面向視覺殘疾者的室內空間無障礙助行系統設計

孫媛媛 王志亮

摘 ?要： 為了幫助視覺殘疾者獨立行走，提出面向視覺殘疾者的室內空間無障礙助行系統設計方法。室內空間與設施助行系統設計包括合理的空間、簡化的流線、鋪地引導與盲道、連續的扶手。根據無障礙電子助行系統整體功能，以TMS320DM642為核心，設計視頻解碼器，利用視頻解碼芯片TVP5150PBS對接收到的空間圖像信息進行解碼，使結果以數字信號形式輸出。采用型號為TLV320AIC23BPW的音頻處理芯片設計音頻處理器，將該芯片與DM642端口相連接，可完成系統音頻高效導入。根據軟件程序加載流程，設計數字信號處理模塊圖像聲音映射方案，達到圖像與音頻之間有效轉換的目的，實現室內空間無障礙電子助行系統設計。由實驗結果可知，該系統最高助行效率可達到87%，可有效幫助視覺殘疾者獨立行走。

關鍵詞： 視覺殘疾者; 室內空間; 無障礙電子助行系統; 數字信號處理; 映射方案; TMS320DM642

中圖分類號： TN79?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0167?05

Design of barrier?free walking?aided system for visually?impaired person in interior space

SUN Yuanyuan1， WANG Zhiliang2

（1. Tianping College of Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011， China;

2. School of Information Science and Technology， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： An barrier?free walking?aided system design method for visually?impaired person in interior space is proposed to help the visually?impaired person to walk independently. The design of interior space and walking?aided system includes reasonable space， simplified streamline， paving guide and blind path， and continuous handrail. According to the overall function of the electronic walking?aided system， the video decoder taking TMS320DM642 as its core is designed， and the video decoding chip TVP5150PBS is used to decode the received spatial image information and make the results be output in the form of digital signal. The audio processing chip TLV320AIC23BPW is used to design the audio processor， and connected with the port of DM64 to realize the efficient import of system audio frequency signal. According to the loading process of software program， the image?sound mapping scheme of the digital signal processing module is designed to achieve the effective conversion between the image and audio frequency signal， and realize the design of the barrier?free electronic walking?aided system in interior space. The experimental results show that the maximum walking?aided efficiency of the system can reach up to 87%， and the system can effectively help the visually?impaired person to walk independently.

Keywords： visually?impaired person; interior space; barrier?free electronic walking?aided system; digital signal processing; mapping scheme; TMS320DM642

0 ?引 ?言

隨著人口數量的增長和智能手機等電子設備的推廣，視覺殘疾者這個特殊人群的數量不斷增加。據統計，我國視覺殘疾患病率達到94%，其中大部分人具有基本的生活、工作和參與社會活動的能力。人們獲取信息的主要來源是視覺，約占90%，失去視覺意味著失去了獲取信息的主要途徑，因此視覺殘疾者在生活中會遇到很多困難[1]。通過在室內空間設置無障礙設施，可以大大延伸視覺殘疾者的活動范圍，減少生活和工作障礙，獲取與正常人同等社會生活的權力。

長期以來，室內設計中針對視覺殘疾者的無障礙設計做得不夠好。究其原因，一方面是室內設計師的設計手段局限在空間營造與無障礙設施設置等建筑的手段上;另一方面是常用的無障礙電子助行系統要么采用聽覺代替視覺系統的方法，要么采用觸覺代替視覺系統的方法，技術相對落后，助行效果不佳。

為了解決視覺殘疾者在室內空間獨立行走的問題，本文嘗試進行室內設計和電子技術的跨學科交叉研究，提出面向視覺殘疾者的室內空間無障礙助行系統設計，為這一全球共同關注的課題提供理論基礎。

1 ?無障礙助行系統的構成

隨著電子技術的發展和應用范圍的擴大，電子系統成為室內空間無障礙助行系統的重要組成部分。完整的無障礙助行系統應包括建筑室內設計手段和電子系統兩方面，該系統的構成如圖1所示[2]。

圖1 ?無障礙助行系統的構成

1.1 ?室內空間與設施助行系統

在機場、火車站、地鐵站以及城市綜合體等大型公共建筑的室內設計中，通過空間和流線設計的優化以及必要的助行設施對視覺殘疾者實現導行。

1.1.1 ?室內空間的行為障礙因素分析

通過對各種規模的公共建筑和居住建筑室內空間的調查研究，發現視覺殘疾者在室內行走和活動等行為的障礙因素主要包括以下幾方面：

1） 復雜的室內流線、復雜的室內空間環境帶來的障礙;

2） 室內鋪地設計存在缺陷，地面材質體感較差，引導人行的提示功能不足，室內交通線路存在起落步提示位置不當、盲道不連續等問題;

3） 室內交通空間存在意外凸出物，如在走道中設置外開門和消防栓;

4） 空間聯系處設置高差、門檻和欄桿等不合理裝置;

5） 交通空間設置單側扶手或扶手不連貫的樓梯[3]。

1.1.2 ?室內空間與設施助行系統的構成

根據對室內空間的行為障礙因素分析，視覺殘疾者的室內空間與設施助行系統構成應包括：合理的空間布局（含主要使用空間、輔助使用空間、交通流線空間）;簡化的流線;鋪地引導與盲道;連續的扶手。

1.2 ?無障礙電子助行系統

無障礙電子助行系統利用傳感器獲取室內空間數據信息，提取室內空間特征信號，轉換為視覺殘疾者易于理解的非視覺信號，由此為視覺殘疾者提供獨立而安全的無障礙助行系統[4]。

電子助行系統的硬件包括圖像信息采集設備、圖像處理設備、音頻輸出設備。該系統還包括進行數字信號處理的軟件程序，依托對應的三種硬件進行信息的輸入、處理和輸出。

2 ?無障礙助行系統設計

在室內設計案例中，針對視覺殘疾等失能人群的無障礙需求，室內設計師能采用的手段一直局限在空間、流線的改良和無障礙設施的設置上。在現代電子技術高度發達的今天，應該把電子技術和室內設計的建筑手段相結合，優化視覺殘疾者的無障礙行為體驗。

2.1 ?空間與設施助行系統設計

無論是普通的建筑室內空間，還是面向視覺殘疾者等失能人群的專用室內空間，無障礙設計都應該是基本要求，因為失能者也有使用普通建筑的權力。

1） 合理的空間設計，要求在主要使用空間、輔助使用空間和交通聯系空間的形態上無凸出物，在空間的尺度上滿足視覺殘疾者的行走和使用要求，主要使用空間和生活必須的輔助使用空間之間就近安排。

2） 簡化的流線，要求在交通聯系空間的安排上保證其對所有其他空間的有效聯通，具有易達性的交通流線，線路不宜復雜和出現突然的轉折，走道轉折處采用弧形流線是最佳處理方式。樓梯是建筑內部垂直交通流線的手段，樓梯流線的簡化方法是盡量采用直跑樓梯或規整的雙跑樓梯，避免異形樓梯的出現。

3） 鋪地與盲道的設置應避免缺陷，鋪地材質應選用防滑地磚或石材、木地板、地毯等材質。注意通過不同空間地面材質的變化，對視覺殘疾者進行有意的提示，尤其是在交通流線的起步和結束處，避免出現突然的高差。在大型公共建筑中，應在交通流線上設置盲道，并保證盲道的連續性。

4） 連續的扶手，對于視覺殘疾者來說，在室內交通空間設置連續的扶手，是最有效的導行方式。當扶手因為流線交叉而被迫中斷時，在扶手斷開處設置盲道或特殊材質的鋪地，也可以起到延續導行的作用。扶手的作用在樓梯中顯得尤其重要，在樓梯部分要避免中斷的扶手[5]。

2.2 ?無障礙電子助行系統設計

無障礙電子助行系統整體功能設計如圖2所示。

由圖2可知：無障礙電子助行系統通過攝像頭實時采集視覺殘疾者前方走道情況，利用視頻解碼器對圖像進行處理并存儲，將存儲數據傳送到數字信號處理器中，進行走道情況檢測。將檢測到的走道情況進行分類，把處理結果傳送至音頻提示處，提示前方情況，視覺殘疾者可隨著提示音頻調整前進方向與速度，以此為基礎對系統硬件結構和軟件功能展開設計[6]。

圖2 ?電子助行系統整體功能設計

2.2.1 ?無障礙電子助行系統的硬件改進

要改進無障礙電子助行系統的硬件結構，需先將采集后的圖像信號進行處理，轉化圖像信號為語音信號，確保視覺殘疾者聽到提示信息后，對走道上的情況作出正確判斷，幫助視覺殘疾者完成獨立行走[7]。系統硬件結構設計如圖3所示。

圖3 ?系統硬件結構

由圖3可知：所設計的系統，其硬件結構主要由音頻輸出、信號轉換、圖像采集以及圖像處理等部分組建而成。以TMS320DM642為核心，通過攝像頭采集前方路況信息，利用視頻解碼芯片TVP5150PBS對接收到的室內交通空間的圖像信息進行解碼，轉換成數據。使用DSP芯片處理數字信號，通過音頻處理芯片TLV320AIC23BPW輸出音頻信息。

1） 視頻解碼器改進設計

本文選用TI公司生產的TVP5150PBS芯片，這是一款多制式的視頻解碼器，具有體積小、功耗低的特點，可實現不同視頻的解碼。視頻解碼器設計原理如圖4所示。

由圖4可知：模擬信號從TVP5150PBS芯片輸入端輸入，經過模擬數據轉換后，將圖像特征信號分離并處理。將色度處理結果傳送到色度處理器中待處理，而后轉化為數字信號的形式輸出[8]。亮度的處理結果則傳送到同步分離器中，同步分離處理后產生同步信號。

圖4 ?視頻解碼器設計原理

圖5 ?視頻解碼器與DM642電路連接情況

通過雙向數據線和時鐘線對視頻解碼器的芯片進行初始化處理。設定線路模擬、對比度、自動增益、數字輸出等信號，同時將分離后的數字信號和控制信號傳輸到處理器中，通過DM642視頻端口VP0[6：0]完成信號連接[9]。

2） 音頻處理器設計

采用型號為TLV320AIC23BPW的音頻處理芯片，集成基于采樣技術的數字轉換電路，其內置輸出放大器，具有可編程能力[10]。TLV320AIC23BPW與DM642視頻端口連接示意圖如圖6所示。

由圖6可知：輸入引腳和輸出引腳分別與DM642端口引腳相連接，SCLK引腳和SDIN引腳與SN74CBT3257芯片相連接，該芯片可為音頻處理器提供選擇，其作用是能夠在地址信號控制下，從中選擇一個數據作為輸出信號，通過該信號完成音頻的導入。

根據系統硬件框圖設計視頻解碼器，以TMS320DM642為核心，通過攝像頭采集前方路況信息，利用視頻解碼芯片TVP5150PBS對接收到的路況圖像信息進行解碼，使結果以數字信號形式輸出。分析視頻解碼器與DM642電路連接情況，采用TLV320AIC23BPW型號芯片設計音頻處理器，將該芯片與DM642端口相連接，可完成系統音頻的高效導入，具有成本低、體積小的特點。

圖6 ?芯片與DM642視頻端口連接示意圖

2.2.2 ?系統軟件設計

數字信號處理模塊的軟件程序加載與啟動設計流程如圖7所示。

圖7 ?軟件設計流程

由圖7可知：當對數字信號處理器進行初始化處理時，需設置Cache，使用512 Kb/s的速度進行數據緩存，設置優先隊列長度最大值，構建數據采集播放通道，進行視頻解碼器和音頻處理器初始化處理，設置相關參數，打開音頻播放通道[11]。

根據上述軟件設計流程，對圖像聲音映射方案展開設計。通過硬件結構中的圖像處理結果獲取用戶空間盲道方向和障礙物特征信息，將映射結果轉換成相應的音頻參數，配置音頻參數可隨時控制音頻播放情況[12]。針對視覺殘疾者，需要將圖像信息轉換為音頻信息，并構建對應的圖像聲音映射方案。在實際情況中，走道方向和障礙物是形成視覺殘疾者在空間獨立行走的障礙來源。

1） 走道方向：走道方向與室內空間獨立行走的設計方向有所偏離。對室內空間邊緣線進行提取，能夠替代原始的走道方向，對多個盲道邊緣線角度進行標記，并設置同號的盲道邊緣線角度與走道方向一致，異號的盲道邊緣線角度與走道方向偏離。

2） 障礙物：室內空間附近存在影響視覺殘疾者的障礙物。

利用音頻響度和時間間隔表示盲道與走道偏離程度，偏離程度越大，則音頻響度就越大，方便視覺殘疾者辨別。系統與室內空間特征的映射方案設計如表1所示。

表1 ?映射方案設計

根據表1映射方案，可達到圖像與音頻之間有效轉換的目的，實現室內空間無障礙助行系統設計。

3 ?實 ?驗

無障礙助行系統設計完成后，在室內空間和設施無障礙助行手段得到優化的前提下，對新設計的電子助行系統進行軟硬件集成測試，驗證其是否比傳統采用聽覺和觸覺代替視覺的助行系統具有更高效的助行功能。

3.1 ?實驗數據獲取

面向視覺殘疾者的室內空間無障礙助行系統輸出的是音頻結果，實驗設備有限，無法對圖像的結果進行直觀性驗證，為解決該問題，采用視頻顯示器將有關盲道導行實驗結果的圖像顯示在屏幕上，如圖8所示。

圖8 ?不同方法實驗數據獲取結果

由圖8可知，采用傳統系統獲取的室內空間盲道數據不完全，獲取結果較模糊，左側和右側邊緣信息完全丟失;而面向視覺殘疾者電子助行系統獲取的數據較為完整，結果清晰。

3.2 ?實驗結果與分析

由3.1節中的實驗結果可知，采用本文系統對室內空間盲道數據進行獲取的結果更好，獲取的數據較為完整。根據本文系統獲取的實驗數據，對傳統系統和本文系統的助行效率進行測試，結果如圖9所示。

圖9 ?兩種系統助行效率對比分析

1） 在信息冗余條件下，當實驗時間為5 min時，采用傳統系統助行效率為40%，而本文系統（即面向視覺殘疾者系統）的助行效率為80%，比傳統系統助行效率高40%;當實驗時間為10 min時，采用傳統系統助行效率為22%，而本文系統的助行效率為76%，比傳統系統助行效率高54%;當實驗時間為20 min時，采用傳統系統助行效率為4%，而本文系統的助行效率為80%，比傳統系統助行效率高76%;當實驗時間為30 min時，采用傳統系統助行效率為5%，而本文系統的助行效率為82%，比傳統系統助行效率高77%。

2） 在噪聲干擾條件下，當實驗時間為5 min時，采用傳統系統助行效率為5%，而本文系統的助行效率為80%，比傳統系統助行效率高75%;當實驗時間為10 min時，采用傳統系統助行效率為22%，而本文系統的助行效率為87%，比傳統系統助行效率高65%;當實驗時間為20 min時，采用傳統系統助行效率為46%，而本文系統的助行效率為85%，比傳統系統助行效率高39%;當實驗時間為30 min時，采用傳統系統助行效率為22%，而本文系統的助行效率為81%，比傳統系統助行效率高59%。

3.3 ?實驗結論

根據上述內容可知：在室內空間和設施相同，以及信息冗余條件下，面向視覺殘疾者系統的助行效率最高為82%，而傳統系統助行效率最高為40%;在噪聲干擾條件下，面向視覺殘疾者系統的助行效率最高為87%，而傳統系統助行效率最高為46%。由此可知，采用面向視覺殘疾者系統的助行效率更高，助行效果較好。

4 ?結 ?語

本文在面向視覺殘疾者的室內空間和設施無障礙助行系統完備的條件下，以數字信號處理器為核心構建能夠幫助視覺殘疾者獨立行走的電子輔助系統。闡述系統硬件模塊結構和軟件流程，詳細分析系統與室內空間特征映射方案，通過實驗驗證了該電子助行系統設計的有效性，并由實驗結果可知，該系統最高助行效率可達到87%，滿足低成本、高效助行的應用需求。

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