文/胡浩明 奚王雨牧 李亞南 史哲凡 齊楚涵

1 引言

1.1 研究背景

視力的損失給盲人或者視力缺陷者的日常生活帶來了極大的不方便與煩惱。根據世界健康組織2017的報告顯示，世界上視力有缺陷者的數量約為2.53億人。其中3600萬人受到失明的困擾與折磨?；谌缟系那闆r，解決盲人出行的導航相關問題顯得意義重大。

調研顯示，盲人白手杖，導盲犬以及人類照顧者是解決盲人出行問題的三大傳統途徑。然而，這三大傳統途徑都有自身不可避免的缺陷。盲人白手杖，需要使用者之前花費大量的時間和精力適應，才能較好使用。并且，白手杖的缺陷在于使用者探測距離有限，超過1-2m距離的障礙物使用者并不能識別到。盡管導航犬對于盲人來說非常合適，但一條合格的導盲犬需要密集的培訓和專業(yè)的指導，費用大致在12000-20000美金之間，價格非常昂貴。且一條導航犬的有效使用期短暫，只有五年左右，期間需要細致的照顧。讓一個中老年的盲人在日常生活中仔細照顧另一個生命是件非常困難的事情。這就是為什么導航犬在盲人中并不普遍的原因。人類照顧者不能夠時刻陪伴在盲人左右，且大量盲人是獨居的。因此，對于大量盲人來說，單獨出行仍然存在很多困難，關鍵在于缺乏一個簡單好用，價格低廉的盲人導航系統。

圖1：基于Tango技術的Measure軟件測量準確度實驗-以iphone 8P手機為例

1.2 研究目的與方法

利用Google公司研發(fā)的Project Tango平臺設計和實現一個盲人便于使用，準確度，可靠性高，價格相對低廉的盲人障礙物系統，使得盲人的出行問題得以改善。根據調查顯示，盲人出行最大的困擾是無法及時準確識別盲人前進路徑中的障礙物，從而經常受到物理傷害。因而導航系統中障礙物檢測是關鍵功能。系統基于Project Tango平臺，利用深度感知技術，對深度感知傳感器接收到的點云數據進行處理，辨別出范圍內的障礙物，在確定障礙物距離設備使用者的位置后，給出語音提示，從而讓盲人避免受到行進路上的障礙物傷害。

2 相關工作

2.1 模型介紹

圖2：基于Tango技術的Measure軟件測量有效距離實驗——以門為例

采用最近Google公司開發(fā)的project Tango為開發(fā)平臺，該平臺依托于移動設備，如移動手機，平板，裝備功能強大的NVIDAIA Tegra K1 with 192 CUDA cores處理器，包含了運動追蹤攝像頭，三維深度感知器，環(huán)境光感知器，GPS等部件，以強大的硬件配置為依托，使得移動設備具備追蹤使用者運動軌跡，學習記憶曾經掃描過的三維周圍環(huán)境，通過點云技術測量實時物體之間的真實三維距離等。本系統以Project Tango平臺下的深度感知技術為核心，通過編寫程序調用移動設備上的深度感知攝像頭和點云傳感器，接收外界的點云數據，編寫算法進行處理，辨認出障礙物以及障礙物距離使用者的位置，并由此給出相關的語音提示，從而讓持有該設備的視力缺陷者可以及時避免路徑上的障礙物，達到便于盲人出行的效果。

表1：Measure測量的實驗結果，真實長度用標準刻度尺測量，大約有2-3mm誤差

圖3：點云技術示例展示

圖4：障礙物檢測導航系統的結構圖

2.2 驗證性實驗

一些簡單的應用測試軟件已經在Tango商店里上架。其中一個利用深度感知技術，主要用于測量現實物體的距離，名為Measure的應用軟件，啟發(fā)了開發(fā)團隊，并以此為基礎開發(fā)出盲人障礙物監(jiān)測系統，為了檢測盲人障礙物檢測系統獲取三維空間距離以及深度感知數據的準確性，即評價盲人障礙物檢測系統獲取處理數據的準確性，我們做了如下驗證系統準確性的實驗。

圖1顯示用該應用測量標準大小的iphone8plus的長度時的情景，圖1里認為是15.00cm，多次測量，取不同物體，與物體實際長度作比較，記錄實驗數據，分析誤差。

圖2是用Measure測量距離門的長度時的情景。圖2里的紅圈意味著被測量物體與搭載tango平臺的移動設備的距離過遠，以至于設備不能夠獲取關于該物體的深度信息。我們假設tango設備的深度傳感器因為硬件和工作原理-（飛行光時間）的限制而有測量距離的限制，依據圖2的情況多次測量，得到大量的實驗數據，分析可以得出測量的極限距離大概是3.5m并且如果測量距離在0-2m之間將會便得更加準確。

這個實驗結果表明measure測量結果與折尺測量結果的誤差隨周圍環(huán)境光照條件而波動，從表1可以看出，很明顯絕大部分的測量誤差在物體真實長度的0%-5%之間。但是如果周圍環(huán)境的光強強烈，測量誤差將會變的更高。這解釋了為什么表項中有兩項的數據誤差超過了10%。所以我們設計的障礙物檢測系統必須在光強不是太高的環(huán)境中使用才能擁有較為準確的效果，并且可以將距離測量誤差控制在5%之內。

2.3 原理與系統設計實現

圖3是深度感知，點云技術的簡單應用，我們在此基礎上加以完善，從點云技術可以返回周圍障礙物的平均距離以及深度感知器收集的點云數目出發(fā)，開發(fā)出盲人導航障礙物檢測系統。

圖5

圖3右圖是一張應用點云技術的日常生活場景照片。一個青年男子站在深度感知器前方，拿著包在手上。左邊的圖像就是調用深度感知器得到的點云數據合成的三維圖像。因為點云技術，深度感知可以偵測到深度感知器周圍的障礙物并返回相關點云數據數量和平均深度，所以可以以此為基礎設計出盲人導航障礙物檢測系統。圖4展示了導航系統的結構。

2.4 技術方案

技術方案如圖5所示。

3 結論

基于前面盲人出行解決方案的現狀分析，發(fā)現傳統的三大解決途徑都有自身的局限性。比如導盲犬培訓周期長，花費費用大，不普遍適用。而依托于便攜式設備的盲人導航系統攜帶方便，可靠性高，是未來解決盲人導航出行問題的發(fā)展趨勢?；贕oogle公司Project Tango平臺開發(fā)出的障礙物檢測導航系統，與同類的如微軟的HoloLens相比，顯得成本低廉，只需約360美元就可以買入使用。并且絕大多數現在的盲人導航儀對于環(huán)境的要求很高，需要良好的網絡環(huán)境，需要環(huán)境里配置相應的傳感器。而基于Project Tango開發(fā)的導航系統核心依托于Tango獨特的硬件系統，如深度感知攝像頭，運動追蹤器。對于環(huán)境幾乎沒有硬性要求，只要移動設備正常工作，使用者就可以手持設備規(guī)避障礙物。且由前面的驗證性實驗可知Tango測量準確度高，在光照正常的情況下誤差小于5%，準確度高于一般的導航儀。因而依托Project Tango設計出的盲人導航障礙物檢測系統具有獨特的優(yōu)勢，有廣闊的應用價值。