基于計(jì)算機(jī)視覺的避障導(dǎo)盲系統(tǒng)構(gòu)建及在視障生教育教學(xué)中的應(yīng)用研究

馬波 程育宏 王瑩 崔麗珺

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為改善傳統(tǒng)視障輔助設(shè)備價(jià)格昂貴、運(yùn)算效率低的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的避障導(dǎo)盲系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過相機(jī)采集周圍環(huán)境圖像，并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、時(shí)間心理視覺調(diào)制技術(shù)以及SURF、ID3決策樹分類等算法分析處理圖像信息，確定障礙物的相對(duì)位置并通過語音播報(bào)實(shí)時(shí)路況。同時(shí)為探究系統(tǒng)在視障生教育教學(xué)中的應(yīng)用，將系統(tǒng)裝載在智能眼鏡上，以某校初二視障學(xué)生為對(duì)象進(jìn)行了效果實(shí)驗(yàn)及問卷調(diào)查訪談，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本系統(tǒng)的可靠性和實(shí)際可行性。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 計(jì)算機(jī)視覺;避障導(dǎo)盲系統(tǒng);視障生;教育教學(xué)

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）11-0216-02

視力障礙群體由于先天或后天因素導(dǎo)致的視覺缺陷使他們?nèi)狈?duì)環(huán)境的判斷能力，給日常生活與工作造成了很大不便。但隨著互聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展，視力障礙群體借助軟件與設(shè)備能夠逐漸像常人一樣生活工作，這一現(xiàn)象也改變了視障生的學(xué)習(xí)方式，視障生通過計(jì)算機(jī)技術(shù)可以在老師的引導(dǎo)下接受更加完善的教育。

目前的視障輔助設(shè)備大多是以圖像或信號(hào)處理，結(jié)合人的感知能力向視障患者提供周圍環(huán)境的信息，達(dá)到避障或?qū)さ哪康?。這些設(shè)備通常被設(shè)計(jì)為手杖、腰帶、眼鏡等形式，但是這種傳統(tǒng)的輔助設(shè)備需要在小體積的物體上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，因此這些設(shè)備價(jià)格都比較昂貴，給視障患者造成了很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是一種新興的計(jì)算技術(shù)，它通過相機(jī)采集周圍環(huán)境圖像，運(yùn)用算法進(jìn)行圖片的解析，將圖片內(nèi)容轉(zhuǎn)譯成計(jì)算機(jī)語言，最后通過計(jì)算機(jī)反饋出信息。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)因其在算法運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)使它在視障輔助領(lǐng)域有巨大的潛力。

為降低設(shè)備成本、提高設(shè)備運(yùn)行效率，本文基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)結(jié)合算法構(gòu)建出新型的避障導(dǎo)盲系統(tǒng)，達(dá)到加快圖像處理效率、減少運(yùn)算量、節(jié)約設(shè)備成本的目的。同時(shí)本文研究了該系統(tǒng)在視障生教育教學(xué)中的應(yīng)用。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過攝像頭上傳圖像，以計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)分析出障礙物的種類及坐標(biāo)，通過語音提示和輔助成像達(dá)到避障效果。系統(tǒng)主要分為三個(gè)功能區(qū)，分別是障礙物測(cè)距、隱藏投影信息及語音路況識(shí)別，分別通過不同算法實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如下圖所示：

（一）SURF算法

SURF算法的全稱是Speeded-Up Robust Features，譯為加速穩(wěn)健特征，是一種穩(wěn)健的局部特征點(diǎn)檢測(cè)和描述算法。它是在SIFT算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，相比原算法，它的運(yùn)算復(fù)雜度更低、耗時(shí)更少、效率更高，可以達(dá)到實(shí)時(shí)應(yīng)用的效果。本系統(tǒng)采用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)對(duì)相機(jī)采集的障礙物圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到圖像的矩陣坐標(biāo)后利用SURF算法選取特征點(diǎn)并計(jì)算出特征點(diǎn)在不同圖像的具體位置，達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)距的效果。

（二）TPVM技術(shù)

TPVM技術(shù)的全稱是時(shí)間心理視覺調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)的原理是利用人的視覺延遲，在高頻幀率的圖像中得到不同的信息。人分辨視頻信號(hào)的刷新頻率極限在60Hz左右，而現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)卻可以使刷新頻率遠(yuǎn)高于這一數(shù)值，從而使不同的觀察者在觀察同一圖像視頻時(shí)同時(shí)獲得不同的信息。本系統(tǒng)在分析周圍環(huán)境的圖像時(shí)需要發(fā)射光線在圖像上形成投影，以便于提取特征點(diǎn)，但是光線本身會(huì)對(duì)使用者造成干擾，系統(tǒng)借助TPVM技術(shù)隱藏部分光線投影的圖像，防止系統(tǒng)在使用過程中對(duì)使用者造成干擾。

（三）數(shù)據(jù)建模決策樹

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模決策樹是由圖像二值化程序、特征提取算法及ID3決策樹分類算法三部分構(gòu)成的。系統(tǒng)通過相機(jī)獲取到需要的圖像集后，利用圖像二值化程序?qū)D像集在不同的顏色空間中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到圖像空間模型，再經(jīng)過特征提取算法提取光線因障礙物在圖像上形成的線段，再用ID3決策樹分類算法分析處理不同特征線段需要的不同決策，最后通過語音提示實(shí)時(shí)反饋出路況信息。

二、應(yīng)用研究

為探究系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性及在視障生教學(xué)中的作用，將系統(tǒng)裝載到智能眼鏡上，以班級(jí)為單位，進(jìn)行視障生使用實(shí)驗(yàn)，通過記錄視障生的實(shí)際使用情況和反饋得到研究數(shù)據(jù)。

（一）對(duì)照試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選取某校初二年級(jí)一班的視障學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，一班的21名學(xué)生（其中9名男生，12名女生）均佩戴裝有視障輔助系統(tǒng)的智能眼鏡上體育課，作為定量，體育老師與上學(xué)期的體育老師為同一人，且授課內(nèi)容和授課方式與上學(xué)期完全相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2020—2021年第一學(xué)期。

（二）問卷調(diào)查

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行調(diào)查問卷，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息。問卷采用盲文形式，問卷題目采用李克特五點(diǎn)量表進(jìn)行設(shè)計(jì)。問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)表如下表所示。

從表中可以看出，大部分學(xué)生對(duì)輔助眼鏡的感官是良好的，認(rèn)為輔助眼鏡對(duì)上體育課有很大幫助，增加了學(xué)生的上課積極性，但仍有部分學(xué)生不喜歡體育課，個(gè)別學(xué)生對(duì)輔助眼鏡表示了反感，這說明輔助眼鏡仍有需要改進(jìn)的地方。

（三）學(xué)生訪談

為了解實(shí)驗(yàn)對(duì)象的主觀感受，分析輔助眼鏡對(duì)視障生教學(xué)的實(shí)際輔助作用，筆者對(duì)具有代表性的學(xué)生進(jìn)行了訪談。經(jīng)過訪談了解到，學(xué)生對(duì)輔助眼鏡基本可以接受，認(rèn)為系統(tǒng)對(duì)他們上體育課很有幫助，一些同學(xué)認(rèn)為輔助眼鏡幫助他們克服了對(duì)體育活動(dòng)的恐懼，提高了對(duì)體育課的興趣，性格也變得更加開朗樂觀。但是個(gè)別學(xué)生也指出了輔助眼鏡的不足之處，一名學(xué)生認(rèn)為輔助眼鏡的佩戴舒適度不夠高，佩戴整節(jié)課會(huì)使耳朵和鼻梁疼痛，另一名學(xué)生反映輔助眼鏡的語音播報(bào)功能存在一定缺陷，當(dāng)周圍有其他人或者物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，語音提示會(huì)變得比較頻繁。

（四）教師授課感受

體育老師談到以前上體育課的時(shí)候，學(xué)生因?yàn)橐暳φ系K對(duì)體育器材和上課有一定的恐懼心理，每次上課時(shí)都需要帶領(lǐng)學(xué)生觸摸需要使用的器材，大大浪費(fèi)了授課時(shí)間，而且學(xué)生對(duì)體育活動(dòng)的參與度也不高。而輔助眼鏡改變了這一情況，他認(rèn)為輔助眼鏡提高了授課效率，降低了授課難度，增強(qiáng)了學(xué)生進(jìn)行體育活動(dòng)的信心，增加了學(xué)生的運(yùn)動(dòng)量，改善了學(xué)生的體質(zhì)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極主動(dòng)性，同時(shí)由于學(xué)生變得喜歡上體育課，體育老師也變得更受學(xué)生歡迎，增進(jìn)了師生關(guān)系。體育老師表示希望輔助眼鏡能夠在這次測(cè)試中得到更好的調(diào)整優(yōu)化，并希望輔助眼鏡將來可以長期應(yīng)用于體育課教學(xué)中。

三、結(jié)果與展望

總體來說，基于計(jì)算機(jī)視覺的避障導(dǎo)盲系統(tǒng)符合視障生的體育課教學(xué)需求，具有可靠性和實(shí)際可行性，但是在系統(tǒng)的裝載硬件選擇和語音播報(bào)方式上仍需進(jìn)一步改進(jìn)，系統(tǒng)的算法也可以用性能更優(yōu)越的BRIEF等算法進(jìn)行替換，進(jìn)一步提高運(yùn)行效率，同時(shí)可以調(diào)整系統(tǒng)中的部分功能模塊，以滿足視障生對(duì)其他學(xué)科教學(xué)的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴衛(wèi)兵，徐超，陳悅，等.基于計(jì)算機(jī)視覺的輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（3）：37-38.

[2]梁輝，張海叢.視障大學(xué)生學(xué)業(yè)自我效能感調(diào)查研究[J].心理月刊，2020，15（17）：106-107，109.

[3]趙曉軍，陳曉燕，李家興，等.基于RFID/GPS的導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)與研究[J].電視技術(shù)，2019，43（1）：111-114.

[4]楊初華，卓然，牟遠(yuǎn)明.關(guān)于視障生信息無障礙化教學(xué)的探索與研究[J].科教文匯（上旬刊），2018（7）：85-86.

[5]Utku Kose，Pandian Vasant. Better campus life for visually impaired University students： intelligent social walking system with beacon and assistive technologies[J].Wireless Networks，2020，26（7）：4789-4803.

編輯 鄭曉燕