淺析智能導盲產品的未來實現

張小雨　王健宇

【關鍵詞】導盲；人工智能；導航；5G；數字孿生

一、 背景概述

隨著人口的增長和老齡化程度的加深，到2050年，全球預計會有7.03億人面臨中重度視力損害或失明[1]。根據現有的統計數據顯示，中國約有至少1700萬盲人[2]，但是我們在日常生活中可以看到的自由出行的盲人的數量卻很少。2016年中國信息無障礙產品聯盟關于《中國互聯網視障用戶基本情況報告》出行調研顯示，在1805個視障者中，有30%的視障者基本不外出，一周出行4～6次或6次以上不需要家人陪同的僅占9%[3]。

圖1 視障者出行情況

二、 政策指引

盲人作為人類社會中的弱勢群體，其出行困難一直是國家和全社會高度重視的問題。盲人群體人數逐年增加，能否保障盲人安全可靠、智能高效地出行，是社會進步的重要標志。

國務院于2020年7月8日印發《“十四五”殘疾人保障和發展規劃》通知：“將科技助殘納入科技強國行動綱要，促進生命健康、人工智能等領域科學技術在殘疾人服務中示范應用，開展殘疾預防、主動健康、康復等基礎研究，扶持智能化康復輔助器具、康復設備、盲文數字出版、無障礙等領域關鍵技術研究和產品推廣應用[4]。”

工業和信息化部、中國殘疾人聯合會于2020年9月印發《關于推進信息無障礙的指導意見》 ，指導意見提出“鼓勵信息無障礙終端設備研發”“支持開發殘健融合型無障礙智能終端產品”“重點加快智能導盲設備等智能終端的設計開發”“指導第三方機構按照無障礙規范與標準進行符合性測試”等要求[5]。

中國盲人協會通過全國人大和全國政協提出有關加快研發智能導盲設備的建議與提案，分別得到科技部、工信部等多個部門的積極響應和部署。

盲用信息與智能無障礙推進工作的盲人代表倡議聚合優勢資源，集中攻克難關，舉各個部門之力，共同研發能主動引導、安全避障、精準定位、人機交互等智能智慧高科技導盲產品，幫助盲人無障礙出行，提升廣大盲人的生活質量和參與社會、創造價值的能力。

三、 傳統導盲形式及痛點

現階段大多數盲人出行的方式以人員陪伴、導盲杖輔助和導盲犬引領為主。

從現實角度出發，人員陪伴的方式無法做到隨時隨地跟隨盲人，且盲人群體也有獨立自主的心理需求。

傳統的導盲杖依然是目前使用接受程度最高的導盲輔具。這種盲杖設計結構簡單，功能基礎，通過敲擊來判斷地形以及周圍環境障礙，判斷高度有限，易發生危險。

導盲犬通過特殊的訓練可以引導盲人行走，躲避道路危險情況，但一條導盲犬從選種、培訓、上崗，需要大量的時間，且價格昂貴。此外，導盲犬被社會接受的程度不夠高，加之其工作年限的限制，致使其無法被普及也無法成為理想的導盲方式。

四、 現代技術助力導盲行業

隨著現代科學技術的蓬勃發展，各種智能產品的發展研究備受青睞，智能化給人們的生活帶來了很多便利與機遇，人們開始關注如何利用科技手段去提高盲人群體的生活質量，滿足獨立、安全出行的愿望的問題。為了讓視力障礙群體能夠更好地融入社會、更好地去感知世界，真正成為社會的參與者和貢獻者，需要借助科學技術設計生產出具有高性能、高精度、高智能性以及協同、共融系統的導盲產品。

為滿足盲人獨自出行的基本要求，高科技導盲產品需具備障礙物與路況識別、地圖構建、精準定位、智能導航、迅速反饋等主要功能。以上功能的實現需要人工智能、云計算、定位與導航、5G移動通信、人機交互等技術的支撐。

人工智能（Artificial Intelligence），簡稱AI。現代意義上的人工智能誕生于1956年的特茅斯學院夏季學術大會，AI的初衷是由機器模擬人類、動植物和物種種群的行為，學者們認為其學習過程或智能的表征特點理論上都可以被機器精準地模擬出來。面向特定領域的人工智能（即專用人工智能），如語音識別、人臉圖像識別等，因具有應用場景需求明確、所在領域專業技術成熟、模型建立過程簡單可行的特點，在特定人工智能領域已經實現單點突破，如圖像識別等單項測試中已經達到超越人類的水平。目前，人工智能技術已在教育、安全、金融、交通、醫療健康、家居、游戲娛樂等多個領域取得技術成果并廣泛應用，并且應用場景也越加豐富。

目前人工智能技術已經滲透在智能導盲產品的研發制造中，如應用人臉識別技術進行用戶識別、縮短機器人權限認證時間；應用表情、姿態識別技術對用戶的體力和情緒進行感知，并據此調整行進速度；應用行為預測技術預測用戶行動，降低機器人速度過快而引發用戶摔倒的概率[6]。智能語音技術和圖像識別檢測技術是智能導盲產品最核心的關鍵技術。智能語音技術是一種以語音信號識別為基礎，搭配自然語言處理和對話管理技術，將語言輸入信息提取、分析，最終通過語音合成或文字等方式輸出的人機語言交互技術，是最早落地的人工智能技術之一。圖像識別技術可以對場景中的對象進行定位、識別和分類，區分交通信號燈、汽車和行人，同時配合超聲波、紅外和TOF攝像頭等傳感器，提高識別準確性，結合語音提示引導，實現盲人的主動避障和出行引導。

云計算（Cloud Computing）技術是一種分布式計算技術，通過網絡“云”將龐大的數據計算處理任務劃分為成若干個小任務，然后將每個任務分發給多部計算機組成的系統，每個計算機僅計算處理一個或數個小任務，每個小任務被計算處理后，再將結果合并最后返回給用戶。云計算技術甚至可以實現每秒10萬億次的運算能力，并且可以隨時獲取，按需使用。利用這項技術，用戶可以在數秒之內處理數量高達數以千萬計甚至億計的信息，由此獲得與“超級計算機”同樣算力的網絡服務。智能導盲產品需要收集分析大量的信息，用來引導盲人出行。需要收集和處理的信息包括路面狀況、路面障礙物、行人、車輛等環境信息，斑馬線、盲道和人行道的位置、交通燈及交通標志的指示信息等交通信息，自身位置、朝向、目的地位置及前往目的地的合理路徑信息等導向信息[6]。借助云計算技術，可以滿足智能導盲產品的人工智能、人機交互等需要處理大量實時運算的要求。

定位與導航技術，當盲人在陌生環境下進行有目的的行程時，需要獲取自身的精確位置、目的地位置及行進路線等信息[7]。導盲設備實現精準定位和路徑規劃的關鍵技術主要包括：基于GPS/北斗等數據定位、定位標簽、循跡導航、3D環境模型等等。在室外環境中，最常用且經濟的定位方式是借助民用導航系統，如GPS、北斗導航系統等提供的信息，并在此基礎上補充通過圖像系統獲取的交通狀況信息，如行車道、斑馬線、建筑地標等，從而形成適用于輔助盲人出行的專用地圖。在室內環境中，由于建筑物對民用導航系統的信號具有削弱效果，民用導航系統的定位準確性大打折扣，已無法用于實時導航。對于小型室內環境，可預先建立3D環境模型，再結合室內定位手段進行導航。對于大型室內環境，如醫院、商場、劇院等，此類場景建立3D模型的成本過高，可在地面加鋪電子軌跡或密集布置電子標簽的方式實現面向盲人的室內導航。室內導航還可以采用藍牙信標、超聲波定位系統等技術，配以專業的室內地圖，還可以提供詳細的室內設施介紹。通過以上這些技術，可以實現室內、室外、公交車站導航模式的無縫切換。

5G，即第五代移動通信技術。相比于4G網絡，5G網絡有增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）三大優勢。增強移動寬帶（eMBB）主要面向移動互聯網流量的爆炸式增長，能夠為飛速增長的移動互聯網用戶群體提供更加沉浸的體驗；超高可靠低時延通信（uRLLC）主要面向工業控制、實時互動、遠程醫療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的行業應用需求；海量機器類通信（mMTC）主要面向智慧城市、智能家居、環境監測等需要部署大量傳感器并采集海量數據的應用需求[8]。對于導盲產品而言，需要大帶寬的傳輸能力來支持云計算技術大量的數據傳輸，超高可靠低時延來支持實時通信引導，輔助盲人及時對環境變化做出反饋；5G通信技術剛好契合大流量、低時延的要求。

電力供應技術。現代導盲產品按照計算形式可分為離線式和在線式。離線式導盲設備需具備一定的算力，可獨立處理位置信息和環境信息并做出反饋，在線式導盲設備對本地算力的要求有所降低，但需要強大的網絡連接能力來進行數據的傳輸。無論何種形式的導盲設備，終端算力和高速網絡連接都需要足夠的電力進行支撐。在目前的實際應用中，鋰離子電池的實際容量為200mAh/g，遠距離無線充電技術傳輸功率受限且尚不成熟，光伏電池受限于體積且在室內環境下效能不佳。受制于設備電源技術，導盲產品需要在可穿戴性、功能性和易用性之間達到平衡。

近年來，智能導盲產品在市場上開始流行。智能導盲手杖可以通過傳感器技術來實現測距、測位移、識別圖像等功能；借助5G通信技術，通過手杖與無線通信網絡的連接，實現遠程信息互通互動；借助計算機技術快速處理從傳感器、麥克風和網絡等傳來的各類信息，迅速判定行進方向并給出提示。導盲頭盔、導盲耳機、智能導盲背包、智能導盲手環和智能導盲鞋等，形態各異的導盲產品在人臉識別、物體識別、定位與導航、智能語音、傳感器、雷達等各項技術的加持下，在一定程度上降低了視障人士的出行阻力，但距離讓視障人士自如出行的最終目標仍有差距。

五、 未來導盲技術展望

人機交互功能是衡量產品“友善性”的一個重要因素，在智能導盲產品中，盲人得到的反饋信息應該是實用、易理解且豐富的，同時盲人也可以選擇通過向智能導盲產品系統輸入指令來獲得更人性化的導盲服務人機交互、人機互動。一個好的智能導盲產品應該能夠快速、高效地對盲人行進進行提示，正確地接收使用者的要求，并做出響應，常見的智能交互有觸控屏、語音交互、手勢識別等。

智能導盲機器狗[9]是一種正在研究中的智能導盲產品，以現有導盲犬為仿生對象，外形具有狗的身體形態，將更易被視力障礙者所接受。其內部預置高精度室內外地圖信息，通過攝像頭陣列來識別道路、交通標識及障礙物。四足移動的方式可以輕松上下臺階、跨越淺坑等障礙，可自主決策引導盲人進行精確避障并按照用戶的指令行動。利用5G、短距離通信、高精度衛星定位和自動化控制等技術實現低延時快速響應，主動識別、主動避障、主動判斷、主動引領、立體空間安全避障。此外，智能導盲機器狗還可通過語音、音效、震動等多種方式實現主動引領、導盲及遠程人工導盲。不僅如此，智能導盲機器狗與傳統導盲犬相比，服務周期長，且內部的數據具有可移植性，即使更換智能導盲機器狗，其內部的個性化數據也可長期伴隨主人。

云端智能機器人是未來導盲產品的呈現形式之一。云端智能機器人利用立體視覺、超聲雷達、慣性導航等傳感器采集、壓縮相關數據，利用5G通信技術經機器人專用網傳輸數據到云端。云端機器人通過深度學習技術對數據進行理解、分析、處理，形成指令，再經機器人專用網絡回傳至導盲終端，通過語音或者觸覺的方式反饋給盲人。通過北斗/GPS衛星定位、場景識別、云端計算機視覺、多傳感器融合、自然語音交互、人工智能和環境地圖等技術實現擬實現室內室外導航、精準定位、自主識別、自主避障、自主規劃路線等功能。

仿生眼球的研究。日前，我國科研人員已研制出電化學仿生眼球。目前的實驗數據表明，這顆仿生眼球能夠分辨黑白顏色，響應速度比人眼快一倍，最高分辨率可達到人眼的6倍[10]。仿生眼融合人工智能技術，能夠在夜視、多維等功能上做出突破，比如在黑暗中也能看清事物。這項研究已經進入臨床試驗階段。因為要考慮到仿生器官與人體直接的融合度，所以必須經過縝密的實驗過程，才能在人體內應用。

總結綜述

從各項數字技術的發展，到高端導盲科技產品的涌現，從底層系統的全方位運用，到如何為盲人朋友們營造一個更天然友好的世界，智能導盲系統的誕生將讓我們對這個世界有更多想象。利用融合物聯網、人工智能、數字孿生等技術，打造出無障礙城市一張網。通過各種傳感設施采集外部環境信息，并經過傳輸、處理，實現自動識別路徑關鍵標志、語音交互、導航引領、一鍵求助等功能，建設無障礙智能城市，讓盲人自由出行。科技擁有著獨特的魅力，它讓很多事情從不敢想到變為現實，我們希望通過高科技可以給盲人帶來一個真正無障礙的世界，和所有的人一起有更多交融，智能導盲系統，帶給我們的就是這樣一個世界。