王文博 张海燕 李晓菲

摘  要：盲人群体的生存状况是我国政府和社会长期关注的课题。导盲犬、盲道、手杖等辅助方式解决一些盲人的出行问题，随着交通的复杂化，以上的盲人辅助工具已不足以辅助盲人的出行。将GPS定位系统、颜色识别技术和光伏充电技术融于一体，将自动检测系统的交互功能、自动识别系统在智能盲人眼镜上加以应用，为盲人提供一种新的技术，只需进行智能化检测语音提示，解决非先天性失明人群出行、探路等问题，为智能盲人眼镜赋予新的定义。

关键词：人工智能;盲人眼镜;智能化检测语音

中图分类号：TH786;TP391.41     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）12-0057-03

Abstract：The living condition of the blind is a long-term concern of our government and society. Guide dog，blind road，walking stick and other auxiliary methods can solve the travel problems of some blind people. With the complexity of traffic，the above-mentioned auxiliary tools for the blind are not enough to assist the blind. Integrating GPS positioning system，color recognition technology and photovoltaic charging technology，the interactive function of automatic detection system and automatic identification system are applied to intelligent blind glasses，which provides a new technology for the blind. It only needs to carry out intelligent voice detection to solve the problems of non congenital blind peoples travel and road exploration，and gives new definition to intelligent blind glasses.

Keywords：artificial intelligence;blind glasses;intelligent voice detection

0  引  言

据统计，中国有1 700多万盲人，也就是说，每100多名中国人里就有一位视障人士。他们也需要生活、学习、工作、养家糊口。在城市中，按摩是大部分盲人的谋生手段和出路，但是劳动强度大，收入低;在农村，盲人主要依附家庭，没有稳定收入，成为家庭的负担。由于收入低、经济来源有限，盲人在物质上压力大，精神上压力更大。盲人的脱贫也成为国家和社会的关注点和难点，因此，如果拥有较好的辅助工具，使盲人“不盲”，可以为家庭和社会减轻很多的压力。

归根结底，盲人的种种困难，主要是视力的问题，看不见东西，自身的衣食住行都需要他人的帮助。如果能够解决“看不见”的问题，那么他们就可以像正常人一样生活。随着科技的发展，让盲人“复明”已经不是奢望。

盲人出行存在很多不便和安全隐患，比如容易使人疲惫的手杖、总是很“忙”的盲道、昂贵的导盲犬等等，这些出行的辅助方式往往不尽人意，存在各式各样的不足和风险，因此找到合适的工具辅助出行显得很有必要。

随着人工智能的发展，许多先进的技术被应用到各行各业。盲人眼镜结合人工智能，通过红外感应、智能导航、蓝牙传导、智能语音回馈等技术，使盲人的眼界发生变化，能够更好地熟悉和了解身边的一草一木，使其衣食住行都得到极大的便利，独立能力得到极大提高[1]。

1  盲人智能眼镜的技术支持

随着科学技术的发展，使用合适的辅助工具，可以实现盲人的“复明”。先进的工具，离不开先进的技术支持，以下分別介绍盲人智能眼镜的技术支持。

1.1  超声波测距技术

蝙蝠是天生的弱视动物，但弱视对其飞行毫无影响，这主要归功于超声波，蝙蝠的飞行不是靠眼睛去辨识方向，而是通过超声波的探测辨路。超声波的指向性强，能量衰减慢，在介质中传播距离远，是一种很好的测距的技术。盲人智能眼镜采用超声波探距装置，可快速测定障碍物到运动者的距离。

超声波测距的基本方法是TOF（Time of Flight，飞行时间测距法）。发射换能器发出超声波，超声波在遇到障碍物后，由于其反射性能够产生反射回波，回波由接收换能器接收。飞行时间测距法根据从发射出声波到接收回波的时间和声速，通过公式算出距离，公式为：

L=vt/2

其中，L为声波走过的路程;v为超声波在介质中的速度;t为飞行时间。

超声波测距技术精度高，测量范围广，能够很好地探测到行走中的障碍物[2]。

1.2  图像识别技术

由于盲人不能识别道路上的交通标志，比如红绿灯、斑马线等，图像识别技术恰可以弥补盲人群体的这一缺陷，让盲人能够“复明”。

图像识别主要使用摄像头，采用Raspberry Pi（树莓派）的NoIR照相机模块。该模块的摄像头具有500万像素的固定焦点图像传感器，能够拍摄分辨率为2 592*1 944的图片，可以较真实地拍摄环境图片。并且该摄像头附带蓝色滤光镜，可以过滤红外光，使该相机模块不仅可以在白天拍摄，而且也能在夜间拍摄，使该功能比正常人的视力更优越，不受光线弱的影响。

环境图像拍摄后，需要经过图像预处理：第一，直方图均衡化图像，得到灰度分布均匀、对比度强的增强型图像;第二，使用中值滤波处理技术去除图像噪声[3];第三，利用Hough变换提取图像;第四，利用颜色特征辨识颜色进行反馈;第五，使用Haar-like特征库，通过计算特征值，依据特征值由训练好的分类器进行筛选，从而进行目标区域的判断。经过以上五个步骤，将拍摄到的图像数据化，输送到数据处理系统。

1.3  AdaBoost级联算法

图像识别后需要进行数据的运算，Haar-like特征是最基本的单元。每个Haar-like特征对应着的一个弱分类器，构造弱分类器实质上就是通过训练从若干个弱分类器中找出最优弱分类器，寻找能够使分类器的检测误差率最低的阈值的过程。

单一的弱分类器并不能够满足高精度的识别需求，因此提出了AdaBoost算法，用来训练强分类器，其原理是通过权重调整将多个识别能力差的弱分类器集合起来组成识别效果更好的强分类器。

在现实的目标检测中，单一的强分类器还是难以保证识别的正确率。一种最常用的方法是将由AdaBoost算法训练出的多个强分类器进行级联，每一个强分类器组成该级联分类器的一级，从而最终形成一个识别正确率很高的级联分类器。

1.4  数据分析系统

目前，数据分析系统Raspberry Pi比较流行，Raspberry Pi最早是为学校计算机编程教育而设计的，把一台计算机压缩到一张名片大小，并且依然能够实现播放视频、音频等所有功能，使处理系统小巧化、微型化，经历几个版本的改进，已经发展成为相当稳定的产品。通过Raspberry Pi开发板作为中央处理器，对超声波模块和摄像头模块得到的数据进行处理，通过耳机输出，传送到人体的听觉系统，从而实现了盲人对环境的“可视”。

2  盲人智能眼镜的优化设计

在以上技术的支持下，为了改进盲人智能眼镜的设计，我们计划从以下五方面来进行优化。

2.1  控制系统的优化设计

本系统主要由各种元件相互配合组成，元件之间相互发送信息实现各种信息交流，如颜色识别传感器、红外测距仪、语音系统、数据分析、数据接收器等。控制系统设计示意图如图1所示。

2.2  镜架空间设计

由于镜架的空间有限，所以选择小型测距传感器“红外测距传感器，型号TFMINI，性能良好，可检测附近0.3～ 12 m之间的物体尺寸”即可满足设计功能的需求。颜色传感器则选择物美价廉的RGB颜色传感器ADJD-S311-CR999，它可以直接将信号数据传送到接收器上，进行信息的判断与传送。

2.3  GPS技术的运用

在GPS定位系统的选择上，微型GPS智能定位器Aman-Stino即可满足设计需要。通过GPS的反馈及时到了解盲人的位置，将数据连接到监护人的手机上，可以使监护人随时随地地获取盲人的信息，并能够远程协助盲人，使盲人不必时时刻刻都需要他们的陪护，可以自己独立去做事情，监护人也能够安心。微型GPS智能定位器AmanStino所在位置如图2所示。光伏充电模块等供能装置由我们自行根据实际功能需要设计制作，例如微型锂电池。语音提示模块根据我们后期需要进行设计和采用，在电路设计问题上进行优化。

2.4  颜色识别技术、自动检测技术的深化

对颜色识别技术、自动测距技术进行深化检测，从有限数据中检测出模型近似参数，模型可根据交通信号灯颜色、光线的明暗变化等改变认知系统进行信号的大小、种类或者模型的架构设计优化。用红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外的检测位置遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过信号传感器接口返回到接收器，接收器识别红外的返回信号便能够通过计算周围环境的变化，有效地规避盲人的意外磕碰，整个自动化系统结构简单方便。

2.5  深化供能或蓄电系统

蓄电装置是整个盲人智能眼镜在执行命令时的核心基础，微型锂电池和可充电式电源为整个系统提供了功能保障，可有效防止尤其是GPS定位系统失灵而导致人员走丢的情况。蓄电装置对应关系可使要传送的命令得到快速的执行，其要求具有高效、无失误的特点。

3  盲人智能眼镜发展方向

3.1  基于云计算的盲人智能眼镜

对于云计算的服务类型来说，一般可分为三个层面，分别是IaaS、PaaS和SaaS。这三个层次组成了云计算技术层面的整体架构，这其中可能包含了一些虚拟化的技术和应用、自动化的部署以及分布式计算等技术，这种技术架构的优势就是可以对外表现出非常优秀的并行计算能力以及大规模的伸缩性和灵活性等特点[4]。

3.2  基于大数据的盲人智能眼镜

结合大数据的盲人智能眼镜，无疑会带来意想不到的体验和便捷，比如出门坐公交车，说出目的地后，经过语音系统传输到中控芯片，智能眼镜会给出离自己最近的公交车站，下车后，继续导航近距离，直至到达目的地。

3.3  基于后台计算机平台的盲人智能眼镜

盲人的迷路问题是其出行的一个大障碍，因为怕迷路，盲人大多畏惧出门。建立后台的计算机平台，实时和盲人智能眼镜进行信息共享。同时，智能眼镜连接计算机平台，通过语音可以及时地了解天气预报、温度、空气质量、路况信息等出门必备的数据，使盲人能够合理安排出行，避免不必要的麻烦。

3.4  基于四面摄像监控的盲人智能眼镜

盲人出行，可以通过各种工具及时地了解到脚下的路是否安全，但是空中以及非地面的物体往往成为盲区，因此全方位的监控是很有必要的，为盲人智能眼镜增加四面摄像头，可以对周围的立体环境做出及时的反馈，并通过声音或者震动提示潜在的危险，及时指出正确、安全的道路，使盲人的出行更加安全[5]。

4  结  论

关怀盲人群体，不仅仅在于人为的关怀和帮助，更应该在于先进技术的辅助，授之以鱼不如授之以渔，先进的辅助技术便是“渔”，盲人群体借助先进技术的帮助，能够像正常人一样生活，增强了自身的生活信心，减轻了家庭的负担，也为国家的脱贫作出贡献。本文设计的盲人智能眼镜用先进的技术给盲人群体一片光明，使他们的路走得更稳、更快、更顺。

参考文献：

[1] 张其善，吴今培，杨东凯.智能车辆定位导航系统及应用 [M].北京：科学出版社，2002.

[2] 安淑芷.超声导盲眼镜——献给失明者的爱 [J].中国科技信息，1994（Z1）：48.

[3] 劉丽梅，孙玉荣，李莉.中值滤波技术发展研究 [J].云南师范大学学报（自然科学版），2004（1）：23-27.

[4] 王莹.人工智能的进展及发展建议 [J].电子产品世界，2017，24（Z1）：23-26.

[5] 樊炳辉，卢凤，王鑫，等.智能上假肢特定人语音识别系统实现 [J].计算机工程与设计，2017，38（6）：1630-1634.

作者简介：王文博（1997.10—），男，汉族，甘肃天水人，本

科，研究方向：机械设计制造及其自动化;张海燕（1982.03—），女，汉族，山东德州人，讲师，本科，研究方向：创新创业教育;李晓菲（1984.12—），女，汉族，山东德州人，讲师，本科，研究方向：创新创业教育。