隱藏式結構的智能導盲帽產品的設計與實現(xiàn)

金詩博 張明哲 趙澤辰 李江寧（天津中德應用技術大學，天津 300350）

0 引言

本產品能夠為盲人出行提供便利和安全保障，實現(xiàn)對障礙的識別和信息提示，同時能夠滿足盲人對導盲產品不易引起外界對自身缺陷過多關注的心理需求。本文將從用戶需求、實現(xiàn)形式方面，對本作品“一種隱藏式結構智能導盲帽”的設計思路做分享。

1 本系統(tǒng)研究背景

根據(jù)研究調查結果，可以知道每天外出的盲人僅占27%，有55%的盲人表示在出行時無法辨清方向，有34%的盲人擔心出行的過程中被障礙物撞到。盲人不經常出行主要是因為沒有完善的交通系統(tǒng)和友好的導航代步設備，并且盲道占用率高，利用率低下。盲人們普遍渴望友好的代步工具保護自己不受傷，渴望有一個針對盲人出行的交通系統(tǒng)，渴望引進導盲產品以更好地助行。

盲人的心理需求同樣有以下兩個方面：

一方面，盲人群體因為生活受限渴望來自外界的幫助，當幫助不得時，他們很容易產生忽略感和自卑感；另一方面，盲人希望能夠受到他人的平等對待，希望自己不被孤立，希望自己能夠和正常人一樣參與到社會生活和活動中，特別是需要外界不對自身的缺陷過多的關注，有尊重和自我實現(xiàn)的需要，所以其對于結構優(yōu)化、陪伴式的助行設施的渴望十分強烈。所以，一種隱藏式結構的智能導盲帽能夠很好的滿足盲人使用者的心理需求。

在現(xiàn)實生活中，大多數(shù)的盲人都是通過普通的盲杖來輔助行走，而盲杖作為一根普通的長桿，存在太多的局限與不足。導盲犬雖可以協(xié)助盲人行進，卻存在訓練周期長、成本較高的缺點，這也降低了導盲犬的使用性。

2 研究意義

研究該導盲出行產品具有以下重要的意義：第一，盲人因為出行不便難以很好地接觸外面的世界，因此盲人的生活相對于普通人來說較為平淡。諸如盲人導航器等關于盲人出行的產品能夠運用現(xiàn)代的科學技術，方便盲人的出行，增加出行的安全性，同時讓盲人的出行不再乏味，以便利的出行服務幫助盲人融入當下的智能生活，感受到科技帶給他們的便利，感受到社會給予的關懷。

第二，盲人與普通人同處于一個社會，但是因為自身缺陷的原因，在很多情況上，盲人遭受著相比于正常人的不平等對待與相處。關于盲人出行產品的生產與推廣能夠通過社會上更多人對盲人等殘障人士的認識與了解，更好地弘揚、傳播良好、互幫互助的社會風貌，促進社會群眾之間的平穩(wěn)發(fā)展與和諧共處。采用隱藏式結構的方法，避免了外界對盲人使用者缺陷的過多關注，同時有利于消除殘障人士在社會上的不平等對待，使他們能夠更好地步入正常的生活。

第三，盲人出行產品運用近代科技已經成熟的圖像識別與傳感技術，達到低成本高質效的效果，并結合能夠滿足盲人出行的相關應用功能，使功能不再單一。

3 導盲帽的特色與優(yōu)勢

該隱藏式結構的導盲帽和同類產品對比，經過分析有以下的優(yōu)勢和特色：

（1）盲人群體因為自身條件的限制，多數(shù)盲人的購買力有限，而同類產品的成本比較高，對于大多數(shù)盲人群體來說價格負擔較重。

（2）目前同類產品存在一些限制因素，比如說，同類導盲產品在低端型號上，應用功能略顯單一。

（3）在外形上，同類產品顯得比較“龐大”或“怪異”，易引起其他人對使用者的缺陷過多關注，增加盲人用戶的心理負擔。

所以，本文從以上三點出發(fā)，研究解決方案，設計了一款智能導盲系統(tǒng)核心模塊，并可以附著在不同的定制帽體上，形成多樣化的模塊隱藏式的智能導盲帽。

4 功能設計思路

本產品的思路為設計一款更加人性化、多樣化的盲人導航器產品，來取代功能單一的導盲拐杖和成本高昂的導盲犬，在現(xiàn)實和技術層面上是可行的。采用GPS模塊、超聲波傳感器以及樹莓派智能終端，結合軟件技術，實現(xiàn)圖像場景識別、語音交互提示。盲人使用者只需要佩戴藍牙耳機，同樣可以選配有線耳機，再結合語音輸入，輸入想要到達目的地，就能快捷、便利、安全地通過耳機收聽GPS導航語音功能抵達目的地。將模塊與外接感知設備隱藏在定制的帽體結構中，形成一種外觀上與普通帽體無異的導盲產品。

在盲人出行過程中如果有停留、等待的空閑時間，可以使用附加功能，收聽實時播報、音樂，這樣能夠豐富出行。此外，還可以利用網絡以及App，幫助在盲人和其監(jiān)護人之間建立起一種新型的信息化溝通與交互橋梁，讓盲人的每一次出行更便捷、安全、舒適。

5 技術原理與設計

（1）本產品以穿戴帽為載體，樹莓派結合GPS定位導航和高精度九軸陀螺儀組成的人工智能核心模塊為中心，外部搭載超聲波傳感器，以及攝像頭，高精度高靈敏的識別。同時通過語音播報方式，實現(xiàn)與盲人直接進行快速交互，提示障礙物類別，指引盲人前進避障的方向，幫助盲人到達想要到達的目的地。

（2）樹莓派4B微型電腦搭載陀螺儀、GPS等傳感器組成導盲核心模塊，同時核心模塊含有傳感器和外設接口，可實現(xiàn)外設和傳感器的功能選配，結構如圖1所示。同時本系統(tǒng)模塊采用“云—邊”的雙重方式，可實現(xiàn)視覺三維建立，以及基于為盲人特殊設計數(shù)據(jù)集下訓練，實現(xiàn)道路圖像識別、自主判斷道路危險等級及繞行方案。

圖1 核心模塊結構布局示意圖

（3）上述功能，采用“云”方式為本系統(tǒng)核心模塊通過視頻采集，與自主開發(fā)的后臺程序進行交互，后臺根據(jù)本導盲系統(tǒng)上傳圖像信息，進行識別運算并返回識別結果，核心模塊通過語音或觸感提示盲人使用者；采用邊緣方式為在網絡異常時，本導盲帽核心模塊可通過攝像頭進行圖像采集，在導盲帽的樹莓派中，進行圖像識別運算和障礙物信息提示，這樣實現(xiàn)雙重識別保障。同時，在自主開發(fā)的后臺程序中，能夠實時接收導盲帽傳來的GPS位置信息，這樣方便盲人的親屬，通過網站或App實時了解盲人的位置信息，為盲人出行提供安全保障。

（4）圖像檢測移動檢測方法，采用色域識別方法，應用numpy、opencv等庫進行識別講圖片色域進行分離提取，并用numpy創(chuàng)建矩陣接收并將色域信息轉換到hsv色域模型，用opencv庫對圖片進行膨脹和腐蝕操作，將圖片導入高通濾波器提取出對應顏色邊框，如果邊框長度＞0，則識別到對應顏色。同時對邊框進行排序，選出面積最大的邊框，導入并運算質心，將質心的坐標存入數(shù)組，對比前后兩張圖片數(shù)組變化即可得知色塊在攝像頭中的運動軌跡。

（5）另外，核心模塊與定制的帽體采用一種隱藏式結構，帽體采用內嵌拉鏈與隱藏式夾層的形式，并在放置模塊周圍的地方進行絕緣處理。這樣的方式可實現(xiàn)該導盲帽與普通帽體無異，這樣就不會過多引起盲人使用者的心理負擔，如圖2所示。

圖2 核心模塊與定制帽體布局圖

6 結語

本系統(tǒng)能夠避免外界對于盲人使用者自身視力缺陷的過多關注，在一定程度上能夠增強使用者的體驗感受和心理滿足。同時通過核心導盲模塊的功能，能很好地幫助盲人安全出行，并規(guī)避危險。