基于圖像處理的智能穿戴式導盲系統的設計與開發

郭小磊 辛平 陳廣大 程明 韓志偉

摘 要：針對盲人因視覺的缺失而導致的生活困難與精神空虛的難題，提出可與盲人交互并為其提供多種服務的導盲助手方案。采用STM32F407系列開發板與樹莓派為控制核心，運用圖像處理與語音識別等技術為盲人的生活提供包括道路障礙檢測、環境語音提醒、熟人識別、文字識別、語音位置分享、危險狀態檢測與報警、人機交互等多種功能。系統功能全面，使用方便，具有較高的實用價值。

關鍵詞：穿戴式;圖像處理;語音交互;功能全面

據統計，中國現有超過1400萬的盲人，因視力的缺失，他們的衣食住行都需要他人的幫助。

為了提高盲人的生活質量，設計研究出了基于圖像處理的智能穿戴式導盲設備。用戶可以通過語音的方式向系統下達指令，獲得自己想要知道的相關信息，并且可以讓攝像頭成為自己的眼睛，進行人臉識別與文字識別，以提升自主生活能力。整個系統功能全面，操作簡單，性價比高，從輔助盲人生活的角度為盲人提供全方位的幫助。

一、智能導盲系統總體設計方案

本系統主要由可放置于腰部的設備主體和位于肩部與手腕部的傳感器組成，以STM32F407系列與Raspberry Pi為控制核心，包含攝像頭模塊、VS1053語音提示模塊、電機振動提示模塊、GPS/GMS模快、MPU6050危險狀態檢測模塊。系統通過攝像頭對盲人前方的道路進行檢測識別，當發現障礙物時，立即通過語音提示模塊與振動電機模塊對盲人進行提醒，伴隨著盲人和障礙物距離的拉近，振動電機會通過逐漸加快振動頻率的方式向盲人進行反饋。當盲人前方出現其熟人時，開發板通過肩部攝像頭采集的信息進行識別，再由語音模塊向盲人播報人員信息。當盲人想要觀看前方的文字內容時，系統即可通過攝像頭對前方文字進行識別，語音告知盲人文字信息，并且當盲人行走過程中出現危險倒地不起時，MPU6050檢測后觸發危險狀態報警模塊，由GSM通信模塊將此狀況和盲人的位置信息發送到其親人的手機上，為對盲人的快速救援提供幫助。

二、導盲系統硬件設計

（一）控制模塊設計

系統以STM32F4系列開發板與樹莓派為控制核心，使用OpenCV庫。主控制器負責處理攝像頭所捕獲的圖像信息，音頻輸入的語音數據處理以及處理服務器的信息等。這是實現系統人臉識別、文字識別、語音識別、語義分析與交互應答的核心。

（二）圖像采集模塊設計

圖像采集傳感器采用CMOS攝像頭，使用標準的SCCB接口。圖像采集可采用不同分辨率的傳感器，高分辨率的傳感器細節較為清楚，但是對主控制器處理的壓力增大，將導致主控制器處理緩慢，產生延時，占用內存過多等問題，因此系統選用200W像素攝像頭作為圖像采集傳感器。

（三）語音模塊設計

系統采用VS1053模塊為語音數據采集模塊，是系統指令識別與語音應答的基礎，該模塊自帶有聲音拾取器，將聲音信號初步處理后變為電壓信號，經過模擬數字轉換器轉換為數字信號。因系統對語言指令識別有較高的要求，故模塊直接將數據傳輸至主控制器，由主控制器解析處理，并產生應答。

（四）基于級聯分類器的人臉識別

本系統主要應用級聯分類器進行人臉的識別。Haar特征使用檢測窗口中指定位置的相鄰矩形，計算每一個矩形的像素和并取其差值。然后用這些差值來對圖像的子區域進行分類。在檢測窗口中可以放大或平移得到一系列子特征，他們的白黑區域面積比始終保持不變。

在本穿戴式智能導盲系統進行人臉識別時，先計算識別對象的第一個Haar特征的特征值，與第一個分類器閾值對比，當Haar特征的特征值小于該閾值時，進入下個比較步驟;當Haar特征的特征值大于該閾值時，該弱分類器輸出右值并結束。然后計算第二個Haar特征值，與第二個弱分類器閾值對比，步驟同上。把多個這樣的分類器并聯，即將輸出結果值相加，即可得到一個強分類器的輸出結果，該結果與設定閾值做對比，當結果大于該閾值時，認為當前檢查窗口通過了該強分類器，即認為是盲人的朋友。

三、結語

本系統結構主要由可放置于腰部的設備主體和位于肩部與手腕部的傳感器組成。已完成系統樣機，經測試可實現的功能有道路障礙檢測、環境語音提醒、熟人識別、文字識別、語音位置分享、危險狀態檢測與報警、人機交互等多種功能，性能穩定，識別率高，能夠幫助盲人應對生活中遇到的多種困難，在保證其安全的同時，提高其自主生活能力，減輕家庭負擔。

參考文獻

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