摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電子導(dǎo)盲系統(tǒng)存在掃面范圍小的缺點(diǎn)，提出一種新型導(dǎo)盲設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)以雙目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)語(yǔ)音轉(zhuǎn)換模塊能夠準(zhǔn)確地提示前方障礙物情況。本文對(duì)該設(shè)計(jì)的測(cè)距基本原理及關(guān)鍵技術(shù)作了一定闡述，并給出了可行的軟、硬件設(shè)計(jì)方法。

引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球每年有70萬(wàn)人成為盲人，目前全球有盲人約4 500萬(wàn)，其中90%生活在發(fā)展中國(guó)家，另有1.8億人深受視力障礙的影響，而我國(guó)現(xiàn)有盲人總數(shù)是世界盲人總數(shù)的18%，達(dá)到800萬(wàn)[1]。另外，隨著我國(guó)老齡化人口持續(xù)增多，到2020年視力障礙者總數(shù)將達(dá)到現(xiàn)在的4倍，所以急需解決視力障礙者行走避障問(wèn)題。現(xiàn)在的導(dǎo)盲輔具一般為電子導(dǎo)引手杖、導(dǎo)盲犬、導(dǎo)盲機(jī)器人等。電子導(dǎo)盲器主要是以超聲波測(cè)距為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲避障，其缺點(diǎn)是只能進(jìn)行小范圍單點(diǎn)測(cè)距，如果采用多個(gè)單點(diǎn)測(cè)距會(huì)造成系統(tǒng)龐大，干擾嚴(yán)重的問(wèn)題出現(xiàn)。

本文采用雙目CCD結(jié)構(gòu)，以雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)圖像處理獲取盲人前方三維空間信息，具有響應(yīng)速度快、掃描范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，更接近于人雙眼的功能和特性。通過(guò)語(yǔ)音提示模塊能夠更加準(zhǔn)確地讓盲人獲知前方障礙物情況，能夠較好地解決盲人行走避障問(wèn)題。

1 雙目視覺(jué)測(cè)距原理分析

該導(dǎo)盲系統(tǒng)以雙目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ)，采用已標(biāo)定好的雙CCD結(jié)構(gòu)采集圖像，運(yùn)用圖像匹配技術(shù)找到障礙物的相對(duì)位置，最后以音頻信號(hào)的形式傳送給人腦，達(dá)到導(dǎo)盲的目的。利用雙目視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量攝像機(jī)前端物體的距離、方位的原理圖如圖1所示。

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圖1 雙目視覺(jué)系統(tǒng)原理圖

圖1中雙目攝像機(jī)呈光軸平行放置，間距即基線長(zhǎng)為b，攝像機(jī)焦距均為f，O1和O2為焦點(diǎn),r為目標(biāo)物到兩個(gè)攝像機(jī)中心點(diǎn)所在平面上的距離，平面xwy為雙攝像機(jī)能夠共同掃描的視域，即雙目測(cè)距在該平面的測(cè)試范圍。目標(biāo)物在兩個(gè)攝像機(jī)的CCD平面上成的像點(diǎn)出現(xiàn)在不同位置上，即對(duì)應(yīng)不同的像素m和n，像素差即視差為其差d。若用D表示單個(gè)像素的尺寸，運(yùn)用幾何光學(xué)原理可推導(dǎo)出計(jì)算r的公式：

同樣，根據(jù)相似三角形計(jì)算出目標(biāo)物到雙目攝像頭中軸線的垂直距離：

容易看出，增加基線b的長(zhǎng)度，可以增大視差，從而可以減小視差計(jì)算誤差的影響；但是，基線的增大也意味著視域的減小和匹配難度的增大，所以要合理協(xié)調(diào)兩者的大小。

2 軟硬件設(shè)計(jì)方案

盲人行走示意圖如圖2所示。

圖2 盲人行走示意圖

雙目視覺(jué)導(dǎo)盲系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，需要硬件和軟件相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于圖像采集需要處理的信息量很大，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用線陣CCD掃描斜平面（該平面是以攝像平面中心點(diǎn)O為固定點(diǎn)，母線L、D端左右平移形成的平面）上的障礙物信息。盲人在行走時(shí)是靈活的，佩戴此導(dǎo)盲系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)從平面區(qū)域到空間區(qū)域的掃描，達(dá)到導(dǎo)盲的目的。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。本系統(tǒng)采用嵌入式控制器ARM11為內(nèi)核的S3C6410芯片協(xié)調(diào)各個(gè)部件工作，由S3C6410控制FPGA產(chǎn)生外圍器件的選通和讀寫控制信號(hào)。障礙物經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)在CCD上成像，生成的圖像電荷包經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移脈沖依次輸出。由于電荷包生成的信號(hào)很弱，且輸出信號(hào)中含有各種噪聲，為了便于提取有用信號(hào)進(jìn)行處理，必須提高信噪比和抑制噪聲。

圖3 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)采用差動(dòng)放大濾波電路對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)镾3C6410能夠處理的數(shù)字信號(hào)。為了同時(shí)提取兩個(gè)CCD信號(hào)進(jìn)行匹配，將兩片A/D轉(zhuǎn)換后的灰度數(shù)據(jù)送入FPGA中，通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行合并，然后送入雙口SRAM中緩存。最后，S3C6410讀取雙口SRAM中兩路CCD信號(hào)進(jìn)行匹配處理，求解出障礙物深度信息，經(jīng)過(guò)音頻驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)提示。