面向视觉残疾者的室内空间无障碍助行系统设计

孙媛媛 王志亮

摘  要： 为了帮助视觉残疾者独立行走，提出面向视觉残疾者的室内空间无障碍助行系统设计方法。室内空间与设施助行系统设计包括合理的空间、简化的流线、铺地引导与盲道、连续的扶手。根据无障碍电子助行系统整体功能，以TMS320DM642为核心，设计视频解码器，利用视频解码芯片TVP5150PBS对接收到的空间图像信息进行解码，使结果以数字信号形式输出。采用型号为TLV320AIC23BPW的音频处理芯片设计音频处理器，将该芯片与DM642端口相连接，可完成系统音频高效导入。根据软件程序加載流程，设计数字信号处理模块图像声音映射方案，达到图像与音频之间有效转换的目的，实现室内空间无障碍电子助行系统设计。由实验结果可知，该系统最高助行效率可达到87%，可有效帮助视觉残疾者独立行走。

关键词： 视觉残疾者; 室内空间; 无障碍电子助行系统; 数字信号处理; 映射方案; TMS320DM642

中图分类号： TN79?34; TP391.4                   文献标识码： A                     文章编号： 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

随着人口数量的增长和智能手机等电子设备的推广，视觉残疾者这个特殊人群的数量不断增加。据统计，我国视觉残疾患病率达到94%，其中大部分人具有基本的生活、工作和参与社会活动的能力。人们获取信息的主要来源是视觉，约占90%，失去视觉意味着失去了获取信息的主要途径，因此视觉残疾者在生活中会遇到很多困难[1]。通过在室内空间设置无障碍设施，可以大大延伸视觉残疾者的活动范围，减少生活和工作障碍，获取与正常人同等社会生活的权力。

长期以来，室内设计中针对视觉残疾者的无障碍设计做得不够好。究其原因，一方面是室内设计师的设计手段局限在空间营造与无障碍设施设置等建筑的手段上;另一方面是常用的无障碍电子助行系统要么采用听觉代替视觉系统的方法，要么采用触觉代替视觉系统的方法，技术相对落后，助行效果不佳。

为了解决视觉残疾者在室内空间独立行走的问题，本文尝试进行室内设计和电子技术的跨学科交叉研究，提出面向视觉残疾者的室内空间无障碍助行系统设计，为这一全球共同关注的课题提供理论基础。

1  無障碍助行系统的构成

随着电子技术的发展和应用范围的扩大，电子系统成为室内空间无障碍助行系统的重要组成部分。完整的无障碍助行系统应包括建筑室内设计手段和电子系统两方面，该系统的构成如图1所示[2]。

图1  无障碍助行系统的构成

1.1  室内空间与设施助行系统

在机场、火车站、地铁站以及城市综合体等大型公共建筑的室内设计中，通过空间和流线设计的优化以及必要的助行设施对视觉残疾者实现导行。

1.1.1  室内空间的行为障碍因素分析

通过对各种规模的公共建筑和居住建筑室内空间的调查研究，发现视觉残疾者在室内行走和活动等行为的障碍因素主要包括以下几方面：

1） 复杂的室内流线、复杂的室内空间环境带来的障碍;

2） 室内铺地设计存在缺陷，地面材质体感较差，引导人行的提示功能不足，室内交通线路存在起落步提示位置不当、盲道不连续等问题;

3） 室内交通空间存在意外凸出物，如在走道中设置外开门和消防栓;

4） 空间联系处设置高差、门槛和栏杆等不合理装置;

5） 交通空间设置单侧扶手或扶手不连贯的楼梯[3]。

1.1.2  室内空间与设施助行系统的构成

根据对室内空间的行为障碍因素分析，视觉残疾者的室内空间与设施助行系统构成应包括：合理的空间布局（含主要使用空间、辅助使用空间、交通流线空间）;简化的流线;铺地引导与盲道;连续的扶手。

1.2  无障碍电子助行系统

无障碍电子助行系统利用传感器获取室内空间数据信息，提取室内空间特征信号，转换为视觉残疾者易于理解的非视觉信号，由此为视觉残疾者提供独立而安全的无障碍助行系统[4]。

电子助行系统的硬件包括图像信息采集设备、图像处理设备、音频输出设备。该系统还包括进行数字信号处理的软件程序，依托对应的三种硬件进行信息的输入、处理和输出。

2  无障碍助行系统设计

在室内设计案例中，针对视觉残疾等失能人群的无障碍需求，室内设计师能采用的手段一直局限在空间、流线的改良和无障碍设施的设置上。在现代电子技术高度发达的今天，应该把电子技术和室内设计的建筑手段相结合，优化视觉残疾者的无障碍行为体验。

2.1  空间与设施助行系统设计

无论是普通的建筑室内空间，还是面向视觉残疾者等失能人群的专用室内空间，无障碍设计都应该是基本要求，因为失能者也有使用普通建筑的权力。

1） 合理的空间设计，要求在主要使用空间、辅助使用空间和交通联系空间的形态上无凸出物，在空间的尺度上满足视觉残疾者的行走和使用要求，主要使用空间和生活必须的辅助使用空间之间就近安排。

2） 简化的流线，要求在交通联系空间的安排上保证其对所有其他空间的有效联通，具有易达性的交通流线，线路不宜复杂和出现突然的转折，走道转折处采用弧形流线是最佳处理方式。楼梯是建筑内部垂直交通流线的手段，楼梯流线的简化方法是尽量采用直跑楼梯或规整的双跑楼梯，避免异形楼梯的出现。

3） 铺地与盲道的设置应避免缺陷，铺地材质应选用防滑地砖或石材、木地板、地毯等材质。注意通过不同空间地面材质的变化，对视觉残疾者进行有意的提示，尤其是在交通流线的起步和结束处，避免出现突然的高差。在大型公共建筑中，应在交通流线上设置盲道，并保证盲道的连续性。

4） 连续的扶手，对于视觉残疾者来说，在室内交通空间设置连续的扶手，是最有效的导行方式。当扶手因为流线交叉而被迫中断时，在扶手断开处设置盲道或特殊材质的铺地，也可以起到延续导行的作用。扶手的作用在楼梯中显得尤其重要，在楼梯部分要避免中断的扶手[5]。

2.2  无障碍电子助行系统设计

无障碍电子助行系统整体功能设计如图2所示。

由图2可知：无障碍电子助行系统通过摄像头实时采集视觉残疾者前方走道情况，利用视频解码器对图像进行处理并存储，将存储数据传送到数字信号处理器中，进行走道情况检测。将检测到的走道情况进行分类，把处理结果传送至音频提示处，提示前方情况，视觉残疾者可随着提示音频调整前进方向与速度，以此为基础对系统硬件结构和软件功能展开设计[6]。

图2  电子助行系统整体功能设计

2.2.1  无障碍电子助行系统的硬件改进

要改进无障碍电子助行系统的硬件结构，需先将采集后的图像信号进行处理，转化图像信号为语音信号，确保视觉残疾者听到提示信息后，对走道上的情况作出正确判断，帮助视觉残疾者完成独立行走[7]。系统硬件结构设计如图3所示。

图3  系统硬件结构

由图3可知：所设计的系统，其硬件结构主要由音频输出、信号转换、图像采集以及图像处理等部分组建而成。以TMS320DM642为核心，通过摄像头采集前方路况信息，利用视频解码芯片TVP5150PBS对接收到的室内交通空间的图像信息进行解码，转换成数据。使用DSP芯片处理数字信号，通过音频处理芯片TLV320AIC23BPW输出音频信息。

1） 视频解码器改进设计

本文选用TI公司生产的TVP5150PBS芯片，这是一款多制式的视频解码器，具有体积小、功耗低的特点，可实现不同视频的解码。视频解码器设计原理如图4所示。

由图4可知：模拟信号从TVP5150PBS芯片输入端输入，经过模拟数据转换后，将图像特征信号分离并处理。将色度处理结果传送到色度处理器中待处理，而后转化为数字信号的形式输出[8]。亮度的处理结果则传送到同步分离器中，同步分离处理后产生同步信号。

图4  视频解码器设计原理

图5  视频解码器与DM642电路连接情况

通过双向数据线和时钟线对视频解码器的芯片进行初始化处理。设定线路模拟、对比度、自动增益、数字输出等信号，同时将分离后的数字信号和控制信号传输到处理器中，通过DM642视频端口VP0[6：0]完成信号连接[9]。

2） 音频处理器设计

采用型号为TLV320AIC23BPW的音频处理芯片，集成基于采样技术的数字转换电路，其内置输出放大器，具有可编程能力[10]。TLV320AIC23BPW与DM642视频端口连接示意图如图6所示。

由图6可知：输入引脚和输出引脚分别与DM642端口引脚相连接，SCLK引脚和SDIN引脚与SN74CBT3257芯片相连接，该芯片可为音频处理器提供选择，其作用是能够在地址信号控制下，从中选择一个数据作为输出信号，通过该信号完成音频的导入。

根据系统硬件框图设计视频解码器，以TMS320DM642为核心，通过摄像头采集前方路况信息，利用视频解码芯片TVP5150PBS对接收到的路况图像信息进行解码，使结果以数字信号形式输出。分析视频解码器与DM642电路连接情况，采用TLV320AIC23BPW型号芯片设计音频处理器，将该芯片与DM642端口相连接，可完成系统音频的高效导入，具有成本低、体积小的特点。

图6  芯片与DM642视频端口连接示意图

2.2.2  系统软件设计

数字信号处理模块的软件程序加载与启动设计流程如图7所示。

图7  软件设计流程

由图7可知：当对数字信号处理器进行初始化处理时，需设置Cache，使用512 Kb/s的速度进行数据缓存，设置优先队列长度最大值，构建数据采集播放通道，进行视频解码器和音频处理器初始化处理，设置相关参数，打开音频播放通道[11]。

根据上述软件设计流程，对图像声音映射方案展开设计。通过硬件结构中的图像处理结果获取用户空间盲道方向和障碍物特征信息，将映射结果转换成相应的音频参数，配置音频参数可随时控制音频播放情况[12]。针对视觉残疾者，需要将图像信息转换为音频信息，并构建对应的图像声音映射方案。在实际情况中，走道方向和障碍物是形成视觉残疾者在空间独立行走的障碍来源。

1） 走道方向：走道方向与室内空间独立行走的设计方向有所偏离。对室内空间边缘线进行提取，能够替代原始的走道方向，对多个盲道边缘线角度进行标记，并设置同号的盲道边缘线角度与走道方向一致，异号的盲道边缘线角度与走道方向偏离。

2） 障碍物：室内空间附近存在影响视觉残疾者的障碍物。

利用音频响度和时间间隔表示盲道与走道偏离程度，偏离程度越大，则音频响度就越大，方便视觉残疾者辨別。系统与室内空间特征的映射方案设计如表1所示。

表1  映射方案设计

根据表1映射方案，可达到图像与音频之间有效转换的目的，实现室内空间无障碍助行系统设计。

3  实  验

无障碍助行系统设计完成后，在室内空间和设施无障碍助行手段得到优化的前提下，对新设计的电子助行系统进行软硬件集成测试，验证其是否比传统采用听觉和触觉代替视觉的助行系统具有更高效的助行功能。

3.1  实验数据获取

面向视觉残疾者的室内空间无障碍助行系统输出的是音频结果，实验设备有限，无法对图像的结果进行直观性验证，为解决该问题，采用视频显示器将有关盲道导行实验结果的图像显示在屏幕上，如图8所示。

图8  不同方法实验数据获取结果

由图8可知，采用传统系统获取的室内空间盲道数据不完全，获取结果较模糊，左侧和右侧边缘信息完全丢失;而面向视觉残疾者电子助行系统获取的数据较为完整，结果清晰。

3.2  实验结果与分析

由3.1节中的实验结果可知，采用本文系统对室内空间盲道数据进行获取的结果更好，获取的数据较为完整。根据本文系统获取的实验数据，对传统系统和本文系统的助行效率进行测试，结果如图9所示。

图9  两种系统助行效率对比分析

1） 在信息冗余条件下，当实验时间为5 min时，采用传统系统助行效率为40%，而本文系统（即面向视觉残疾者系统）的助行效率为80%，比传统系统助行效率高40%;当实验时间为10 min时，采用传统系统助行效率为22%，而本文系统的助行效率为76%，比传统系统助行效率高54%;当实验时间为20 min时，采用传统系统助行效率为4%，而本文系统的助行效率为80%，比传统系统助行效率高76%;当实验时间为30 min时，采用传统系统助行效率为5%，而本文系统的助行效率为82%，比传统系统助行效率高77%。

2） 在噪声干扰条件下，当实验时间为5 min时，采用传统系统助行效率为5%，而本文系统的助行效率为80%，比传统系统助行效率高75%;当实验时间为10 min时，采用传统系统助行效率为22%，而本文系统的助行效率为87%，比传统系统助行效率高65%;当实验时间为20 min时，采用传统系统助行效率为46%，而本文系统的助行效率为85%，比传统系统助行效率高39%;当实验时间为30 min时，采用传统系统助行效率为22%，而本文系统的助行效率为81%，比传统系统助行效率高59%。

3.3  实验结论

根据上述内容可知：在室内空间和设施相同，以及信息冗余条件下，面向视觉残疾者系统的助行效率最高为82%，而传统系统助行效率最高为40%;在噪声干扰条件下，面向视觉残疾者系统的助行效率最高为87%，而传统系统助行效率最高为46%。由此可知，采用面向视觉残疾者系统的助行效率更高，助行效果较好。

4  结  语

本文在面向视觉残疾者的室内空间和设施无障碍助行系统完备的条件下，以数字信号处理器为核心构建能够帮助视觉残疾者独立行走的电子辅助系统。阐述系统硬件模块结构和软件流程，详细分析系统与室内空间特征映射方案，通过实验验证了该电子助行系统设计的有效性，并由实验结果可知，该系统最高助行效率可达到87%，满足低成本、高效助行的应用需求。

参考文献

[1] 李睿，张小栋，张黎明，等.面向假肢的场景动画稳态视觉诱发脑控方法[J].西安交通大学学报，2017，51（1）：115?121.

LI Rui， ZHANG Xiaodong， ZHANG Liming， et al. Brain?controlled prosthesis manipulation based on scene graph?SSVEP [J]. Journal of Xian Jiaotong University， 2017， 51（1）： 115?121.

[2] 刘长春.工业化住宅室内装修模块化研究[M].北京：中国建筑工业出版社，2016：93?99.

LIU Changchun. Research on the modular interior fit?out of industrialized housing [M]. Beijing： China Architecture & Buil?ding Press， 2016： 93?99.

[3] 张翼.基于特殊儿童障碍特征的我国特殊教育学校建筑设计研究[D].广州：华南理工大学，2017：339?344.

ZHANG Yi. Research on architecture design of special education school in China based on the characteristics of special children′s barrier [D]. Guangzhou： South China University of Technology， 2017： 339?344.

[4] 李伦，何义林，毛振中，等.深圳市残疾人功能和残疾状况、康复需求与服务发展研究[J].中国康复理论与实践，2017，23（8）：875?878.

LI Lun， HE Yilin， MAO Zhenzhong， et al. Research on status of functioning and disability， unmet needs and service development of rehabilitation for people with disabilities in Shenzhen， Guangdong， China [J]. Chinese journal of rehabilitation theory and practice， 2017， 23（8）： 875?878.

[5] 胡玲玲.人行地道无障碍设施调查研究：以厦门轮渡码头为例[J].装饰，2017，20（11）：140?141.

HU Lingling. Investigation on barrier?free facility： taking Xiamen Ferry Terminal as an example [J]. Art & design， 2017， 20（11）： 140?141.

[6] 张钰曌，陈洋.基于智障学生特征的特殊教育需求空间设计策略[J].建筑学报，2017，20（5）：98?103.

ZHANG Yuzhao， CHEN Yang. A study on the design strategies for school space of special needs based on the characteristics of mentally retarded student [J]. Architectural journal， 2017， 20（5）： 98?103.

[7] 牟昊，陈洁如.某超大空间厂房室内灭火系统设计探讨[J].消防科学与技术，2017，36（5）：666?668.

MU Hao， CHEN Jieru. Discussing on indoor firefighting system design of super large space workshop [J]. Fire science and technology， 2017， 36（5）： 666?668.

[8] 许燕，王茜，李兰娇，等.重庆市100例视力残疾患者病因及验配光学助视器效果分析[J].重庆医学，2017，46（18）：2459?2460.

XU Yan， WANG Qian， LI Lanjiao，et al. Etiology of 100 patients with visual disability in Chongqing City and analysis on fitting effect of optical aids [J]. Chongqing medicine， 2017， 46（18）： 2459?2460.

[9] 王博，王凯，王骥.一种基于DSP的实时视频色彩空间转换算法[J].航空电子技术，2017，48（3）：46?49.

WANG Bo， WANG Kai， WANG Ji. A real?time video color space conversion algorithm based on DSP [J]. Avionics techno?logy， 2017， 48（3）： 46?49.

[10] 徐文超，王光艳，陈雷.改进的变步长最小均方误差电子耳蜗语音增强算法[J].计算机应用，2017，37（4）：1212?1216.

XU Wenchao， WANG Guangyan， CHEN Lei. Speech enhancement algorithm based on improved variablestep LMS algorithm in cochlear implant [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（4）： 1212?1216.

[11] TUZEL T， BRIDGMAN M， ZEPF J， et al. Who watches the watcher？ detecting hypervisor introspection from unprivileged guests [J]. Digital investigation， 2018（26）： S98?S106.

[12] 黄庆东，刘伟刚，庞胜利，等.一种基于bladeRF的软件无线电系统[J].西安邮电大学学报，2017，22（4）：80?85.

HUANG Qingdong， LIU Weigang， PANG Shengli， et al. A software radio system based on bladeRF [J]. Journal of Xian University of Posts and Telecommunications， 2017， 22（4）： 80?85.