朱昱如 梅 燁 孫云帆 成雅琪 李無雙

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)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(jù)估計(jì)，到2021年，這個(gè)數(shù)量會(huì)上升到3850萬。如今，盲道被占有的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，隨著機(jī)動(dòng)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(bào)的結(jié)合，將盲人眼鏡視線區(qū)域內(nèi)的路況播報(bào)出來，精準(zhǔn)地向盲人進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)，以方便盲人繞行。該項(xiàng)目的研發(fā)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(gè)可以單獨(dú)外出感受世界的機(jī)會(huì)，讓他們打開自己“心靈”的窗戶。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)原理。超聲波感應(yīng)裝置內(nèi)含三維掃描儀，掃描儀利用自然界物質(zhì)的特定的光對(duì)圖像進(jìn)行讀取，在掃描儀工作的時(shí)候，它會(huì)發(fā)出的強(qiáng)光照射在物體上，這些強(qiáng)光反射在光感應(yīng)器上。當(dāng)光感應(yīng)器接收到這些信號(hào)后，將這些信號(hào)傳送到圖像轉(zhuǎn)換器，圖像轉(zhuǎn)換器再將其轉(zhuǎn)換成芯片能讀取的信號(hào)，然后通過驅(qū)動(dòng)程序轉(zhuǎn)換成正確的圖像。產(chǎn)生圖像后將此成像轉(zhuǎn)碼后與語音播報(bào)系統(tǒng)連接在一起，有語音系統(tǒng)為其同聲播報(bào)，在遇到緊急情況，掃描儀發(fā)出超聲波，將其反饋給蜂鳴器，使其發(fā)出緊急提醒。在眼鏡芯片內(nèi)置GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，可自動(dòng)為盲人定位，實(shí)時(shí)了解到盲人的動(dòng)態(tài)。

2）設(shè)計(jì)特色。（1）實(shí)時(shí)語音播報(bào)可讓盲人及時(shí)了解路況，有效避開障礙物。（2）定位系統(tǒng)可掌握盲人的位置，以便家人尋找。（3）產(chǎn)品簡(jiǎn)單輕巧，方便攜帶。（4）利用超聲波等裝置使誤差在毫秒內(nèi)，安全性能較高。（5）據(jù)統(tǒng)計(jì)大多數(shù)盲人會(huì)有嚴(yán)重的自卑感和挫敗感。在現(xiàn)有的自動(dòng)導(dǎo)航盲人拐杖中，盲人手持拐杖對(duì)他們來說他們與常人不一樣，但是自動(dòng)導(dǎo)航盲人眼鏡可以有效地解決這個(gè)問題，盲人戴上眼鏡看起來與常人一樣，在為盲人導(dǎo)航的同時(shí)也減輕了盲人的自卑感。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）超聲波模塊。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī)端口，單片機(jī)執(zhí)行編碼程序后，在端口輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管的放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)出脈沖超聲波，并保持持續(xù)發(fā)射。單片機(jī)兩側(cè)的測(cè)距電路的輸入端分別接兩個(gè)不同的端口，接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的裝置，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器兩極放大后加至帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率，電容決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)電阻在發(fā)射的載頻上，則集成塊輸入信號(hào)大于規(guī)定電壓伏數(shù)，輸出端由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。單片機(jī)根據(jù)超聲波往返時(shí)間計(jì)算距離。前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī)端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過與門的輸出接單片機(jī)端口，同時(shí)單片機(jī)的其它兩個(gè)輸出端接到單片機(jī)的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。

2）雙向語音播報(bào)模塊。雙向語音播報(bào)模塊通過麥克風(fēng)陣列獲取用戶命令，就是將一段語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的文本信息，系統(tǒng)主要包含特征提取、聲學(xué)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(duì)所采集到的聲音信號(hào)，主控制系統(tǒng)將對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、分幀等預(yù)處理工作，把需要的信號(hào)從原始信號(hào)中提取出來；之后，特征提取工作將收集到的聲音轉(zhuǎn)為聲學(xué)模型提供合適的特征向量；在語音播報(bào)轉(zhuǎn)置中裝入已有的聲學(xué)模型系統(tǒng)，在聲學(xué)模型系統(tǒng)中再根據(jù)聲學(xué)特性計(jì)算每一個(gè)特征向量在聲學(xué)特征上的得分；而語言模型則根據(jù)聲學(xué)系統(tǒng)收集到的語音，計(jì)算該聲音信號(hào)對(duì)應(yīng)可能詞組序列的概率；最后根據(jù)已有的字典，對(duì)詞組序列進(jìn)行解碼，得到最后可能的文本表示。

3）圖像識(shí)別模塊。圖像識(shí)別模塊由攝像頭、TV攝像機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、圖像數(shù)據(jù)處理器組成，本模塊首先通過主控制器驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)采集各種圖像，并把圖片儲(chǔ)存成數(shù)據(jù)記錄在儲(chǔ)存器中，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)處理器對(duì)于你所看到的圖像進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，再呈現(xiàn)在你的眼前。該眼鏡中一共安裝了兩個(gè)攝像頭，一個(gè)沿著水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)沿著垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以便能夠全面掃描到我們所看到的物品。當(dāng)你戴上眼鏡后，眼鏡的主控制系統(tǒng)會(huì)把激光和紅外線發(fā)射出去，當(dāng)光線觸碰到物體后，物體就會(huì)將光線折射回來，利用對(duì)于反射光線的方向以及時(shí)間的測(cè)量，就可以計(jì)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(dǎo)盲眼鏡中，我們?yōu)榱嗽鰪?qiáng)眼鏡的實(shí)用性與自然場(chǎng)景的真實(shí)性，我們采用改進(jìn)型的CIFAR-10自然場(chǎng)景庫(kù)作為測(cè)試訓(xùn)練樣本。在實(shí)際的系統(tǒng)圖像訓(xùn)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(duì)于自然生活場(chǎng)景的模擬更加真實(shí)。在該系統(tǒng)的訓(xùn)練過程中，由于樣本繁多，數(shù)據(jù)繁雜，隱含層需要相對(duì)較多的節(jié)點(diǎn)數(shù)才能展現(xiàn)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(gè)訓(xùn)練過程持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，最終呈現(xiàn)出來的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)生活物品基本一樣。經(jīng)過上述功能組合后的視覺系統(tǒng)，可以應(yīng)用到檢查、監(jiān)視（對(duì)廠區(qū)內(nèi)異常現(xiàn)象的監(jiān)視或?qū)κ覂?nèi)外可疑人物的監(jiān)視）、裝配、加工、分類、移動(dòng)（與地圖的匹配或障礙物回避），以及對(duì)人的檢查和識(shí)別等 場(chǎng)合。

4）GPS導(dǎo)航模塊。該系統(tǒng)利用GPS定位系統(tǒng)與手機(jī)和眼鏡相結(jié)合，在盲人行走時(shí)，通過定位系統(tǒng)與語音系統(tǒng)的相結(jié)合為盲人實(shí)時(shí)播報(bào)地理位置，同時(shí)該系統(tǒng)與手機(jī)相連，與手機(jī)綁定后盲人的家人可隨時(shí)追蹤到盲人的地理位置。我們還將系統(tǒng)設(shè)置了安全距離，在超聲波掃描到障礙物小于安全距離時(shí)，控制系統(tǒng)將圖像信息傳至聲音系統(tǒng)中的蜂鳴器會(huì)緊急告知盲人已達(dá)警示作用。

3 結(jié)語

自動(dòng)導(dǎo)航盲人眼鏡意利用現(xiàn)有智能導(dǎo)航技術(shù)、語音播報(bào)技術(shù)、緊急提醒技術(shù)、GPS定位技術(shù)將其混合使用，在為盲人實(shí)現(xiàn)實(shí)景語音同聲播報(bào)導(dǎo)航，解決盲人出行難的問題。通過結(jié)合三維掃描儀、超聲波感應(yīng)、語音播報(bào)以及GPS定位系統(tǒng)為盲人完成精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)路況播報(bào)。其中，在系統(tǒng)中我們也將裝置緊急提醒裝置，在突發(fā)情況下，緊急提醒盲人有效避開障礙物，在系統(tǒng)中我們也會(huì)加入幫助盲人文字識(shí)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(tǒng)代替了昂貴的導(dǎo)盲犬，解決了許多盲人家庭無法承擔(dān)導(dǎo)盲犬的價(jià)格以及導(dǎo)盲犬的有限問題，讓盲人可以更好地外出活動(dòng)。同時(shí)也解決了盲人因?yàn)樽约号c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。