基于GPS定位系統(tǒng)的盲人智能眼鏡技術(shù)優(yōu)化

王文博 張海燕 李曉菲

摘 ?要：盲人群體的生存狀況是我國政府和社會長期關(guān)注的課題。導盲犬、盲道、手杖等輔助方式解決一些盲人的出行問題，隨著交通的復雜化，以上的盲人輔助工具已不足以輔助盲人的出行。將GPS定位系統(tǒng)、顏色識別技術(shù)和光伏充電技術(shù)融于一體，將自動檢測系統(tǒng)的交互功能、自動識別系統(tǒng)在智能盲人眼鏡上加以應用，為盲人提供一種新的技術(shù)，只需進行智能化檢測語音提示，解決非先天性失明人群出行、探路等問題，為智能盲人眼鏡賦予新的定義。

關(guān)鍵詞：人工智能;盲人眼鏡;智能化檢測語音

中圖分類號：TH786;TP391.41 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）12-0057-03

Abstract：The living condition of the blind is a long-term concern of our government and society. Guide dog，blind road，walking stick and other auxiliary methods can solve the travel problems of some blind people. With the complexity of traffic，the above-mentioned auxiliary tools for the blind are not enough to assist the blind. Integrating GPS positioning system，color recognition technology and photovoltaic charging technology，the interactive function of automatic detection system and automatic identification system are applied to intelligent blind glasses，which provides a new technology for the blind. It only needs to carry out intelligent voice detection to solve the problems of non congenital blind peoples travel and road exploration，and gives new definition to intelligent blind glasses.

Keywords：artificial intelligence;blind glasses;intelligent voice detection

0 ?引 ?言

據(jù)統(tǒng)計，中國有1 700多萬盲人，也就是說，每100多名中國人里就有一位視障人士。他們也需要生活、學習、工作、養(yǎng)家糊口。在城市中，按摩是大部分盲人的謀生手段和出路，但是勞動強度大，收入低;在農(nóng)村，盲人主要依附家庭，沒有穩(wěn)定收入，成為家庭的負擔。由于收入低、經(jīng)濟來源有限，盲人在物質(zhì)上壓力大，精神上壓力更大。盲人的脫貧也成為國家和社會的關(guān)注點和難點，因此，如果擁有較好的輔助工具，使盲人“不盲”，可以為家庭和社會減輕很多的壓力。

歸根結(jié)底，盲人的種種困難，主要是視力的問題，看不見東西，自身的衣食住行都需要他人的幫助。如果能夠解決“看不見”的問題，那么他們就可以像正常人一樣生活。隨著科技的發(fā)展，讓盲人“復明”已經(jīng)不是奢望。

盲人出行存在很多不便和安全隱患，比如容易使人疲憊的手杖、總是很“忙”的盲道、昂貴的導盲犬等等，這些出行的輔助方式往往不盡人意，存在各式各樣的不足和風險，因此找到合適的工具輔助出行顯得很有必要。

隨著人工智能的發(fā)展，許多先進的技術(shù)被應用到各行各業(yè)。盲人眼鏡結(jié)合人工智能，通過紅外感應、智能導航、藍牙傳導、智能語音回饋等技術(shù)，使盲人的眼界發(fā)生變化，能夠更好地熟悉和了解身邊的一草一木，使其衣食住行都得到極大的便利，獨立能力得到極大提高[1]。

1 ?盲人智能眼鏡的技術(shù)支持

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，使用合適的輔助工具，可以實現(xiàn)盲人的“復明”。先進的工具，離不開先進的技術(shù)支持，以下分別介紹盲人智能眼鏡的技術(shù)支持。

1.1 ?超聲波測距技術(shù)

蝙蝠是天生的弱視動物，但弱視對其飛行毫無影響，這主要歸功于超聲波，蝙蝠的飛行不是靠眼睛去辨識方向，而是通過超聲波的探測辨路。超聲波的指向性強，能量衰減慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，是一種很好的測距的技術(shù)。盲人智能眼鏡采用超聲波探距裝置，可快速測定障礙物到運動者的距離。

超聲波測距的基本方法是TOF（Time of Flight，飛行時間測距法）。發(fā)射換能器發(fā)出超聲波，超聲波在遇到障礙物后，由于其反射性能夠產(chǎn)生反射回波，回波由接收換能器接收。飛行時間測距法根據(jù)從發(fā)射出聲波到接收回波的時間和聲速，通過公式算出距離，公式為：

L=vt/2

其中，L為聲波走過的路程;v為超聲波在介質(zhì)中的速度;t為飛行時間。

超聲波測距技術(shù)精度高，測量范圍廣，能夠很好地探測到行走中的障礙物[2]。

1.2 ?圖像識別技術(shù)

由于盲人不能識別道路上的交通標志，比如紅綠燈、斑馬線等，圖像識別技術(shù)恰可以彌補盲人群體的這一缺陷，讓盲人能夠“復明”。

圖像識別主要使用攝像頭，采用Raspberry Pi（樹莓派）的NoIR照相機模塊。該模塊的攝像頭具有500萬像素的固定焦點圖像傳感器，能夠拍攝分辨率為2 592*1 944的圖片，可以較真實地拍攝環(huán)境圖片。并且該攝像頭附帶藍色濾光鏡，可以過濾紅外光，使該相機模塊不僅可以在白天拍攝，而且也能在夜間拍攝，使該功能比正常人的視力更優(yōu)越，不受光線弱的影響。

環(huán)境圖像拍攝后，需要經(jīng)過圖像預處理：第一，直方圖均衡化圖像，得到灰度分布均勻、對比度強的增強型圖像;第二，使用中值濾波處理技術(shù)去除圖像噪聲[3];第三，利用Hough變換提取圖像;第四，利用顏色特征辨識顏色進行反饋;第五，使用Haar-like特征庫，通過計算特征值，依據(jù)特征值由訓練好的分類器進行篩選，從而進行目標區(qū)域的判斷。經(jīng)過以上五個步驟，將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)化，輸送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.3 ?AdaBoost級聯(lián)算法

圖像識別后需要進行數(shù)據(jù)的運算，Haar-like特征是最基本的單元。每個Haar-like特征對應著的一個弱分類器，構(gòu)造弱分類器實質(zhì)上就是通過訓練從若干個弱分類器中找出最優(yōu)弱分類器，尋找能夠使分類器的檢測誤差率最低的閾值的過程。

單一的弱分類器并不能夠滿足高精度的識別需求，因此提出了AdaBoost算法，用來訓練強分類器，其原理是通過權(quán)重調(diào)整將多個識別能力差的弱分類器集合起來組成識別效果更好的強分類器。

在現(xiàn)實的目標檢測中，單一的強分類器還是難以保證識別的正確率。一種最常用的方法是將由AdaBoost算法訓練出的多個強分類器進行級聯(lián)，每一個強分類器組成該級聯(lián)分類器的一級，從而最終形成一個識別正確率很高的級聯(lián)分類器。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Raspberry Pi比較流行，Raspberry Pi最早是為學校計算機編程教育而設計的，把一臺計算機壓縮到一張名片大小，并且依然能夠?qū)崿F(xiàn)播放視頻、音頻等所有功能，使處理系統(tǒng)小巧化、微型化，經(jīng)歷幾個版本的改進，已經(jīng)發(fā)展成為相當穩(wěn)定的產(chǎn)品。通過Raspberry Pi開發(fā)板作為中央處理器，對超聲波模塊和攝像頭模塊得到的數(shù)據(jù)進行處理，通過耳機輸出，傳送到人體的聽覺系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了盲人對環(huán)境的“可視”。

2 ?盲人智能眼鏡的優(yōu)化設計

在以上技術(shù)的支持下，為了改進盲人智能眼鏡的設計，我們計劃從以下五方面來進行優(yōu)化。

2.1 ?控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計

本系統(tǒng)主要由各種元件相互配合組成，元件之間相互發(fā)送信息實現(xiàn)各種信息交流，如顏色識別傳感器、紅外測距儀、語音系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)接收器等。控制系統(tǒng)設計示意圖如圖1所示。

2.2 ?鏡架空間設計

由于鏡架的空間有限，所以選擇小型測距傳感器“紅外測距傳感器，型號TFMINI，性能良好，可檢測附近0.3～ 12 m之間的物體尺寸”即可滿足設計功能的需求。顏色傳感器則選擇物美價廉的RGB顏色傳感器ADJD-S311-CR999，它可以直接將信號數(shù)據(jù)傳送到接收器上，進行信息的判斷與傳送。

2.3 ?GPS技術(shù)的運用

在GPS定位系統(tǒng)的選擇上，微型GPS智能定位器Aman-Stino即可滿足設計需要。通過GPS的反饋及時到了解盲人的位置，將數(shù)據(jù)連接到監(jiān)護人的手機上，可以使監(jiān)護人隨時隨地地獲取盲人的信息，并能夠遠程協(xié)助盲人，使盲人不必時時刻刻都需要他們的陪護，可以自己獨立去做事情，監(jiān)護人也能夠安心。微型GPS智能定位器AmanStino所在位置如圖2所示。光伏充電模塊等供能裝置由我們自行根據(jù)實際功能需要設計制作，例如微型鋰電池。語音提示模塊根據(jù)我們后期需要進行設計和采用，在電路設計問題上進行優(yōu)化。

2.4 ?顏色識別技術(shù)、自動檢測技術(shù)的深化

對顏色識別技術(shù)、自動測距技術(shù)進行深化檢測，從有限數(shù)據(jù)中檢測出模型近似參數(shù)，模型可根據(jù)交通信號燈顏色、光線的明暗變化等改變認知系統(tǒng)進行信號的大小、種類或者模型的架構(gòu)設計優(yōu)化。用紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外的檢測位置遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過信號傳感器接口返回到接收器，接收器識別紅外的返回信號便能夠通過計算周圍環(huán)境的變化，有效地規(guī)避盲人的意外磕碰，整個自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單方便。

2.5 ?深化供能或蓄電系統(tǒng)

蓄電裝置是整個盲人智能眼鏡在執(zhí)行命令時的核心基礎，微型鋰電池和可充電式電源為整個系統(tǒng)提供了功能保障，可有效防止尤其是GPS定位系統(tǒng)失靈而導致人員走丟的情況。蓄電裝置對應關(guān)系可使要傳送的命令得到快速的執(zhí)行，其要求具有高效、無失誤的特點。

3 ?盲人智能眼鏡發(fā)展方向

3.1 ?基于云計算的盲人智能眼鏡

對于云計算的服務類型來說，一般可分為三個層面，分別是IaaS、PaaS和SaaS。這三個層次組成了云計算技術(shù)層面的整體架構(gòu)，這其中可能包含了一些虛擬化的技術(shù)和應用、自動化的部署以及分布式計算等技術(shù)，這種技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)勢就是可以對外表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的并行計算能力以及大規(guī)模的伸縮性和靈活性等特點[4]。

3.2 ?基于大數(shù)據(jù)的盲人智能眼鏡

結(jié)合大數(shù)據(jù)的盲人智能眼鏡，無疑會帶來意想不到的體驗和便捷，比如出門坐公交車，說出目的地后，經(jīng)過語音系統(tǒng)傳輸?shù)街锌匦酒悄苎坨R會給出離自己最近的公交車站，下車后，繼續(xù)導航近距離，直至到達目的地。

3.3 ?基于后臺計算機平臺的盲人智能眼鏡

盲人的迷路問題是其出行的一個大障礙，因為怕迷路，盲人大多畏懼出門。建立后臺的計算機平臺，實時和盲人智能眼鏡進行信息共享。同時，智能眼鏡連接計算機平臺，通過語音可以及時地了解天氣預報、溫度、空氣質(zhì)量、路況信息等出門必備的數(shù)據(jù)，使盲人能夠合理安排出行，避免不必要的麻煩。

3.4 ?基于四面攝像監(jiān)控的盲人智能眼鏡

盲人出行，可以通過各種工具及時地了解到腳下的路是否安全，但是空中以及非地面的物體往往成為盲區(qū)，因此全方位的監(jiān)控是很有必要的，為盲人智能眼鏡增加四面攝像頭，可以對周圍的立體環(huán)境做出及時的反饋，并通過聲音或者震動提示潛在的危險，及時指出正確、安全的道路，使盲人的出行更加安全[5]。

4 ?結(jié) ?論

關(guān)懷盲人群體，不僅僅在于人為的關(guān)懷和幫助，更應該在于先進技術(shù)的輔助，授之以魚不如授之以漁，先進的輔助技術(shù)便是“漁”，盲人群體借助先進技術(shù)的幫助，能夠像正常人一樣生活，增強了自身的生活信心，減輕了家庭的負擔，也為國家的脫貧作出貢獻。本文設計的盲人智能眼鏡用先進的技術(shù)給盲人群體一片光明，使他們的路走得更穩(wěn)、更快、更順。

參考文獻：

[1] 張其善，吳今培，楊東凱.智能車輛定位導航系統(tǒng)及應用 [M].北京：科學出版社，2002.

[2] 安淑芷.超聲導盲眼鏡——獻給失明者的愛 [J].中國科技信息，1994（Z1）：48.

[3] 劉麗梅，孫玉榮，李莉.中值濾波技術(shù)發(fā)展研究 [J].云南師范大學學報（自然科學版），2004（1）：23-27.

[4] 王瑩.人工智能的進展及發(fā)展建議 [J].電子產(chǎn)品世界，2017，24（Z1）：23-26.

[5] 樊炳輝，盧鳳，王鑫，等.智能上假肢特定人語音識別系統(tǒng)實現(xiàn) [J].計算機工程與設計，2017，38（6）：1630-1634.

作者簡介：王文博（1997.10—），男，漢族，甘肅天水人，本

科，研究方向：機械設計制造及其自動化;張海燕（1982.03—），女，漢族，山東德州人，講師，本科，研究方向：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育;李曉菲（1984.12—），女，漢族，山東德州人，講師，本科，研究方向：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。