郭小磊 辛平 陳廣大 程明 韓志偉

摘 要：針對(duì)盲人因視覺(jué)的缺失而導(dǎo)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(wù)的導(dǎo)盲助手方案。采用STM32F407系列開發(fā)板與樹莓派為控制核心，運(yùn)用圖像處理與語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)為盲人的生活提供包括道路障礙檢測(cè)、環(huán)境語(yǔ)音提醒、熟人識(shí)別、文字識(shí)別、語(yǔ)音位置分享、危險(xiǎn)狀態(tài)檢測(cè)與報(bào)警、人機(jī)交互等多種功能。系統(tǒng)功能全面，使用方便，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：穿戴式;圖像處理;語(yǔ)音交互;功能全面

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)現(xiàn)有超過(guò)1400萬(wàn)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(zhì)量，設(shè)計(jì)研究出了基于圖像處理的智能穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備。用戶可以通過(guò)語(yǔ)音的方式向系統(tǒng)下達(dá)指令，獲得自己想要知道的相關(guān)信息，并且可以讓攝像頭成為自己的眼睛，進(jìn)行人臉識(shí)別與文字識(shí)別，以提升自主生活能力。整個(gè)系統(tǒng)功能全面，操作簡(jiǎn)單，性價(jià)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(dǎo)盲系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由可放置于腰部的設(shè)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(yǔ)音提示模塊、電機(jī)振動(dòng)提示模塊、GPS/GMS?？?、MPU6050危險(xiǎn)狀態(tài)檢測(cè)模塊。系統(tǒng)通過(guò)攝像頭對(duì)盲人前方的道路進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，立即通過(guò)語(yǔ)音提示模塊與振動(dòng)電機(jī)模塊對(duì)盲人進(jìn)行提醒，伴隨著盲人和障礙物距離的拉近，振動(dòng)電機(jī)會(huì)通過(guò)逐漸加快振動(dòng)頻率的方式向盲人進(jìn)行反饋。當(dāng)盲人前方出現(xiàn)其熟人時(shí)，開發(fā)板通過(guò)肩部攝像頭采集的信息進(jìn)行識(shí)別，再由語(yǔ)音模塊向盲人播報(bào)人員信息。當(dāng)盲人想要觀看前方的文字內(nèi)容時(shí)，系統(tǒng)即可通過(guò)攝像頭對(duì)前方文字進(jìn)行識(shí)別，語(yǔ)音告知盲人文字信息，并且當(dāng)盲人行走過(guò)程中出現(xiàn)危險(xiǎn)倒地不起時(shí)，MPU6050檢測(cè)后觸發(fā)危險(xiǎn)狀態(tài)報(bào)警模塊，由GSM通信模塊將此狀況和盲人的位置信息發(fā)送到其親人的手機(jī)上，為對(duì)盲人的快速救援提供幫助。

二、導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F4系列開發(fā)板與樹莓派為控制核心，使用OpenCV庫(kù)。主控制器負(fù)責(zé)處理攝像頭所捕獲的圖像信息，音頻輸入的語(yǔ)音數(shù)據(jù)處理以及處理服務(wù)器的信息等。這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人臉識(shí)別、文字識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)義分析與交互應(yīng)答的核心。

（二）圖像采集模塊設(shè)計(jì)

圖像采集傳感器采用CMOS攝像頭，使用標(biāo)準(zhǔn)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(xì)節(jié)較為清楚，但是對(duì)主控制器處理的壓力增大，將導(dǎo)致主控制器處理緩慢，產(chǎn)生延時(shí)，占用內(nèi)存過(guò)多等問(wèn)題，因此系統(tǒng)選用200W像素?cái)z像頭作為圖像采集傳感器。

（三）語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用VS1053模塊為語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集模塊，是系統(tǒng)指令識(shí)別與語(yǔ)音應(yīng)答的基礎(chǔ)，該模塊自帶有聲音拾取器，將聲音信號(hào)初步處理后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。因系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)言指令識(shí)別有較高的要求，故模塊直接將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，由主控制器解析處理，并產(chǎn)生應(yīng)答。

（四）基于級(jí)聯(lián)分類器的人臉識(shí)別

本系統(tǒng)主要應(yīng)用級(jí)聯(lián)分類器進(jìn)行人臉的識(shí)別。Haar特征使用檢測(cè)窗口中指定位置的相鄰矩形，計(jì)算每一個(gè)矩形的像素和并取其差值。然后用這些差值來(lái)對(duì)圖像的子區(qū)域進(jìn)行分類。在檢測(cè)窗口中可以放大或平移得到一系列子特征，他們的白黑區(qū)域面積比始終保持不變。

在本穿戴式智能導(dǎo)盲系統(tǒng)進(jìn)行人臉識(shí)別時(shí)，先計(jì)算識(shí)別對(duì)象的第一個(gè)Haar特征的特征值，與第一個(gè)分類器閾值對(duì)比，當(dāng)Haar特征的特征值小于該閾值時(shí)，進(jìn)入下個(gè)比較步驟;當(dāng)Haar特征的特征值大于該閾值時(shí)，該弱分類器輸出右值并結(jié)束。然后計(jì)算第二個(gè)Haar特征值，與第二個(gè)弱分類器閾值對(duì)比，步驟同上。把多個(gè)這樣的分類器并聯(lián)，即將輸出結(jié)果值相加，即可得到一個(gè)強(qiáng)分類器的輸出結(jié)果，該結(jié)果與設(shè)定閾值做對(duì)比，當(dāng)結(jié)果大于該閾值時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前檢查窗口通過(guò)了該強(qiáng)分類器，即認(rèn)為是盲人的朋友。

三、結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由可放置于腰部的設(shè)備主體和位于肩部與手腕部的傳感器組成。已完成系統(tǒng)樣機(jī)，經(jīng)測(cè)試可實(shí)現(xiàn)的功能有道路障礙檢測(cè)、環(huán)境語(yǔ)音提醒、熟人識(shí)別、文字識(shí)別、語(yǔ)音位置分享、危險(xiǎn)狀態(tài)檢測(cè)與報(bào)警、人機(jī)交互等多種功能，性能穩(wěn)定，識(shí)別率高，能夠幫助盲人應(yīng)對(duì)生活中遇到的多種困難，在保證其安全的同時(shí)，提高其自主生活能力，減輕家庭負(fù)擔(dān)。

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