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連接在一起，有語音系統為其同聲播報，在遇到緊急情況，掃描儀發出超聲波，將其反饋給蜂鳴器，使其發出緊急提醒。在眼鏡芯片內置GPS導航系統，可自動為盲人定位，實時了解到盲人的動態。

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）據統計大多數盲人會有嚴重的自卑感和挫敗感。在現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 系統結構

1）超聲波模塊。本系統的特點是利用單片機控制超聲波的發射和對超聲波自發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，驅動超聲波發射頭發出脈沖超聲波，并保持持續發射。單片機兩側的測距電路的輸入端分別接兩個不同的端口，接收頭采用與發射頭配對的裝置，將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號，經運算放大器兩極放大后加至帶有鎖定環的音頻譯碼集成塊，內部的壓控振蕩器的中心頻率，電容決定其鎖定帶寬。調節電阻在發射的載頻上，則集成塊輸入信號大于規定電壓伏數，輸出端由高電平躍變為低電平，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，在聲學模型系統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，眼鏡的主控制系統會把激光和紅外線發射出去，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，我們為了增強眼鏡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點數才能展現出較好的特征，再加上圖片本身的信息量很大，需要較多次的迭代，整個訓練過程持續了很長時間，最終呈現出來的結果與現實生活物品基本一樣。經過上述功能組合后的視覺系統，可以應用到檢查、監視（對廠區內異常現象的監視或對室內外可疑人物的監視）、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。該系統利用GPS定位系統與手機和眼鏡相結合，在盲人行走時，通過定位系統與語音系統的相結合為盲人實時播報地理位置，同時該系統與手機相連，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，控制系統將圖像信息傳至聲音系統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定位系統為盲人完成精準的實時路況播報。其中，在系統中我們也將裝置緊急提醒裝置，在突發情況下，緊急提醒盲人有效避開障礙物，在系統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。