基于Google Project Tango的盲人障礙檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/胡浩明 奚王雨牧 李亞南 史哲凡 齊楚涵

1 引言

1.1 研究背景

視力的損失給盲人或者視力缺陷者的日常生活帶來了極大的不方便與煩惱。根據(jù)世界健康組織2017的報(bào)告顯示，世界上視力有缺陷者的數(shù)量約為2.53億人。其中3600萬人受到失明的困擾與折磨?；谌缟系那闆r，解決盲人出行的導(dǎo)航相關(guān)問題顯得意義重大。

調(diào)研顯示，盲人白手杖，導(dǎo)盲犬以及人類照顧者是解決盲人出行問題的三大傳統(tǒng)途徑。然而，這三大傳統(tǒng)途徑都有自身不可避免的缺陷。盲人白手杖，需要使用者之前花費(fèi)大量的時(shí)間和精力適應(yīng)，才能較好使用。并且，白手杖的缺陷在于使用者探測(cè)距離有限，超過1-2m距離的障礙物使用者并不能識(shí)別到。盡管導(dǎo)航犬對(duì)于盲人來說非常合適，但一條合格的導(dǎo)盲犬需要密集的培訓(xùn)和專業(yè)的指導(dǎo)，費(fèi)用大致在12000-20000美金之間，價(jià)格非常昂貴。且一條導(dǎo)航犬的有效使用期短暫，只有五年左右，期間需要細(xì)致的照顧。讓一個(gè)中老年的盲人在日常生活中仔細(xì)照顧另一個(gè)生命是件非常困難的事情。這就是為什么導(dǎo)航犬在盲人中并不普遍的原因。人類照顧者不能夠時(shí)刻陪伴在盲人左右，且大量盲人是獨(dú)居的。因此，對(duì)于大量盲人來說，單獨(dú)出行仍然存在很多困難，關(guān)鍵在于缺乏一個(gè)簡(jiǎn)單好用，價(jià)格低廉的盲人導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖1：基于Tango技術(shù)的Measure軟件測(cè)量準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)-以iphone 8P手機(jī)為例

1.2 研究目的與方法

利用Google公司研發(fā)的Project Tango平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)盲人便于使用，準(zhǔn)確度，可靠性高，價(jià)格相對(duì)低廉的盲人障礙物系統(tǒng)，使得盲人的出行問題得以改善。根據(jù)調(diào)查顯示，盲人出行最大的困擾是無法及時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別盲人前進(jìn)路徑中的障礙物，從而經(jīng)常受到物理傷害。因而導(dǎo)航系統(tǒng)中障礙物檢測(cè)是關(guān)鍵功能。系統(tǒng)基于Project Tango平臺(tái)，利用深度感知技術(shù)，對(duì)深度感知傳感器接收到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，辨別出范圍內(nèi)的障礙物，在確定障礙物距離設(shè)備使用者的位置后，給出語音提示，從而讓盲人避免受到行進(jìn)路上的障礙物傷害。

2 相關(guān)工作

2.1 模型介紹

圖2：基于Tango技術(shù)的Measure軟件測(cè)量有效距離實(shí)驗(yàn)——以門為例

采用最近Google公司開發(fā)的project Tango為開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)依托于移動(dòng)設(shè)備，如移動(dòng)手機(jī)，平板，裝備功能強(qiáng)大的NVIDAIA Tegra K1 with 192 CUDA cores處理器，包含了運(yùn)動(dòng)追蹤攝像頭，三維深度感知器，環(huán)境光感知器，GPS等部件，以強(qiáng)大的硬件配置為依托，使得移動(dòng)設(shè)備具備追蹤使用者運(yùn)動(dòng)軌跡，學(xué)習(xí)記憶曾經(jīng)掃描過的三維周圍環(huán)境，通過點(diǎn)云技術(shù)測(cè)量實(shí)時(shí)物體之間的真實(shí)三維距離等。本系統(tǒng)以Project Tango平臺(tái)下的深度感知技術(shù)為核心，通過編寫程序調(diào)用移動(dòng)設(shè)備上的深度感知攝像頭和點(diǎn)云傳感器，接收外界的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，編寫算法進(jìn)行處理，辨認(rèn)出障礙物以及障礙物距離使用者的位置，并由此給出相關(guān)的語音提示，從而讓持有該設(shè)備的視力缺陷者可以及時(shí)避免路徑上的障礙物，達(dá)到便于盲人出行的效果。

表1：Measure測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，真實(shí)長(zhǎng)度用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺測(cè)量，大約有2-3mm誤差

圖3：點(diǎn)云技術(shù)示例展示

圖4：障礙物檢測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用測(cè)試軟件已經(jīng)在Tango商店里上架。其中一個(gè)利用深度感知技術(shù)，主要用于測(cè)量現(xiàn)實(shí)物體的距離，名為Measure的應(yīng)用軟件，啟發(fā)了開發(fā)團(tuán)隊(duì)，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)出盲人障礙物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為了檢測(cè)盲人障礙物檢測(cè)系統(tǒng)獲取三維空間距離以及深度感知數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，即評(píng)價(jià)盲人障礙物檢測(cè)系統(tǒng)獲取處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們做了如下驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)。

圖1顯示用該應(yīng)用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)大小的iphone8plus的長(zhǎng)度時(shí)的情景，圖1里認(rèn)為是15.00cm，多次測(cè)量，取不同物體，與物體實(shí)際長(zhǎng)度作比較，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析誤差。

圖2是用Measure測(cè)量距離門的長(zhǎng)度時(shí)的情景。圖2里的紅圈意味著被測(cè)量物體與搭載tango平臺(tái)的移動(dòng)設(shè)備的距離過遠(yuǎn)，以至于設(shè)備不能夠獲取關(guān)于該物體的深度信息。我們假設(shè)tango設(shè)備的深度傳感器因?yàn)橛布凸ぷ髟?（飛行光時(shí)間）的限制而有測(cè)量距離的限制，依據(jù)圖2的情況多次測(cè)量，得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析可以得出測(cè)量的極限距離大概是3.5m并且如果測(cè)量距離在0-2m之間將會(huì)便得更加準(zhǔn)確。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明measure測(cè)量結(jié)果與折尺測(cè)量結(jié)果的誤差隨周圍環(huán)境光照條件而波動(dòng)，從表1可以看出，很明顯絕大部分的測(cè)量誤差在物體真實(shí)長(zhǎng)度的0%-5%之間。但是如果周圍環(huán)境的光強(qiáng)強(qiáng)烈，測(cè)量誤差將會(huì)變的更高。這解釋了為什么表項(xiàng)中有兩項(xiàng)的數(shù)據(jù)誤差超過了10%。所以我們?cè)O(shè)計(jì)的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)必須在光強(qiáng)不是太高的環(huán)境中使用才能擁有較為準(zhǔn)確的效果，并且可以將距離測(cè)量誤差控制在5%之內(nèi)。

2.3 原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖3是深度感知，點(diǎn)云技術(shù)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上加以完善，從點(diǎn)云技術(shù)可以返回周圍障礙物的平均距離以及深度感知器收集的點(diǎn)云數(shù)目出發(fā)，開發(fā)出盲人導(dǎo)航障礙物檢測(cè)系統(tǒng)。

圖5

圖3右圖是一張應(yīng)用點(diǎn)云技術(shù)的日常生活場(chǎng)景照片。一個(gè)青年男子站在深度感知器前方，拿著包在手上。左邊的圖像就是調(diào)用深度感知器得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合成的三維圖像。因?yàn)辄c(diǎn)云技術(shù)，深度感知可以偵測(cè)到深度感知器周圍的障礙物并返回相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量和平均深度，所以可以以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出盲人導(dǎo)航障礙物檢測(cè)系統(tǒng)。圖4展示了導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

2.4 技術(shù)方案

技術(shù)方案如圖5所示。

3 結(jié)論

基于前面盲人出行解決方案的現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的三大解決途徑都有自身的局限性。比如導(dǎo)盲犬培訓(xùn)周期長(zhǎng)，花費(fèi)費(fèi)用大，不普遍適用。而依托于便攜式設(shè)備的盲人導(dǎo)航系統(tǒng)攜帶方便，可靠性高，是未來解決盲人導(dǎo)航出行問題的發(fā)展趨勢(shì)?；贕oogle公司Project Tango平臺(tái)開發(fā)出的障礙物檢測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)，與同類的如微軟的HoloLens相比，顯得成本低廉，只需約360美元就可以買入使用。并且絕大多數(shù)現(xiàn)在的盲人導(dǎo)航儀對(duì)于環(huán)境的要求很高，需要良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，需要環(huán)境里配置相應(yīng)的傳感器。而基于Project Tango開發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)核心依托于Tango獨(dú)特的硬件系統(tǒng)，如深度感知攝像頭，運(yùn)動(dòng)追蹤器。對(duì)于環(huán)境幾乎沒有硬性要求，只要移動(dòng)設(shè)備正常工作，使用者就可以手持設(shè)備規(guī)避障礙物。且由前面的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可知Tango測(cè)量準(zhǔn)確度高，在光照正常的情況下誤差小于5%，準(zhǔn)確度高于一般的導(dǎo)航儀。因而依托Project Tango設(shè)計(jì)出的盲人導(dǎo)航障礙物檢測(cè)系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。