“人路協同”環境下基于機器視覺的視障導識系統設計

王宸璐,劉華勝,楊雨菁,姜宇豪,徐佳婉

（吉林大學,吉林 長春 130022）

0 引言

智能交通系統（ITS）是綜合運用信息技術、數據通信技術、傳感器技術、電子控制技術以及計算機技術等先進技術加強車輛、道路和使用者三者之間的聯系，從而形成一種保障安全、提高效率、改善環境、節約能源的綜合運輸系統。目前智能交通系統主要針對車輛等載運工具與其他道路基礎設施的聯系，行人角度考慮較少，對視障人士的出行關注更少。視障群體由于自身限制，獲取周邊路況信息的能力低，較難應對實時變化的車流路況，因而更需要外界的輔助引導，實時獲取前方人、車、路、環境的信息對其出行有極其重要的作用。

目前針對視障群體的智能化研究主要集中在導盲設備領域，包括智能盲杖、移動式機器人和穿戴式導盲設備等，通過搭載多種傳感器和單片機芯片處理系統，實現障礙預警、語音提醒、GPS定位導航、摔倒檢測等功能。朱愛斌等[1]用多圖像傳感器進行 3D 場景重建，配合用戶腰部和腳腕處的超聲波傳感器檢測障礙物。Bai J& Lian S & Liu Z[2]設計的導盲眼鏡集成了超聲波測距儀、深度攝像機和魚眼攝像機，根據采集的信息利用 A*算法生成感興趣的點分布圖，規劃出全局最短路徑，實現基于動態目標選擇策略的虛擬盲道跟蹤方案。盲人出行系統方面，彭琳鈺等[3]提出了一種基于深層卷積神經網絡的智能導盲終端系統，能夠對在復雜環境中常見障礙物的種類及當前場景、警示標志實現準確識別。當前針對導盲領域的智能化研究主要是在現有環境條件的基礎上，利用先進技術識別獲取周圍環境的障礙物等信息，通過多種方式傳遞給使用者，但缺乏外界環境的改進研究。

該文在智能交通系統的背景下提出智能人路協同系統IPICS（Intelligent Pedestrian Infrastructure Cooperative Systems），并針對視障群體構建了“人路協同”環境下基于機器視覺的視障導識系統，從盲道和標志標線設計入手，借助先進技術為視障群體提供更為詳盡的實時道路信息，對視障群體的安全保障和推進無障礙環境建設提供支撐。

1 智能人路協同系統及基于機器視覺的視障導識系統框架

1.1 智能人路協同系統

基于“智能車路協同系統（IVICS）”概念，該文結合人、路之間的交通特征以及新一代網絡技術等提出“智能人路協同系統（IPICS）”概念，簡稱人路協同系統。該系統是針對目前智能交通系統(ITS)中所缺失的行人相關方面，將車路協同拓展到人路協同，加強行人與道路之間的聯系，從而形成的一種保障安全、便利出行、高效暢通的信息化智能化行人出行系統。

智能人路協同系統（IPICS）基于“以人為本”的設計理念，從服務行人角度出發，采用傳感探測、機器識別、無線通信、互聯網等多種先進技術，實時獲取行人行進路徑、位置信息、道路擁堵狀況等信息，并通過多渠道進行信息傳輸交互，實現對人、車、路信息的全面感知，以達到行人與基礎設施、行人與行人之間智能協同配合，人人、人路之間多層次全方位動態實時信息交互的效果，并在所獲取信息的基礎上進行處理分析，從而最大程度利用行人和路況信息，優化利用系統資源、提高行人出行效率、降低危險事故發生可能性。

1.2 基于“人路協同”的視障導識系統框架

非視障群體可以通過視覺直接感知周圍環境信息，從而直接建立人—人、人—路之間的聯系，但視障群體很難全面感知道路行人信息和實時路況信息。因此，該文基于“人路協同”環境，針對視障群體建立了視障導識系統，如圖1所示。

圖1 “人路協同”環境下基于機器視覺的視障導識系統

該系統由無障礙基礎設施、智能導盲設備、云端無線通信三個層次構成，以現有無障礙設施為基礎，基于機器視覺技術進行視障導識設施設計，為智能導盲設備提供易于識別感知的外界環境。智能導盲設備作為中間層，通過機器視覺等先進技術對出行環境及導識設施所提供的信息進行識別感知，并與云端數據層進行無線通信，通過信息交互多維度獲取道路、行人等實時信息，最大限度輔助視障群體全方位感知道路信息。

目前智能導盲設備以及云端無線通信方面都已有較為深入的研究，相關技術如機器視覺、深度學習、大數據、無線通信等也已經較為成熟，但受制于現行環境無障礙基礎設施的限制，不能夠較好地發揮作用，無法形成完整系統的智能人路協同環境。故該文主要針對無障礙導識設施進行優化設計，包括盲道、視障群體標志和標線設計。

2 視障導識設施設計

2.1 設計內容

現階段我國無障礙基礎設施主要指盲道，視障者行走時通過觸覺感知環境信息。雖然我國無障礙環境建設方面有一定的法律、規范等制度保障，但仍然存在難以辨別方向、缺少提示信息、銜接不暢、鋪設不合理等問題。一方面由于現行《無障礙設計規范》[4]中針對盲道的相關標準存在不足：提示盲道磚單一，不能夠提示多種場景；具體鋪設連續長度、緩坡處理、以及曲線系數等鋪設相關要求沒有明確強制性標準；缺乏與公共交通、公共設施等的銜接；缺乏針對視障群體的標志標線設計。另一方面，現狀盲道鋪設不規范，隨意性強，無人監管，缺少法律約束，社會對此不夠重視。該文根據“人路協同”的視障導識系統要求，針對現有導盲系統的不足進行優化設計，包括三個方面：

（1）盲道優化設計。包括行進盲道的優化設計及指示盲道的補充設計。

（2）導識標線設計。解決盲道斷口的銜接以及不易辨別方向的問題。

（3）導識標志設計。用以解決與公共交通、公共設施等場景的引導銜接問題。

通過盲道與導識標志標線相結合，借助機器視覺深度學習技術進行輔助識別感知，從而解決視障群體出行困難，保障其安全出行。

2.2 設計依據

基于機器視覺的檢測識別原理，該文從兩方面進行系統設計。一是顏色形狀設計，導識設施選取鮮明且對比度強烈的顏色，便于色彩空間的閾值分割，提高分割準確度；采用常見的具有明確輪廓的幾何形狀，便于邊緣檢測提取，從而準確識別。二是類型設計，從深度學習神經網絡訓練角度，為使數據集精簡化易于收集，在具體設計時采取歸類設計的原則，大類標識統一標準，輔助以具體標識標注，從而避免因標識類型過多過雜而難以獲得充足大量不同環境的訓練數據。

2.3 設計方案

2.3.1 盲道優化設計

現行盲道設計存在行進盲道顏色單一，易受光照遮擋等影響識別準確度；提示盲道指示信息單一，缺乏對路口具體類型、臺階等特殊場景的提示等不足，不能夠給視障群體提供充足準確的信息。針對這些問題，該文依據機器視覺識別檢測原理以及人體感知機理，通過采取鮮明顏色對比和改變凸起形狀，對盲道進行優化設計，如圖2所示，從而解決行進盲道識別邊界分割易受光照遮擋等影響，指示盲道單一提示信息有限的問題，以便于視障者自身感知和機器視覺檢測識別。具體設計詳解見表1。

表1 盲道優化設計詳解

圖2 盲道優化設計示意圖

2.3.2 導識標線設計

導識標線設計主要用于未被盲道覆蓋的區域，以解決視障群體出行的“最后一公里”銜接問題。針對視覺障礙者出行過程中存在的銜接及提醒缺失等問題，共設計四種類型標線：行進標線、連接標線、警告標線和禁止標線。為了與現有道路標線進行區分且便于機器視覺識別，采用了紫色和黃色兩種底色作為標線的顏色，以不同的線形表示不同的功能，設計及詳解見圖3和表2。

圖3 導識標線設計示意圖（單位：mm）

表2 導識標線設計詳解

2.3.3 導識標志設計

交通標志通過圖形符號、顏色和文字向交通參與者傳遞特定信息，由于視障群體本身不能夠通過視覺進行標志的感知識別，故導識標志的作用主要基于機器視覺深度學習方法檢測識別來實現。由于機器視覺深度學習的交通標志識別難點在于數據集有限，為簡化數據集，避免所需數據集過于繁雜不易收集，該文采取分類標志的設計方法，對需要提示引導以及警告禁止的常見場景進行歸類，每一大類設計統一標志，具體場景信息通過輔助標志加以注明，從而達到“一步準，二步精”的效果。具體導識標志設計包括三種標志類型，共7個大類20個場景，如圖4所示，設計詳解見表3。

表3 導識標志設計詳解

圖4 導識標志設計示意圖

3 新型導盲系統實施建議

雖然新型盲人系統的可行性較好，但在具體實施的過程中還需要注意以下情況：一是盲人標識系統的更新，對現有盲人標識系統的重新設計和更新是該新型盲人系統成功實施的前提；二是智能導盲設備的推廣，導盲設備是視障者的“眼睛”，智能導盲設備的推廣是該系統成功實施的背景要求；三是導盲設備、行人以及車路環境聯結成網，實現信息實時更新、精確計算、合理規劃；四是提前規劃、逐步投入、有序建設，做到現有設施與新型導盲設施的有效銜接。

4 總結

該文基于智能人路協同系統提出了智能人路協同系統（IPICS），在“人路協同”環境下，構建了由無障礙基礎設施，智能導盲設備及云端無線通信三個層次構成的視障導識系統框架。該系統通過機器視覺進行環境感知并與周圍人、車、路進行實時通信，輔助視障群體全方位實時獲取出行相關信息。在此基礎上，依托機器視覺識別感知技術原理對盲道和針對視障群體的導識標志標線進行了優化設計，解決了現行盲道指示信息有限、出行途中缺乏銜接引導等問題。該文所提出的智能人路協同系統及視障導識系統符合現今智能交通發展趨勢，充分考慮了弱勢群體出行場景，具有較好的應用價值。