面向視覺殘疾者的室內(nèi)空間無障礙助行系統(tǒng)設(shè)計

孫媛媛 王志亮

摘 ?要： 為了幫助視覺殘疾者獨立行走，提出面向視覺殘疾者的室內(nèi)空間無障礙助行系統(tǒng)設(shè)計方法。室內(nèi)空間與設(shè)施助行系統(tǒng)設(shè)計包括合理的空間、簡化的流線、鋪地引導(dǎo)與盲道、連續(xù)的扶手。根據(jù)無障礙電子助行系統(tǒng)整體功能，以TMS320DM642為核心，設(shè)計視頻解碼器，利用視頻解碼芯片TVP5150PBS對接收到的空間圖像信息進行解碼，使結(jié)果以數(shù)字信號形式輸出。采用型號為TLV320AIC23BPW的音頻處理芯片設(shè)計音頻處理器，將該芯片與DM642端口相連接，可完成系統(tǒng)音頻高效導(dǎo)入。根據(jù)軟件程序加載流程，設(shè)計數(shù)字信號處理模塊圖像聲音映射方案，達到圖像與音頻之間有效轉(zhuǎn)換的目的，實現(xiàn)室內(nèi)空間無障礙電子助行系統(tǒng)設(shè)計。由實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)最高助行效率可達到87%，可有效幫助視覺殘疾者獨立行走。

關(guān)鍵詞： 視覺殘疾者; 室內(nèi)空間; 無障礙電子助行系統(tǒng); 數(shù)字信號處理; 映射方案; TMS320DM642

中圖分類號： TN79?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0167?05

Design of barrier?free walking?aided system for visually?impaired person in interior space

SUN Yuanyuan1， WANG Zhiliang2

（1. Tianping College of Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011， China;

2. School of Information Science and Technology， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： An barrier?free walking?aided system design method for visually?impaired person in interior space is proposed to help the visually?impaired person to walk independently. The design of interior space and walking?aided system includes reasonable space， simplified streamline， paving guide and blind path， and continuous handrail. According to the overall function of the electronic walking?aided system， the video decoder taking TMS320DM642 as its core is designed， and the video decoding chip TVP5150PBS is used to decode the received spatial image information and make the results be output in the form of digital signal. The audio processing chip TLV320AIC23BPW is used to design the audio processor， and connected with the port of DM64 to realize the efficient import of system audio frequency signal. According to the loading process of software program， the image?sound mapping scheme of the digital signal processing module is designed to achieve the effective conversion between the image and audio frequency signal， and realize the design of the barrier?free electronic walking?aided system in interior space. The experimental results show that the maximum walking?aided efficiency of the system can reach up to 87%， and the system can effectively help the visually?impaired person to walk independently.

Keywords： visually?impaired person; interior space; barrier?free electronic walking?aided system; digital signal processing; mapping scheme; TMS320DM642

0 ?引 ?言

隨著人口數(shù)量的增長和智能手機等電子設(shè)備的推廣，視覺殘疾者這個特殊人群的數(shù)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，我國視覺殘疾患病率達到94%，其中大部分人具有基本的生活、工作和參與社會活動的能力。人們獲取信息的主要來源是視覺，約占90%，失去視覺意味著失去了獲取信息的主要途徑，因此視覺殘疾者在生活中會遇到很多困難[1]。通過在室內(nèi)空間設(shè)置無障礙設(shè)施，可以大大延伸視覺殘疾者的活動范圍，減少生活和工作障礙，獲取與正常人同等社會生活的權(quán)力。

長期以來，室內(nèi)設(shè)計中針對視覺殘疾者的無障礙設(shè)計做得不夠好。究其原因，一方面是室內(nèi)設(shè)計師的設(shè)計手段局限在空間營造與無障礙設(shè)施設(shè)置等建筑的手段上;另一方面是常用的無障礙電子助行系統(tǒng)要么采用聽覺代替視覺系統(tǒng)的方法，要么采用觸覺代替視覺系統(tǒng)的方法，技術(shù)相對落后，助行效果不佳。

為了解決視覺殘疾者在室內(nèi)空間獨立行走的問題，本文嘗試進行室內(nèi)設(shè)計和電子技術(shù)的跨學(xué)科交叉研究，提出面向視覺殘疾者的室內(nèi)空間無障礙助行系統(tǒng)設(shè)計，為這一全球共同關(guān)注的課題提供理論基礎(chǔ)。

1 ?無障礙助行系統(tǒng)的構(gòu)成

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴大，電子系統(tǒng)成為室內(nèi)空間無障礙助行系統(tǒng)的重要組成部分。完整的無障礙助行系統(tǒng)應(yīng)包括建筑室內(nèi)設(shè)計手段和電子系統(tǒng)兩方面，該系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示[2]。

圖1 ?無障礙助行系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 ?室內(nèi)空間與設(shè)施助行系統(tǒng)

在機場、火車站、地鐵站以及城市綜合體等大型公共建筑的室內(nèi)設(shè)計中，通過空間和流線設(shè)計的優(yōu)化以及必要的助行設(shè)施對視覺殘疾者實現(xiàn)導(dǎo)行。

1.1.1 ?室內(nèi)空間的行為障礙因素分析

通過對各種規(guī)模的公共建筑和居住建筑室內(nèi)空間的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)視覺殘疾者在室內(nèi)行走和活動等行為的障礙因素主要包括以下幾方面：

1） 復(fù)雜的室內(nèi)流線、復(fù)雜的室內(nèi)空間環(huán)境帶來的障礙;

2） 室內(nèi)鋪地設(shè)計存在缺陷，地面材質(zhì)體感較差，引導(dǎo)人行的提示功能不足，室內(nèi)交通線路存在起落步提示位置不當(dāng)、盲道不連續(xù)等問題;

3） 室內(nèi)交通空間存在意外凸出物，如在走道中設(shè)置外開門和消防栓;

4） 空間聯(lián)系處設(shè)置高差、門檻和欄桿等不合理裝置;

5） 交通空間設(shè)置單側(cè)扶手或扶手不連貫的樓梯[3]。

1.1.2 ?室內(nèi)空間與設(shè)施助行系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)對室內(nèi)空間的行為障礙因素分析，視覺殘疾者的室內(nèi)空間與設(shè)施助行系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)包括：合理的空間布局（含主要使用空間、輔助使用空間、交通流線空間）;簡化的流線;鋪地引導(dǎo)與盲道;連續(xù)的扶手。

1.2 ?無障礙電子助行系統(tǒng)

無障礙電子助行系統(tǒng)利用傳感器獲取室內(nèi)空間數(shù)據(jù)信息，提取室內(nèi)空間特征信號，轉(zhuǎn)換為視覺殘疾者易于理解的非視覺信號，由此為視覺殘疾者提供獨立而安全的無障礙助行系統(tǒng)[4]。

電子助行系統(tǒng)的硬件包括圖像信息采集設(shè)備、圖像處理設(shè)備、音頻輸出設(shè)備。該系統(tǒng)還包括進行數(shù)字信號處理的軟件程序，依托對應(yīng)的三種硬件進行信息的輸入、處理和輸出。

2 ?無障礙助行系統(tǒng)設(shè)計

在室內(nèi)設(shè)計案例中，針對視覺殘疾等失能人群的無障礙需求，室內(nèi)設(shè)計師能采用的手段一直局限在空間、流線的改良和無障礙設(shè)施的設(shè)置上。在現(xiàn)代電子技術(shù)高度發(fā)達的今天，應(yīng)該把電子技術(shù)和室內(nèi)設(shè)計的建筑手段相結(jié)合，優(yōu)化視覺殘疾者的無障礙行為體驗。

2.1 ?空間與設(shè)施助行系統(tǒng)設(shè)計

無論是普通的建筑室內(nèi)空間，還是面向視覺殘疾者等失能人群的專用室內(nèi)空間，無障礙設(shè)計都應(yīng)該是基本要求，因為失能者也有使用普通建筑的權(quán)力。

1） 合理的空間設(shè)計，要求在主要使用空間、輔助使用空間和交通聯(lián)系空間的形態(tài)上無凸出物，在空間的尺度上滿足視覺殘疾者的行走和使用要求，主要使用空間和生活必須的輔助使用空間之間就近安排。

2） 簡化的流線，要求在交通聯(lián)系空間的安排上保證其對所有其他空間的有效聯(lián)通，具有易達性的交通流線，線路不宜復(fù)雜和出現(xiàn)突然的轉(zhuǎn)折，走道轉(zhuǎn)折處采用弧形流線是最佳處理方式。樓梯是建筑內(nèi)部垂直交通流線的手段，樓梯流線的簡化方法是盡量采用直跑樓梯或規(guī)整的雙跑樓梯，避免異形樓梯的出現(xiàn)。

3） 鋪地與盲道的設(shè)置應(yīng)避免缺陷，鋪地材質(zhì)應(yīng)選用防滑地磚或石材、木地板、地毯等材質(zhì)。注意通過不同空間地面材質(zhì)的變化，對視覺殘疾者進行有意的提示，尤其是在交通流線的起步和結(jié)束處，避免出現(xiàn)突然的高差。在大型公共建筑中，應(yīng)在交通流線上設(shè)置盲道，并保證盲道的連續(xù)性。

4） 連續(xù)的扶手，對于視覺殘疾者來說，在室內(nèi)交通空間設(shè)置連續(xù)的扶手，是最有效的導(dǎo)行方式。當(dāng)扶手因為流線交叉而被迫中斷時，在扶手斷開處設(shè)置盲道或特殊材質(zhì)的鋪地，也可以起到延續(xù)導(dǎo)行的作用。扶手的作用在樓梯中顯得尤其重要，在樓梯部分要避免中斷的扶手[5]。

2.2 ?無障礙電子助行系統(tǒng)設(shè)計

無障礙電子助行系統(tǒng)整體功能設(shè)計如圖2所示。

由圖2可知：無障礙電子助行系統(tǒng)通過攝像頭實時采集視覺殘疾者前方走道情況，利用視頻解碼器對圖像進行處理并存儲，將存儲數(shù)據(jù)傳送到數(shù)字信號處理器中，進行走道情況檢測。將檢測到的走道情況進行分類，把處理結(jié)果傳送至音頻提示處，提示前方情況，視覺殘疾者可隨著提示音頻調(diào)整前進方向與速度，以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能展開設(shè)計[6]。

圖2 ?電子助行系統(tǒng)整體功能設(shè)計

2.2.1 ?無障礙電子助行系統(tǒng)的硬件改進

要改進無障礙電子助行系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，需先將采集后的圖像信號進行處理，轉(zhuǎn)化圖像信號為語音信號，確保視覺殘疾者聽到提示信息后，對走道上的情況作出正確判斷，幫助視覺殘疾者完成獨立行走[7]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 ?系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖3可知：所設(shè)計的系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)主要由音頻輸出、信號轉(zhuǎn)換、圖像采集以及圖像處理等部分組建而成。以TMS320DM642為核心，通過攝像頭采集前方路況信息，利用視頻解碼芯片TVP5150PBS對接收到的室內(nèi)交通空間的圖像信息進行解碼，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。使用DSP芯片處理數(shù)字信號，通過音頻處理芯片TLV320AIC23BPW輸出音頻信息。

1） 視頻解碼器改進設(shè)計

本文選用TI公司生產(chǎn)的TVP5150PBS芯片，這是一款多制式的視頻解碼器，具有體積小、功耗低的特點，可實現(xiàn)不同視頻的解碼。視頻解碼器設(shè)計原理如圖4所示。

由圖4可知：模擬信號從TVP5150PBS芯片輸入端輸入，經(jīng)過模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，將圖像特征信號分離并處理。將色度處理結(jié)果傳送到色度處理器中待處理，而后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的形式輸出[8]。亮度的處理結(jié)果則傳送到同步分離器中，同步分離處理后產(chǎn)生同步信號。

圖4 ?視頻解碼器設(shè)計原理

圖5 ?視頻解碼器與DM642電路連接情況

通過雙向數(shù)據(jù)線和時鐘線對視頻解碼器的芯片進行初始化處理。設(shè)定線路模擬、對比度、自動增益、數(shù)字輸出等信號，同時將分離后的數(shù)字信號和控制信號傳輸?shù)教幚砥髦?，通過DM642視頻端口VP0[6：0]完成信號連接[9]。

2） 音頻處理器設(shè)計

采用型號為TLV320AIC23BPW的音頻處理芯片，集成基于采樣技術(shù)的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，其內(nèi)置輸出放大器，具有可編程能力[10]。TLV320AIC23BPW與DM642視頻端口連接示意圖如圖6所示。

由圖6可知：輸入引腳和輸出引腳分別與DM642端口引腳相連接，SCLK引腳和SDIN引腳與SN74CBT3257芯片相連接，該芯片可為音頻處理器提供選擇，其作用是能夠在地址信號控制下，從中選擇一個數(shù)據(jù)作為輸出信號，通過該信號完成音頻的導(dǎo)入。

根據(jù)系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計視頻解碼器，以TMS320DM642為核心，通過攝像頭采集前方路況信息，利用視頻解碼芯片TVP5150PBS對接收到的路況圖像信息進行解碼，使結(jié)果以數(shù)字信號形式輸出。分析視頻解碼器與DM642電路連接情況，采用TLV320AIC23BPW型號芯片設(shè)計音頻處理器，將該芯片與DM642端口相連接，可完成系統(tǒng)音頻的高效導(dǎo)入，具有成本低、體積小的特點。

圖6 ?芯片與DM642視頻端口連接示意圖

2.2.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)字信號處理模塊的軟件程序加載與啟動設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 ?軟件設(shè)計流程

由圖7可知：當(dāng)對數(shù)字信號處理器進行初始化處理時，需設(shè)置Cache，使用512 Kb/s的速度進行數(shù)據(jù)緩存，設(shè)置優(yōu)先隊列長度最大值，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集播放通道，進行視頻解碼器和音頻處理器初始化處理，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，打開音頻播放通道[11]。

根據(jù)上述軟件設(shè)計流程，對圖像聲音映射方案展開設(shè)計。通過硬件結(jié)構(gòu)中的圖像處理結(jié)果獲取用戶空間盲道方向和障礙物特征信息，將映射結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的音頻參數(shù)，配置音頻參數(shù)可隨時控制音頻播放情況[12]。針對視覺殘疾者，需要將圖像信息轉(zhuǎn)換為音頻信息，并構(gòu)建對應(yīng)的圖像聲音映射方案。在實際情況中，走道方向和障礙物是形成視覺殘疾者在空間獨立行走的障礙來源。

1） 走道方向：走道方向與室內(nèi)空間獨立行走的設(shè)計方向有所偏離。對室內(nèi)空間邊緣線進行提取，能夠替代原始的走道方向，對多個盲道邊緣線角度進行標(biāo)記，并設(shè)置同號的盲道邊緣線角度與走道方向一致，異號的盲道邊緣線角度與走道方向偏離。

2） 障礙物：室內(nèi)空間附近存在影響視覺殘疾者的障礙物。

利用音頻響度和時間間隔表示盲道與走道偏離程度，偏離程度越大，則音頻響度就越大，方便視覺殘疾者辨別。系統(tǒng)與室內(nèi)空間特征的映射方案設(shè)計如表1所示。

表1 ?映射方案設(shè)計

根據(jù)表1映射方案，可達到圖像與音頻之間有效轉(zhuǎn)換的目的，實現(xiàn)室內(nèi)空間無障礙助行系統(tǒng)設(shè)計。

3 ?實 ?驗

無障礙助行系統(tǒng)設(shè)計完成后，在室內(nèi)空間和設(shè)施無障礙助行手段得到優(yōu)化的前提下，對新設(shè)計的電子助行系統(tǒng)進行軟硬件集成測試，驗證其是否比傳統(tǒng)采用聽覺和觸覺代替視覺的助行系統(tǒng)具有更高效的助行功能。

3.1 ?實驗數(shù)據(jù)獲取

面向視覺殘疾者的室內(nèi)空間無障礙助行系統(tǒng)輸出的是音頻結(jié)果，實驗設(shè)備有限，無法對圖像的結(jié)果進行直觀性驗證，為解決該問題，采用視頻顯示器將有關(guān)盲道導(dǎo)行實驗結(jié)果的圖像顯示在屏幕上，如圖8所示。

圖8 ?不同方法實驗數(shù)據(jù)獲取結(jié)果

由圖8可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)獲取的室內(nèi)空間盲道數(shù)據(jù)不完全，獲取結(jié)果較模糊，左側(cè)和右側(cè)邊緣信息完全丟失;而面向視覺殘疾者電子助行系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)較為完整，結(jié)果清晰。

3.2 ?實驗結(jié)果與分析

由3.1節(jié)中的實驗結(jié)果可知，采用本文系統(tǒng)對室內(nèi)空間盲道數(shù)據(jù)進行獲取的結(jié)果更好，獲取的數(shù)據(jù)較為完整。根據(jù)本文系統(tǒng)獲取的實驗數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)的助行效率進行測試，結(jié)果如圖9所示。

圖9 ?兩種系統(tǒng)助行效率對比分析

1） 在信息冗余條件下，當(dāng)實驗時間為5 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為40%，而本文系統(tǒng)（即面向視覺殘疾者系統(tǒng)）的助行效率為80%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高40%;當(dāng)實驗時間為10 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為22%，而本文系統(tǒng)的助行效率為76%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高54%;當(dāng)實驗時間為20 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為4%，而本文系統(tǒng)的助行效率為80%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高76%;當(dāng)實驗時間為30 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為5%，而本文系統(tǒng)的助行效率為82%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高77%。

2） 在噪聲干擾條件下，當(dāng)實驗時間為5 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為5%，而本文系統(tǒng)的助行效率為80%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高75%;當(dāng)實驗時間為10 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為22%，而本文系統(tǒng)的助行效率為87%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高65%;當(dāng)實驗時間為20 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為46%，而本文系統(tǒng)的助行效率為85%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高39%;當(dāng)實驗時間為30 min時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率為22%，而本文系統(tǒng)的助行效率為81%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率高59%。

3.3 ?實驗結(jié)論

根據(jù)上述內(nèi)容可知：在室內(nèi)空間和設(shè)施相同，以及信息冗余條件下，面向視覺殘疾者系統(tǒng)的助行效率最高為82%，而傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率最高為40%;在噪聲干擾條件下，面向視覺殘疾者系統(tǒng)的助行效率最高為87%，而傳統(tǒng)系統(tǒng)助行效率最高為46%。由此可知，采用面向視覺殘疾者系統(tǒng)的助行效率更高，助行效果較好。

4 ?結(jié) ?語

本文在面向視覺殘疾者的室內(nèi)空間和設(shè)施無障礙助行系統(tǒng)完備的條件下，以數(shù)字信號處理器為核心構(gòu)建能夠幫助視覺殘疾者獨立行走的電子輔助系統(tǒng)。闡述系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)和軟件流程，詳細分析系統(tǒng)與室內(nèi)空間特征映射方案，通過實驗驗證了該電子助行系統(tǒng)設(shè)計的有效性，并由實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)最高助行效率可達到87%，滿足低成本、高效助行的應(yīng)用需求。

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