振动式盲人景物辨知仪的设计与实验研究

苏重清，邢学刚，修学勇

大庆油田总医院 器械科，黑龙江大庆 163001

振动式盲人景物辨知仪的设计与实验研究

苏重清，邢学刚，修学勇

大庆油田总医院 器械科，黑龙江大庆 163001

振动式盲人景物辨知仪利用电磁振动器的相对振动强度或频率表示颜色，利用电磁振动器的绝对振动强度或频率表示亮度，再结合使用者对扫描顺序的记忆特点，实现景物信息的振动表示。让盲人使用该实验电路，可通过感知振动而感知亮度和颜色，实现一定程度地辨知景物。

振动式盲人景物辨知仪；超声波导盲器；基色光传感器；电磁振动器

1 问题的提出及其意义

视觉障碍不但使患者自己的生活质量下降，而且给社会和家庭都带来了严重的负担。据世界卫生组织统计, 全世界约有 4 千万盲人和1.1 亿人正处于失明的危险中[1]。如果能让盲人和其他视觉障碍者借助于辨知仪器使自己能一定程度地辨知周围的景物，就能提高他们的生活质量和生命质量[2]，而且能有效地减轻上述负担。为此，设计了振动式盲人景物辨知仪[3]。

2 工作原理

目前，有一些关于导视仪的产品处于研究和试用中，其中，用超声波探测障碍物的产品[4-6]，有的叫盲人导航仪、有的叫超声波导盲器或电脑导盲犬[7-8]等，但均未见具体电路。本设计用基色光传感器探测景物，以克服上述方法探测距离受限、实现困难、成本高和不能辨别颜色的缺点。

将景物当成画面，依序抽样获得画面中一些点的亮度和颜色信息就能在一定程度上还原画面的内容。盲人依据获得景物抽样点的顺序、结合抽样点的亮度与颜色信息就能在一定程度上用大脑构造景物影像。这就像用手电筒在黑暗中逐点照亮一幅画一样，只要照亮的点足够多就能在一定程度上了解其内容。很多物件轮廓都和背景有明显的颜色和亮度反差，有些轮廓是同一种颜色更利于用此法辨知。而沿这种轮廓的扫描要比上述逐点照亮容易得多。用此方法可对没记住和不确定的点进行反复扫描。

扫描对象的颜色复杂化也不会令此方法失效，就像用电脑减少相片的像素和颜色，却仍能在一定程度上保留其内容一样。电脑程序图标有的仅有8像素×8像素就能明确表示一种物件就是很好的例证。对盲人而言，能借助于仪器用大脑重建出能表示8像素×8像素的实际景物画面意义就相当大了。

本振动式盲人景物辨知仪，用基色光强度控制该基色所对应的电磁振动器的振动强度。根据三基色能代表任何种颜色的原理，盲人依靠每个电磁振动器的相对振动强度得知颜色信息，依靠所有电磁振动器的绝对振动强度得知亮度信息。实验电路，见图1。根据NE555特性可知，电容C充电时间为0.7 (R1+ R)C，充电时集成电路输出电平为高；电容C放电时间为0.7 RC，放电时集成电路输出电平为低，电路振荡周期计算公式为0.7 (R1+ 2R) C。光越强光敏电阻R的阻值变得越小，相当于光转换成的电信号越强。

图1 光越强振动频率越高的实验电路图

由电路振荡周期计算公式可知，当光强度高使光敏电阻阻值为10kΩ时，喇叭振动频率为6.8Hz；当光强度低使光敏电阻阻值为100kΩ时，喇叭振动频率为0.71Hz。这样频率的变化人是可以分辨的。电路中的C1取值不宜过大，才能保证其对电路输出的方波具有微分作用而省电。所用集成电路NE555引脚与内部功能，见图2。

图2 集成电路NE555引脚与内部功能图

图2给出的仅仅是一种颜色通道的电路和光学结构，其他颜色通道除了滤光片不同以外与此相同。实际上仅用一个通道去掉滤光片就简化成了一个黑白式的振动式盲人景物辨知仪。实验时用了3根长80cm、内径为3cm的薄壁硬管作为束光筒紧紧地绑在一起，又兼拐杖使用。此时，3根束光筒看到几米外的景物可以近视为看到的是同一点景物。现在的数码照相机和摄像机的传感器矩阵的每个单元中各种基色传感器实际上也是相邻排列的。滤光片可用很容易在网上买到的立体电视眼镜片制作，但分光效果不算太好。用专业的滤光片能达到更好的分光效果。判断滤光片分光效果可用一种简单的方法，将不同颜色的滤光片叠加，越不透光效果越好。光电阻可从网上买到，本实验使用的光电阻无型号、直径5mm，标称亮电阻为8～20kΩ、暗电阻为1MΩ。

人们本来习惯于光越强振动幅度越高，而此电路（图3）没有顺从习惯设计是为了电路简化。电路中所配光学部件部分与图1相同。TDA7052A（1W）是压控增益音响功放， 其1脚是电源端、2脚是输入端、脚3是信号地、脚4是增益压控、脚6是电源地、脚7是空脚、脚5是正相输出、脚8是反相输出；其输入阻抗是100kΩ；其增益控制特性，见图4。

图3 光越强振动幅度越低的实验电路图

图4 TDA7052A压控特性

实验中分别用9kΩ、13.5kΩ、27kΩ电阻将第4脚接地，该脚电压分别是0.42V、0.53V、0.73V，该脚空时是1.36V。IC1及其外围元件表面似乎构成了正弦波信号发生器，实际上由于电路增益过高输出的是148Hz，占空比为1:1的4Vp-p方波。实验中用了32Ω喇叭是为了限制输出功率和耗电。TDA7052A的表面安装版和立体声升级版TDA7053A也可以使用。所用集成电路TDA7052A引脚与内部功能，见图5。

图5 集成电路TDA7052A引脚与内部功能图

实验中使用4块TDA7052A而不用2块TDA7053A的重要原因：将4块TDA7052A同方向叠放在一起，将所有第1脚顺势焊到一起，将所有第3脚顺势焊到一起，将所有第6脚顺势焊到一起，因第3脚和第6脚都是地也接到一起，其他，除了光敏电阻和喇叭外的电子元件都用表面安装元件很容易就直接焊到集成块的脚上，根本就不用制作电路板，使实验过程极大地简化，见图6。用3块或4块NE555集成电路时也可如此处理。此乃笔者实验时总结出的技巧，推荐给同行借鉴。

图6 TDA7052A及其外围电路实物图

顺便指出，将图3中的后3个IC分别注入3个不同频率的音频信号会听到对应扫描点亮度和颜色的不同声音，也能具有一定的导盲功能。

作为另外一种技术方案，为了简化传感器的制作过程、实现不同颜色传感器在几何空间上尽量靠近、得到更好的分光效果。实验中曾试图用摄像头逐点获取景物中相当于像素的局部的复合视频信号，输入到基色信号分离电路分离出基色信号。此信号通过检波电路处理成代表基色强度的信号，用以控制振荡调幅驱动电路的输出强度，进而控制各个基色所对应的电磁振动器的振动强度。将复合视频信号分离成基色信号的电路是每个彩色电视都有的，很容易实现。为了简化实验，使用 TV5821 XGA型电视接收盒，该电视盒可输入复合视频信号和输出XGA信号，而XGA信号的15针D型插头或插座的第1、2和3脚就分别是红、绿和蓝基色信号，同时第6、7和8脚都是信号地线脚可以拿来使用，场同步和行同步信号等脚不用。因为没有找到合适的超长焦镜头，所以在镜头前加了束光筒试图达到同一时刻仅传感景物中一小片的目的，但是没有成功。原因是成品摄像头中具有自动亮度控制（Automatic Brightness Control，ABC）电路，束光筒使其得到的光减少太多，使信号输出的电平几乎饱和。所以，用监视器看就是一个很亮的白点。由此可知，用摄像头当传感器使用时，得配上合适的超长焦镜头和解决ABC电路的问题。

3 有待改进之处与对应的问题

考虑到该仪器在不同亮度的环境中使用，可加手动和自动亮度控制电路。本领域专业人员实现此电路应轻而易举。现在很多电脑摄像头都用光敏元件实现这一功能。当然，用机械式光圈也能实现此目的。实验中使用小喇叭作为电磁振动器，为使3个手指能同时分别触及3个喇叭的纸盆，可将喇叭进行部分切割，专门设计出体积更小、更省电、阻抗更匹配和更易触及的专用电磁振动器更好。实验中使用了束光筒、聚光镜和滤光片使其体积变大，若委托专业厂家生产像数码相机那样的传感器会使其变得和手机一样大小。考虑到人对颜色的分辨能力不如电路强，该辨知仪基色输出通道也可以是4个，如用红、黄、蓝和绿4种基色共同判断颜色和亮度信息可增加可感性 。实验用光电阻体积较大，会使各基色检测点重合性变差，减小束光筒内径又会影响感光。实验时也用了据称型号是PT1206AC贴片光敏电阻，仅有3.2mm×1.6mm大小，企图用来改善检测点重合性，甚至将3根束光筒简化成1根，但实测时发现该元件具有二极管特性。有关资料介绍，其感光波长范围在350～1050nm时，暗电阻>20MΩ，再加上放大电路等也有同样功能。

4 使用效果

实验证明，即使没有经过任何训练的人用此仪器，也能在室内通过打开的门往足够亮的室外探测。当探测到室内的墙上或探测到门洞时，电磁振动器的振动就有明显的不同，可确定墙、门的位置和形状；用其探测路面和路两侧的路沟或道牙，电磁振动器的振动也有所不同，可作为一种导盲仪使用。扫描楼房的一排窗，其亮度和颜色都与墙对应的振动有所区别。藉此，在同一场合不同处放置不同形状和颜色的标示物，盲人甚至可活动自如。用其还可辨别楼宇、山峦、天和水的轮廓，使盲人在一定程度上欣赏自然景象也成为可能。实际上，本领域专业人员根据其原理都可推断出效果。可以想象，将所用镜头改成微距镜头，用其辨别书本上的画面也将成为可能。

由于功能代偿的原因，一般盲人的触觉是好于常人的，经过训练还能提高。常人几乎摸不出来的纸币上的盲文能被盲人轻易辨别就是佐证。通过熟悉的物体作为参照物也有助于判断辨知对象。使用者用过一段时间后，有可能凭借振动特征和条件反射就可知道扫描到的是大树、路面或楼房，而不必每一幅画面全靠大脑重新合成。就像学会外语的人仅靠本能反应而不用逐词去翻译听到的句子就能理解一样。先天盲人需被教会彩色和亮度概念。对于有彩色概念的后天致盲者和不可逆视力变差者，使用本仪器还会有更好的效果。最初的使用者可以依靠正常人告知扫描到的景物而学习辨知。“盲人摸象”错在没摸全而不是错在摸，用这种方法“摸” 出的墙、扁担和柱子等是能供盲人综合判断成大象的。实验电路之一实物，见图7。

图7 实验电路之一（实物图）

实验发现，图3方法的振动强度变化不如图1方法的振动次数容易分辨，原因在于，人对振动次数的分辨能力要强于多振动强度的分辨能力。盲人经训练应能好一些，分辨的速度会快一些。

目前，已有“导盲”、“助盲”、“ 助视”、“导视”、“辅盲”和“辅视”等产品处于研究和试用中，各有其优缺点，将本振动式盲人景物辨知仪和上述产品配合使用会给盲人提供另一种看世界的眼睛。

[1] 曹玉珍,刘刚,杨海峰.导盲系统中的道路斑马线识别方法[J].计算机工程与应用,2008, 44(15):176-178.

[2] 龚幼龙.社会医学[M].北京:人民卫生出版社,2000.

[3]苏重清,刘亚芹,苏春旭.振动式盲人景物辨知仪:中国,200820177290.7[P].2009-09-16.

[4] 夏岳勇,杨峻.盲人导航仪[J].医疗设备信息,2007,22(1):111- 113.

[5] 马进明.超声波导盲器的设计[J].微计算机信息,2006,22(14):100-102.

[6] 姚翔,苏永春,于巍,等.超声波导盲系统中可编程增益的研究[J].医疗卫生装备,2006,27(6):9-10.

[7] 胡天培,高忠华,陈中伟,等.康复工程的研究进展与前瞻[J].中国医疗器械杂志,2004,28(1):1-3.

[8] 韩雯,常钧.现代康复工程的发展概述[J].医疗装备,2007,(4):13-15.

Design and Experiment Study of Scene Recognizing Vibrator for the Blind

SU Zhong-qing,
XING Xue-gang, XIU Xue-yong
Equipment Department, Daqing Oilfield General Hospital, Daqing Heilongjiang 163001, China

Scene recognizing vibrator for the blind uses relative vibration of the vibrator to represent color,and absolute vibration to represent the lightness. Combined with the memory characteristic of the user,recognizing the scene by feeling the vibration could be realized. Circuits in this experiment which help the blind recognize the scene by feeling the vibrations controlled both by the brightness and the color of scene could help the blind distinguish the scene to some extent.

scene recognizing vibrator for the blind; ultrasonic blind guide; primary lights sensor; vibrator

1674-1633(2011)11-0014-03

2011-06-29

2011-07-11

专利：国家专利（200820177290.7）。

本文作者：苏重清，教授，高级工程师。

作者邮箱：15645607168@163.com

TH789；O432

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.11.003