一種智慧型手機導盲器及導盲方法
2023-06-26 10:03:51
專利名稱：一種智慧型手機導盲器及導盲方法
技術領域：
本發明涉及一種導盲器技術，尤其是涉及一種手機嵌入式系統控制的導盲器技術 及導盲方法
背景技術：
眾所周知，手機已經是人們生活中必不可少的電子產品。隨著嵌入式處理器處理 能力的不斷強大，機器視覺技術、傳感器技術、無線傳輸技術和人工智慧技術得以在手機硬 件平臺上的結合，使得智慧型手機開發出很多的高級功能和應用來更好的滿足人們生活的需 求。利用新的技術，給殘障人士開發助殘產品是一個具有潛在發展潛力的產業。據 2005年的統計顯示，中國是世界上盲人最多的國家，約有盲人500萬，佔世界盲人總數的 18%。我們每年會出現新盲人大約45萬，即每分鐘就會出現1個盲人。人類70 %的信息都是通過視覺來獲取的，所以盲人是殘疾人中最痛苦的，也是最 需要幫助的。盲人獨立行走一般需要導盲器的協助，傳統的方法是利用導盲杖或者是訓練 導盲犬，電子類的導盲器一般是採用超聲波、紅外線探頭等回波測距的原理來設計的，也有 利用圖像傳感器和雷射測距方法來進行對障礙物的測距。導盲杖是用它在地面上敲擊，可幫助盲人發現0.5米以內的障礙物。它的主要缺 點是不能發現較遠一點的障礙物以及空中突出的障礙物。也無法識別交通標誌。超聲波導盲器是利用超聲波回聲的時間差原理來實現測距。
圖1是一種超聲波導 盲器。這種方法可以較準確的探測前方障礙物離人的距離，但是因為探頭只能對某個方向 的上的障礙物進行測距，所以如果要全部前方空間的探測則需要安裝多路探頭，使得設備 結構複雜，成本增加。而且，超聲波導盲器也無法識別障礙為何種物體，也無法識別交通標
ο紅外線導盲器是另外一種利用回波測距方法探測距離的儀器。圖2是紅外線測距 方法的設計圖。他的原理是根據發射波與返回波強度的差別判斷距離的遠近。同樣，這種 方法受到探頭探測方向性的限制，對於識別物體和交通標誌方面存在功能缺陷。雷射測距類的產品，是利用雷射三角測距的原理設計的。因此環境的影響對該種 方法的幹擾較大，對於識別物體和交通標誌方面也存在功能缺陷。用機器視覺和人工智慧技術的方法是解決導盲器技術問題的新突破。專利公開 號為CN 1969781A的發明專利公開了一種利用計算機控制的導盲器，該發明利用多種傳感 器技術的結合(包括了圖像和超聲波傳感器)進行前方空間的探測，可以進行對物體的識 別和距離的判斷。但是，利用可攜式計算機做導盲器的成本高，而且用機器視覺實現人工智 能需要積累龐大的後臺資料庫，該發明利用計算機本地資料庫對於不同的地理位置和複雜 環境的應對方案存在不足，當盲人需要在更大範圍和新環境中活動的導盲器的適應能力有 限。圖像處理技術在手機硬體平臺上實現，也可以作為導盲的解決辦法。專利公開號為CN 101227539A的發明專利公開了一種導盲手機及其方法，其特點在於利用手機的嵌入式處理器作為基帶模塊進行運載平臺，然後結合了距離、溫度、震動傳感器進行信息的獲 取。但是普通手機一般是沒有紅外、雷射等距離傳感器，也沒有溫度傳感器。所以，要實現 導盲需要在現有手機上加裝新設備，成本增加。而且該發明專利同樣適用了本地資料庫，而 手機的存儲容量相當有限，不利於「障礙」數據的可增長性積累，因此程序的環境適應性開 發潛力有限。國外的類似產品向著服務機器人的方向發展，如此採用了複雜的機械結構和控制 軟體，使得機器人的成本提高，產品難以得到推廣。
發明內容
本發明針對現有的導盲器技術存在的不足與缺點，提供了一種設備通用，成本低 廉，具有功能擴展和升級性的手機智能導盲器。一種手機智能導盲器，包括手機攝像模塊、手機嵌入式處理器和應用軟體模塊、手 機無線信號發射及接收模塊、輸入與輸出交互模塊和後臺伺服器。所述的手機攝像模塊，用於圖像的採集，利用光學系統獲成像原理取距離信息；所述的手機嵌入式處理器和軟體模塊，用於圖像的處理、導盲的實現和手機硬體 控制；所述的手機無線信號發射及接收模塊，用於與後臺伺服器通信，進行圖像和障礙 參數的傳遞；所述的後臺伺服器，用於運行「地圖」和「障礙」兩個資料庫，並保存海量的「環境 圖像」數據。所述的手機攝像模塊包括一個手機攝像鏡頭和圖像傳感器，手機攝像鏡頭為標準 鏡頭，圖像傳感器感光器件為手機自帶的CM0S、CCM或者CCD感光器件。手機攝像頭朝人行 走的前方拍攝，光軸與水平方向成一定傾角，傾角角度在30° 90°之間，利用攝影光學 系統的幾何原理來測算空間距離。所述的嵌入式處理器和應用軟體模塊，包括手機的嵌入式處理器和嵌入式操作系 統以及運行在嵌入式系統上的應用軟體。利用手機的嵌入式系統對手機攝像模塊、手機無 線信號發射及接收模塊、輸入與輸出交互模塊的硬體進行分配和控制；所述的應用軟體，包 括語音識別軟體和導盲軟體，以及通過手機無線信號發射接收模塊與導盲軟體連接的地圖 資料庫和障礙資料庫，這兩個資料庫都運行在後臺的伺服器上。所述的導盲軟體是本發明的核心技術，它的工作原理是讀入手機攝像模塊採集到 的數字圖像，對圖像信息進行分析，分析的內容包括了視頻中的運動目標，障礙物的顏色特 徵，輪廓特徵，紋理特徵，空間位置。將分析結果與當前從「障礙」資料庫中獲得的「障礙參 數」做比較，當障礙物進入預設的預警區間(約2m)內，發出指令提示盲人止步。人與障礙 物間的距離滿足以下函數關係
權利要求
一種智慧型手機導盲器，包括手機攝像模塊、手機嵌入式處理器和應用軟體模塊、手機無線信號發射及接收模塊、輸入與輸出交互模塊和後臺伺服器，其特徵在於所述的手機攝像模塊，用於圖像的採集，利用光學系統成像原理獲取距離信息；所述的手機嵌入式處理器和軟體模塊，用於圖像的處理、導盲的實現和手機硬體控制；所述的手機無線信號發射及接收模塊，用於與後臺伺服器通信，進行圖像和障礙參數的傳遞；所述的輸入與輸出交互模塊，用於獲取由人發出的控制命令並將機器的智能導盲指令傳遞給人，實現人機互動；所述的後臺伺服器，用於運行「地圖」和「障礙」兩個資料庫，並保存海量的「環境圖像」數據。
2.如權利要求1所述的智慧型手機導盲器，其特徵在於所述的手機攝像模塊包括一個 手機攝像鏡頭和圖像傳感器。
3.如權利要求1所述的智慧型手機導盲器，其特徵在於所述的嵌入式處理器和應用軟 件模塊，包括手機的嵌入式處理器和嵌入式作業系統以及運行在作業系統上的應用軟體， 所述的嵌入式系統對手機攝像模塊、手機無線信號發射及接收模塊、輸入與輸出交互模塊 的硬體資源進行分配和控制；所述的應用軟體，包括語音識別軟體和導盲軟體，以及通過手 機無線信號發射接收模塊與導盲軟體連接的地圖資料庫和障礙資料庫，這兩個資料庫都運 行在後臺的伺服器上。
4.如權利要求2所述的智慧型手機導盲器，其特徵在於所述的導盲軟體為讀入手機攝 像模塊採集到的數字圖像，對圖像信息進行分析，將分析結果與當前從「障礙」資料庫中獲 得的「障礙參數」做比較，當障礙物進入預設的預警區間內，發出指示提示盲人止步。
5.如權利要求4所述的智慧型手機導盲器，其特徵在於所述的圖像信息包括視頻中的 運動目標、障礙物的顏色特徵、輪廓特徵、紋理特徵和空間位置。
6.如權利要求4所述的智慧型手機導盲器，其特徵在於所述的「障礙參數」包括特徵物 體的顏色特徵區間，輪廓特徵參數，紋理特徵參數。
7.如權利要求1所述的智慧型手機導盲器，其特徵在於所述的無線信號發射及接受模 塊，利用GSM、GPRS、CDMA等手機通信網絡向後臺伺服器發送GPS或LBS定位位置和「現場 圖像」，並接受後臺伺服器發送的「障礙參數」響應。
8.如權利要求1所述的智慧型手機導盲器，其特徵在於所述的輸入與輸出交互模塊包 括輸入設備與輸出設備，輸入設備包括手機語音話筒，手機鍵盤和手機加速度傳感器，利用 手機按鍵輸入和自然語言輸入實現對軟體的控制，加速度傳感器對重力加速度的感應判斷 手機攝像頭的光軸傾角；輸出設備包括手機耳機，手機振動電機，手機耳機用於播放導盲軟 件編輯產生的語音指令，手機振動電機在如果距離障礙物太近時，發出振動信號提示盲人 止步。
9.一種根據權利1-8任一權利要求所述的智慧型手機導盲器的導盲方法，包括(1)手機攝像頭拍攝前方圖像，對圖像檢測運動物體和識別靜態物體，動態物體的檢測 用前後兩幀圖像的差別，靜態物體識別通過與後臺「障礙資料庫」的模式匹配；(2)監測到運動物體跟蹤其運動軌跡，向盲人提示報警；識別出靜態物體測算出預警區間，當靜態物體在預警區間外時，不提示報警，如果近於預警區間，向盲人振動發出報 警；(3)再根據障礙物在圖像中的位置判斷出障礙物在空間中的位置。最後，編輯和輸出語 音提示，告知盲人下一步行走方向；(4)如果加速度傳感器測得角度傾角高於90°，進入交通信號燈和其他指示性標誌的 識別，並且編輯輸出相應的語音指令。
全文摘要
本發明公開一種智慧型手機導盲器，包括手機攝像模塊、手機嵌入式處理器和軟體模塊、手機無線信號發射及接收模塊、輸入與輸出交互模塊和後臺伺服器，手機攝像模塊包括一個手機攝像鏡頭和圖像傳感器；嵌入式處理器和軟體模塊包括手機的嵌入式處理器和嵌入式作業系統以及運行在嵌入式系統上的應用軟體；應用軟體為導盲軟體，通過機器視覺的技術採集到的圖像進行特徵分析，利用人工智慧的技術將「現場圖像」的特徵和後臺資料庫中的「障礙參數」進行匹配，可以實現對障礙物的識別，位置判讀，並用語音和振動的方式提示盲人行進。本發明的導盲器設備通用，成本低廉，具有功能擴展和升級性的手機智能導盲器。
文檔編號A61H3/06GK101986673SQ20101027183
公開日2011年3月16日 申請日期2010年9月3日 優先權日2010年9月3日
發明者岑兆豐, 張歡, 李曉彤, 楊泱, 王曉萍, 趙鼎, 陳立 申請人:浙江大學