基于OpenCV技術(shù)的智能盲杖設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：【目的】以提升視障人士的生活質(zhì)量和獨立性，基于OpenCV技術(shù)開發(fā)一種創(chuàng)新的視障人士輔助裝置——智能盲杖。【方法】通過攝像頭實時采集環(huán)境圖像，借助OpenCV技術(shù)進(jìn)行圖像處理和分析，并且融合了語音提示和導(dǎo)航功能，幫助視障人士更加準(zhǔn)確地定位和導(dǎo)航?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明，該裝置可以成功輔助視障人士感知周圍環(huán)境，并提供準(zhǔn)確而及時的視覺信息。使用該裝置后，視障人士展現(xiàn)出更高的獨立性和安全性。【結(jié)論】基于OpenCV技術(shù)的視障人士輔助裝置是一種創(chuàng)新、實用的設(shè)計，顯著提高了視障人士的生活質(zhì)量和日常行動能力。未來的研究方向包括優(yōu)化硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性，以及擴(kuò)展語音提示和導(dǎo)航功能，以適應(yīng)更多日常場景，從而為視障人士群體帶來更廣泛、更深遠(yuǎn)的益處。該設(shè)計對提升社會包容性和促進(jìn)科技助力殘障人士生活品質(zhì)方面具有積極意義。

關(guān)鍵詞：圖像處理；語音提示；導(dǎo)航功能；定位與導(dǎo)航

中圖分類號：TP391.4" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）14-0027-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.005

Design and Implementation of Intelligent Blind Cane Based on OpenCV Technology

Abstract：[Purposes] The purpose of this study is to develop an innovative assistive device， intelligent blind cane， for the blind based on OpenCV technology， aiming to enhance the quality of life and independence of visually impaired individuals.[Methods] Real-time environmental image capture is achieved through a camera， and OpenCV is utilized for image processing and analysis. The device goes beyond image recognition， incorporating voice prompts and navigation functions to assist blind individuals in more accurate positioning and navigation.[Findings] Research findings indicate that the device effectively aids blind individuals in perceiving their surrounding environment， providing accurate and timely visual information. After using the device， individuals with visual impairments demonstrate increased independence and safety.[Conclusions] This study emphasizes the assistive device based on OpenCV technology as an innovative and practical solution， significantly improving the quality of life and daily mobility of blind individuals. Future research directions may involve optimizing hardware design to enhance system stability and durability， as well as expanding voice prompts and navigation functions to adapt to a wider range of daily scenarios. This research contribution not only propels advancements in the technological field but also holds positive implications for enhancing societal inclusivity and leveraging technology to improve the quality of life for individuals with disabilities.

Keywords： image processing; voice prompts; navigation functionality; positioning and navigation

0 引言

視障人士作為社會中的特殊群體，因缺乏視覺能力而在日常生活中面臨比常人更多的困難與挑戰(zhàn)。為提高視障人士的生活質(zhì)量和獨立性，許多研究專注于開發(fā)各類視障人士的輔助裝置。在這些裝置中，基于計算機(jī)視覺技術(shù)的視障人士輔助裝置成為研究的熱點之一。OpenCV①（Open Source Computer Vision Library）作為廣泛應(yīng)用于計算機(jī)視覺領(lǐng)域的開源庫，具備強(qiáng)大的圖像處理和分析功能進(jìn)行圖像標(biāo)定［1］，已廣泛應(yīng)用于各種圖像識別和分析任務(wù)中。

本研究旨在基于OpenCV技術(shù)開發(fā)一種視障人士輔助裝置，通過圖像處理和分析為視障人士提供必要的視覺信息。該裝置通過攝像頭實時采集圖像，利用OpenCV進(jìn)行物體識別、人臉檢測和障礙物識別等處理，從而幫助視障人士感知周圍環(huán)境。同時，該裝置還具備語音提示和導(dǎo)航功能，有助于視障人士更準(zhǔn)確地定位和導(dǎo)航。本研究將通過試驗，評估該裝置的效果，以驗證其在提高視障人士生活質(zhì)量和獨立性方面的潛力。預(yù)計該研究的結(jié)果將為視障人士輔助技術(shù)的發(fā)展提供有益的參考和借鑒。這一創(chuàng)新性的視障人士輔助裝置有望成為促進(jìn)社會包容性和改善視障人士生活的有效工具。

1 智能盲杖工作原理分析

首先，智能盲杖的攝像頭負(fù)責(zé)捕獲周圍環(huán)境的圖像。經(jīng)過初步處理，圖像被轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可理解的矩陣數(shù)值形式，從而完成圖像的傳輸；其次，通過圖像處理算法對傳入的圖像矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，識別出障礙物、交通信號燈和標(biāo)志等關(guān)鍵元素；最后，將分類后的數(shù)據(jù)及其相關(guān)的距離信息等傳輸?shù)綐漭芍骺刂小Ｍ瑫r，傳感器模塊負(fù)責(zé)檢測前方的障礙物。一旦發(fā)現(xiàn)障礙物，傳感器模塊將觸發(fā)信號，將該信號傳送至樹莓派主控進(jìn)行處理。樹莓派主控始終接收搭載在盲杖上的模塊所發(fā)來的數(shù)據(jù)，特別是圖像視覺數(shù)據(jù)。樹莓派主控通過綜合處理這些數(shù)據(jù)，利用內(nèi)置的路徑規(guī)劃算法為用戶規(guī)劃路徑，并通過語音實時播報給用戶。

智能盲杖系統(tǒng)通過圖像處理和傳感器技術(shù)的協(xié)同作用，能夠?qū)崟r感知用戶周圍環(huán)境，并在檢測到障礙物時及時提供語音導(dǎo)航，為視障人士提供更安全、更便捷的出行體驗。

2 智能盲杖模塊架構(gòu)

2.1 樹莓派4B主控制器

樹莓派（Raspberry Pi）是一款卡片式電腦，擁有全面的基本功能，廣泛應(yīng)用于各種項目中。樹莓派4B以其強(qiáng)大的性能，成為導(dǎo)盲杖系統(tǒng)的主控制器，負(fù)責(zé)圖像傳輸和圖像處理［2］等相關(guān)需求。

2.1.1 性能卓越。樹莓派4B在性能方面表現(xiàn)卓越，搭載了更快的處理器和更大的內(nèi)存，能夠處理復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)。

2.1.2 圖像傳輸。作為主控制器，樹莓派4B負(fù)責(zé)與攝像頭模塊進(jìn)行連接，實時捕獲環(huán)境圖像。通過CSI排線，將圖像傳輸至樹莓派，為后續(xù)的圖像處理提供數(shù)據(jù)源［3］。

2.1.3 圖像處理。樹莓派4B搭載了強(qiáng)大的圖像處理庫，例如OpenCV，用于對捕獲的圖像進(jìn)行實時處理。其中包括物體識別、人臉檢測及障礙物識別等關(guān)鍵任務(wù)，為視障人士提供必要的視覺信息。

2.1.4 可擴(kuò)展性。樹莓派4B支持各種外部設(shè)備的連接，具有良好的可擴(kuò)展性。使得導(dǎo)盲杖系統(tǒng)可以集成多種傳感器和模塊以滿足不同的功能需求。

2.1.5 低功耗設(shè)計。樹莓派4B采用低功耗設(shè)計，適合移動設(shè)備的應(yīng)用。這確保了導(dǎo)盲杖系統(tǒng)在使用過程中能夠保持較長的續(xù)航時間［4］。

2.2 Air780e通信模組

Air780e模組是基于LTE Cat.1蜂窩移動通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信模組?；贓C618芯片平臺低功耗特性加上合宙在低功耗方面的深度開發(fā)，極大降低聯(lián)網(wǎng)待機(jī)功耗，顯著提高在表計、物流、低功耗安防等應(yīng)用場景設(shè)備的待機(jī)時間。首先，通過串口或SPI接口向模塊發(fā)送AT指令，配置模塊工作模式、頻率、功能等參數(shù)；其次，編寫發(fā)送的程序，并通過Arduino或其他開發(fā)板進(jìn)行程序發(fā)送，將數(shù)據(jù)發(fā)送給Air780e模塊；接著，調(diào)用模塊，并將數(shù)據(jù)通過串口或SPI發(fā)送出去。模塊接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送給開發(fā)板；最后，開發(fā)板接收數(shù)據(jù)并通過解析處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可讀模式。

2.3 定位模塊

Air780e 模塊正常聯(lián)網(wǎng)后搜索附近的信息并上報給后臺，后臺可以查詢當(dāng)前的定位，并結(jié)合信息強(qiáng)度等因素進(jìn)行計算，最后將計算出的經(jīng)緯度返回給模塊。緊急按鈕允許用戶將當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)以獲得幫助。當(dāng)老人遇到突發(fā)情況時，按下按鈕就會將目前的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，通過手機(jī)就可以看到使用者當(dāng)前的位置。

2.4 MPU6050姿態(tài)傳感器

MPU6050姿態(tài)傳感器由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成，可以測量物體在x、y、z三個方向上的加速度和角速度。加速度計可以檢測物體的線性加速度，而陀螺儀可以檢測物體的角速度。通過將加速度計和陀螺儀的測量結(jié)果進(jìn)行組合，可以計算出物體的方向和角度。工作方式采用MPU6050，通過I2C總線通信協(xié)議，可以直接連接到微控制器或單片機(jī)上。MPU6050工作時，會不斷地讀取加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和濾波。處理后的數(shù)據(jù)可以通過I2C總線發(fā)送給微控制器或單片機(jī)，以供后續(xù)處理和應(yīng)用。

3 智能盲杖系統(tǒng)工作原理

3.1 樹莓派系統(tǒng)配置與圖像識別算法開發(fā)

為實現(xiàn)智能盲杖的圖像識別功能，首先，應(yīng)在樹莓派中插入基于Ubuntu的系統(tǒng)鏡像文件；其次，搭建必要的操作系統(tǒng)環(huán)境，并下載安裝深度學(xué)習(xí)及科學(xué)運算庫，包括Opencv、Tensorflow②、pandas③、numpy等。圖像識別算法［5］的開發(fā)涵蓋數(shù)據(jù)獲取、圖像預(yù)處理、特征提取、分類器選擇與決策。樹莓派4B作為主處理器，確保系統(tǒng)具備足夠的性能來滿足圖像處理的需求。

3.2 攝像頭模塊驅(qū)動與圖像傳輸

攝像頭模塊的驅(qū)動與圖像傳輸是智能盲杖中至關(guān)重要的部分。通過CSI排線將樹莓派與攝像頭連接，使用OpenCV庫捕獲實時視頻。這一步驟還包括對圖像進(jìn)行編碼，以便于傳輸至后端服務(wù)器，確保攝像頭模塊的正常工作和圖像傳輸?shù)牧鲿场⒖煽俊?/p>

3.3 微信公眾號集成與實時通知

將智能盲杖與微信公眾號集成，用于通信、更新和實時通知。通過微信公眾號的消息推送功能，向用戶發(fā)送設(shè)備狀態(tài)、位置信息等重要信息。結(jié)合微信提醒功能，確保用戶能夠及時收到重要的提醒，如低電量、系統(tǒng)故障等。在設(shè)計中要注重用戶隱私，明確數(shù)據(jù)收集和使用的目的，并提供隱私政策說明。

3.4 樹莓派運行

考慮到導(dǎo)盲杖的結(jié)構(gòu)與便攜性，導(dǎo)盲杖的使用過程中需要“脫機(jī)”工作，也即需要將多余的顯示器部分刪除掉。該過程可以依靠樹莓派中的腳本實現(xiàn)程序的自啟動，確保樹莓派開機(jī)后便可以運行障礙物識別的相關(guān)程序。使用Shell進(jìn)行腳本的編寫，將運行Python文件的代碼放在testboot.sh中，運行命令sudo nano/etc/rc.local并進(jìn)入rc.local，把supi-c\"exec/home/pi/testboot.sh\"加在exit 0之前，便可實現(xiàn)開機(jī)時執(zhí)行腳本的效果，至此自啟動腳本部分完成。

4 智能盲杖整體設(shè)計

智能盲杖的整體設(shè)計如圖1所示。樹莓派4B主控制器作為系統(tǒng)的核心，可以提供強(qiáng)大的性能，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理和整體系統(tǒng)的控制。攝像頭模塊用于捕獲周圍環(huán)境的實時圖像，為圖像識別提供輸入數(shù)據(jù)。傳感器模塊檢測前方的障礙物［6］，觸發(fā)信號并傳輸給主控制器，用于安全導(dǎo)航。Air780e模組基于LTE Cat.1蜂窩移動通信技術(shù)，用于聯(lián)網(wǎng)和位置信息的獲取。緊急按鈕允許用戶在遇到緊急情況時發(fā)送求助信號，提高用戶的安全性。微信公眾號通知用戶相關(guān)信息。緊急情況的處理，用戶按下緊急按鈕，觸發(fā)緊急求助信號，通過微信通知用戶，并上傳至后臺。

5 結(jié)語

本研究旨在借助OpenCV技術(shù)開發(fā)一種基于圖像處理和分析的視障人士輔助裝備，致力于提升視障人士的生活質(zhì)量和獨立性。通過對實時圖像的處理和采集，該裝置能夠識別物體、人物和障礙物，并為視障人士提供必要的視覺信息。同時，配備語音提示和導(dǎo)航功能，更好地幫助視障人士進(jìn)行定位和導(dǎo)航。

通過驗證該設(shè)備的實用性和應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，該裝置能夠有效地輔助視障人士感知周圍環(huán)境，提供準(zhǔn)確的視覺信息。使用該裝置后，視障人士表現(xiàn)出更高的獨立性和安全性，為其日常行動帶來了明顯的改善。

基于OpenCV的視障人士輔助裝置是一種實用且高效的解決方案，能夠顯著提高視障人士的生活質(zhì)量。這一技術(shù)的應(yīng)用不僅提供了實時、全面的環(huán)境認(rèn)知，也增強(qiáng)了視障人士的生活自主性。未來期望進(jìn)一步優(yōu)化該裝置的設(shè)計，推動智能輔助技術(shù)在殘障人士生活中發(fā)揮更大的作用。通過持續(xù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，為社會提供更為人性化、智能化的輔助設(shè)備，為視障人士群體創(chuàng)造更加平等、便捷的生活體驗。

注釋：

①OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一個開源計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)庫。它提供了豐富的工具和算法。

②TensorFlow（中文名為“張量流”）是由 Google Brain 團(tuán)隊開發(fā)的一個開源機(jī)器學(xué)習(xí)框架。

③Pandas（Python Data Analysis Library）是一個開源的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理庫，建立在Python編程語言之上。

參考文獻(xiàn)：

［1］ZHANG Z .A Flexible New Technique for Camera Calibration［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2000， 22（11）：1330-1334.

［2］HAO G，MIN L，F(xiàn)ENG H.Improved Self-Adaptive Edge Detection Method Based on Canny［C］//International Conference on Intelligent Human-machine Systems amp; Cybernetics.IEEE， 2013.

［3］張學(xué)武， 范新南. 視覺檢測技術(shù)及智能計算［M］. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2013.

［4］MEMBREY， PETER，HOWS， et al.樹莓派學(xué)習(xí)指南：基于Linux［M］.北京：人民郵電出版社，2014.

［5］ ZHANG C C ， ZHANG K ， NI R ，et al.Unleashing the Potential of Machine Learning： An Exploration of State-of-the-Art Algorithms and Real-World Applications in Computer Vision［C］//2023 Congress in Computer Science， Computer Engineering， amp; Applied Computing （CSCE）.IEEE，2023.

［6］WANG H ， LIU C ， YU L ，et al.Research on Target Detection and Recognition Algorithm Based on Deep Learning［C］//2019 Chinese Control Conference （CCC）.IEEE， 2019.