摘要：針對國內現有電子導盲系統存在掃面范圍小的缺點，提出一種新型導盲設計方法。該系統以雙目視覺測距技術為基礎，通過語音轉換模塊能夠準確地提示前方障礙物情況。本文對該設計的測距基本原理及關鍵技術作了一定闡述，并給出了可行的軟、硬件設計方法。

引言

據世界衛生組織統計，全球每年有70萬人成為盲人，目前全球有盲人約4 500萬，其中90%生活在發展中國家，另有1.8億人深受視力障礙的影響，而我國現有盲人總數是世界盲人總數的18%，達到800萬[1]。另外，隨著我國老齡化人口持續增多，到2020年視力障礙者總數將達到現在的4倍，所以急需解決視力障礙者行走避障問題。現在的導盲輔具一般為電子導引手杖、導盲犬、導盲機器人等。電子導盲器主要是以超聲波測距為基礎來實現導盲避障，其缺點是只能進行小范圍單點測距，如果采用多個單點測距會造成系統龐大，干擾嚴重的問題出現。

本文采用雙目CCD結構，以雙目視覺測量技術為基礎，通過圖像處理獲取盲人前方三維空間信息，具有響應速度快、掃描范圍大等諸多優點，更接近于人雙眼的功能和特性。通過語音提示模塊能夠更加準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題。

1 雙目視覺測距原理分析

該導盲系統以雙目視覺測距技術為基礎，采用已標定好的雙CCD結構采集圖像，運用圖像匹配技術找到障礙物的相對位置，最后以音頻信號的形式傳送給人腦，達到導盲的目的。利用雙目視覺系統測量攝像機前端物體的距離、方位的原理圖如圖1所示。

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圖1 雙目視覺系統原理圖

圖1中雙目攝像機呈光軸平行放置，間距即基線長為b，攝像機焦距均為f，O1和O2為焦點,r為目標物到兩個攝像機中心點所在平面上的距離，平面xwy為雙攝像機能夠共同掃描的視域，即雙目測距在該平面的測試范圍。目標物在兩個攝像機的CCD平面上成的像點出現在不同位置上，即對應不同的像素m和n，像素差即視差為其差d。若用D表示單個像素的尺寸，運用幾何光學原理可推導出計算r的公式：

同樣，根據相似三角形計算出目標物到雙目攝像頭中軸線的垂直距離：

容易看出，增加基線b的長度，可以增大視差，從而可以減小視差計算誤差的影響；但是，基線的增大也意味著視域的減小和匹配難度的增大，所以要合理協調兩者的大小。

2 軟硬件設計方案

盲人行走示意圖如圖2所示。

圖2 盲人行走示意圖

雙目視覺導盲系統是一個實時系統，需要硬件和軟件相結合來實現。由于圖像采集需要處理的信息量很大，為簡化系統，本設計采用線陣CCD掃描斜平面（該平面是以攝像平面中心點O為固定點，母線L、D端左右平移形成的平面）上的障礙物信息。盲人在行走時是靈活的，佩戴此導盲系統能較好地實現從平面區域到空間區域的掃描，達到導盲的目的。

2.1 硬件設計

硬件設計結構框圖如圖3所示。本系統采用嵌入式控制器ARM11為內核的S3C6410芯片協調各個部件工作，由S3C6410控制FPGA產生外圍器件的選通和讀寫控制信號。障礙物經過成像系統在CCD上成像，生成的圖像電荷包經過轉移脈沖依次輸出。由于電荷包生成的信號很弱，且輸出信號中含有各種噪聲，為了便于提取有用信號進行處理，必須提高信噪比和抑制噪聲。

圖3 硬件設計結構框圖

本設計采用差動放大濾波電路對CCD的輸出信號進行處理，經A/D轉換變為S3C6410能夠處理的數字信號。為了同時提取兩個CCD信號進行匹配，將兩片A/D轉換后的灰度數據送入FPGA中，通過數據選擇器進行合并，然后送入雙口SRAM中緩存。最后，S3C6410讀取雙口SRAM中兩路CCD信號進行匹配處理，求解出障礙物深度信息，經過音頻驅動電路，轉化為語音信號提示。

TCD1209D的原理結構如圖 4所示。系統采用TCD1209D兩相單溝道型線陣CCD圖像傳感器，它具有速度快、靈敏度高、動態范圍寬、像敏單元不均勻性好、功耗低、光譜響應范圍寬等優點。TCD1209D的驅動電路由FPGA產生轉移脈沖SH、驅動脈沖1和2、復位脈沖RS、緩沖控制脈沖CP等5路脈沖驅動。

圖4 TCD1209D的原理結構

SH為高電平時，1也必須為高電平，同時令SH的下降沿落在1的高電平上，這樣才能保證光敏區的信號電荷并行地向模擬寄存器的1電極轉移。完成信號電荷的并行轉移后，SH變為低電平，光敏區與模擬移位寄存器被隔離。在光敏區進行光積累的同時，模擬移位寄存器在驅動脈沖1和2的作用下，將轉移到模擬移位寄存器的1電極里的信號電荷向左轉移，在輸出端得到被光強調制的序列脈沖輸出——OS端信號。[2]

2.2 軟件設計

軟件設計流程如圖5所示。

為了系統能夠識別前方路面障礙物信息，首先需要確定參照物，其他一切信息與參照物信息比對，確定相關算法識別出障礙物信息，然后轉換為語音信號提示。本設計采用實時掃描路面灰度值作為參照，每隔10 s設定一次路面灰度值，通過CCD采集斜前方平面區域圖像，轉換為灰度信息與路面灰度作比較。如果相同，即認為是路面，不再作信息處理；如果不同，需計算不同灰度信息到攝像平面的距離。相同即認為影子等因素不影響行走；如果不同，則利用語音提示相關蜂鳴器報警。

圖5 軟件設計流程

在上述過程中，關鍵技術點在于兩路CCD信號相同灰度區域到攝像平面的距離測定。A和B代表左右兩路灰度曲線，每讀入一路信號的2幀，即左右2個CCD信號在同一時刻對同一目標所成的灰度圖象。先對2幀圖像各自求取質心，找出匹配的有效數據段，分別取以A、B中的一幀質心為起點，取兩個不同長度的像素段作為特征匹配窗口，對另一幀進行匹配。利用歸一化最大相關系數作為匹配位置搜索判據，求得匹配位置差X1和X2，比較X1和X2，如果其差在3個像素內，則認為有效，輸出一次視差X=(X1+X2)/2，最后將每5次有效信號作平均，求出位移差。[3]

結語

經實驗初步驗證，在佩戴者移動速度和障礙物速度不是很快的時候（<3 m/s），由于速度引起的CCD拖影問題影響甚微，該系統能夠基本達到導盲目的。雖然導盲效果還不太理想，但該系統已驗證了雙目視覺測距技術在導盲系統中應用的可行性。隨著相關技術的發展，雙目CCD結構能更好地計算實物在空間中的三維信息，識別實物特征信息，再加入GPS導航等功能，該類導盲設備會有廣泛的應用前景。

參考文獻
[1] 趙家良.扎實高效地做好防盲治盲工作[J].中華眼科雜志，1999（33）：464466.
[2] 王慶友.圖像傳感器應用技術[M].北京：電子工業出版社，2003.
[3] 葉偉強.雙目視差數字式測距儀信號處理系統[D].天津：天津大學，2007.