淺析智能導(dǎo)盲產(chǎn)品的未來實現(xiàn)

張小雨　王健宇

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)盲；人工智能；導(dǎo)航；5G；數(shù)字孿生

一、 背景概述

隨著人口的增長和老齡化程度的加深，到2050年，全球預(yù)計會有7.03億人面臨中重度視力損害或失明[1]。根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國約有至少1700萬盲人[2]，但是我們在日常生活中可以看到的自由出行的盲人的數(shù)量卻很少。2016年中國信息無障礙產(chǎn)品聯(lián)盟關(guān)于《中國互聯(lián)網(wǎng)視障用戶基本情況報告》出行調(diào)研顯示，在1805個視障者中，有30%的視障者基本不外出，一周出行4～6次或6次以上不需要家人陪同的僅占9%[3]。

圖1 視障者出行情況

二、 政策指引

盲人作為人類社會中的弱勢群體，其出行困難一直是國家和全社會高度重視的問題。盲人群體人數(shù)逐年增加，能否保障盲人安全可靠、智能高效地出行，是社會進(jìn)步的重要標(biāo)志。

國務(wù)院于2020年7月8日印發(fā)《“十四五”殘疾人保障和發(fā)展規(guī)劃》通知：“將科技助殘納入科技強(qiáng)國行動綱要，促進(jìn)生命健康、人工智能等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)在殘疾人服務(wù)中示范應(yīng)用，開展殘疾預(yù)防、主動健康、康復(fù)等基礎(chǔ)研究，扶持智能化康復(fù)輔助器具、康復(fù)設(shè)備、盲文數(shù)字出版、無障礙等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研究和產(chǎn)品推廣應(yīng)用[4]。”

工業(yè)和信息化部、中國殘疾人聯(lián)合會于2020年9月印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)信息無障礙的指導(dǎo)意見》 ，指導(dǎo)意見提出“鼓勵信息無障礙終端設(shè)備研發(fā)”“支持開發(fā)殘健融合型無障礙智能終端產(chǎn)品”“重點(diǎn)加快智能導(dǎo)盲設(shè)備等智能終端的設(shè)計開發(fā)”“指導(dǎo)第三方機(jī)構(gòu)按照無障礙規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行符合性測試”等要求[5]。

中國盲人協(xié)會通過全國人大和全國政協(xié)提出有關(guān)加快研發(fā)智能導(dǎo)盲設(shè)備的建議與提案，分別得到科技部、工信部等多個部門的積極響應(yīng)和部署。

盲用信息與智能無障礙推進(jìn)工作的盲人代表倡議聚合優(yōu)勢資源，集中攻克難關(guān)，舉各個部門之力，共同研發(fā)能主動引導(dǎo)、安全避障、精準(zhǔn)定位、人機(jī)交互等智能智慧高科技導(dǎo)盲產(chǎn)品，幫助盲人無障礙出行，提升廣大盲人的生活質(zhì)量和參與社會、創(chuàng)造價值的能力。

三、 傳統(tǒng)導(dǎo)盲形式及痛點(diǎn)

現(xiàn)階段大多數(shù)盲人出行的方式以人員陪伴、導(dǎo)盲杖輔助和導(dǎo)盲犬引領(lǐng)為主。

從現(xiàn)實角度出發(fā)，人員陪伴的方式無法做到隨時隨地跟隨盲人，且盲人群體也有獨(dú)立自主的心理需求。

傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖依然是目前使用接受程度最高的導(dǎo)盲輔具。這種盲杖設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，功能基礎(chǔ)，通過敲擊來判斷地形以及周圍環(huán)境障礙，判斷高度有限，易發(fā)生危險。

導(dǎo)盲犬通過特殊的訓(xùn)練可以引導(dǎo)盲人行走，躲避道路危險情況，但一條導(dǎo)盲犬從選種、培訓(xùn)、上崗，需要大量的時間，且價格昂貴。此外，導(dǎo)盲犬被社會接受的程度不夠高，加之其工作年限的限制，致使其無法被普及也無法成為理想的導(dǎo)盲方式。

四、 現(xiàn)代技術(shù)助力導(dǎo)盲行業(yè)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種智能產(chǎn)品的發(fā)展研究備受青睞，智能化給人們的生活帶來了很多便利與機(jī)遇，人們開始關(guān)注如何利用科技手段去提高盲人群體的生活質(zhì)量，滿足獨(dú)立、安全出行的愿望的問題。為了讓視力障礙群體能夠更好地融入社會、更好地去感知世界，真正成為社會的參與者和貢獻(xiàn)者，需要借助科學(xué)技術(shù)設(shè)計生產(chǎn)出具有高性能、高精度、高智能性以及協(xié)同、共融系統(tǒng)的導(dǎo)盲產(chǎn)品。

為滿足盲人獨(dú)自出行的基本要求，高科技導(dǎo)盲產(chǎn)品需具備障礙物與路況識別、地圖構(gòu)建、精準(zhǔn)定位、智能導(dǎo)航、迅速反饋等主要功能。以上功能的實現(xiàn)需要人工智能、云計算、定位與導(dǎo)航、5G移動通信、人機(jī)交互等技術(shù)的支撐。

人工智能（Artificial Intelligence），簡稱AI?，F(xiàn)代意義上的人工智能誕生于1956年的特茅斯學(xué)院夏季學(xué)術(shù)大會，AI的初衷是由機(jī)器模擬人類、動植物和物種種群的行為，學(xué)者們認(rèn)為其學(xué)習(xí)過程或智能的表征特點(diǎn)理論上都可以被機(jī)器精準(zhǔn)地模擬出來。面向特定領(lǐng)域的人工智能（即專用人工智能），如語音識別、人臉圖像識別等，因具有應(yīng)用場景需求明確、所在領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)成熟、模型建立過程簡單可行的特點(diǎn)，在特定人工智能領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)單點(diǎn)突破，如圖像識別等單項測試中已經(jīng)達(dá)到超越人類的水平。目前，人工智能技術(shù)已在教育、安全、金融、交通、醫(yī)療健康、家居、游戲娛樂等多個領(lǐng)域取得技術(shù)成果并廣泛應(yīng)用，并且應(yīng)用場景也越加豐富。

目前人工智能技術(shù)已經(jīng)滲透在智能導(dǎo)盲產(chǎn)品的研發(fā)制造中，如應(yīng)用人臉識別技術(shù)進(jìn)行用戶識別、縮短機(jī)器人權(quán)限認(rèn)證時間；應(yīng)用表情、姿態(tài)識別技術(shù)對用戶的體力和情緒進(jìn)行感知，并據(jù)此調(diào)整行進(jìn)速度；應(yīng)用行為預(yù)測技術(shù)預(yù)測用戶行動，降低機(jī)器人速度過快而引發(fā)用戶摔倒的概率[6]。智能語音技術(shù)和圖像識別檢測技術(shù)是智能導(dǎo)盲產(chǎn)品最核心的關(guān)鍵技術(shù)。智能語音技術(shù)是一種以語音信號識別為基礎(chǔ)，搭配自然語言處理和對話管理技術(shù)，將語言輸入信息提取、分析，最終通過語音合成或文字等方式輸出的人機(jī)語言交互技術(shù)，是最早落地的人工智能技術(shù)之一。圖像識別技術(shù)可以對場景中的對象進(jìn)行定位、識別和分類，區(qū)分交通信號燈、汽車和行人，同時配合超聲波、紅外和TOF攝像頭等傳感器，提高識別準(zhǔn)確性，結(jié)合語音提示引導(dǎo)，實現(xiàn)盲人的主動避障和出行引導(dǎo)。

云計算（Cloud Computing）技術(shù)是一種分布式計算技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)“云”將龐大的數(shù)據(jù)計算處理任務(wù)劃分為成若干個小任務(wù)，然后將每個任務(wù)分發(fā)給多部計算機(jī)組成的系統(tǒng)，每個計算機(jī)僅計算處理一個或數(shù)個小任務(wù)，每個小任務(wù)被計算處理后，再將結(jié)果合并最后返回給用戶。云計算技術(shù)甚至可以實現(xiàn)每秒10萬億次的運(yùn)算能力，并且可以隨時獲取，按需使用。利用這項技術(shù)，用戶可以在數(shù)秒之內(nèi)處理數(shù)量高達(dá)數(shù)以千萬計甚至億計的信息，由此獲得與“超級計算機(jī)”同樣算力的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。智能導(dǎo)盲產(chǎn)品需要收集分析大量的信息，用來引導(dǎo)盲人出行。需要收集和處理的信息包括路面狀況、路面障礙物、行人、車輛等環(huán)境信息，斑馬線、盲道和人行道的位置、交通燈及交通標(biāo)志的指示信息等交通信息，自身位置、朝向、目的地位置及前往目的地的合理路徑信息等導(dǎo)向信息[6]。借助云計算技術(shù)，可以滿足智能導(dǎo)盲產(chǎn)品的人工智能、人機(jī)交互等需要處理大量實時運(yùn)算的要求。

定位與導(dǎo)航技術(shù)，當(dāng)盲人在陌生環(huán)境下進(jìn)行有目的的行程時，需要獲取自身的精確位置、目的地位置及行進(jìn)路線等信息[7]。導(dǎo)盲設(shè)備實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和路徑規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于GPS/北斗等數(shù)據(jù)定位、定位標(biāo)簽、循跡導(dǎo)航、3D環(huán)境模型等等。在室外環(huán)境中，最常用且經(jīng)濟(jì)的定位方式是借助民用導(dǎo)航系統(tǒng)，如GPS、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等提供的信息，并在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充通過圖像系統(tǒng)獲取的交通狀況信息，如行車道、斑馬線、建筑地標(biāo)等，從而形成適用于輔助盲人出行的專用地圖。在室內(nèi)環(huán)境中，由于建筑物對民用導(dǎo)航系統(tǒng)的信號具有削弱效果，民用導(dǎo)航系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性大打折扣，已無法用于實時導(dǎo)航。對于小型室內(nèi)環(huán)境，可預(yù)先建立3D環(huán)境模型，再結(jié)合室內(nèi)定位手段進(jìn)行導(dǎo)航。對于大型室內(nèi)環(huán)境，如醫(yī)院、商場、劇院等，此類場景建立3D模型的成本過高，可在地面加鋪電子軌跡或密集布置電子標(biāo)簽的方式實現(xiàn)面向盲人的室內(nèi)導(dǎo)航。室內(nèi)導(dǎo)航還可以采用藍(lán)牙信標(biāo)、超聲波定位系統(tǒng)等技術(shù)，配以專業(yè)的室內(nèi)地圖，還可以提供詳細(xì)的室內(nèi)設(shè)施介紹。通過以上這些技術(shù)，可以實現(xiàn)室內(nèi)、室外、公交車站導(dǎo)航模式的無縫切換。

5G，即第五代移動通信技術(shù)。相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)有增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機(jī)器類通信（mMTC）三大優(yōu)勢。增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)流量的爆炸式增長，能夠為飛速增長的移動互聯(lián)網(wǎng)用戶群體提供更加沉浸的體驗；超高可靠低時延通信（uRLLC）主要面向工業(yè)控制、實時互動、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的行業(yè)應(yīng)用需求；海量機(jī)器類通信（mMTC）主要面向智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等需要部署大量傳感器并采集海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求[8]。對于導(dǎo)盲產(chǎn)品而言，需要大帶寬的傳輸能力來支持云計算技術(shù)大量的數(shù)據(jù)傳輸，超高可靠低時延來支持實時通信引導(dǎo)，輔助盲人及時對環(huán)境變化做出反饋；5G通信技術(shù)剛好契合大流量、低時延的要求。

電力供應(yīng)技術(shù)?，F(xiàn)代導(dǎo)盲產(chǎn)品按照計算形式可分為離線式和在線式。離線式導(dǎo)盲設(shè)備需具備一定的算力，可獨(dú)立處理位置信息和環(huán)境信息并做出反饋，在線式導(dǎo)盲設(shè)備對本地算力的要求有所降低，但需要強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接能力來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。無論何種形式的導(dǎo)盲設(shè)備，終端算力和高速網(wǎng)絡(luò)連接都需要足夠的電力進(jìn)行支撐。在目前的實際應(yīng)用中，鋰離子電池的實際容量為200mAh/g，遠(yuǎn)距離無線充電技術(shù)傳輸功率受限且尚不成熟，光伏電池受限于體積且在室內(nèi)環(huán)境下效能不佳。受制于設(shè)備電源技術(shù)，導(dǎo)盲產(chǎn)品需要在可穿戴性、功能性和易用性之間達(dá)到平衡。

近年來，智能導(dǎo)盲產(chǎn)品在市場上開始流行。智能導(dǎo)盲手杖可以通過傳感器技術(shù)來實現(xiàn)測距、測位移、識別圖像等功能；借助5G通信技術(shù)，通過手杖與無線通信網(wǎng)絡(luò)的連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息互通互動；借助計算機(jī)技術(shù)快速處理從傳感器、麥克風(fēng)和網(wǎng)絡(luò)等傳來的各類信息，迅速判定行進(jìn)方向并給出提示。導(dǎo)盲頭盔、導(dǎo)盲耳機(jī)、智能導(dǎo)盲背包、智能導(dǎo)盲手環(huán)和智能導(dǎo)盲鞋等，形態(tài)各異的導(dǎo)盲產(chǎn)品在人臉識別、物體識別、定位與導(dǎo)航、智能語音、傳感器、雷達(dá)等各項技術(shù)的加持下，在一定程度上降低了視障人士的出行阻力，但距離讓視障人士自如出行的最終目標(biāo)仍有差距。

五、 未來導(dǎo)盲技術(shù)展望

人機(jī)交互功能是衡量產(chǎn)品“友善性”的一個重要因素，在智能導(dǎo)盲產(chǎn)品中，盲人得到的反饋信息應(yīng)該是實用、易理解且豐富的，同時盲人也可以選擇通過向智能導(dǎo)盲產(chǎn)品系統(tǒng)輸入指令來獲得更人性化的導(dǎo)盲服務(wù)人機(jī)交互、人機(jī)互動。一個好的智能導(dǎo)盲產(chǎn)品應(yīng)該能夠快速、高效地對盲人行進(jìn)進(jìn)行提示，正確地接收使用者的要求，并做出響應(yīng)，常見的智能交互有觸控屏、語音交互、手勢識別等。

智能導(dǎo)盲機(jī)器狗[9]是一種正在研究中的智能導(dǎo)盲產(chǎn)品，以現(xiàn)有導(dǎo)盲犬為仿生對象，外形具有狗的身體形態(tài)，將更易被視力障礙者所接受。其內(nèi)部預(yù)置高精度室內(nèi)外地圖信息，通過攝像頭陣列來識別道路、交通標(biāo)識及障礙物。四足移動的方式可以輕松上下臺階、跨越淺坑等障礙，可自主決策引導(dǎo)盲人進(jìn)行精確避障并按照用戶的指令行動。利用5G、短距離通信、高精度衛(wèi)星定位和自動化控制等技術(shù)實現(xiàn)低延時快速響應(yīng)，主動識別、主動避障、主動判斷、主動引領(lǐng)、立體空間安全避障。此外，智能導(dǎo)盲機(jī)器狗還可通過語音、音效、震動等多種方式實現(xiàn)主動引領(lǐng)、導(dǎo)盲及遠(yuǎn)程人工導(dǎo)盲。不僅如此，智能導(dǎo)盲機(jī)器狗與傳統(tǒng)導(dǎo)盲犬相比，服務(wù)周期長，且內(nèi)部的數(shù)據(jù)具有可移植性，即使更換智能導(dǎo)盲機(jī)器狗，其內(nèi)部的個性化數(shù)據(jù)也可長期伴隨主人。

云端智能機(jī)器人是未來導(dǎo)盲產(chǎn)品的呈現(xiàn)形式之一。云端智能機(jī)器人利用立體視覺、超聲雷達(dá)、慣性導(dǎo)航等傳感器采集、壓縮相關(guān)數(shù)據(jù)，利用5G通信技術(shù)經(jīng)機(jī)器人專用網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到云端。云端機(jī)器人通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行理解、分析、處理，形成指令，再經(jīng)機(jī)器人專用網(wǎng)絡(luò)回傳至導(dǎo)盲終端，通過語音或者觸覺的方式反饋給盲人。通過北斗/GPS衛(wèi)星定位、場景識別、云端計算機(jī)視覺、多傳感器融合、自然語音交互、人工智能和環(huán)境地圖等技術(shù)實現(xiàn)擬實現(xiàn)室內(nèi)室外導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、自主識別、自主避障、自主規(guī)劃路線等功能。

仿生眼球的研究。日前，我國科研人員已研制出電化學(xué)仿生眼球。目前的實驗數(shù)據(jù)表明，這顆仿生眼球能夠分辨黑白顏色，響應(yīng)速度比人眼快一倍，最高分辨率可達(dá)到人眼的6倍[10]。仿生眼融合人工智能技術(shù)，能夠在夜視、多維等功能上做出突破，比如在黑暗中也能看清事物。這項研究已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段。因為要考慮到仿生器官與人體直接的融合度，所以必須經(jīng)過縝密的實驗過程，才能在人體內(nèi)應(yīng)用。

總結(jié)綜述

從各項數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，到高端導(dǎo)盲科技產(chǎn)品的涌現(xiàn)，從底層系統(tǒng)的全方位運(yùn)用，到如何為盲人朋友們營造一個更天然友好的世界，智能導(dǎo)盲系統(tǒng)的誕生將讓我們對這個世界有更多想象。利用融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)，打造出無障礙城市一張網(wǎng)。通過各種傳感設(shè)施采集外部環(huán)境信息，并經(jīng)過傳輸、處理，實現(xiàn)自動識別路徑關(guān)鍵標(biāo)志、語音交互、導(dǎo)航引領(lǐng)、一鍵求助等功能，建設(shè)無障礙智能城市，讓盲人自由出行?？萍紦碛兄?dú)特的魅力，它讓很多事情從不敢想到變?yōu)楝F(xiàn)實，我們希望通過高科技可以給盲人帶來一個真正無障礙的世界，和所有的人一起有更多交融，智能導(dǎo)盲系統(tǒng)，帶給我們的就是這樣一個世界。