基于GPS定位系統(tǒng)的盲人智能眼鏡技術(shù)優(yōu)化

王文博 張海燕 李曉菲

摘 ?要：盲人群體的生存狀況是我國(guó)政府和社會(huì)長(zhǎng)期關(guān)注的課題。導(dǎo)盲犬、盲道、手杖等輔助方式解決一些盲人的出行問題，隨著交通的復(fù)雜化，以上的盲人輔助工具已不足以輔助盲人的出行。將GPS定位系統(tǒng)、顏色識(shí)別技術(shù)和光伏充電技術(shù)融于一體，將自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的交互功能、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在智能盲人眼鏡上加以應(yīng)用，為盲人提供一種新的技術(shù)，只需進(jìn)行智能化檢測(cè)語音提示，解決非先天性失明人群出行、探路等問題，為智能盲人眼鏡賦予新的定義。

關(guān)鍵詞：人工智能;盲人眼鏡;智能化檢測(cè)語音

中圖分類號(hào)：TH786;TP391.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）12-0057-03

Abstract：The living condition of the blind is a long-term concern of our government and society. Guide dog，blind road，walking stick and other auxiliary methods can solve the travel problems of some blind people. With the complexity of traffic，the above-mentioned auxiliary tools for the blind are not enough to assist the blind. Integrating GPS positioning system，color recognition technology and photovoltaic charging technology，the interactive function of automatic detection system and automatic identification system are applied to intelligent blind glasses，which provides a new technology for the blind. It only needs to carry out intelligent voice detection to solve the problems of non congenital blind peoples travel and road exploration，and gives new definition to intelligent blind glasses.

Keywords：artificial intelligence;blind glasses;intelligent voice detection

0 ?引 ?言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)有1 700多萬盲人，也就是說，每100多名中國(guó)人里就有一位視障人士。他們也需要生活、學(xué)習(xí)、工作、養(yǎng)家糊口。在城市中，按摩是大部分盲人的謀生手段和出路，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，收入低;在農(nóng)村，盲人主要依附家庭，沒有穩(wěn)定收入，成為家庭的負(fù)擔(dān)。由于收入低、經(jīng)濟(jì)來源有限，盲人在物質(zhì)上壓力大，精神上壓力更大。盲人的脫貧也成為國(guó)家和社會(huì)的關(guān)注點(diǎn)和難點(diǎn)，因此，如果擁有較好的輔助工具，使盲人“不盲”，可以為家庭和社會(huì)減輕很多的壓力。

歸根結(jié)底，盲人的種種困難，主要是視力的問題，看不見東西，自身的衣食住行都需要他人的幫助。如果能夠解決“看不見”的問題，那么他們就可以像正常人一樣生活。隨著科技的發(fā)展，讓盲人“復(fù)明”已經(jīng)不是奢望。

盲人出行存在很多不便和安全隱患，比如容易使人疲憊的手杖、總是很“忙”的盲道、昂貴的導(dǎo)盲犬等等，這些出行的輔助方式往往不盡人意，存在各式各樣的不足和風(fēng)險(xiǎn)，因此找到合適的工具輔助出行顯得很有必要。

隨著人工智能的發(fā)展，許多先進(jìn)的技術(shù)被應(yīng)用到各行各業(yè)。盲人眼鏡結(jié)合人工智能，通過紅外感應(yīng)、智能導(dǎo)航、藍(lán)牙傳導(dǎo)、智能語音回饋等技術(shù)，使盲人的眼界發(fā)生變化，能夠更好地熟悉和了解身邊的一草一木，使其衣食住行都得到極大的便利，獨(dú)立能力得到極大提高[1]。

1 ?盲人智能眼鏡的技術(shù)支持

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用合適的輔助工具，可以實(shí)現(xiàn)盲人的“復(fù)明”。先進(jìn)的工具，離不開先進(jìn)的技術(shù)支持，以下分別介紹盲人智能眼鏡的技術(shù)支持。

1.1 ?超聲波測(cè)距技術(shù)

蝙蝠是天生的弱視動(dòng)物，但弱視對(duì)其飛行毫無影響，這主要?dú)w功于超聲波，蝙蝠的飛行不是靠眼睛去辨識(shí)方向，而是通過超聲波的探測(cè)辨路。超聲波的指向性強(qiáng)，能量衰減慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，是一種很好的測(cè)距的技術(shù)。盲人智能眼鏡采用超聲波探距裝置，可快速測(cè)定障礙物到運(yùn)動(dòng)者的距離。

超聲波測(cè)距的基本方法是TOF（Time of Flight，飛行時(shí)間測(cè)距法）。發(fā)射換能器發(fā)出超聲波，超聲波在遇到障礙物后，由于其反射性能夠產(chǎn)生反射回波，回波由接收換能器接收。飛行時(shí)間測(cè)距法根據(jù)從發(fā)射出聲波到接收回波的時(shí)間和聲速，通過公式算出距離，公式為：

L=vt/2

其中，L為聲波走過的路程;v為超聲波在介質(zhì)中的速度;t為飛行時(shí)間。

超聲波測(cè)距技術(shù)精度高，測(cè)量范圍廣，能夠很好地探測(cè)到行走中的障礙物[2]。

1.2 ?圖像識(shí)別技術(shù)

由于盲人不能識(shí)別道路上的交通標(biāo)志，比如紅綠燈、斑馬線等，圖像識(shí)別技術(shù)恰可以彌補(bǔ)盲人群體的這一缺陷，讓盲人能夠“復(fù)明”。

圖像識(shí)別主要使用攝像頭，采用Raspberry Pi（樹莓派）的NoIR照相機(jī)模塊。該模塊的攝像頭具有500萬像素的固定焦點(diǎn)圖像傳感器，能夠拍攝分辨率為2 592*1 944的圖片，可以較真實(shí)地拍攝環(huán)境圖片。并且該攝像頭附帶藍(lán)色濾光鏡，可以過濾紅外光，使該相機(jī)模塊不僅可以在白天拍攝，而且也能在夜間拍攝，使該功能比正常人的視力更優(yōu)越，不受光線弱的影響。

環(huán)境圖像拍攝后，需要經(jīng)過圖像預(yù)處理：第一，直方圖均衡化圖像，得到灰度分布均勻、對(duì)比度強(qiáng)的增強(qiáng)型圖像;第二，使用中值濾波處理技術(shù)去除圖像噪聲[3];第三，利用Hough變換提取圖像;第四，利用顏色特征辨識(shí)顏色進(jìn)行反饋;第五，使用Haar-like特征庫，通過計(jì)算特征值，依據(jù)特征值由訓(xùn)練好的分類器進(jìn)行篩選，從而進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的判斷。經(jīng)過以上五個(gè)步驟，將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)化，輸送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.3 ?AdaBoost級(jí)聯(lián)算法

圖像識(shí)別后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算，Haar-like特征是最基本的單元。每個(gè)Haar-like特征對(duì)應(yīng)著的一個(gè)弱分類器，構(gòu)造弱分類器實(shí)質(zhì)上就是通過訓(xùn)練從若干個(gè)弱分類器中找出最優(yōu)弱分類器，尋找能夠使分類器的檢測(cè)誤差率最低的閾值的過程。

單一的弱分類器并不能夠滿足高精度的識(shí)別需求，因此提出了AdaBoost算法，用來訓(xùn)練強(qiáng)分類器，其原理是通過權(quán)重調(diào)整將多個(gè)識(shí)別能力差的弱分類器集合起來組成識(shí)別效果更好的強(qiáng)分類器。

在現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)檢測(cè)中，單一的強(qiáng)分類器還是難以保證識(shí)別的正確率。一種最常用的方法是將由AdaBoost算法訓(xùn)練出的多個(gè)強(qiáng)分類器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，每一個(gè)強(qiáng)分類器組成該級(jí)聯(lián)分類器的一級(jí)，從而最終形成一個(gè)識(shí)別正確率很高的級(jí)聯(lián)分類器。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Raspberry Pi比較流行，Raspberry Pi最早是為學(xué)校計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)的，把一臺(tái)計(jì)算機(jī)壓縮到一張名片大小，并且依然能夠?qū)崿F(xiàn)播放視頻、音頻等所有功能，使處理系統(tǒng)小巧化、微型化，經(jīng)歷幾個(gè)版本的改進(jìn)，已經(jīng)發(fā)展成為相當(dāng)穩(wěn)定的產(chǎn)品。通過Raspberry Pi開發(fā)板作為中央處理器，對(duì)超聲波模塊和攝像頭模塊得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過耳機(jī)輸出，傳送到人體的聽覺系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了盲人對(duì)環(huán)境的“可視”。

2 ?盲人智能眼鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以上技術(shù)的支持下，為了改進(jìn)盲人智能眼鏡的設(shè)計(jì)，我們計(jì)劃從以下五方面來進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 ?控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由各種元件相互配合組成，元件之間相互發(fā)送信息實(shí)現(xiàn)各種信息交流，如顏色識(shí)別傳感器、紅外測(cè)距儀、語音系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)接收器等?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

2.2 ?鏡架空間設(shè)計(jì)

由于鏡架的空間有限，所以選擇小型測(cè)距傳感器“紅外測(cè)距傳感器，型號(hào)TFMINI，性能良好，可檢測(cè)附近0.3～ 12 m之間的物體尺寸”即可滿足設(shè)計(jì)功能的需求。顏色傳感器則選擇物美價(jià)廉的RGB顏色傳感器ADJD-S311-CR999，它可以直接將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送到接收器上，進(jìn)行信息的判斷與傳送。

2.3 ?GPS技術(shù)的運(yùn)用

在GPS定位系統(tǒng)的選擇上，微型GPS智能定位器Aman-Stino即可滿足設(shè)計(jì)需要。通過GPS的反饋及時(shí)到了解盲人的位置，將數(shù)據(jù)連接到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上，可以使監(jiān)護(hù)人隨時(shí)隨地地獲取盲人的信息，并能夠遠(yuǎn)程協(xié)助盲人，使盲人不必時(shí)時(shí)刻刻都需要他們的陪護(hù)，可以自己獨(dú)立去做事情，監(jiān)護(hù)人也能夠安心。微型GPS智能定位器AmanStino所在位置如圖2所示。光伏充電模塊等供能裝置由我們自行根據(jù)實(shí)際功能需要設(shè)計(jì)制作，例如微型鋰電池。語音提示模塊根據(jù)我們后期需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和采用，在電路設(shè)計(jì)問題上進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 ?顏色識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的深化

對(duì)顏色識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)測(cè)距技術(shù)進(jìn)行深化檢測(cè)，從有限數(shù)據(jù)中檢測(cè)出模型近似參數(shù)，模型可根據(jù)交通信號(hào)燈顏色、光線的明暗變化等改變認(rèn)知系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的大小、種類或者模型的架構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。用紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外的檢測(cè)位置遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過信號(hào)傳感器接口返回到接收器，接收器識(shí)別紅外的返回信號(hào)便能夠通過計(jì)算周圍環(huán)境的變化，有效地規(guī)避盲人的意外磕碰，整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便。

2.5 ?深化供能或蓄電系統(tǒng)

蓄電裝置是整個(gè)盲人智能眼鏡在執(zhí)行命令時(shí)的核心基礎(chǔ)，微型鋰電池和可充電式電源為整個(gè)系統(tǒng)提供了功能保障，可有效防止尤其是GPS定位系統(tǒng)失靈而導(dǎo)致人員走丟的情況。蓄電裝置對(duì)應(yīng)關(guān)系可使要傳送的命令得到快速的執(zhí)行，其要求具有高效、無失誤的特點(diǎn)。

3 ?盲人智能眼鏡發(fā)展方向

3.1 ?基于云計(jì)算的盲人智能眼鏡

對(duì)于云計(jì)算的服務(wù)類型來說，一般可分為三個(gè)層面，分別是IaaS、PaaS和SaaS。這三個(gè)層次組成了云計(jì)算技術(shù)層面的整體架構(gòu)，這其中可能包含了一些虛擬化的技術(shù)和應(yīng)用、自動(dòng)化的部署以及分布式計(jì)算等技術(shù)，這種技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就是可以對(duì)外表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的并行計(jì)算能力以及大規(guī)模的伸縮性和靈活性等特點(diǎn)[4]。

3.2 ?基于大數(shù)據(jù)的盲人智能眼鏡

結(jié)合大數(shù)據(jù)的盲人智能眼鏡，無疑會(huì)帶來意想不到的體驗(yàn)和便捷，比如出門坐公交車，說出目的地后，經(jīng)過語音系統(tǒng)傳輸?shù)街锌匦酒?，智能眼鏡會(huì)給出離自己最近的公交車站，下車后，繼續(xù)導(dǎo)航近距離，直至到達(dá)目的地。

3.3 ?基于后臺(tái)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的盲人智能眼鏡

盲人的迷路問題是其出行的一個(gè)大障礙，因?yàn)榕旅月?，盲人大多畏懼出門。建立后臺(tái)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，實(shí)時(shí)和盲人智能眼鏡進(jìn)行信息共享。同時(shí)，智能眼鏡連接計(jì)算機(jī)平臺(tái)，通過語音可以及時(shí)地了解天氣預(yù)報(bào)、溫度、空氣質(zhì)量、路況信息等出門必備的數(shù)據(jù)，使盲人能夠合理安排出行，避免不必要的麻煩。

3.4 ?基于四面攝像監(jiān)控的盲人智能眼鏡

盲人出行，可以通過各種工具及時(shí)地了解到腳下的路是否安全，但是空中以及非地面的物體往往成為盲區(qū)，因此全方位的監(jiān)控是很有必要的，為盲人智能眼鏡增加四面攝像頭，可以對(duì)周圍的立體環(huán)境做出及時(shí)的反饋，并通過聲音或者震動(dòng)提示潛在的危險(xiǎn)，及時(shí)指出正確、安全的道路，使盲人的出行更加安全[5]。

4 ?結(jié) ?論

關(guān)懷盲人群體，不僅僅在于人為的關(guān)懷和幫助，更應(yīng)該在于先進(jìn)技術(shù)的輔助，授之以魚不如授之以漁，先進(jìn)的輔助技術(shù)便是“漁”，盲人群體借助先進(jìn)技術(shù)的幫助，能夠像正常人一樣生活，增強(qiáng)了自身的生活信心，減輕了家庭的負(fù)擔(dān)，也為國(guó)家的脫貧作出貢獻(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的盲人智能眼鏡用先進(jìn)的技術(shù)給盲人群體一片光明，使他們的路走得更穩(wěn)、更快、更順。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：王文博（1997.10—），男，漢族，甘肅天水人，本

科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化;張海燕（1982.03—），女，漢族，山東德州人，講師，本科，研究方向：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育;李曉菲（1984.12—），女，漢族，山東德州人，講師，本科，研究方向：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。