彭玉青，李虹陽，田紅麗，李 木

（河北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津300401）

0 引 言

數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展為導(dǎo)盲研究提供了新的途徑，在嵌入式圖像處理領(lǐng)域，DSP處理器獨(dú)立的數(shù)據(jù)程序總線、多級(jí)流水線等特性，可靈活的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的算法，大大提高系統(tǒng)工作效率，使其成為實(shí)時(shí)圖像處理的最佳選擇［1］。

隨著電子行走輔助系統(tǒng)研究的發(fā)展，各種形式的導(dǎo)盲設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，如超聲波電子導(dǎo)盲儀、GPS定位導(dǎo)盲拐杖、基于RFID 電子標(biāo)簽的助盲輔具等等。目前電子行走輔助系統(tǒng)使用成本均相對(duì)較高，例如建立大型RFID 系統(tǒng)需鋪設(shè)大量電子標(biāo)簽，工程量浩大［2，3］。目前各城市的盲道設(shè)施均已普及，文章以圖像處理為基礎(chǔ)，以城市中現(xiàn)有的盲道為主要處理對(duì)象，將處理結(jié)果以語音的形式對(duì)視障者進(jìn)行提示，實(shí)現(xiàn)圖像的可聽化，不僅能加強(qiáng)視障者對(duì)周圍環(huán)境的理解，還可以大大降低使用成本。

1 系統(tǒng)的功能與框架

ETA 系統(tǒng) （電子行走輔助系統(tǒng)）是利用傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)信息，提取環(huán)境特征信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于視障者理解的非視覺信號(hào)，進(jìn)而輔助視障者獨(dú)立而安全行走的系統(tǒng)［4］。本系統(tǒng)通過攝像頭實(shí)時(shí)的采集使用者行進(jìn)前方的視頻圖像并進(jìn)行存儲(chǔ)，之后送DSP處理器處理，進(jìn)行路面情況的檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)到的盲道、障礙物、人行橫道、上下樓臺(tái)階等等行進(jìn)過程可能遇到的情況分類，把處理結(jié)果送音頻提示終端進(jìn)行相應(yīng)提示，提示使用者前方路面情況并根據(jù)需要調(diào)整行進(jìn)方向和速度。如圖1所示，系統(tǒng)主要由圖像采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像處理和音頻輸出4大部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)主要功能模塊

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集模塊

本系統(tǒng)的圖像采集模塊主要由圖像傳感器和視頻解碼器組成。圖像傳感器選取的是CCD 攝像頭，其功能為采集視頻信號(hào)并以PAL制式輸出，將該信息輸出給視頻解碼器進(jìn)行數(shù)字化，以便于DSP處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字化后的視頻信號(hào)經(jīng)DSP的VP端口內(nèi)部FIFO 隊(duì)列緩沖后，以EDMA 的方式傳至片外SDRAM 中存儲(chǔ)［5］。

其中視頻解碼器采用TI公司的TVP5150PBS，它是一款使用簡(jiǎn)易、超低功耗、封裝極小的多制式數(shù)字視頻解碼器。可通過I2C總線控制它內(nèi)部寄存器的參數(shù)，比如色調(diào)，對(duì)比度，亮度等［6］。

圖像信號(hào)采集過程：首先，對(duì)TVP5150進(jìn)行初始化，這是通過I2C總線進(jìn)行的。本系統(tǒng)中TVP5150的初始設(shè)定為：一路模擬視頻信號(hào)輸入、自動(dòng)增益控制、PAL 制式、YUV422 （16bit）數(shù)字視頻信號(hào)輸出。其次，TVP5150芯片產(chǎn)生的數(shù)字視頻信號(hào)、控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)送入DM642中，即把解碼器的行場(chǎng)同步信號(hào)、視頻信號(hào)等管腳連接到DSP的視頻端口VP［7，8］，從而建立數(shù)據(jù)通道，以便進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。最后，通過DSP 處理器發(fā)出圖像采集命令后進(jìn)行圖像采集。由CCD 攝像頭采集并輸出圖像模擬信號(hào)，經(jīng)視頻解碼芯片，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)在SDRAM 中。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

2.2.1 DSP與SDRAM 的接口電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過圖像采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)，由于DSP內(nèi)部自帶的二級(jí)緩存對(duì)于實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以實(shí)時(shí)圖像的存儲(chǔ)要通過外部SDRAM 來完成［9］。系統(tǒng)選用兩片型號(hào)為HY57V283220T 的SDRAM 存儲(chǔ)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，其容量為32M 的，存儲(chǔ)格式為4Banks×1 M×32Bit。

圖2所示為其中一片SDRAM 與DSP 的外部存儲(chǔ)器接口EMIF電路連接示意圖，SDRAM 的CLK 與DSP的二分頻時(shí)鐘輸出端TCLK 相連，以滿足HY57V283220T 時(shí)鐘100 MHz的要求。DSP的TED［0：31］和TBE［0：3］接到一片SDRAM 的DQ［0：31］和DQM［0：3］，TED［32：63］和TBE［4：7］接到另一片SDRAM 的DQ 和DQM，用于讀寫SDRAM 時(shí)控制和屏蔽數(shù)據(jù)的輸入輸出。

圖2 SDRAM 與DSP的EMIF電路連接

2.2.2 DSP與FLASH 的接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用型號(hào)為AM29LV033C 的FLASH 芯片，容量為4 M×8bit，F(xiàn)LASH 主要用于存放用戶程序代碼，以及一些相關(guān)的數(shù)據(jù)，由于FLASH ROM 掉電不擦除，所以系統(tǒng)算法程序調(diào)試好之后，將程序燒寫固化到FLASH 中，硬件板即可脫離PC機(jī)在線調(diào)試模式，獨(dú)立的完成工作，系統(tǒng)上電后，用戶程序代碼自動(dòng)從FLASH 搬移到SDRAM然后開始執(zhí)行［10］。與SDRAM類似，F(xiàn)LASH芯片通過EMIF與DSP相連。

2.3 圖像處理模塊

本模塊主要是對(duì)數(shù)字化的圖像信號(hào)進(jìn)行算法處理，經(jīng)過圖像預(yù)處理，特定圖像算法處理，包括盲道識(shí)別，障礙物檢測(cè)，人行橫道檢測(cè)等算法，根據(jù)圖像處理結(jié)果進(jìn)行圖像聲音映射，并發(fā)出相應(yīng)的音頻提示信號(hào)。

本系統(tǒng)的主處理器采用TI公司的高性能DSP 芯片TMS320DM642，其內(nèi)核有64個(gè)32位字長(zhǎng)的通用寄存器和8個(gè)獨(dú)立的功能單元，每秒可提供2880百萬個(gè)MAC，片內(nèi)采用2級(jí)高速緩存Cache結(jié)構(gòu)，片外有強(qiáng)大的外部存儲(chǔ)器接口EMIF，64個(gè)獨(dú)立通道的增強(qiáng)型EDMA 控制器，提供了3個(gè)視頻端口，支持多種視頻標(biāo)準(zhǔn)，配置靈活［11］，片上資源豐富。

在本系統(tǒng)中，視頻解碼器通過3個(gè)可配置的視頻端口（VP0、VP1、VP2）接入DSP，由于系統(tǒng)采用一路視頻輸入，默認(rèn)使用VP0端口采集圖像數(shù)據(jù)，DM642通過I2C 總線控制圖像采集過程，并設(shè)置視頻解芯片內(nèi)部寄存器的相關(guān)參數(shù)；外部存儲(chǔ)器SDRAM 和FLASH 都通過EMIF （外部存儲(chǔ)器接口）與DM642 相連接，采用增強(qiáng)的EDMA 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而建立起了高速數(shù)據(jù)傳輸通道；語音處理芯片通過McASP （多通道音頻串行接口）與DM642相連。DM642的McASP 接口主要用于音頻處理，提供了一個(gè)發(fā)射時(shí)鐘和一個(gè)接收時(shí)鐘，使得數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收工作可以完全獨(dú)立的進(jìn)行，也可以同步進(jìn)行。

2.4 音頻模塊

系統(tǒng)音頻處理芯片采用的是TI公司的音頻編解碼器TLV320AIC23BPW，它內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，輸入和輸出都具有可編程的增益調(diào)節(jié)功能，并且具有很低的功耗。這使得它成為一款非常理想的音頻處理芯片［12］。TLV320AIC23通過McASP接入DM642。

TLV320AIC23與DM642通過控制接口和數(shù)字音頻接口相連，控制接口用于設(shè)置AIC23的工作參數(shù)；數(shù)字音頻接口用于TLV320AIC23與DM642的音頻數(shù)據(jù)傳輸。

如圖3 所示為TLV320AIC23 與DM642 連接。其中BCLK 為串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘，當(dāng)TLV320AIC23BPW 為主模式時(shí)BCLK 由其自身產(chǎn)生并提供給DSP，頻率為主時(shí)鐘的1／4，當(dāng)AIC23為從模式時(shí)由DSP產(chǎn)生；DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入端，送入立體聲DAC，DOUT 為串行數(shù)據(jù)輸出端，由立體聲ADC 產(chǎn)生；XTI／MCLK 為外部時(shí)鐘輸入端，用來產(chǎn)生AIC23內(nèi)部時(shí)鐘［13］。

圖3 TLV320AIC23與DM642連接

2.5 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

綜上所述，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)及器件選擇如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要是以DSP為核心，通過攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過視頻解碼器TVP5150PBS解碼，將解碼后的數(shù)字信號(hào)在外部SDRAM 中做實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)，然后由DSP 數(shù)字信號(hào)處理器TMS320DM642對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果控制輸出的音頻提示信息，經(jīng)過音頻處理芯片TLV320AIC23BPW，將相應(yīng)的音頻提示信息由耳機(jī)輸出。其中FLASH 用于存儲(chǔ)用戶程序代碼，SDRAM 用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，另設(shè)有可擴(kuò)展的以太網(wǎng)接口、異步通信串口、PCI接口供系統(tǒng)進(jìn)行其它模塊的擴(kuò)展。例如，可通過PCI接口擴(kuò)展為雙核DSP系統(tǒng)，通過網(wǎng)口接入GPS等模塊，使系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，DSP 程序加載與啟動(dòng)。系統(tǒng)流程如圖5所示。

（1）進(jìn)行DSP和系統(tǒng)板的初始化，包括初始化BIOS和初始化CSL庫。并且設(shè)置Cache，使用256K 的2級(jí)高速緩存。設(shè)置DMA 優(yōu)先隊(duì)列的長(zhǎng)度取最大值。設(shè)置2級(jí)高速緩存的優(yōu)先級(jí)最高。

（2）進(jìn)行通道模塊的初始化，包括I2C 總線的初始化和消息隊(duì)列的初始化。I2C總線用于內(nèi)部單元通訊，SCOM消息隊(duì)列用于任務(wù)間傳遞消息。并且分別建立和啟動(dòng)一個(gè)采集和播放通道［14］。

（3）進(jìn)行視頻解碼器和音頻處理芯片的初始化。設(shè)置相關(guān)參數(shù)，打開視頻采集和音頻播放通道。

在完成初始化任務(wù)之后，BIOS調(diào)度程序啟動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入DSP／BIOS調(diào)度程序管理下，此時(shí)系統(tǒng)中有3 個(gè)任務(wù)，任務(wù)通過消息隊(duì)列互相發(fā)送消息，3 個(gè)任務(wù)分別為輸入任務(wù)、處理任務(wù)和輸出任務(wù)，處理任務(wù)在收到輸入任務(wù)采集到圖像的消息后開始進(jìn)行圖像處理，處理完成后，發(fā)送消息到輸出任務(wù)，輸出任務(wù)收到來自處理任務(wù)的消息將消息中的音頻輸出，然后發(fā)送消息到輸入任務(wù)，輸入任務(wù)收到輸出任務(wù)消息開始下一次圖像采集任務(wù)，如此往復(fù)循環(huán)進(jìn)行。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

本文設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)能夠通過使用不同算法檢測(cè)盲道、障礙物、人行橫道、臺(tái)階、轉(zhuǎn)角等等路況，下面以盲道為例進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 圖像處理結(jié)果

由于系統(tǒng)輸出為音頻模式，無法對(duì)圖像處理結(jié)果進(jìn)行直觀驗(yàn)證，在研究設(shè)計(jì)過程中加入了視頻顯示部分，將圖像處理結(jié)果通過顯示屏進(jìn)行輸出，以便直接觀察系統(tǒng)的流暢性和圖像處理效果。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，圖像能夠?qū)崟r(shí)的將攝像頭采集圖像的處理結(jié)果顯示到顯示屏上，且畫面清晰流暢。以下為盲道處理的部分實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像。

圖6所示為實(shí)驗(yàn)對(duì)比使用不同邊緣提取算子處理的盲道圖像，分別為采用Prewitt邊緣算子，Laplacian 邊緣算子，Sobel邊緣算子的結(jié)果，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，Prewitt邊緣算子比較清晰的提取出了盲道內(nèi)部的紋理信息，但丟失了左邊緣信息，不能夠獲取完全的盲道邊緣信息；Laplacian邊緣算子提取邊緣效果較模糊，能夠提取盲道內(nèi)部紋理，左邊緣完全丟失；Sobel算子提取出的邊緣信息較為全面，但冗余信息較多。

圖6 不同邊緣提取算子結(jié)果對(duì)比

鑒于直接進(jìn)行邊緣提取，圖像中冗余信息較多，所以先對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，除去部分噪聲和次要信息，圖7所示為先采用高斯低通濾波器消除部分噪聲和冗余信息然后進(jìn)行Sobel邊緣提取效果圖，截止頻率分別設(shè)置為60、50、40，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在截止頻率為50時(shí)，盲道大部分信息冗余可以被去除而不影響盲道邊緣的提取。

圖7 采用濾波器處理結(jié)果

對(duì)盲道做濾波處理，濾去部分冗余信息后，進(jìn)行邊緣提取，結(jié)果如圖8所示，可以看出Prewitt算子提取的邊緣不連續(xù)，Laplacian邊緣算子提取的盲道邊緣非常模糊，sobel算子提取的邊緣效果較為清晰。

圖8 濾波后不同邊緣算子結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)顯示系統(tǒng)首先經(jīng)過高斯低通濾波處理，然后采用Sobel算子能夠比較清楚的提取出盲道邊緣。

圖9為系統(tǒng)進(jìn)行閾值分割的處理效果圖，由結(jié)果看出，系統(tǒng)能夠正確的分割出盲道區(qū)域，進(jìn)而可以得到盲道兩條邊緣直線，然后通過霍夫變換提取出盲道兩條邊緣線的角度θ1和θ2，即可確定使用者偏離盲道的程度，從而進(jìn)行音頻提示［15］。

圖9 盲道閾值分割效果

4.2 聽覺映射方案

圖像聲音映射，主要是把從圖像處理中獲取的盲道的方向和障礙物信息，通過映射模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的音頻參數(shù)，再用這些音頻參數(shù)控制音頻的播放。

構(gòu)成視障礙者在盲道行走障礙的環(huán)境信息主要可以分成兩種：

（1）道路方向。即偏離盲道行走程度，提取盲道的邊緣線來代表盲道方向，θ1和θ2分別表示盲道兩根邊緣線的角度。當(dāng)若θ1和θ2異號(hào)，說明在盲道上，若θ1和θ2同為負(fù)，說明偏左；若θ1和θ2同為正，說明偏右。

（2）障礙物。即盲道附近的會(huì)影響盲人行走的物體，障礙物距離Ly。

本系統(tǒng)采用音頻的響度和間隔時(shí)間兩個(gè)參數(shù)來表示盲道偏離程度，偏離程度越大，響度越大，間隔時(shí)間越短，使用戶更容易辨別。用鑼聲來表示障礙物，笛聲和水聲分別表示偏左和偏右，聲音響度的大小和持續(xù)時(shí)間表示偏離盲道的程度。表1所示為環(huán)境信息的聲音映射方案。

表1 環(huán)境信息的聲音映射方案

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以DSP 為核心構(gòu)建了一套能夠幫助盲人獨(dú)立行走的電子行走輔助系統(tǒng)，詳述了系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)和軟件工作流程，并以盲道處理為例分析了圖像處理結(jié)果并給出了聽覺映射方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)整體運(yùn)行流暢，具有良好的實(shí)時(shí)性，且能夠正確分割出盲道區(qū)域，提取出盲道邊緣。

系統(tǒng)充分利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，通過攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)DSP 芯片處理，以聲音的形式輸出，從而幫助視障者獨(dú)立行走，實(shí)現(xiàn)了不借助pc機(jī)任何資源即可完成對(duì)圖像的實(shí)時(shí)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理以及音頻輸出等相關(guān)工作，大大降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)的聽覺映射方案切實(shí)可行，配合傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖使用具有較好使用效果。與傳統(tǒng)助盲設(shè)備相比提高了導(dǎo)盲精度，與大型電子盲道或全球定位系統(tǒng)相比又節(jié)省了成本，且設(shè)備精簡(jiǎn)小巧，便于攜帶，具有較強(qiáng)的推廣和實(shí)用價(jià)值。

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