基于圖像處理的智能穿戴式導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

郭小磊 辛平 陳廣大 程明 韓志偉

摘 要：針對盲人因視覺的缺失而導(dǎo)致的生活困難與精神空虛的難題，提出可與盲人交互并為其提供多種服務(wù)的導(dǎo)盲助手方案。采用STM32F407系列開發(fā)板與樹莓派為控制核心，運用圖像處理與語音識別等技術(shù)為盲人的生活提供包括道路障礙檢測、環(huán)境語音提醒、熟人識別、文字識別、語音位置分享、危險狀態(tài)檢測與報警、人機交互等多種功能。系統(tǒng)功能全面，使用方便，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：穿戴式;圖像處理;語音交互;功能全面

據(jù)統(tǒng)計，中國現(xiàn)有超過1400萬的盲人，因視力的缺失，他們的衣食住行都需要他人的幫助。

為了提高盲人的生活質(zhì)量，設(shè)計研究出了基于圖像處理的智能穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備。用戶可以通過語音的方式向系統(tǒng)下達指令，獲得自己想要知道的相關(guān)信息，并且可以讓攝像頭成為自己的眼睛，進行人臉識別與文字識別，以提升自主生活能力。整個系統(tǒng)功能全面，操作簡單，性價比高，從輔助盲人生活的角度為盲人提供全方位的幫助。

一、智能導(dǎo)盲系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由可放置于腰部的設(shè)備主體和位于肩部與手腕部的傳感器組成，以STM32F407系列與Raspberry Pi為控制核心，包含攝像頭模塊、VS1053語音提示模塊、電機振動提示模塊、GPS/GMS?？臁PU6050危險狀態(tài)檢測模塊。系統(tǒng)通過攝像頭對盲人前方的道路進行檢測識別，當發(fā)現(xiàn)障礙物時，立即通過語音提示模塊與振動電機模塊對盲人進行提醒，伴隨著盲人和障礙物距離的拉近，振動電機會通過逐漸加快振動頻率的方式向盲人進行反饋。當盲人前方出現(xiàn)其熟人時，開發(fā)板通過肩部攝像頭采集的信息進行識別，再由語音模塊向盲人播報人員信息。當盲人想要觀看前方的文字內(nèi)容時，系統(tǒng)即可通過攝像頭對前方文字進行識別，語音告知盲人文字信息，并且當盲人行走過程中出現(xiàn)危險倒地不起時，MPU6050檢測后觸發(fā)危險狀態(tài)報警模塊，由GSM通信模塊將此狀況和盲人的位置信息發(fā)送到其親人的手機上，為對盲人的快速救援提供幫助。

二、導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）控制模塊設(shè)計

系統(tǒng)以STM32F4系列開發(fā)板與樹莓派為控制核心，使用OpenCV庫。主控制器負責(zé)處理攝像頭所捕獲的圖像信息，音頻輸入的語音數(shù)據(jù)處理以及處理服務(wù)器的信息等。這是實現(xiàn)系統(tǒng)人臉識別、文字識別、語音識別、語義分析與交互應(yīng)答的核心。

（二）圖像采集模塊設(shè)計

圖像采集傳感器采用CMOS攝像頭，使用標準的SCCB接口。圖像采集可采用不同分辨率的傳感器，高分辨率的傳感器細節(jié)較為清楚，但是對主控制器處理的壓力增大，將導(dǎo)致主控制器處理緩慢，產(chǎn)生延時，占用內(nèi)存過多等問題，因此系統(tǒng)選用200W像素攝像頭作為圖像采集傳感器。

（三）語音模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用VS1053模塊為語音數(shù)據(jù)采集模塊，是系統(tǒng)指令識別與語音應(yīng)答的基礎(chǔ)，該模塊自帶有聲音拾取器，將聲音信號初步處理后變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因系統(tǒng)對語言指令識別有較高的要求，故模塊直接將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，由主控制器解析處理，并產(chǎn)生應(yīng)答。

（四）基于級聯(lián)分類器的人臉識別

本系統(tǒng)主要應(yīng)用級聯(lián)分類器進行人臉的識別。Haar特征使用檢測窗口中指定位置的相鄰矩形，計算每一個矩形的像素和并取其差值。然后用這些差值來對圖像的子區(qū)域進行分類。在檢測窗口中可以放大或平移得到一系列子特征，他們的白黑區(qū)域面積比始終保持不變。

在本穿戴式智能導(dǎo)盲系統(tǒng)進行人臉識別時，先計算識別對象的第一個Haar特征的特征值，與第一個分類器閾值對比，當Haar特征的特征值小于該閾值時，進入下個比較步驟;當Haar特征的特征值大于該閾值時，該弱分類器輸出右值并結(jié)束。然后計算第二個Haar特征值，與第二個弱分類器閾值對比，步驟同上。把多個這樣的分類器并聯(lián)，即將輸出結(jié)果值相加，即可得到一個強分類器的輸出結(jié)果，該結(jié)果與設(shè)定閾值做對比，當結(jié)果大于該閾值時，認為當前檢查窗口通過了該強分類器，即認為是盲人的朋友。

三、結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由可放置于腰部的設(shè)備主體和位于肩部與手腕部的傳感器組成。已完成系統(tǒng)樣機，經(jīng)測試可實現(xiàn)的功能有道路障礙檢測、環(huán)境語音提醒、熟人識別、文字識別、語音位置分享、危險狀態(tài)檢測與報警、人機交互等多種功能，性能穩(wěn)定，識別率高，能夠幫助盲人應(yīng)對生活中遇到的多種困難，在保證其安全的同時，提高其自主生活能力，減輕家庭負擔(dān)。

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