基于计算机视觉的避障导盲系统构建及在视障生教育教学中的应用研究

马波 程育宏 王莹 崔丽珺

[摘           要]  为改善传统视障辅助设备价格昂贵、运算效率低的缺陷，设计了一种基于计算机视觉的避障导盲系统。该系统通过相机采集周围环境图像，并结合计算机视觉技术、时间心理视觉调制技术以及SURF、ID3决策树分类等算法分析处理图像信息，确定障碍物的相对位置并通过语音播报实时路况。同时为探究系统在视障生教育教学中的应用，将系统装载在智能眼镜上，以某校初二视障学生为对象进行了效果实验及问卷调查访谈，实验结果证明了本系统的可靠性和实际可行性。

[关    键   词]  计算机视觉;避障导盲系统;视障生;教育教学

[中图分类号]  G642                                [文献标志码]  A                                                   [文章编号]  2096-0603（2021）11-0216-02

视力障碍群体由于先天或后天因素导致的视觉缺陷使他们缺乏对环境的判断能力，给日常生活与工作造成了很大不便。但随着互联网科技的发展，视力障碍群体借助软件与设备能够逐渐像常人一样生活工作，这一现象也改变了视障生的学习方式，视障生通过计算机技术可以在老师的引导下接受更加完善的教育。

目前的视障辅助设备大多是以图像或信号处理，结合人的感知能力向视障患者提供周围环境的信息，达到避障或导盲的目的。这些设备通常被设计为手杖、腰带、眼镜等形式，但是这种传统的辅助设备需要在小体积的物体上实现复杂的功能，因此這些设备价格都比较昂贵，给视障患者造成了很大的经济负担。计算机视觉技术是一种新兴的计算技术，它通过相机采集周围环境图像，运用算法进行图片的解析，将图片内容转译成计算机语言，最后通过计算机反馈出信息。计算机视觉技术因其在算法运算和数据处理的优势使它在视障辅助领域有巨大的潜力。

为降低设备成本、提高设备运行效率，本文基于计算机视觉技术结合算法构建出新型的避障导盲系统，达到加快图像处理效率、减少运算量、节约设备成本的目的。同时本文研究了该系统在视障生教育教学中的应用。

一、系统结构设计

系统通过摄像头上传图像，以计算机视觉技术分析出障碍物的种类及坐标，通过语音提示和辅助成像达到避障效果。系统主要分为三个功能区，分别是障碍物测距、隐藏投影信息及语音路况识别，分别通过不同算法实现，系统结构框架如下图所示：

（一）SURF算法

SURF算法的全称是Speeded-Up Robust Features，译为加速稳健特征，是一种稳健的局部特征点检测和描述算法。它是在SIFT算法的基础上改进得到的，相比原算法，它的运算复杂度更低、耗时更少、效率更高，可以达到实时应用的效果。本系统采用相机标定技术对相机采集的障碍物图像进行预处理，得到图像的矩阵坐标后利用SURF算法选取特征点并计算出特征点在不同图像的具体位置，达到实时测距的效果。

（二）TPVM技术

TPVM技术的全称是时间心理视觉调制技术，该技术的原理是利用人的视觉延迟，在高频帧率的图像中得到不同的信息。人分辨视频信号的刷新频率极限在60Hz左右，而现代的计算机却可以使刷新频率远高于这一数值，从而使不同的观察者在观察同一图像视频时同时获得不同的信息。本系统在分析周围环境的图像时需要发射光线在图像上形成投影，以便于提取特征点，但是光线本身会对使用者造成干扰，系统借助TPVM技术隐藏部分光线投影的图像，防止系统在使用过程中对使用者造成干扰。

（三）数据建模决策树

本系统的数据建模决策树是由图像二值化程序、特征提取算法及ID3决策树分类算法三部分构成的。系统通过相机获取到需要的图像集后，利用图像二值化程序将图像集在不同的颜色空间中进行转换，得到图像空间模型，再经过特征提取算法提取光线因障碍物在图像上形成的线段，再用ID3决策树分类算法分析处理不同特征线段需要的不同决策，最后通过语音提示实时反馈出路况信息。

二、应用研究

为探究系统在实际应用中的可靠性及在视障生教学中的作用，将系统装载到智能眼镜上，以班级为单位，进行视障生使用实验，通过记录视障生的实际使用情况和反馈得到研究数据。

（一）对照试验

本实验选取某校初二年级一班的视障学生作为实验对象，一班的21名学生（其中9名男生，12名女生）均佩戴装有视障辅助系统的智能眼镜上体育课，作为定量，体育老师与上学期的体育老师为同一人，且授课内容和授课方式与上学期完全相同。实验时间为2020—2021年第一学期。

（二）问卷调查

在实验结束后，对实验对象进行调查问卷，获取实验数据信息。问卷采用盲文形式，问卷题目采用李克特五点量表进行设计。问卷调查统计表如下表所示。

从表中可以看出，大部分学生对辅助眼镜的感官是良好的，认为辅助眼镜对上体育课有很大帮助，增加了学生的上课积极性，但仍有部分学生不喜欢体育课，个别学生对辅助眼镜表示了反感，这说明辅助眼镜仍有需要改进的地方。

（三）学生访谈

为了解实验对象的主观感受，分析辅助眼镜对视障生教学的实际辅助作用，笔者对具有代表性的学生进行了访谈。经过访谈了解到，学生对辅助眼镜基本可以接受，认为系统对他们上体育课很有帮助，一些同学认为辅助眼镜帮助他们克服了对体育活动的恐惧，提高了对体育课的兴趣，性格也变得更加开朗乐观。但是个别学生也指出了辅助眼镜的不足之处，一名学生认为辅助眼镜的佩戴舒适度不够高，佩戴整节课会使耳朵和鼻梁疼痛，另一名学生反映辅助眼镜的语音播报功能存在一定缺陷，当周围有其他人或者物体运动时，语音提示会变得比较频繁。

（四）教师授课感受

体育老师谈到以前上体育课的时候，学生因为视力障碍对体育器材和上课有一定的恐惧心理，每次上课时都需要带领学生触摸需要使用的器材，大大浪费了授课时间，而且学生对体育活动的参与度也不高。而辅助眼镜改变了这一情况，他认为辅助眼镜提高了授课效率，降低了授课难度，增强了学生进行体育活动的信心，增加了学生的运动量，改善了学生的体质，调动了学生的积极主动性，同时由于学生变得喜欢上体育课，体育老師也变得更受学生欢迎，增进了师生关系。体育老师表示希望辅助眼镜能够在这次测试中得到更好的调整优化，并希望辅助眼镜将来可以长期应用于体育课教学中。

三、结果与展望

总体来说，基于计算机视觉的避障导盲系统符合视障生的体育课教学需求，具有可靠性和实际可行性，但是在系统的装载硬件选择和语音播报方式上仍需进一步改进，系统的算法也可以用性能更优越的BRIEF等算法进行替换，进一步提高运行效率，同时可以调整系统中的部分功能模块，以满足视障生对其他学科教学的需要。

参考文献：

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编辑 郑晓燕