基于智能视觉导航的盲人指路设备设计
胡雨霞 胡嘉浩
摘 要： 为了保障盲人行路安全，设计基于智能视觉导航的盲人指路设备。介绍了设备设计方案，为智能视觉模块选择CMOS单片机和OV单片机，周期性地采集盲人行路图像，通过对比图像灰度值确定路面是否存在障碍物。采用PFGA控制智能视觉模块时序，计算障碍物位置，进而提供导航线路，通过串口通信电路将导航线路传给语音模块进行播报。通过对比实验证明，基于智能视觉导航的盲人指路设备具备较强的实时性和鲁棒性。
关键词： 智能视觉； 导航； PFGA； 盲人指路设备
中图分类号： TN964?34； TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0076?03
Abstract： In order to ensure the safety of the blind walking on his way， a way?directing equipment based on intelligent visual navigation was designed for blinds. The design scheme of the equipment is introduced. The single chips CMOS and OV were selected for intelligent visual module to periodically collect blind walking images. The condition whether the obstacles are on the pavement is determined by comparing the image gray values. PFGA is adopted to control the timing sequence of the intelligent vision module， calculate the position of the obstacle， and then provide navigation line which is transmitted to the voice module for broadcast by the serial communication circuit. The comparison experimental results prove that the blind guide device based on intelligent vision navigation has strong real?time performance and robustness.
Keywords： intelligent vision； navigation； PFGA； blind guide device
因人口老龄化所产生的相关问题日趋严重，加上受到环境污染、病毒迭代等社会条件的影响，全球每分钟就会产生5名视力障碍人群。我国每年统计出的盲人数量从2010年的1 000万人上涨至2015年的3 000万人，平均每年因各种原因致盲的人群[1]高达1 000万人。视觉是人类非常重要的感知能力，缺少视觉将意味着人类不能快速、准确地从外界获取信息，对日常生活尤其是行路安全造成的影响可想而知。近些年来，各国开始针对这类人群设计盲人指路设备，代替导盲犬在数量上的缺失。盲人指路设备利用了传感技术、图像处理技术和导航技术，让盲人能够通过听觉获取外界信息，为盲人行路安全提供了有力保障。
1 基于智能视觉导航的盲人指路设备设计
1.1 设计方案
基于智能视觉导航的盲人指路设备设计方案如图1所示，设备应用到的技术包括智能视觉、导航、人机结合、计算机分析等。智能视觉模块采集路面图像，通过两个摄像头建立智能视觉坐标系，利用智能视觉导航规则[2]在坐标系内计算障碍物深度，以获取路面障碍物位置信息。为了避免天气、季节和光线的多变性带来的障碍物与非障碍物之间灰度相近、不易分割的情况，所设计的盲人指路设备将对智能视觉技术进行人机结合处理，采取FPGA（Field?Programmable Gate Array）建立用于分析和处理智能视觉数据的人机交互平台，通过控制智能视觉模块采集时序，并与语音模块进行串口通信，调取调试程序，为盲人播报导航线路。
智能视觉模块采集到的路面图像包括M×N个像素点，像素点将按照FPGA的时序规则进行灰度比较，随后通过FIFO规则（First Input First Output）輸出[3]。FIFO规则可以弥补FPGA计算量小的缺点，提供数据高速保存、缓慢供给和实时处理。像素点中行、列、场都有必须遵从的时序规则，根据时序规则在障碍物像素点上做标记，可以获取障碍物的中点位置[4]。为了能够进行无差异的盲人导航，FPGA将提高障碍物灰度权值，进而减少障碍物与非障碍物的分割难度。
1.2 智能视觉模块设计
摄像头相当于基于智能视觉导航的盲人指路设备的视觉传感器，承担着智能视觉技术以及导航技术，因此摄像头的选取非常重要。设计的盲人指路设备采用数字摄像头输出数字信号，其比模拟摄像头输出的模拟格式能更好地表现出路面图像灰度情况。数字摄像头周期式地采集路面图像，将图像灰度保存，在下一次采集图像时将两次灰度值进行对比。当两个数字摄像头得出的平均灰度差值大于33点时，设备则认为这段路面存在障碍物，智能视觉模块将受到FPGA的时序控制，进行障碍物位置计算。
两个数字摄像头的核心结构分别为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）单片机与OV单片机。CMOS是一种大规模的集成电路，具有调控电压、可读写的作用。图2是CMOS单片机结构图。
由图2可知，CMOS单片机包括光线感应矩阵、数字处理电路、同步控制电路、时序脉冲电路和模数转换电路。整体来看结构并不简单，但因为集成性能强劲，所以CMOS单片机的体积很小。X地址和Y地址是用来标记图像灰度值以及位置的8位数据链[5]。光线感应矩阵由光敏单元行和光敏单元列组成，将Y地址放大，通过多路模拟信号输入智能视觉坐标系进行处理得到X地址。CMOS单片机工作原理依照串行摄像机控制总线协议，模拟电压管脚的高电平为3.3 V，采用逐行倒相协议描述两种作业队列[6]，速度为35 f/s，每ms即可拍摄1张路面图像。
1.3 导航线路串口通信
PFGA的最终目的是为盲人指路，也就是通过语音模块提供导航线路，为此，PFGA将严格控制智能视觉模块的时序，并提供缓存容量，其高集成度和强通用性可以避免数据丢失。基于智能视觉导航的盲人指路设备采用EP3D5S，其中可编程单元是连接、匹配、驱动外部电路的输入/输出端口，不同的电气形态将选取不同的连接策略[7]；逻辑单元是逻辑处理端口，通过显示查找表以及寄存器进行智能视觉模块的功能编程。
EP3D5S的功能供给单元负责与语音模块进行导航线路的串口通信。图3是串口通信电路图，串口通信电路还负责简单的程序调试任务。由图3可知，基于智能视觉导航的盲人指路设备内部拥有一个10 W的蜂鸣器D1，连接在输入口和负载接口2管脚[8]，PFGA控制蜂鸣器发声。串口通信电路所用电源为3.3 V，另一端接地，负载接口1管脚用电3.3 V，三端控制导航线路的传输。当PFGA输出低电平时，串口通信电路报警，语音模块开始分析导航线路中的障碍物位置，并进行语音播报。
2 实验结果与讨论
盲人指路设备的实时性表现在两个方面：一方面，盲人指路设备应在盲人离障碍物处于安全距离之内就进行语音导航，语音延时要短；另一方面，考虑到突发情况，盲人指路设备要求导航线路传输到语音模块所用的时间要短。这两个方面的目的都为了给盲人提供充足的反应时间去理解导航内容，并及时做出身体行为判断，保障盲人行路安全。表1是语音延时情况统计表，采集了10次语音延时数据，延时最短的是本文设备。表2是导航线路传输情况统计表，导航线路传输时间最短的依然是本文设备，满足实时性要求。
除此之外，实验还进行了路面结构分析。路面结构分析是盲人指路设备最重要的一个环节，是导航线路产生的前提条件，其目的是挖掘路面障碍物大致位置，将可行与不可行区域准确分割[9]。影响路面结构分析的条件主要是某些盲人指路设备的鲁棒性不强，常常将路面阴影、植被、水坑等事物识别成不可行区域，将树木微小空隙、警戒线等识别成可行区域。
本路面结构分析在一条存在大面积树木阴影遮挡的路面上进行，拍摄到的路面原图如图4（a）所示。实验过程阳光充足，路面阴影和树木占据了很大面积。将基于智能视觉导航的盲人指路设备依附在计算机上对盲人可行、不可行区域进行分割，同时对比采用SVM技术以及边缘检测技术设计的盲人指路设备的区域分割结果，如图4（b）～图4（d）所示。图中白色区域为盲人可行区域。由图4可知，基于SVM导航的盲人指路设备存在将路面阴影、树木微小空隙、警戒线进行错误分割的现象，对边缘切割不平滑，鲁棒性最差。基于边缘检测的盲人指路设备基本能够将大体区域分割，存在少量噪声点，对树木微小空隙的处理仍需改进。图4（d）的图像清晰、明确，无明显噪声点，分割结果与原图对应度高，证明本文设计的基于智能视觉导航的盲人指路设备鲁棒性强。
3 结 论
本文设计基于智能视觉导航的盲人指路设备，应用到智能视觉、导航、人机结合、计算机分析等处理技术，采用数字摄像头、FPGA和串口通信电路等硬件结构为盲人进行行路导航。实验通过进行路面结构分析、语音延时分析和导航线路传输分析，证明出本文设备较具鲁棒性和实时性，能够清晰、准确地为盲人行路进行导航。
参考文献
[1] 付靖玲，夏江.基于智能手机的盲人语言应用软件的设计与开发[J].电脑知识与技术，2016，12（7）：209?211.
[2] 曹浩楠.基于siri模块的盲人智能导航系统[J].科学与财富，2015，7（33）：167?168.
[3] 梁秋艳，牛国玲，任典典，等.基于TRIZ理论的智能盲人拐杖创新设计[J].机电产品开发与创新，2014，27（3）：29?30.
[4] 陈艳婷，李志鹏，贾丹平.盲人智能拐杖的设计[J].科技创新导报，2016，13（6）：77?78.
[5] 邓健志，程小辉，邓卓洪.物联网盲人智能手杖的设计[J].电视技术，2015，39（22）：19?22.
[6] 李敏，黄敏，钮中铭，等.诱导系统数据模型在城市指路标志智能布设中的应用[J].计算机应用研究，2014，31（2）：457?460.
[7] 杜志刚，万红亮，郑展骥，等.城市路侧冗余信息对指路标志视觉干扰试验[J].公路交通科技，2014，31（3）：119?124.
[8] 姜斌，王强.功能智能盲人拐杖助手的开发与设计[J].自动化技术与应用，2014，33（4）：112?116.
[9] 温有福，贾彩燕，陈智能.一种多模态融合的网络视频相关性度量方法[J].智能系统学报，2016，11（3）：359?365.
摘 要： 为了保障盲人行路安全，设计基于智能视觉导航的盲人指路设备。介绍了设备设计方案，为智能视觉模块选择CMOS单片机和OV单片机，周期性地采集盲人行路图像，通过对比图像灰度值确定路面是否存在障碍物。采用PFGA控制智能视觉模块时序，计算障碍物位置，进而提供导航线路，通过串口通信电路将导航线路传给语音模块进行播报。通过对比实验证明，基于智能视觉导航的盲人指路设备具备较强的实时性和鲁棒性。
关键词： 智能视觉； 导航； PFGA； 盲人指路设备
中图分类号： TN964?34； TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0076?03
Abstract： In order to ensure the safety of the blind walking on his way， a way?directing equipment based on intelligent visual navigation was designed for blinds. The design scheme of the equipment is introduced. The single chips CMOS and OV were selected for intelligent visual module to periodically collect blind walking images. The condition whether the obstacles are on the pavement is determined by comparing the image gray values. PFGA is adopted to control the timing sequence of the intelligent vision module， calculate the position of the obstacle， and then provide navigation line which is transmitted to the voice module for broadcast by the serial communication circuit. The comparison experimental results prove that the blind guide device based on intelligent vision navigation has strong real?time performance and robustness.
Keywords： intelligent vision； navigation； PFGA； blind guide device
因人口老龄化所产生的相关问题日趋严重，加上受到环境污染、病毒迭代等社会条件的影响，全球每分钟就会产生5名视力障碍人群。我国每年统计出的盲人数量从2010年的1 000万人上涨至2015年的3 000万人，平均每年因各种原因致盲的人群[1]高达1 000万人。视觉是人类非常重要的感知能力，缺少视觉将意味着人类不能快速、准确地从外界获取信息，对日常生活尤其是行路安全造成的影响可想而知。近些年来，各国开始针对这类人群设计盲人指路设备，代替导盲犬在数量上的缺失。盲人指路设备利用了传感技术、图像处理技术和导航技术，让盲人能够通过听觉获取外界信息，为盲人行路安全提供了有力保障。
1 基于智能视觉导航的盲人指路设备设计
1.1 设计方案
基于智能视觉导航的盲人指路设备设计方案如图1所示，设备应用到的技术包括智能视觉、导航、人机结合、计算机分析等。智能视觉模块采集路面图像，通过两个摄像头建立智能视觉坐标系，利用智能视觉导航规则[2]在坐标系内计算障碍物深度，以获取路面障碍物位置信息。为了避免天气、季节和光线的多变性带来的障碍物与非障碍物之间灰度相近、不易分割的情况，所设计的盲人指路设备将对智能视觉技术进行人机结合处理，采取FPGA（Field?Programmable Gate Array）建立用于分析和处理智能视觉数据的人机交互平台，通过控制智能视觉模块采集时序，并与语音模块进行串口通信，调取调试程序，为盲人播报导航线路。
智能视觉模块采集到的路面图像包括M×N个像素点，像素点将按照FPGA的时序规则进行灰度比较，随后通过FIFO规则（First Input First Output）輸出[3]。FIFO规则可以弥补FPGA计算量小的缺点，提供数据高速保存、缓慢供给和实时处理。像素点中行、列、场都有必须遵从的时序规则，根据时序规则在障碍物像素点上做标记，可以获取障碍物的中点位置[4]。为了能够进行无差异的盲人导航，FPGA将提高障碍物灰度权值，进而减少障碍物与非障碍物的分割难度。
1.2 智能视觉模块设计
摄像头相当于基于智能视觉导航的盲人指路设备的视觉传感器，承担着智能视觉技术以及导航技术，因此摄像头的选取非常重要。设计的盲人指路设备采用数字摄像头输出数字信号，其比模拟摄像头输出的模拟格式能更好地表现出路面图像灰度情况。数字摄像头周期式地采集路面图像，将图像灰度保存，在下一次采集图像时将两次灰度值进行对比。当两个数字摄像头得出的平均灰度差值大于33点时，设备则认为这段路面存在障碍物，智能视觉模块将受到FPGA的时序控制，进行障碍物位置计算。
两个数字摄像头的核心结构分别为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）单片机与OV单片机。CMOS是一种大规模的集成电路，具有调控电压、可读写的作用。图2是CMOS单片机结构图。
由图2可知，CMOS单片机包括光线感应矩阵、数字处理电路、同步控制电路、时序脉冲电路和模数转换电路。整体来看结构并不简单，但因为集成性能强劲，所以CMOS单片机的体积很小。X地址和Y地址是用来标记图像灰度值以及位置的8位数据链[5]。光线感应矩阵由光敏单元行和光敏单元列组成，将Y地址放大，通过多路模拟信号输入智能视觉坐标系进行处理得到X地址。CMOS单片机工作原理依照串行摄像机控制总线协议，模拟电压管脚的高电平为3.3 V，采用逐行倒相协议描述两种作业队列[6]，速度为35 f/s，每ms即可拍摄1张路面图像。
1.3 导航线路串口通信
PFGA的最终目的是为盲人指路，也就是通过语音模块提供导航线路，为此，PFGA将严格控制智能视觉模块的时序，并提供缓存容量，其高集成度和强通用性可以避免数据丢失。基于智能视觉导航的盲人指路设备采用EP3D5S，其中可编程单元是连接、匹配、驱动外部电路的输入/输出端口，不同的电气形态将选取不同的连接策略[7]；逻辑单元是逻辑处理端口，通过显示查找表以及寄存器进行智能视觉模块的功能编程。
EP3D5S的功能供给单元负责与语音模块进行导航线路的串口通信。图3是串口通信电路图，串口通信电路还负责简单的程序调试任务。由图3可知，基于智能视觉导航的盲人指路设备内部拥有一个10 W的蜂鸣器D1，连接在输入口和负载接口2管脚[8]，PFGA控制蜂鸣器发声。串口通信电路所用电源为3.3 V，另一端接地，负载接口1管脚用电3.3 V，三端控制导航线路的传输。当PFGA输出低电平时，串口通信电路报警，语音模块开始分析导航线路中的障碍物位置，并进行语音播报。
2 实验结果与讨论
盲人指路设备的实时性表现在两个方面：一方面，盲人指路设备应在盲人离障碍物处于安全距离之内就进行语音导航，语音延时要短；另一方面，考虑到突发情况，盲人指路设备要求导航线路传输到语音模块所用的时间要短。这两个方面的目的都为了给盲人提供充足的反应时间去理解导航内容，并及时做出身体行为判断，保障盲人行路安全。表1是语音延时情况统计表，采集了10次语音延时数据，延时最短的是本文设备。表2是导航线路传输情况统计表，导航线路传输时间最短的依然是本文设备，满足实时性要求。
除此之外，实验还进行了路面结构分析。路面结构分析是盲人指路设备最重要的一个环节，是导航线路产生的前提条件，其目的是挖掘路面障碍物大致位置，将可行与不可行区域准确分割[9]。影响路面结构分析的条件主要是某些盲人指路设备的鲁棒性不强，常常将路面阴影、植被、水坑等事物识别成不可行区域，将树木微小空隙、警戒线等识别成可行区域。
本路面结构分析在一条存在大面积树木阴影遮挡的路面上进行，拍摄到的路面原图如图4（a）所示。实验过程阳光充足，路面阴影和树木占据了很大面积。将基于智能视觉导航的盲人指路设备依附在计算机上对盲人可行、不可行区域进行分割，同时对比采用SVM技术以及边缘检测技术设计的盲人指路设备的区域分割结果，如图4（b）～图4（d）所示。图中白色区域为盲人可行区域。由图4可知，基于SVM导航的盲人指路设备存在将路面阴影、树木微小空隙、警戒线进行错误分割的现象，对边缘切割不平滑，鲁棒性最差。基于边缘检测的盲人指路设备基本能够将大体区域分割，存在少量噪声点，对树木微小空隙的处理仍需改进。图4（d）的图像清晰、明确，无明显噪声点，分割结果与原图对应度高，证明本文设计的基于智能视觉导航的盲人指路设备鲁棒性强。
3 结 论
本文设计基于智能视觉导航的盲人指路设备，应用到智能视觉、导航、人机结合、计算机分析等处理技术，采用数字摄像头、FPGA和串口通信电路等硬件结构为盲人进行行路导航。实验通过进行路面结构分析、语音延时分析和导航线路传输分析，证明出本文设备较具鲁棒性和实时性，能够清晰、准确地为盲人行路进行导航。
参考文献
[1] 付靖玲，夏江.基于智能手机的盲人语言应用软件的设计与开发[J].电脑知识与技术，2016，12（7）：209?211.
[2] 曹浩楠.基于siri模块的盲人智能导航系统[J].科学与财富，2015，7（33）：167?168.
[3] 梁秋艳，牛国玲，任典典，等.基于TRIZ理论的智能盲人拐杖创新设计[J].机电产品开发与创新，2014，27（3）：29?30.
[4] 陈艳婷，李志鹏，贾丹平.盲人智能拐杖的设计[J].科技创新导报，2016，13（6）：77?78.
[5] 邓健志，程小辉，邓卓洪.物联网盲人智能手杖的设计[J].电视技术，2015，39（22）：19?22.
[6] 李敏，黄敏，钮中铭，等.诱导系统数据模型在城市指路标志智能布设中的应用[J].计算机应用研究，2014，31（2）：457?460.
[7] 杜志刚，万红亮，郑展骥，等.城市路侧冗余信息对指路标志视觉干扰试验[J].公路交通科技，2014，31（3）：119?124.
[8] 姜斌，王强.功能智能盲人拐杖助手的开发与设计[J].自动化技术与应用，2014，33（4）：112?116.
[9] 温有福，贾彩燕，陈智能.一种多模态融合的网络视频相关性度量方法[J].智能系统学报，2016，11（3）：359?365.
