可穿戴电子导盲装置设计与实现★

姚 丽 武慧荣 逯兆友 常 欣

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

目前，为盲人出行提供便利的设计并不完善，各式导盲设备也不断出现，对导盲设备的研究也越来越深入，如基于多传感器智能化导盲杖[1]、基于双目视觉方法导盲机器人研究[2]、基于机器视觉导盲眼镜[3]、导盲系统中的障碍物检测方案设计[4]等，现有导盲装置多为导盲杖、导盲眼镜等，存在携带不方便、成本高、导盲效果不好、过于显著的装置不易被盲人群体接受等问题。

因此，设计一种既能方便盲人，又使盲人容易接受的导盲设备尤为重要。本文基于图像处理技术来分辨行进方向障碍物，以Arduino单片机为控制核心，将信息通过耳机传递给使用者；同时集成GPS模块和一键求救功能，能够实时向相关人员传递使用者的位置或求救信息。

1 总体功能设计

1.1 可穿戴设备可实现的功能

该可穿戴设备采用人性化的设计，将导盲装置集成应用于帽子上，方便携带，帽檐部分设计了墨镜造型，具有一定的美观性，且在外形上与普通帽子无差异。该可穿戴设备具有以下功能：

1)识别使用者前方障碍物并输出语音提示。通过图像采集模块采集使用者前方的环境信息，利用图像处理模块识别出图像中的障碍物信息，并通过语音提示模块提醒盲人。

2)使用者地理位置信息实时获取。将使用者实时位置信息反馈给移动终端，使用者家属可以通过手机APP获取使用者的行

驶路径信息及实时地理位置信息，方便及时掌握使用者动态，掌握其安全信息。

3)一键求救功能。当使用者遇到危险时，按下位于帽子上的求救按钮，蜂鸣器即可报警求救周围的人，并可立即拨打特定联系人电话。使用者可以通过一键报警功能向周围人群求助，并将求助信息发送给亲属。

1.2 总体设计

该可穿戴电子导盲装置由控制模块、图像采集模块、GPS模块、语音模块、一键求救装置和帽子本体等组成。装置系统总体组成如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 控制模块

Arduino是一款便捷灵活且价格便宜的开源电子原型平台，主要包含计算机中的程序开发环境Arduino IDE和用做电路连接的Arduino电路板硬件部分，可广泛应用于可穿戴设备领域中。本设计应用LilyPad Simple微控制器板为控制核心，其在Arduino的基础上将端口简化为11个，可缝制在织物上，并增加电源插座，可以由相应规格的外部电源直接供电。

2.2 图像采集模块

该模块采用微型摄像头获取图像信息。微型摄像头具有体积小、高稳定、高速率、长距离、多点测试等功能，且可把摄像机做成饰品形状，安装在帽子上。通过对比不同型号摄像头及其特征参数，考虑到装置的适配性以及摄像头的价格因素，本装置选择IDV HDQ9无线WIFI微型摄像机。

2.3 GPS模块

该模块将使用者位置信息实时发送到移动终端，使用者亲属可及时确认其位置信息。本设计采用SKG08A型号GPS模块对可穿戴设备进行定位，其具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特点而被广泛应用。使用nmea协议或自定义协议将位置、速度、时间等一系列的串行数据记录，其小尺寸和低功耗的特点使它很容易的被集成到便携式的设备中。

2.4 求救按钮

本装置集成一键求救功能，当使用者触发求救按键时，蜂鸣器响起向周围的人群提示报警，同时会向使用者亲属的移动终端发送报警信息。由于可穿戴设备便捷小巧，极有可能造成误触，因此本装置将按键设置在帽沿内侧。当遇到紧急情况下，使用者折断墨镜触发求救按键，启动一键求救功能，这样既减少误触几率，又可使使用者在受到严重撞击时，可以使一键求救功能自动开启。

3 软件系统功能实现

系统功能的实现需要软硬件相结合，利用图像处理算法对采集到的图像进行处理，识别出使用者前方的障碍物信息，实现语音信息及图像信息的输出；利用GPS技术实时掌握使用者的地理方位。

3.1 图像处理

利用控制模块的障碍物识别算法对采集到图像进行处理后获取使用者前方障碍物信息，其过程是从通过视频文件分解出的一系列连续图像中获取使用者前方障碍物信息。

障碍物检测采用背景帧差法进行，但传统的背景帧差法主要是直接比较前后两帧图像对应像素点的灰度值，然而这种方法在低对比度的情况下易受噪声干扰。

因此本文采用一种基于提取函数的二值化方法来对传统帧差法加以改进。原理如下:

(1)

(2)

其中，f(x,y,j)为当前帧图像的灰度值；f(x,y,k)为前一帧图像的灰度值；Ek为提取函数；Bk为输出的二值化函数；T2为阈值，且T2∈(0,1)。

将通过视频文件分解出的一系列连续图像使用上述方法检测区域内的障碍物信息，对前后两帧图像之间的像素点进行对比，并采用卡尔曼滤波法去掉噪声。对于运动缓慢或者静止的障碍物，由于背景帧差法处理后留下的信息太少，所以需要使用边缘检测法获取障碍物的边缘信息并对检测结果进行修正。结合上述两种方法得到的信息并生成障碍物的位置信息，以此实现对障碍物的检测。

3.2 GPS技术

通过GPS模块获取使用者的位置是十分方便有效的途径。本装置集成GPS模块，可实现导航功能，可在屏幕上显示使用者实时位置，街道信息等。运用单点动态定位方法，利用安设在导盲设备上的GPS信号接收机，自主测得使用者的实时位置，并可得出使用者的行走轨迹。

4 外观设计

本文将电子导盲装置与传统的鸭舌帽相结合，并在帽檐下端安装一个墨镜，设计出一款可穿戴导盲帽，与传统的导盲杖、导盲眼镜相比，可穿戴导盲帽更为便携舒适，且外形与普通帽子无差异，易于被盲人群体接受(见图2)。

5 结语

本导盲装置的设计运用GPS技术和图像处理技术，实现了定位使用者行走路径，提醒使用者前方障碍物的功能，并设计了一键求救功能按钮。本设计具有制造成本低，操作简单，使用舒适便捷，可提高盲人出行安全性等优点，具有一定的实用意义。