá)正常眼睛能達(dá)到的距離、易于實(shí)現(xiàn)、成本不高，稍加改造還能辨別彩色景物。

2 工作原理

該盲人實(shí)時(shí)景物辨知儀將景物看成一幅畫，再將畫面變成木刻畫，木刻畫凸起部分用振動(dòng)的點(diǎn)表示供觸摸辨知。為達(dá)此目的，用鏡頭成像景物到光傳感器平面矩陣上，使景物信息像素化，并將其中高于或低于設(shè)定亮度閾值的像素用亮度甄別電路甄別出來(lái)，用對(duì)應(yīng)的振動(dòng)器的矩陣元表示。盲人觸摸這些振動(dòng)的矩陣元構(gòu)成的自動(dòng)隨景物變化而刷新的陰刻效果或陽(yáng)刻效果（像剪紙畫或印章樣的畫面）畫面（圖1），就可實(shí)時(shí)地辨知景物。

實(shí)際上，其工作原理和數(shù)碼相機(jī)高度相似。不同的是，為了能被容易地觸摸辨知，將成像的“相片”灰階級(jí)數(shù)減少到1比特；為了在成本、體積和耗電等方面容易實(shí)現(xiàn)，將成像的“相片”的像素再減少。

3 電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖2。用鏡頭將景物成像到光傳感器組成的平面矩陣上，如成像到30行30列光傳感器矩陣上，得到900通道的亮度信號(hào)。每通道亮度信號(hào)都送到該通道亮度甄別電路，當(dāng)某一通道亮度高于所設(shè)閾值時(shí)，即R阻值減小到其和R1分壓高于2/3Vcc時(shí)，則該通道NE555的振蕩使該通道的振動(dòng)器Z振動(dòng)；當(dāng)該通道的R接收到的光低于所設(shè)閾值時(shí)，即R阻增大到其和和R1分壓低于2/3Vcc時(shí)，該通道停振而振動(dòng)器靜止。上述通道構(gòu)成的輸出就是振動(dòng)器矩陣。因振動(dòng)器小功率的振幅就能產(chǎn)生讓手的觸覺能感知的振動(dòng)，不必?fù)?dān)心耗電過大。光傳感器矩陣中亮度高于所設(shè)閾值的那些通道的振動(dòng)，組成了代表景物的畫面，供盲人觸摸辨知。光越亮，R阻值就越小，振動(dòng)器振動(dòng)頻率也就越高，據(jù)此可辨知更多亮度“灰階”信息。將灰階分辨率位數(shù)增加到1比特以上時(shí)，則需使用者有更強(qiáng)的辨知能力。增大上述矩陣可提高分辨率。可用集成化傳感器矩陣使辨知視角、光圈都可調(diào)和利于小型化；可將所有R不接Vcc，而接到2/3Vcc～((R1+R最小值)/ R1) Vcc的可調(diào)電壓器上來(lái)調(diào)節(jié)亮度感應(yīng)能力和辨知效果，調(diào)NE555的第5腳電壓也能達(dá)到此目的。當(dāng)然振動(dòng)器并聯(lián)可保護(hù)二極管短路掉其線圈失電瞬間產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。NE555集成電路引腳及內(nèi)部功能，見圖3。

圖2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案之一

圖3 NE555集成電路引腳及內(nèi)部功能

振蕩器也可用2個(gè)輸入端與門代替，電路連接，見圖4。用高電平選通以簡(jiǎn)化電路、減少元件和成本，但需要緩沖放大。當(dāng)然與門電路的輸出能力與NE555的200mA輸出能力無(wú)法相比。

若在光路中加濾光片，則可提高分辨特定顏色的能力，如加紅濾光片容易在背景中辨別出紅字。

畫面也能實(shí)時(shí)以凸點(diǎn)狀永久地打印在紙上供盲人觸摸。

圖2中，用一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)將所有R1和R位置調(diào)換，并將所有振動(dòng)器接Vcc端轉(zhuǎn)成接地，就能將所得畫面陰刻效果轉(zhuǎn)成陽(yáng)刻效果，利于省電和黑白模式辨知。此時(shí)，R1

4 有待改進(jìn)之處與使用效果預(yù)測(cè)

將景物轉(zhuǎn)換成“木刻畫”，但“木刻畫”被盲人觸摸辨知程度與盲人的訓(xùn)練、天賦有關(guān)。電子耳蝸是一個(gè)很好的類比，雖然其技術(shù)被已公認(rèn)、相當(dāng)成熟并得到廣泛的應(yīng)用，但使用者也得經(jīng)半年左右的專門訓(xùn)練。使用盲人實(shí)時(shí)景物辨知儀能讓盲人觸及到鏡頭可及的世界，在某種意義上而言就是零的突破。其比電子視網(wǎng)膜要容易實(shí)現(xiàn)得多，且造價(jià)極低。

根據(jù)三基色原理，將上述每一個(gè)通道各帶一種基色濾光片，3個(gè)光傳感器及其后級(jí)電路推動(dòng)3個(gè)振動(dòng)器。3個(gè)振動(dòng)器的振動(dòng)頭（圖5）對(duì)應(yīng)三種基色并放入上述同一個(gè)孔中，各以形狀或排列方向區(qū)別于另外兩種基色。

實(shí)時(shí)地將景物轉(zhuǎn)換成“木刻畫”，隨著照明強(qiáng)度變化、景物變化和該儀器的移動(dòng)都能使“木刻畫”不斷地刷新。這對(duì)辨知有利的一面是利于實(shí)時(shí)辨知；不利的一面是增加了辨知的難度。利用存儲(chǔ)技術(shù)和抽樣保持電路將景物的數(shù)據(jù)凍結(jié)就能讓“木刻畫”“定格”，此類技術(shù)已相當(dāng)成熟并被廣泛應(yīng)用。

由其工作原理不難推定，用其辨知諸如藍(lán)天背景下的樓宇等形狀相對(duì)規(guī)則和與背景顏色及亮度反差較大的景物要容易一些。此類辨知可用于使用者的初始訓(xùn)練。

國(guó)外曾有人以類似的方法，用16個(gè)像素的電極矩陣刺激盲人的舌頭，使其辨認(rèn)出英文字母N引起轟動(dòng)。相比之下，本文設(shè)計(jì)的方法較之要先進(jìn)得多，效果也必將好得多。

本文設(shè)計(jì)的方法還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)不易辨別的景物可反復(fù)辨知，可通過多次學(xué)習(xí)辨知；可調(diào)解閾值電壓等參數(shù)改變同一景物的“木刻畫”效果。就像用PHOTOSHOP軟件的素描濾鏡中的圖章操作一個(gè)圖片一樣，使用不同的明/暗平衡以及平滑度參數(shù)得到不同的較為抽象的圖章效果；改變不同的辨知角度和照明，也會(huì)得到不同的效果。

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)植物和動(dòng)物具有代償能力，人作為具有主觀能動(dòng)性的高級(jí)動(dòng)物這種能力更強(qiáng)。人民幣上的盲文我們往往都摸不出凸起，盲人卻能辨認(rèn)。這說(shuō)明盲人有更好的觸覺感知能力，對(duì)于靠觸摸辨知更有利。

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，集成電路沒有采用印刷電路板而使用了疊加焊接的方法[5]，即將圖2中的多個(gè)NE555同向疊加在一起，使電路集成變得易實(shí)現(xiàn)。

如果使用常見的光敏電阻（直徑有5mm、3mm）作為傳感器矩陣單元，會(huì)使傳感器矩陣物理面積增大，使找到合適的光學(xué)鏡頭變得困難，此時(shí)不妨放棄光學(xué)鏡頭而用小孔成像。

工程師在醫(yī)院能得到更多的醫(yī)學(xué)知識(shí)，對(duì)發(fā)明醫(yī)用產(chǎn)品[6-8]有所幫助，但在醫(yī)院也不要受醫(yī)療界固有思維的束縛。醫(yī)學(xué)科研很多得出的結(jié)論都是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的結(jié)論，電路方面的實(shí)驗(yàn)與研究還是要靠設(shè)計(jì)、計(jì)算，并用計(jì)算機(jī)軟件模擬等方法得出。

[1] 曹玉珍,劉剛,楊海峰.導(dǎo)盲系統(tǒng)中的道路斑馬線識(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(15):176.

[2] 蘇重清,蘇春旭,劉亞芹.盲人實(shí)時(shí)景物辨知儀:中國(guó),200910225376.1[P].2010-06-16.

[3] 夏岳勇,楊峻.盲人導(dǎo)航儀[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2007,22(1):112.

[4] 姚翔,蘇永春,于巍,等.超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)中可編程增益的研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2006,27(6):9.

[5] 蘇重清,邢學(xué)剛,修學(xué)勇.振動(dòng)式盲人景物辨知儀的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2011,26(11):14-16.

[6] 蘇重清.盲人聽覺景物辨知掃描儀:中國(guó),200710105590.4[P].2007-10-24.

[7] 蘇重清,蘇春旭,劉亞芹.盲人觸覺景物辨知掃描打印機(jī):中國(guó),200810175352.5[P]. 2009-05-27.

[8] 蘇重清.振動(dòng)式盲人景物辨知儀:中國(guó),200820177290.7[P].2009-09-16.

Design and Study of Scene Recognizing Device for the Blind

SU Zhong-qing,XING Xue-gang, LU Liang
Equipment Department, Daqing Oilfi eld General Hospital, Daqing Heilongjiang 163001, China

Regard the scene as grey-scaled picture, defi ne the areas of the picture where the brightness are either higher or lower than the threshold as electrical 0, and define the other areas of the picture as electrical 1, thus the scene is converted into the “woodcut”picture which possesses only black and white colors. Then the black or white color is displayed with the vibrating pixels. By touching such kind of“woodcut” picture the blind can recognize the scene in some degree. The modified style can even recognize the scene in colors.

scene recognizing device for the blind; woodcut; light sensor; the blind guide

1674-1633(2012)05-0023-03

2011-09-30

專利：國(guó)家專利（200910225376.1）。

本文作者：蘇重清，高級(jí)工程師。

作者郵箱：schq1@163.com

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.05.006