智能眼鏡設(shè)計(jì)

吳倩倩，余正發(fā)，歐元博

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南，232001）

電子設(shè)備早已成為我們生活中不可替代的一部分，但過度使用電子設(shè)備會(huì)對(duì)我們的視力健康產(chǎn)生威脅。早在2018年，全國(guó)兒童青少年近視率就已經(jīng)達(dá)到了53.6%。其中，中學(xué)生近視率甚至達(dá)到了75%以上。但由于目前社會(huì)近視治療體制不夠健全，技術(shù)設(shè)備不夠成熟，預(yù)防保健便成了目前保護(hù)國(guó)民視力健康的唯一途徑，這就使得眼鏡市場(chǎng)成為了一片廣闊的天地[1]。而科技的發(fā)展在使眼鏡功能的到拓展的同時(shí)，也滿足了當(dāng)前廣大消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品功能多元化的需求心理。因此，智能眼鏡運(yùn)應(yīng)而生。本款智能眼鏡在已有的智能眼鏡功能的基礎(chǔ)之上，特別增加了疲勞檢測(cè)系統(tǒng)和智能語音播報(bào)系統(tǒng)，與冷冰冰的機(jī)械產(chǎn)品相比更能讓用戶感受到科技的溫度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)由疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、語音播報(bào)系統(tǒng)、語音交互系統(tǒng)、GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)、WiFi無線通信系統(tǒng)組成。其中，STM32單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制，通過與外圍電路的配合來實(shí)現(xiàn)不同的功能。VisionSeed模組、WiFi無線通信模塊、語音模塊構(gòu)成疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。MP3模塊和STM32的配合構(gòu)成語音播報(bào)系統(tǒng)。WTK6900G-24SS語音識(shí)別芯片與主控芯片的配合構(gòu)成語音交互系統(tǒng)。GPS模塊、STM32單片機(jī)構(gòu)成GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)還設(shè)有按鍵模塊解決特殊情況的緊急報(bào)警功能。通過在鏡片基板中加入微晶鹵化銀來實(shí)現(xiàn)鏡片變色功能，以適應(yīng)不同場(chǎng)景下用戶的佩戴需求，使眼鏡兼具太陽鏡的功能。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.1 疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏越來越快，這種節(jié)奏下的生活更加讓人們產(chǎn)生疲勞感。為了保證人們的工作效率，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款具有實(shí)時(shí)跟蹤用戶面部并進(jìn)行語音提醒功能的系統(tǒng)，在保障駕駛員安全駕駛、學(xué)生課堂聽講、上班族高效率工作等方面有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

該疲勞監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)、VisionSeed模組（內(nèi)含：RGB、IR雙攝像頭（OV9782）閃迪16GB存儲(chǔ)芯片、全志AXP15060芯片、USB或UART接口）、MP3語音報(bào)警模塊、WiFi無線通信主控模塊等組成。通過VisionSeed模組獲取用戶面數(shù)據(jù)后，經(jīng)過單片機(jī)的處理，如監(jiān)測(cè)要用戶發(fā)生疲勞，通過MP3語音模塊進(jìn)行報(bào)警提醒。

圖2 疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)對(duì)面部數(shù)據(jù)的采集分析，主要采用灰度投影法。通過對(duì)采集到的圖像進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算不同圖片之間的相似度，然后進(jìn)行圖像投影，最后根據(jù)閾值分割或邊緣檢測(cè)定位的方法提取人的面部特征參量。本設(shè)計(jì)根據(jù)返回的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系，通過上下關(guān)鍵點(diǎn)和左右關(guān)鍵點(diǎn)的信息提取建立眼睛大小標(biāo)準(zhǔn)值，比對(duì)測(cè)量的眼睛面積后得出 PERCLOS 值。

PERCLOS 值是卡內(nèi)基梅隆研究所經(jīng)過研究，提出的度量疲勞的物理量。其定義為單位時(shí)間內(nèi)（一般取1min或者30s） 眼睛閉合一定比例 （70%或80%） 所占的時(shí)間，滿足下式時(shí)就認(rèn)為發(fā)生了瞌睡，PERCLOS 值的計(jì)算公式為：

經(jīng)資料得出，當(dāng)疲勞閾值為0.4的時(shí)候P80標(biāo)準(zhǔn)比P70 標(biāo)準(zhǔn)更加符合用戶疲勞監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。所以，本設(shè)計(jì)采用P80標(biāo)準(zhǔn)（P80標(biāo)準(zhǔn)：瞳孔被上下眼瞼覆蓋的面積超過80%所占的時(shí)間比例）。通過對(duì)已存有的API進(jìn)行人臉識(shí)別，在完成對(duì)人臉關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后，根據(jù)不同用戶面部特征量，計(jì)算出 PERCLOS 的閾值[2]。同時(shí)，為了保證閾值的可靠性，用戶在使用過程中系統(tǒng)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過計(jì)算的疲勞閾值，則發(fā)出警報(bào)，從而達(dá)到提醒駕駛員的目的；如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未超過原定閾值，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理。

在此基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了云端監(jiān)測(cè)應(yīng)用和手機(jī)APP軟件，可將監(jiān)測(cè)的面部信息通過WiFi上傳到云端，并通過Internet將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析疲勞程度，然后在手機(jī)APP界面上為用戶制定合理的休息計(jì)劃。 同時(shí)由于當(dāng)今社會(huì)的人更加注重健康，在對(duì)該APP設(shè)計(jì)的同時(shí)，還具備通過分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，為人們的健康提出建議[3]。

1.2 語音播報(bào)模塊

經(jīng)調(diào)查，一部分人對(duì)機(jī)器播報(bào)有排斥心理，從而語音提醒達(dá)不到應(yīng)有的效果。本設(shè)計(jì)為了迎合大眾的需求，用戶使用時(shí)可以根據(jù)個(gè)人情況，自行更改提醒內(nèi)容或者提醒方式，通過運(yùn)用提前錄入的語音進(jìn)行提醒播報(bào)。語音提醒模塊系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心控制芯片進(jìn)行電路的控制，負(fù)責(zé)錄音和放音兩種設(shè)置，對(duì)于系統(tǒng)中斷命令的響應(yīng)和對(duì)外部存儲(chǔ)器RAM進(jìn)行讀寫的操作[4]。用戶再通過初始化后，將個(gè)性化語音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)到EEPROM。當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到用戶出現(xiàn)疲勞癥狀信號(hào)時(shí)響應(yīng)中斷請(qǐng)求指令，進(jìn)而調(diào)出數(shù)字信號(hào)并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出到MP3模塊，進(jìn)行播報(bào)。同時(shí)，用戶的家人可以通過下載手機(jī)APP 接收Internet傳輸至手機(jī)APP的數(shù)據(jù)，進(jìn)而排除了家人對(duì)用戶的擔(dān)憂[5]。

1.3 語音交互系統(tǒng)

語音識(shí)別模塊主要使用WTK6900G-24SS語音識(shí)別芯片。該芯片具有的可靠性高、通用性強(qiáng)、喚醒識(shí)別率高、可喚醒的距離長(zhǎng)、誤喚醒率低、語音控制指令條數(shù)豐富、抗噪音能力強(qiáng)、響應(yīng)識(shí)別時(shí)間短，可純離線識(shí)別等特點(diǎn)，使語音交互系統(tǒng)的運(yùn)用更加滿足用戶的日常需求。基于這些優(yōu)點(diǎn)，該芯片在眼鏡上的應(yīng)用能提高用戶的體驗(yàn)感。語音芯片識(shí)別后數(shù)字信號(hào)借助交互平臺(tái)輸入語音系統(tǒng)，經(jīng)過STM32的控制后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)后通過揚(yáng)聲器進(jìn)行語音播報(bào)。

圖3 語音提醒系統(tǒng)框圖

1.4 智能GPS導(dǎo)航播報(bào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由GPS模塊、STM32單片機(jī)、語音模塊組成。GPS模塊使用AT6558R定位芯片，該芯片能夠同時(shí)支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的BDS，美國(guó)的GPS，俄羅斯的GLONASS，并實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合定位。GPS通過串口與STM32進(jìn)行通信，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)播報(bào)導(dǎo)航信息的功能。根據(jù)GPS 定位信息的采集能得到用戶到目的地的預(yù)估時(shí)間和最佳路線。同時(shí)，用戶在使用這部分功能之前，需要自行下載地圖軟件。GPS 模塊與電子地圖的配合進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶導(dǎo)航的功能[6]。GPS 定位裝置設(shè)置在眼鏡架腿中，可以提高眼鏡整體的美觀度。

圖4 GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)框圖

圖5 按鍵連接原理圖

1.5 緊急報(bào)警模塊

通過在眼鏡架上設(shè)計(jì)一個(gè)小型緊急按鈕當(dāng)用戶遇到緊急情況時(shí)，可通過特定語音指令或者緊急按鈕在發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.6 鏡片變色功能

為了滿足用戶在不同場(chǎng)合下的要求，對(duì)智能眼鏡的鏡片進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過在鏡片基板中加入微晶鹵化銀來實(shí)現(xiàn)眼鏡能夠根據(jù)紫外線的強(qiáng)度變色[7]。在光照強(qiáng)度大的情況下，鏡片內(nèi)部的鹵化銀分解，生成的黑色的銀顆粒均勻分散在鏡片上，使得鏡片變暗，從而達(dá)到太陽鏡的使用感；當(dāng)光照強(qiáng)度變?nèi)醯臅r(shí)候，鏡片內(nèi)部反應(yīng)逆轉(zhuǎn)，又恢復(fù)原來的顏色狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)使傳統(tǒng)眼鏡兼具太陽鏡的功能。

圖6 緊急報(bào)警系統(tǒng)流程圖

2 結(jié)束語

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，加速了人們的用眼需求。各個(gè)年齡階段的人都對(duì)眼鏡有所依賴，這給眼鏡行業(yè)帶來了很大的創(chuàng)新空間，不同于傳統(tǒng)的眼鏡，由于現(xiàn)如今的人們對(duì)高質(zhì)量生活的追求，眼鏡也應(yīng)該隨著科技的進(jìn)步而有所改進(jìn)。為了迎合人們的需要，本設(shè)計(jì)中的智能眼鏡具有疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、智能語音識(shí)別系統(tǒng)、語音播報(bào)系統(tǒng)等系統(tǒng)構(gòu)成，同時(shí)還能夠適應(yīng)不同環(huán)境下的變色，從而增加用戶的體驗(yàn)感和舒適感。

目前，中國(guó)智能眼鏡行業(yè)的發(fā)展相對(duì)緩慢。市場(chǎng)上的眼鏡仍然以功能單一的傳統(tǒng)眼鏡為主，智能眼鏡的普及率還很低。就眼鏡的設(shè)計(jì)而言，智能眼鏡的設(shè)計(jì)既要滿足用戶的日常需求，還需要滿足用戶的佩戴舒適感。所以，智能眼鏡的售價(jià)普遍高于傳統(tǒng)的眼鏡，行業(yè)整體處于發(fā)展初期狀態(tài)，尚未在市場(chǎng)得到大量應(yīng)用。但是伴隨著科技的不斷進(jìn)步，智慧化產(chǎn)品市場(chǎng)化的同時(shí)，眼鏡行業(yè)的發(fā)展會(huì)越來越好！讓人們?cè)诳旃?jié)奏的生活壓力下，在科技的便利下，生活的質(zhì)量越來越高！