淺談導(dǎo)盲輔助系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

高僑，陳世勛

（宜賓學(xué)院，四川 宜賓 644000）

0 引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全世界約有2.85億視力障礙者，其中3900萬人是盲人。中國目前調(diào)查發(fā)現(xiàn)2100萬視障人士，其中23.8%是盲人。如何讓他們更好地融入社會，發(fā)展他們的數(shù)字生活能力，已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的社會問題。截至2019年，中國盲人數(shù)量約為1700萬。然而，由于條件所限，城市中的盲道、無障礙設(shè)備等各種輔助設(shè)施無法得到有效建設(shè)和維護，直接給視障者的出行帶來了極大的困擾。在盲人輔助工具中，應(yīng)用最為廣泛的是盲人手杖和導(dǎo)盲犬。但是，盲人行走棒的功能單一，不能用于識別周圍環(huán)境的大部分物品。由于訓(xùn)練難度大、成本高，導(dǎo)盲犬使許多普通盲人望而卻步。因此，通過盲人引導(dǎo)技術(shù)協(xié)導(dǎo)盲輔助人更好地與周圍環(huán)境互動、處理日常生活成為研究熱點。

1 導(dǎo)盲輔助設(shè)備的研究

1.1 盲人“智能眼鏡”

英國科學(xué)家研制出一種智能眼鏡，可以通過圖像處理技術(shù)識別物體，并將識別結(jié)果轉(zhuǎn)換成語音，為盲人用戶在陌生的新環(huán)境中提供基本導(dǎo)航。該眼鏡由微型攝像機、指南針、GPS模塊等工具組成。當(dāng)盲人面對要識別的物體時，眼鏡兩側(cè)的微型計算機將同時拍照。然后，智能眼鏡將相機捕獲的信息顯示在眼鏡的LED屏幕上，以形成增強圖案。然后，眼鏡的接收器部分將圖像信息轉(zhuǎn)換為語音，向用戶讀出導(dǎo)航指南[1]。

1.2 盲人手杖

Physiorg開發(fā)的智能手杖配備GPS導(dǎo)航和紅外識別模塊，可為用戶提供導(dǎo)航和定位服務(wù)。紅外傳感裝置檢測外部環(huán)境，并在發(fā)生碰撞時提示用戶。

1.3 智能運動鞋

英國航空公司發(fā)布了智能運動鞋的概念版本，可以指導(dǎo)用戶。這款鞋內(nèi)置GPS模塊、藍牙模塊和振動模塊。通過藍牙與用戶手機中的應(yīng)用程序通信。當(dāng)用戶進入目的地時，鞋子可以引導(dǎo)用戶朝正確的方向移動。鞋子通過振動引導(dǎo)使用者，左右鞋子的振動分別代表左右行走。當(dāng)穿戴者走錯方向時，其鞋子會給他持續(xù)的振動提醒。當(dāng)連續(xù)三次發(fā)出振動提示時，表明其已到達目的地。這款鞋也適用于目前不注意道路的手機“低頭族”。

1.4 智能感應(yīng)頭帶

一家美國科技公司開發(fā)了一種Sentiri距離感應(yīng)頭帶，它可以通過電機驅(qū)動的觸覺反饋幫助佩戴者行動。Sentiri使用內(nèi)置紅外景深傳感器發(fā)射紅外光探測周圍物體，然后通過不同強度的振動幫助佩戴者避開這些障礙物。當(dāng)連接到谷歌地圖等移動應(yīng)用程序時，它可以控制并引導(dǎo)佩戴者通過地圖安全到達目標位置。從這些產(chǎn)品中可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)盲航產(chǎn)品開發(fā)中使用的技術(shù)主要包括GPS導(dǎo)航、圖像識別、紅外檢測、激光測距、傳感器傳感等，這些產(chǎn)品一般都是專用設(shè)備，涉及的硬件技術(shù)比較復(fù)雜，難以形成統(tǒng)一標準，用戶需要購買專用設(shè)備，價格高，可替代性和兼容性差。因此，大多數(shù)導(dǎo)航產(chǎn)品仍處于原型或測試階段，無法普及。

2 導(dǎo)盲輔助系統(tǒng)技術(shù)的研究

眾所周知，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者在職業(yè)輔助系統(tǒng)的開發(fā)中主要涉及超聲波、紅外、激光、GPS、RFID、語音識別與合成、圖像識別等技術(shù)。從簡單的智能手杖到功能更加豐富的智能文字系統(tǒng)，取得了一定的效果。此外，從技術(shù)發(fā)展的角度來看，國外在導(dǎo)盲輔助系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)方面一直處于領(lǐng)先地位[2]。

早在20世紀60年代，國外學(xué)者就將成熟的超聲波和激光技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)盲輔助設(shè)備的研究和生產(chǎn)。1965年，Russell開發(fā)了用于超聲波測距的“路徑探測儀”，它可以大致感知最近物體的位置；1974年，Kay使用多個超聲波傳感器進行設(shè)計，并通過比較兩個超聲波接收器接收到的聲音信號強度的差異來判斷物體的方向。1989年，Bolenstein等人設(shè)計了一種電子助行海軍腰帶，它使用超聲波傳感器感知障礙物，并通過聲音和觸摸提示盲人。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)在我國的應(yīng)用逐漸成熟。2013年，趙秀玲等人將超聲波技術(shù)與藍牙傳輸技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一款盲人向?qū)?，用于檢測障礙物，并通過語音提示盲人。2017年，許多技術(shù)已經(jīng)成熟。張景學(xué)等人充分利用超聲波、GPS、無線通信和卡車技術(shù)，設(shè)計了一種安全系數(shù)更高的智能導(dǎo)盲杖。

近年來，隨著GPS、RFID、圖像識別以及語音合成與識別等技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)盲輔助系統(tǒng)的研究向前邁出了一大步。例如：定位方式在導(dǎo)盲輔助系統(tǒng)上的應(yīng)用從開始的GNSS到Fusedlocation融合定位，實現(xiàn)了大步跨越。

GNSS：美國的GPS、歐洲的伽利略、俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是聯(lián)合國認證的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)供應(yīng)商。GPS至少需要4顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)精確定位。目前，正常情況下的定位精度可以達到10米以下。使用特殊的技術(shù)方法和芯片，可以達到米級和厘米級的精度。它的主要優(yōu)點是精度高、數(shù)據(jù)可靠、能夠獲取高度。但缺點是在建筑物密集、水域面積大、電磁干擾大的區(qū)域，定位精度會大大降低，而且功耗大，定位速度慢，無法在室內(nèi)定位[3]。

AGPS定位模式：最初的GPS定位通常需要很長時間，有時需要幾十秒、分鐘甚至更多。因此，使用手機阿爾卑斯山定位方法，需要打開移動網(wǎng)絡(luò)連接。第一步是使用網(wǎng)絡(luò)確定方向，獲得近似的位置，然后使用GPS模塊，檢索該點位置附近的衛(wèi)星。AGP，室外可以實現(xiàn)一樣的GPS定位精度，并能顯著降低初始定位的GPS時間。在一些薄弱的GPS信號環(huán)境，如室內(nèi)環(huán)境，移動運營商往往通過AGP定位，但精度較低[4]。

網(wǎng)絡(luò)定位模式(基站、Wifi網(wǎng)絡(luò))：使用一個移動基站和無線網(wǎng)絡(luò)熱點的位置。網(wǎng)絡(luò)選址模型的精度主要由服務(wù)器決定，根據(jù)基站和Wifi五節(jié)點網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)換為位置數(shù)據(jù)。定位方法的主要優(yōu)勢是初始定位速度、低功耗；但缺點是精度低、沒有高程數(shù)據(jù)，適用于精度不高的場合。

Passive定位模式：定位方法的精度由定位數(shù)據(jù)的提供者確定。用戶不主動發(fā)送位置請求，而是獲取位置信息。系統(tǒng)存儲其他應(yīng)用程序的位置更新。在收到位置更新數(shù)據(jù)后，應(yīng)用程序可以直接讀取。例如，系統(tǒng)中安裝了百度地圖和高德地圖，則可以被動獲取位置數(shù)據(jù)。

Fusedlocation：融合定位服務(wù)。目前，組合定位服務(wù)專門指Google。在這種模式下，不需要明確指定定位模式，但服務(wù)提供商會根據(jù)當(dāng)前環(huán)境和用戶需求自動判斷并給出最佳定位模式。該方法定位精度高，可根據(jù)功率自動選擇定位方式，這是一種更智能的定位方案[5]。

與以往相比，現(xiàn)有的許多盲人輔助系統(tǒng)不僅使用方便，功能多樣，而且有些系統(tǒng)可以幫助盲人引導(dǎo)和輔助人們“看到”周圍環(huán)境。2010年，Yelamarthi等人為視力受損者開發(fā)了RFID和GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)“智能機器人”。系統(tǒng)采用RFID和GPS技術(shù)分別實現(xiàn)室內(nèi)和室外導(dǎo)航定位，采用超聲波和紅外傳感器避開障礙物，并通過揚聲器和手套上的振動電機提供用戶反饋；2010年，彭恩等人提出了一種基于圖像處理技術(shù)的實時障礙物檢測系統(tǒng)，可以通過智能手機上的攝像頭實時捕捉和檢測地板上的低空物體。同時，我國許多研究人員已經(jīng)開發(fā)出一些良好的盲人輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。2015年，王雪蓮利用RFID和語音識別與合成技術(shù)設(shè)計了一套公共建筑盲道引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過RFID技術(shù)讀取特定公共建筑內(nèi)的盲道和電子標簽，以確定盲人的位置，通過語音與盲人實時交互，引導(dǎo)盲人安全行走；2017年，黃玉龍研發(fā)的盲人智能眼鏡可以在背景中搜索到與眼鏡相似的物體，初步實現(xiàn)盲人“看”到物體的美麗愿景。

3 結(jié)語

在戶外行走時，除了平坦的道路外，還有許多“異?！甭窙r。例如，一段上下臺階、一個水坑、路邊建筑工地、丟失的下水道井蓋、河流等。這些“障礙物”是我們普通行人非常熟悉的，很容易避開和繞道。然而，對于視力受損或缺乏反應(yīng)的人來說，這是一個巨大的安全威脅。道路上的任何障礙物都可能對他們造成人身傷害。這些無處不在的路障往往是隨機產(chǎn)生的，隨時出現(xiàn)，存在著巨大的隱患。這給視障人士的旅行帶來極大不便。盡管近年來導(dǎo)盲輔助系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)展迅速，現(xiàn)有的許多導(dǎo)盲輔助設(shè)施趨于智能化和多樣化，但仍存在地域性強、成本高的問題，且大多效果不夠好、實用性差。但是，隨著計算機視覺、語音交互和Android系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)盲輔助產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)將繼續(xù)朝著功能更加完善、應(yīng)用更加廣泛的方向發(fā)展。