面向視殘障人士的導(dǎo)航定位終端的研究與設(shè)計

樊文鋒，鄭洪友，王 懷

(1.國家測繪局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，北京100830;2.北京仕邦工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京100076)

面向視殘障人士的導(dǎo)航定位終端的研究與設(shè)計

樊文鋒1，鄭洪友2，王 懷1

(1.國家測繪局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，北京100830;2.北京仕邦工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京100076)

在對國內(nèi)外面向視殘障人士的無障礙導(dǎo)航服務(wù)產(chǎn)品現(xiàn)狀和視殘障人士出行方式進行調(diào)查、分析和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合全球定位系統(tǒng)技術(shù)和語音合成技術(shù)，借助商用移動終端硬件平臺設(shè)計并開發(fā)了自主產(chǎn)權(quán)的ZmapMobile嵌入式GIS引擎和供視殘障人士使用的導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)，并通過示范應(yīng)用進行了改進和完善。示范應(yīng)用表明，該研究與設(shè)計能夠滿足視殘障人士自助出行時對準(zhǔn)確定位和了解公共交通信息的需求。

視殘障自助出行;GPS;嵌入式GIS

一、引 言

嵌入式GIS(或稱“移動GIS”)，是新一代地理信息系統(tǒng)發(fā)展的代表方向之一，它是運行在嵌入式計算機系統(tǒng)上的GIS軟件系統(tǒng)。嵌入式GIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、精煉，它把圖形數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、符號庫、線型庫整合到一個文件中，進行一體化管理，文件緊湊、邏輯結(jié)構(gòu)清晰，適合在資源緊缺的嵌入式設(shè)備上使用［2］。個人汽車導(dǎo)航和PDA(或手機)定位服務(wù)(LBS)的發(fā)展更是使嵌入式GIS深入到人們的日常生活中。

本文根據(jù)面向視殘障人士自助出行的特點和需求，研究開發(fā)了快速路徑計算和準(zhǔn)確查詢道路周邊地物、公交車站、人行橫道等常用POI信息的嵌入式導(dǎo)航GIS算法。選用輕便、經(jīng)濟的移動計算機終端平臺進行設(shè)計和開發(fā)，集成為適合于視殘障人士使用的便攜導(dǎo)航定位終端，并通過示范應(yīng)用證實了這一研究與設(shè)計的實用性。

二、調(diào)查分析

1.國內(nèi)外面向視殘障人士的導(dǎo)航信息

無障礙產(chǎn)品研究和開發(fā)現(xiàn)狀

同濟大學(xué)等單位開發(fā)出專供視殘障人士使用的計算機，并設(shè)計了10多種配套軟件，讓視力障礙者使用計算機進行書寫、上網(wǎng)。清華大學(xué)也已研發(fā)了清華點顯器，如A4紙大小，可通過一根USB電纜與電腦連接，價格較低，比較適合國內(nèi)盲人使用。2007年博朗盲人聽書機問世，它基于安徽科大訊飛語音技術(shù)，實現(xiàn)了盲人用“耳”讀書。香港盲人輔導(dǎo)會與權(quán)智(國際)有限公司共同研發(fā)了“iReader電子眼”，使用時只要將電子眼接駁到數(shù)碼相機，再利用相機拍下照片，文字便會轉(zhuǎn)化成聲音，讓視障人士輕松閱讀。電子眼已經(jīng)在香港盲人輔導(dǎo)會“訊息無障礙中心”供會員免費使用，尚未推向市場。另外，中日兩國科學(xué)家經(jīng)過多年研制，利用捷爾達GLD特殊編碼(又稱“盲文圖形碼”)技術(shù)開發(fā)出高新技術(shù)產(chǎn)品GLD-1型捷爾達盲人自動信息提示語音筆。

在德國，一種盲用定位信息系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，它可以通過聲音來幫助盲人定位，減少過馬路的危險性。該系統(tǒng)由手持控制器和無線電基站組成，無線電基站可以放置在交通信號燈、建筑物上以及任何需要指導(dǎo)盲人出行的位置。此外，德國科學(xué)家新近開發(fā)出內(nèi)置微型電腦的高清晰照相機，它可以把拍攝到的訊息讀給盲人聽，相機可通過最小的運動產(chǎn)生多幅圖像，再利用電腦軟件把不同的圖像拼成一個完整畫面。盲人戴上裝有這種照相機的特殊眼鏡，看到的文字訊息可以被轉(zhuǎn)化為特定的語音訊息。目前，這項技術(shù)仍在試驗之中。

美國研制出一種背負式GPS接收器，它與微型光盤只讀存儲器(形狀如迷你激光唱機)相連，就成了為盲人服務(wù)的“會說話的地圖”。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 使用SPSS 18.0 統(tǒng)計學(xué)軟件分析數(shù)據(jù)，計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用t/F檢驗，計數(shù)資料以百分率(%)表示，采用χ2檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

英國諾丁漢大學(xué)的PAL系統(tǒng)由 PIII便攜式PC、GPS接收器、RDS廣播數(shù)據(jù)接收器和電子羅盤組成，綜合GPS、RDS和羅盤的數(shù)據(jù)，通過語音指示盲人行進。目前該產(chǎn)品試驗效果較好，但產(chǎn)品體積較大、終端價格比較昂貴，難于推廣。

芬蘭技術(shù)研究中心(VTT)的Noppa系統(tǒng)將手機、互聯(lián)網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)以及語音技術(shù)整合在一起，形成一套完整的系統(tǒng)。盲人能根據(jù)手機的語音提示，自如地在街上行走，并安全地使用公交系統(tǒng)。與PAL系統(tǒng)相比，Noppa增加了語音交互功能和互聯(lián)網(wǎng)功能，使得系統(tǒng)功能大大加強，但產(chǎn)品更加昂貴，終端成本高達數(shù)千美元。

調(diào)查表明，面向視殘障人士的無障礙導(dǎo)航產(chǎn)品和服務(wù)大多采用GPS、GSM、雷達探測等專業(yè)技術(shù)，操作比較復(fù)雜，需要一定的專業(yè)知識，對視殘障人士的文化程度和出行方式考慮不多，價格昂貴，實用性有待改進。

2.視殘障人士出行方式調(diào)查

為提高視殘障人士導(dǎo)航定位終端設(shè)計、開發(fā)的針對性和實用性，筆者所在課題組選擇北京市殘疾人活動中心、西城區(qū)社區(qū)中心和城市主要街道先后開展三次問卷調(diào)查。從盲人朋友出行習(xí)慣、出行方式、出行輔助設(shè)備功能、導(dǎo)航信息服務(wù)認知、無障礙輔助手段需求，到殘障人士對GPS的了解程度，對GPS的需求程度，再到視殘障人士外出次數(shù)與引領(lǐng)方式、對盲道的利用情況、經(jīng)常去的地方、最常采用的交通方式，以及對產(chǎn)品形狀、體積的要求及期望的充電供電方式、攜帶方式、操作形式、是否采用語音播報、是否需要耳機、產(chǎn)品開關(guān)方式等多個角度進行了認真調(diào)查、統(tǒng)計和分析。

調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析顯示：在眾多影響盲人生活的事物中，出行問題是最大的問題。視殘障人士的出行在路線選擇、交通工具選擇上有很大的困難，甚至在沒有別人幫助的情況下很難到達一個陌生的、沒有去過的目的地。調(diào)查者中，出行購物的人只有3%，并且要在有人陪同的情況下。有超過85%的盲人很少使用盲道，普遍反映盲道不好用，因為電話亭、電線桿、報刊亭、行人、車輛占用盲道是普遍存在的問題。有37.2%的被調(diào)查者可借助盲杖串門散步，一般只局限在半徑300 m以內(nèi)。究其根本原因是盲人無法判斷當(dāng)前處在什么地方。由此看出，定位查詢和能夠隨時知道自己所處的位置是視力殘疾者走出家門、接受教育和實現(xiàn)就業(yè)、融入社會生活的基本前提。在具體出行的時候，盲人不能完全依賴定位設(shè)備，仍舊需要借助盲杖等工具。能夠準(zhǔn)確告知當(dāng)前位置、周圍事物、如何換乘公交車，以及提供必要的報警求助功能，這都是盲人導(dǎo)航上的實用需求。

三、導(dǎo)航定位終端的設(shè)計與開發(fā)

1.功能設(shè)計

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，綜合分析殘障人的出行模式和實際需求，同時為滿足未來不同消費群體的需要，對視殘障人士用手持定位終端系統(tǒng)在功能上進行了產(chǎn)品系列化設(shè)計(如表1所示)。

表1 手持定位終端產(chǎn)品功能設(shè)計

2.導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下(如圖1所示)：

開發(fā)中選擇多普達P800作為終端硬件開發(fā)平臺，軟件選擇微軟dotNet平臺和Microsoft eMbedded Visual C++4.0和PocketPC 2003 SDK。針對嵌入式設(shè)備的特點，本研究結(jié)合GIS應(yīng)用程序的需求將GIS平臺重新設(shè)計，開發(fā)并形成了自主嵌入式GIS引擎ZmapMobile。

圖1 導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

ZmapMobile的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為移動式(嵌入式)設(shè)備量身定做，結(jié)構(gòu)緊湊、精煉，更適合在資源緊缺的移動式(嵌入式)設(shè)備上使用。其組件文件結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 ZmapMobile引擎的文件結(jié)構(gòu)

表2中，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的分開存儲使邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰，有助于優(yōu)化空間數(shù)據(jù)索引，提高查詢和空間計算效率。風(fēng)格文件的單獨存儲，則可以方便、靈活地實現(xiàn)風(fēng)格改變。

導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)功能模塊設(shè)計為以下幾個部分：

1)POI信息查詢與路徑計算模塊;

2)GPS信號接收及數(shù)據(jù)解析，包括GPS串口的讀取和GPS NEMA0183語句的解析;

3)語音引導(dǎo)模塊，包括文本讀取、語音合成、TTS的實現(xiàn)等;

4)GSM短信功能的實現(xiàn);

5)緊急求助模塊;

6)系統(tǒng)設(shè)置維護模塊，解決由于操作不慎改變了系統(tǒng)設(shè)置，或終端不能正常工作時，通過“一鍵恢復(fù)”恢復(fù)至系統(tǒng)初始設(shè)置。

四、示范應(yīng)用

按手持定位終端原理開發(fā)的樣機在集成測試工作完成后，課題組先后請專業(yè)人士、殘奧會盲人門球隊員以及參與問卷調(diào)查的部分盲人朋友試用樣機，通過試用對定位功能和語音功能進行完善。試用人員反映，手持定位終端的定位和公交查詢功能很實用，功能菜單采用語音播報這種無障礙設(shè)計方法可以有效解決無視力或低視力情況下終端功能的選擇和使用。報警求助的功能是必須的，遇險時及時、準(zhǔn)確地告知自己的親人，借助通話和定位功能得到幫助和導(dǎo)引，擺脫險境，使得盲人朋友出行時更加放心和自信。希望通話功能和收音機功能作為基本配置功能在終端上提供，另外由于嘈雜的外界環(huán)境干擾，使用中終端語音播報的音量要再大一些。

五、結(jié)束語

面向視殘障人士導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)的研究與設(shè)計以無障礙化服務(wù)理念為指導(dǎo)，采用調(diào)查、研究、創(chuàng)新、集成與示范應(yīng)用相結(jié)合的方法，研究開發(fā)了移動終端平臺上的嵌入式GIS搜索引擎，設(shè)計并開發(fā)集成了面向視殘障人士使用的導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)，通過示范應(yīng)用對導(dǎo)航定位終端進行了改進和完善，并驗證了這一研究和設(shè)計成果，能夠幫助視殘障人士解決出行中隨時知道所在位置和公共交通路線選擇這兩個關(guān)鍵問題，是出行和生活上的好幫手。另外，通過本研究，對視殘障人士出行中的關(guān)鍵問題、出行方式選擇、自助出行信息化服務(wù)中的技術(shù)難點等在廣度和深度上都有了更為深刻的認識，為今后視殘障導(dǎo)航定位終端的實用化完善和推廣奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［2］ 戚正偉.嵌入式GIS開發(fā)及應(yīng)用(21世紀(jì)高等學(xué)校嵌入式系統(tǒng)專業(yè)規(guī)劃教材)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Navigation and Positioning Terminals for Visual Disabilities：Research and Design

FAN Wenfeng，ZHENG Hongyou，WANG Huai

0494-0911(2010)11-0038-03

TP273

B

2010-09-14

樊文鋒(1970—)，男，河北棗強人，碩士，工程師，主要研究方向為航空與航天攝影測量、遙感、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)等。