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      自動導航盲人眼鏡的設計與研究

      2020-02-25 21:47:56朱昱如孫云帆成雅琪李無雙
      卷宗 2020年32期
      關鍵詞:聲學盲人眼鏡

      朱昱如 梅 燁 孫云帆 成雅琪 李無雙

      (湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院,湖北 十堰 442002)

      2015年,地球上的73.3億人口中有3600萬人失明。據估計,到2021年,這個數量會上升到3850萬。如今,盲道被占有的現(xiàn)象越來越嚴重,隨著機動車的劇增,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的結合,將盲人眼鏡視線區(qū)域內的路況播報出來,精準地向盲人進行實時播報,以方便盲人繞行。該項目的研發(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可以單獨外出感受世界的機會,讓他們打開自己“心靈”的窗戶。

      1 系統(tǒng)設計

      1)設計原理。超聲波感應裝置內含三維掃描儀,掃描儀利用自然界物質的特定的光對圖像進行讀取,在掃描儀工作的時候,它會發(fā)出的強光照射在物體上,這些強光反射在光感應器上。當光感應器接收到這些信號后,將這些信號傳送到圖像轉換器,圖像轉換器再將其轉換成芯片能讀取的信號,然后通過驅動程序轉換成正確的圖像。產生圖像后將此成像轉碼后與語音播報系統(tǒng)連接在一起,有語音系統(tǒng)為其同聲播報,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。在眼鏡芯片內置GPS導航系統(tǒng),可自動為盲人定位,實時了解到盲人的動態(tài)。

      2)設計特色。(1)實時語音播報可讓盲人及時了解路況,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)產品簡單輕巧,方便攜帶。(4)利用超聲波等裝置使誤差在毫秒內,安全性能較高。(5)據統(tǒng)計大多數盲人會有嚴重的自卑感和挫敗感。在現(xiàn)有的自動導航盲人拐杖中,盲人手持拐杖對他們來說他們與常人不一樣,但是自動導航盲人眼鏡可以有效地解決這個問題,盲人戴上眼鏡看起來與常人一樣,在為盲人導航的同時也減輕了盲人的自卑感。

      2 系統(tǒng)結構

      1)超聲波模塊。本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時,前方測距電路的輸入端接單片機端口,單片機執(zhí)行編碼程序后,在端口輸出一個脈沖信號,經過三極管的放大,驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)出脈沖超聲波,并保持持續(xù)發(fā)射。單片機兩側的測距電路的輸入端分別接兩個不同的端口,接收頭采用與發(fā)射頭配對的裝置,將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺涍\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,內部的壓控振蕩器的中心頻率,電容決定其鎖定帶寬。調節(jié)電阻在發(fā)射的載頻上,則集成塊輸入信號大于規(guī)定電壓伏數,輸出端由高電平躍變?yōu)榈碗娖?,作為中斷請求信號,送至單片機處理。單片機根據超聲波往返時間計算距離。前方測距電路的輸出端接單片機端口,中斷優(yōu)先級最高,左、右測距電路的輸出通過與門的輸出接單片機端口,同時單片機的其它兩個輸出端接到單片機的輸入端,中斷源的識別由程序查詢來處理,中斷優(yōu)先級為先右后左。

      2)雙向語音播報模塊。雙向語音播報模塊通過麥克風陣列獲取用戶命令,就是將一段語音信號轉換成相對應的文本信息,系統(tǒng)主要包含特征提取、聲學模型,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所采集到的聲音信號,主控制系統(tǒng)將對采集到的信號進行濾波、分幀等預處理工作,把需要的信號從原始信號中提取出來;之后,特征提取工作將收集到的聲音轉為聲學模型提供合適的特征向量;在語音播報轉置中裝入已有的聲學模型系統(tǒng),在聲學模型系統(tǒng)中再根據聲學特性計算每一個特征向量在聲學特征上的得分;而語言模型則根據聲學系統(tǒng)收集到的語音,計算該聲音信號對應可能詞組序列的概率;最后根據已有的字典,對詞組序列進行解碼,得到最后可能的文本表示。

      3)圖像識別模塊。圖像識別模塊由攝像頭、TV攝像機、數據存儲器、圖像數據處理器組成,本模塊首先通過主控制器驅動攝像機采集各種圖像,并把圖片儲存成數據記錄在儲存器中,通過數據存儲器存儲圖像數據,圖像數據處理器對于你所看到的圖像進行圖像數據處理,再呈現(xiàn)在你的眼前。該眼鏡中一共安裝了兩個攝像頭,一個沿著水平方向轉動,一個沿著垂直方向轉動,以便能夠全面掃描到我們所看到的物品。當你戴上眼鏡后,眼鏡的主控制系統(tǒng)會把激光和紅外線發(fā)射出去,當光線觸碰到物體后,物體就會將光線折射回來,利用對于反射光線的方向以及時間的測量,就可以計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。在這款導盲眼鏡中,我們?yōu)榱嗽鰪娧坨R的實用性與自然場景的真實性,我們采用改進型的CIFAR-10自然場景庫作為測試訓練樣本。在實際的系統(tǒng)圖像訓練中,加入了桌椅、樹木、垃圾桶等生活中常見的一些東西,以便對于自然生活場景的模擬更加真實。在該系統(tǒng)的訓練過程中,由于樣本繁多,數據繁雜,隱含層需要相對較多的節(jié)點數才能展現(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,整個訓練過程持續(xù)了很長時間,最終呈現(xiàn)出來的結果與現(xiàn)實生活物品基本一樣。經過上述功能組合后的視覺系統(tǒng),可以應用到檢查、監(jiān)視(對廠區(qū)內異?,F(xiàn)象的監(jiān)視或對室內外可疑人物的監(jiān)視)、裝配、加工、分類、移動(與地圖的匹配或障礙物回避),以及對人的檢查和識別等 場合。

      4)GPS導航模塊。該系統(tǒng)利用GPS定位系統(tǒng)與手機和眼鏡相結合,在盲人行走時,通過定位系統(tǒng)與語音系統(tǒng)的相結合為盲人實時播報地理位置,同時該系統(tǒng)與手機相連,與手機綁定后盲人的家人可隨時追蹤到盲人的地理位置。我們還將系統(tǒng)設置了安全距離,在超聲波掃描到障礙物小于安全距離時,控制系統(tǒng)將圖像信息傳至聲音系統(tǒng)中的蜂鳴器會緊急告知盲人已達警示作用。

      3 結語

      自動導航盲人眼鏡意利用現(xiàn)有智能導航技術、語音播報技術、緊急提醒技術、GPS定位技術將其混合使用,在為盲人實現(xiàn)實景語音同聲播報導航,解決盲人出行難的問題。通過結合三維掃描儀、超聲波感應、語音播報以及GPS定位系統(tǒng)為盲人完成精準的實時路況播報。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)中我們也會加入幫助盲人文字識別的裝置,在沒有盲文的情況下,盲人亦可通過語音閱讀。

      該系統(tǒng)代替了昂貴的導盲犬,解決了許多盲人家庭無法承擔導盲犬的價格以及導盲犬的有限問題,讓盲人可以更好地外出活動。同時也解決了盲人因為自己與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。

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