0 引言

    據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，截至目前全球約有盲人7 800萬，其中90%生活在發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)現(xiàn)有盲人數(shù)量占據(jù)世界盲人總數(shù)的18%，多達(dá)1 400萬。盲人作為社會(huì)中的一種弱勢(shì)群體，視力殘疾、眼部疾病給其生活帶來了諸多不便。另一方面，近年來隨著我國(guó)老齡化人口的持續(xù)增多，視力障礙者數(shù)量也在急劇上升，如何保障盲人群體及視障人士安全有效地出行顯得尤為重要。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺^[1]的智能導(dǎo)盲眼鏡，旨在幫助盲人朋友在行走過程中，安全、有效地避開道路上的目標(biāo)障礙物，盡最大可能地保障其出行安全。相較于市場(chǎng)上導(dǎo)盲效率不理想的導(dǎo)盲手杖和價(jià)格昂貴的導(dǎo)盲犬，基于機(jī)器視覺的智能導(dǎo)盲眼鏡系統(tǒng)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

1 智能導(dǎo)盲眼鏡控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    本文的智能導(dǎo)盲眼鏡控制系統(tǒng)由前端嵌入式采集傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程云平臺(tái)服務(wù)器兩大部分組成。嵌入式采集傳輸系統(tǒng)以三星Cortex-A8架構(gòu)的S5PV210處理器為載體，搭載Linux內(nèi)核，配備雙目采集、GPS定位、語音播報(bào)、GSM短信、語音通話、無線傳輸?shù)群诵墓δ苣K搭建智能導(dǎo)盲眼鏡系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，主要完成信息采集傳輸和智能指令導(dǎo)盲功能。云平臺(tái)服務(wù)器作為智能導(dǎo)盲眼鏡的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，在服務(wù)器配置上，選用阿里云作為云端服務(wù)器，再融入深度學(xué)習(xí)、雙目測(cè)距^[2]等相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能導(dǎo)盲眼鏡前端場(chǎng)景目標(biāo)的圖像識(shí)別、距離檢測(cè)和方位判斷。此外該服務(wù)器還構(gòu)建了GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配平臺(tái)，結(jié)合智能導(dǎo)盲眼鏡實(shí)體，能對(duì)眼鏡使用者進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地定位。本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 智能導(dǎo)盲眼鏡控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 雙目采集模塊設(shè)計(jì)

    雙目采集模塊選用兩個(gè)性能參數(shù)完全一致的CMOS高清攝像頭，用于智能導(dǎo)盲眼鏡前方場(chǎng)景信息的采集，幫助盲人獲取前方目標(biāo)和相應(yīng)的場(chǎng)景信息。

2.2 GPS定位模塊設(shè)計(jì)

    全球定位系統(tǒng)(GPS)能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置，可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行全天候、全方位的實(shí)時(shí)定位。系統(tǒng)選用瑞士Ublox公司的NEO-6M模組作為GPS模塊的核心單元，主要用于實(shí)時(shí)獲取盲人所在地理位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2.3 無線通信傳輸模塊設(shè)計(jì)

    無線通信傳輸模塊主要由3G芯片和對(duì)應(yīng)的外圍電路組成，采用3G無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)盲眼鏡與遠(yuǎn)程云平臺(tái)服務(wù)器的雙向通信。一方面將雙目攝像頭模塊采集到的圖片以及GPS模塊獲取到的地理位置坐標(biāo)信息通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)到遠(yuǎn)端云服務(wù)器平臺(tái)，另一方面將服務(wù)器的圖片識(shí)別和地理位置配對(duì)結(jié)果反送回來傳遞給智能導(dǎo)盲眼鏡，進(jìn)行語音播報(bào)，把結(jié)果實(shí)時(shí)告訴給盲人。同時(shí)利用3G模塊的GSM短信功能，智能導(dǎo)盲眼鏡系統(tǒng)也會(huì)將從云服務(wù)器端獲取的結(jié)果，以短消息的形式及時(shí)告知盲人家屬。另外，在特殊情況下，盲人也可利用3G的電話功能直接與親屬間進(jìn)行語音通話。圖2為無線通信傳輸模塊的應(yīng)用電路圖。

2.4 語音播報(bào)模塊設(shè)計(jì)

    智能導(dǎo)盲眼鏡控制系統(tǒng)的語音播報(bào)功能主要用于將導(dǎo)盲眼鏡前方目標(biāo)的圖片識(shí)別結(jié)果、距離、方位信息以及所處的地理位置通過語音模塊播放出來，及時(shí)告知盲人所處的周圍環(huán)境狀況。系統(tǒng)選用SYN6288中文語音合成芯片作為語音播報(bào)模塊的主體，實(shí)現(xiàn)文本到聲音的轉(zhuǎn)換，其外圍電路如圖3所示。

3 智能導(dǎo)盲眼鏡控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為遠(yuǎn)端云平臺(tái)服務(wù)器上的程序設(shè)計(jì)和智能導(dǎo)盲眼鏡前端的程序設(shè)計(jì)兩部分。遠(yuǎn)程云平臺(tái)服務(wù)器上的軟件設(shè)計(jì)主要是采用C/C++等高級(jí)編程語言將圖片的識(shí)別、測(cè)距、方位檢測(cè)等相關(guān)算法轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠識(shí)別的程序指令，從而實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)盲眼鏡遠(yuǎn)程云服務(wù)器的識(shí)別、測(cè)距、方位檢測(cè)等功能。另外GPS的經(jīng)緯度解析也在云服務(wù)器上通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)盲眼鏡前端軟件設(shè)計(jì)主要包括雙目攝像頭的圖片采集、GPS地理位置坐標(biāo)的獲取、無線通信傳輸模塊的數(shù)據(jù)傳輸與接收、語音播報(bào)模塊的調(diào)度和按鍵中斷的配置等功能模塊子程序的編寫，其主程序流程圖如圖4所示。

4 基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的自然場(chǎng)景識(shí)別

    深度信念網(wǎng)絡(luò)（Deep Belief Network，DBN）^[3]作為深度學(xué)習(xí)中最為廣泛應(yīng)用的一種算法模型，多應(yīng)用于手寫字體識(shí)別和自然場(chǎng)景識(shí)別這兩個(gè)方向。在智能導(dǎo)盲眼鏡控制系統(tǒng)中，深度信念網(wǎng)絡(luò)主要用在自然場(chǎng)景中常見的物體識(shí)別上，這也是深度學(xué)習(xí)在機(jī)器視覺領(lǐng)域中的一種應(yīng)用體現(xiàn)。圖5是一個(gè)典型的深度信念網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。

    從圖5可以看出，深度信念網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)受限制玻爾茲曼機(jī)（Restricted Boltzmann Machines，RBM）^[4]組成的深層網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，DBN的訓(xùn)練過程采用逐層訓(xùn)練的方法，每一層RBM都單獨(dú)訓(xùn)練，參數(shù)也是單獨(dú)調(diào)整^[5]。訓(xùn)練完一層后，將該層的訓(xùn)練結(jié)果作為下一層RBM的輸入，直至每一層RBM都訓(xùn)練完成，這個(gè)過程稱之為預(yù)訓(xùn)練。當(dāng)深度信念網(wǎng)絡(luò)中的所有RBM訓(xùn)練完成后，再根據(jù)樣本的標(biāo)簽值，采用反向傳播算法向后微調(diào)。

    在智能導(dǎo)盲眼鏡的圖像訓(xùn)練過程中，采用改進(jìn)型的CIFAR-10自然場(chǎng)景庫(kù)作為測(cè)試訓(xùn)練樣本。原始的CIFAR-10數(shù)據(jù)集有60 000張32×32的彩色圖像，分為飛機(jī)、汽車、貓、鳥、鹿、狗、青蛙、馬、船和卡車共10類。為了增強(qiáng)智能導(dǎo)盲眼鏡的實(shí)用性，結(jié)合盲人的特殊情況，本文在實(shí)際的系統(tǒng)圖像訓(xùn)練中，加入了餐桌、椅子、人、垃圾桶、樹木等生活中常見的一些目標(biāo)場(chǎng)景，對(duì)原始的CIFAR-10自然場(chǎng)景庫(kù)進(jìn)行了改進(jìn)，然后采用改進(jìn)型的CIFAR-10自然場(chǎng)景庫(kù)通過圖6所示的深度信念網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練識(shí)別。

    在上述訓(xùn)練模型中，改進(jìn)型CIFAR-10自然場(chǎng)景庫(kù)中每張圖均為32×32的彩色圖片，因此輸入層大小為3 072個(gè)結(jié)點(diǎn)(3 072=32×32×3)，兩個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1 000和200，在經(jīng)過面向多元分類的Softmax分類器^[6]后輸出層為10個(gè)單元，系統(tǒng)最終模型結(jié)構(gòu)為3072-1000-200-10。在智能導(dǎo)盲眼鏡系統(tǒng)實(shí)際的圖像訓(xùn)練階段，訓(xùn)練模型中的兩層RBM的訓(xùn)練迭代次數(shù)都設(shè)置為200，學(xué)習(xí)率都設(shè)置成0.1。訓(xùn)練完成后，將系統(tǒng)學(xué)習(xí)到的權(quán)重用于初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)微調(diào)， 并用Sigmoid函數(shù)^[7]激活神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)訓(xùn)練過程中，由于樣本繁多，數(shù)據(jù)繁雜，隱含層需要相對(duì)較多的節(jié)點(diǎn)數(shù)才能學(xué)習(xí)到較好的特征，加之圖片本身信息量大，需要較多次的迭代，整個(gè)訓(xùn)練過程平均歷時(shí)10個(gè)小時(shí)，這與深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)^[8]以及自動(dòng)編碼模型^[9]相比，訓(xùn)練時(shí)間大幅度縮短，并且還具有較為理想的識(shí)別率，這也是本系統(tǒng)選用深度信念網(wǎng)絡(luò)作為識(shí)別訓(xùn)練模型的主要原因。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

    采用上述的深度信念網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型先對(duì)改進(jìn)型CIFAR-10庫(kù)中的10 000張測(cè)試圖片隨機(jī)進(jìn)行了示范性測(cè)試，表1所示為各類樣本的識(shí)別率和平均識(shí)別率。

    從表1可以看出改進(jìn)型CIFAR-10庫(kù)中的10類測(cè)試樣本通過導(dǎo)盲眼鏡系統(tǒng)的深度信念網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型后，其平均識(shí)別率為82.9%，與基于支持向量機(jī)^[10]訓(xùn)練識(shí)別模型的識(shí)別率相比，其平均識(shí)別率超出了支持向量機(jī)模型的近10%，為進(jìn)一步的智能導(dǎo)盲眼鏡整體系統(tǒng)測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。最后，針對(duì)盲人的生活需要，結(jié)合智能導(dǎo)盲眼鏡的其他功能，對(duì)智能導(dǎo)盲眼鏡控制系統(tǒng)在實(shí)際場(chǎng)景中進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，其中雙目攝像頭的采集幀率設(shè)置為3幀/s，語音導(dǎo)航頻率設(shè)定為每?jī)擅腌妼?dǎo)盲一次，遠(yuǎn)程服務(wù)器端測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。通過圖7可以看出智能導(dǎo)盲眼鏡的GPS功能能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取佩戴導(dǎo)盲眼鏡用戶的經(jīng)緯度，并通過無線通信傳輸模塊送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行地理位置的準(zhǔn)確匹對(duì)。圖8顯示該智能導(dǎo)盲眼鏡在實(shí)際場(chǎng)景中，不僅能較準(zhǔn)確識(shí)別出前方目標(biāo)的類別，還能測(cè)出目標(biāo)物體到導(dǎo)盲眼鏡的距離，正確表示出障礙物的方位特征，并在眼鏡端實(shí)時(shí)以語音導(dǎo)盲的形式幫助盲人及時(shí)有效地避開障礙物，從而保障了盲人的安全出行。

6 結(jié)語

    本系統(tǒng)以S5PV210為主控制器搭建基于機(jī)器視覺的智能導(dǎo)盲眼鏡，通過搭載Linux內(nèi)核，配備雙目采集、GPS定位、語音播報(bào)、GSM短信、語音通話、無線傳輸六大核心功能模塊組成系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過系統(tǒng)測(cè)試，該智能導(dǎo)盲眼鏡不僅能對(duì)盲人的獨(dú)立出行進(jìn)行實(shí)時(shí)語音導(dǎo)航，而且在特殊情況下，盲人可以通過智能眼鏡上的觸發(fā)按鍵，使用導(dǎo)盲眼鏡的GPS、GSM短信、語音通話等功能，及時(shí)向親朋好友獲取幫助。另外由于智能導(dǎo)盲眼鏡還具有圖像識(shí)別能力，能幫助盲人進(jìn)行簡(jiǎn)易物品歸類，在一定程度上也使盲人的生活自理能力得以提升，這對(duì)于盲人基數(shù)較大的中國(guó)而言，顯得尤為重要。

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作者信息:

何騰鵬，張榮芬，劉  超，房樂楠，劉宇紅

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025)