可穿戴電子導盲裝置設計與實現★

姚 麗 武慧榮 逯兆友 常 欣

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

目前，為盲人出行提供便利的設計并不完善，各式導盲設備也不斷出現，對導盲設備的研究也越來越深入，如基于多傳感器智能化導盲杖[1]、基于雙目視覺方法導盲機器人研究[2]、基于機器視覺導盲眼鏡[3]、導盲系統中的障礙物檢測方案設計[4]等，現有導盲裝置多為導盲杖、導盲眼鏡等，存在攜帶不方便、成本高、導盲效果不好、過于顯著的裝置不易被盲人群體接受等問題。

因此，設計一種既能方便盲人，又使盲人容易接受的導盲設備尤為重要。本文基于圖像處理技術來分辨行進方向障礙物，以Arduino單片機為控制核心，將信息通過耳機傳遞給使用者；同時集成GPS模塊和一鍵求救功能，能夠實時向相關人員傳遞使用者的位置或求救信息。

1 總體功能設計

1.1 可穿戴設備可實現的功能

該可穿戴設備采用人性化的設計，將導盲裝置集成應用于帽子上，方便攜帶，帽檐部分設計了墨鏡造型，具有一定的美觀性，且在外形上與普通帽子無差異。該可穿戴設備具有以下功能：

1)識別使用者前方障礙物并輸出語音提示。通過圖像采集模塊采集使用者前方的環境信息，利用圖像處理模塊識別出圖像中的障礙物信息，并通過語音提示模塊提醒盲人。

2)使用者地理位置信息實時獲取。將使用者實時位置信息反饋給移動終端，使用者家屬可以通過手機APP獲取使用者的行

駛路徑信息及實時地理位置信息，方便及時掌握使用者動態，掌握其安全信息。

3)一鍵求救功能。當使用者遇到危險時，按下位于帽子上的求救按鈕，蜂鳴器即可報警求救周圍的人，并可立即撥打特定聯系人電話。使用者可以通過一鍵報警功能向周圍人群求助，并將求助信息發送給親屬。

1.2 總體設計

該可穿戴電子導盲裝置由控制模塊、圖像采集模塊、GPS模塊、語音模塊、一鍵求救裝置和帽子本體等組成。裝置系統總體組成如圖1所示。

2 硬件系統設計

2.1 控制模塊

Arduino是一款便捷靈活且價格便宜的開源電子原型平臺，主要包含計算機中的程序開發環境Arduino IDE和用做電路連接的Arduino電路板硬件部分，可廣泛應用于可穿戴設備領域中。本設計應用LilyPad Simple微控制器板為控制核心，其在Arduino的基礎上將端口簡化為11個，可縫制在織物上，并增加電源插座，可以由相應規格的外部電源直接供電。

2.2 圖像采集模塊

該模塊采用微型攝像頭獲取圖像信息。微型攝像頭具有體積小、高穩定、高速率、長距離、多點測試等功能，且可把攝像機做成飾品形狀，安裝在帽子上。通過對比不同型號攝像頭及其特征參數，考慮到裝置的適配性以及攝像頭的價格因素，本裝置選擇IDV HDQ9無線WIFI微型攝像機。

2.3 GPS模塊

該模塊將使用者位置信息實時發送到移動終端，使用者親屬可及時確認其位置信息。本設計采用SKG08A型號GPS模塊對可穿戴設備進行定位，其具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特點而被廣泛應用。使用nmea協議或自定義協議將位置、速度、時間等一系列的串行數據記錄，其小尺寸和低功耗的特點使它很容易的被集成到便攜式的設備中。

2.4 求救按鈕

本裝置集成一鍵求救功能，當使用者觸發求救按鍵時，蜂鳴器響起向周圍的人群提示報警，同時會向使用者親屬的移動終端發送報警信息。由于可穿戴設備便捷小巧，極有可能造成誤觸，因此本裝置將按鍵設置在帽沿內側。當遇到緊急情況下，使用者折斷墨鏡觸發求救按鍵，啟動一鍵求救功能，這樣既減少誤觸幾率，又可使使用者在受到嚴重撞擊時，可以使一鍵求救功能自動開啟。

3 軟件系統功能實現

系統功能的實現需要軟硬件相結合，利用圖像處理算法對采集到的圖像進行處理，識別出使用者前方的障礙物信息，實現語音信息及圖像信息的輸出；利用GPS技術實時掌握使用者的地理方位。

3.1 圖像處理

利用控制模塊的障礙物識別算法對采集到圖像進行處理后獲取使用者前方障礙物信息，其過程是從通過視頻文件分解出的一系列連續圖像中獲取使用者前方障礙物信息。

障礙物檢測采用背景幀差法進行，但傳統的背景幀差法主要是直接比較前后兩幀圖像對應像素點的灰度值，然而這種方法在低對比度的情況下易受噪聲干擾。

因此本文采用一種基于提取函數的二值化方法來對傳統幀差法加以改進。原理如下:

(1)

(2)

其中，f(x,y,j)為當前幀圖像的灰度值；f(x,y,k)為前一幀圖像的灰度值；Ek為提取函數；Bk為輸出的二值化函數；T2為閾值，且T2∈(0,1)。

將通過視頻文件分解出的一系列連續圖像使用上述方法檢測區域內的障礙物信息，對前后兩幀圖像之間的像素點進行對比，并采用卡爾曼濾波法去掉噪聲。對于運動緩慢或者靜止的障礙物，由于背景幀差法處理后留下的信息太少，所以需要使用邊緣檢測法獲取障礙物的邊緣信息并對檢測結果進行修正。結合上述兩種方法得到的信息并生成障礙物的位置信息，以此實現對障礙物的檢測。

3.2 GPS技術

通過GPS模塊獲取使用者的位置是十分方便有效的途徑。本裝置集成GPS模塊，可實現導航功能，可在屏幕上顯示使用者實時位置，街道信息等。運用單點動態定位方法，利用安設在導盲設備上的GPS信號接收機，自主測得使用者的實時位置，并可得出使用者的行走軌跡。

4 外觀設計

本文將電子導盲裝置與傳統的鴨舌帽相結合，并在帽檐下端安裝一個墨鏡，設計出一款可穿戴導盲帽，與傳統的導盲杖、導盲眼鏡相比，可穿戴導盲帽更為便攜舒適，且外形與普通帽子無差異，易于被盲人群體接受(見圖2)。

5 結語

本導盲裝置的設計運用GPS技術和圖像處理技術，實現了定位使用者行走路徑，提醒使用者前方障礙物的功能，并設計了一鍵求救功能按鈕。本設計具有制造成本低，操作簡單，使用舒適便捷，可提高盲人出行安全性等優點，具有一定的實用意義。