浅谈导盲辅助系统关键技术

高侨，陈世勋

（宜宾学院，四川 宜宾 644000）

0 引言

根据世界卫生组织的数据，全世界约有2.85亿视力障碍者，其中3900万人是盲人。中国目前调查发现2100万视障人士，其中23.8%是盲人。如何让他们更好地融入社会，发展他们的数字生活能力，已经成为人们日益关注的社会问题。截至2019年，中国盲人数量约为1700万。然而，由于条件所限，城市中的盲道、无障碍设备等各种辅助设施无法得到有效建设和维护，直接给视障者的出行带来了极大的困扰。在盲人辅助工具中，应用最为广泛的是盲人手杖和导盲犬。但是，盲人行走棒的功能单一，不能用于识别周围环境的大部分物品。由于训练难度大、成本高，导盲犬使许多普通盲人望而却步。因此，通过盲人引导技术协导盲辅助人更好地与周围环境互动、处理日常生活成为研究热点。

1 导盲辅助设备的研究

1.1 盲人“智能眼镜”

英国科学家研制出一种智能眼镜，可以通过图像处理技术识别物体，并将识别结果转换成语音，为盲人用户在陌生的新环境中提供基本导航。该眼镜由微型摄像机、指南针、GPS模块等工具组成。当盲人面对要识别的物体时，眼镜两侧的微型计算机将同时拍照。然后，智能眼镜将相机捕获的信息显示在眼镜的LED屏幕上，以形成增强图案。然后，眼镜的接收器部分将图像信息转换为语音，向用户读出导航指南[1]。

1.2 盲人手杖

Physiorg开发的智能手杖配备GPS导航和红外识别模块，可为用户提供导航和定位服务。红外传感装置检测外部环境，并在发生碰撞时提示用户。

1.3 智能运动鞋

英国航空公司发布了智能运动鞋的概念版本，可以指导用户。这款鞋内置GPS模块、蓝牙模块和振动模块。通过蓝牙与用户手机中的应用程序通信。当用户进入目的地时，鞋子可以引导用户朝正确的方向移动。鞋子通过振动引导使用者，左右鞋子的振动分别代表左右行走。当穿戴者走错方向时，其鞋子会给他持续的振动提醒。当连续三次发出振动提示时，表明其已到达目的地。这款鞋也适用于目前不注意道路的手机“低头族”。

1.4 智能感应头带

一家美国科技公司开发了一种Sentiri距离感应头带，它可以通过电机驱动的触觉反馈帮助佩戴者行动。Sentiri使用内置红外景深传感器发射红外光探测周围物体，然后通过不同强度的振动帮助佩戴者避开这些障碍物。当连接到谷歌地图等移动应用程序时，它可以控制并引导佩戴者通过地图安全到达目标位置。从这些产品中可以发现，导盲航产品开发中使用的技术主要包括GPS导航、图像识别、红外检测、激光测距、传感器传感等，这些产品一般都是专用设备，涉及的硬件技术比较复杂，难以形成统一标准，用户需要购买专用设备，价格高，可替代性和兼容性差。因此，大多数导航产品仍处于原型或测试阶段，无法普及。

2 导盲辅助系统技术的研究

众所周知，国内外大多数学者在职业辅助系统的开发中主要涉及超声波、红外、激光、GPS、RFID、语音识别与合成、图像识别等技术。从简单的智能手杖到功能更加丰富的智能文字系统，取得了一定的效果。此外，从技术发展的角度来看，国外在导盲辅助系统的研发和生产方面一直处于领先地位[2]。

早在20世纪60年代，国外学者就将成熟的超声波和激光技术应用于导盲辅助设备的研究和生产。1965年，Russell开发了用于超声波测距的“路径探测仪”，它可以大致感知最近物体的位置；1974年，Kay使用多个超声波传感器进行设计，并通过比较两个超声波接收器接收到的声音信号强度的差异来判断物体的方向。1989年，Bolenstein等人设计了一种电子助行海军腰带，它使用超声波传感器感知障碍物，并通过声音和触摸提示盲人。随着科学技术的发展，超声波技术在我国的应用逐渐成熟。2013年，赵秀玲等人将超声波技术与蓝牙传输技术相结合，设计了一款盲人向导，用于检测障碍物，并通过语音提示盲人。2017年，许多技术已经成熟。张景学等人充分利用超声波、GPS、无线通信和卡车技术，设计了一种安全系数更高的智能导盲杖。

近年来，随着GPS、RFID、图像识别以及语音合成与识别等技术的快速发展，导盲辅助系统的研究向前迈出了一大步。例如：定位方式在导盲辅助系统上的应用从开始的GNSS到Fusedlocation融合定位，实现了大步跨越。

GNSS：美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的GLONASS卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统是联合国认证的全球导航卫星系统供应商。GPS至少需要4颗卫星才能实现精确定位。目前，正常情况下的定位精度可以达到10米以下。使用特殊的技术方法和芯片，可以达到米级和厘米级的精度。它的主要优点是精度高、数据可靠、能够获取高度。但缺点是在建筑物密集、水域面积大、电磁干扰大的区域，定位精度会大大降低，而且功耗大，定位速度慢，无法在室内定位[3]。

AGPS定位模式：最初的GPS定位通常需要很长时间，有时需要几十秒、分钟甚至更多。因此，使用手机阿尔卑斯山定位方法，需要打开移动网络连接。第一步是使用网络确定方向，获得近似的位置，然后使用GPS模块，检索该点位置附近的卫星。AGP，室外可以实现一样的GPS定位精度，并能显著降低初始定位的GPS时间。在一些薄弱的GPS信号环境，如室内环境，移动运营商往往通过AGP定位，但精度较低[4]。

网络定位模式(基站、Wifi网络)：使用一个移动基站和无线网络热点的位置。网络选址模型的精度主要由服务器决定，根据基站和Wifi五节点网络信息转换为位置数据。定位方法的主要优势是初始定位速度、低功耗；但缺点是精度低、没有高程数据，适用于精度不高的场合。

Passive定位模式：定位方法的精度由定位数据的提供者确定。用户不主动发送位置请求，而是获取位置信息。系统存储其他应用程序的位置更新。在收到位置更新数据后，应用程序可以直接读取。例如，系统中安装了百度地图和高德地图，则可以被动获取位置数据。

Fusedlocation：融合定位服务。目前，组合定位服务专门指Google。在这种模式下，不需要明确指定定位模式，但服务提供商会根据当前环境和用户需求自动判断并给出最佳定位模式。该方法定位精度高，可根据功率自动选择定位方式，这是一种更智能的定位方案[5]。

与以往相比，现有的许多盲人辅助系统不仅使用方便，功能多样，而且有些系统可以帮助盲人引导和辅助人们“看到”周围环境。2010年，Yelamarthi等人为视力受损者开发了RFID和GPS组合导航系统“智能机器人”。系统采用RFID和GPS技术分别实现室内和室外导航定位，采用超声波和红外传感器避开障碍物，并通过扬声器和手套上的振动电机提供用户反馈；2010年，彭恩等人提出了一种基于图像处理技术的实时障碍物检测系统，可以通过智能手机上的摄像头实时捕捉和检测地板上的低空物体。同时，我国许多研究人员已经开发出一些良好的盲人辅助导航系统。2015年，王雪莲利用RFID和语音识别与合成技术设计了一套公共建筑盲道引导系统，该系统可以通过RFID技术读取特定公共建筑内的盲道和电子标签，以确定盲人的位置，通过语音与盲人实时交互，引导盲人安全行走；2017年，黄玉龙研发的盲人智能眼镜可以在背景中搜索到与眼镜相似的物体，初步实现盲人“看”到物体的美丽愿景。

3 结语

在户外行走时，除了平坦的道路外，还有许多“异常”路况。例如，一段上下台阶、一个水坑、路边建筑工地、丢失的下水道井盖、河流等。这些“障碍物”是我们普通行人非常熟悉的，很容易避开和绕道。然而，对于视力受损或缺乏反应的人来说，这是一个巨大的安全威胁。道路上的任何障碍物都可能对他们造成人身伤害。这些无处不在的路障往往是随机产生的，随时出现，存在着巨大的隐患。这给视障人士的旅行带来极大不便。尽管近年来导盲辅助系统和设备发展迅速，现有的许多导盲辅助设施趋于智能化和多样化，但仍存在地域性强、成本高的问题，且大多效果不够好、实用性差。但是，随着计算机视觉、语音交互和Android系统技术的发展，导盲辅助产品的设计和开发将继续朝着功能更加完善、应用更加广泛的方向发展。