摘要：針對國內(nèi)現(xiàn)有電子導盲系統(tǒng)存在掃面范圍小的缺點，提出一種新型導盲設計方法。該系統(tǒng)以雙目視覺測距技術為基礎，通過語音轉換模塊能夠準確地提示前方障礙物情況。本文對該設計的測距基本原理及關鍵技術作了一定闡述，并給出了可行的軟、硬件設計方法。

引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球每年有70萬人成為盲人，目前全球有盲人約4 500萬，其中90%生活在發(fā)展中國家，另有1.8億人深受視力障礙的影響，而我國現(xiàn)有盲人總數(shù)是世界盲人總數(shù)的18%，達到800萬[1]。另外，隨著我國老齡化人口持續(xù)增多，到2020年視力障礙者總數(shù)將達到現(xiàn)在的4倍，所以急需解決視力障礙者行走避障問題。現(xiàn)在的導盲輔具一般為電子導引手杖、導盲犬、導盲機器人等。電子導盲器主要是以超聲波測距為基礎來實現(xiàn)導盲避障，其缺點是只能進行小范圍單點測距，如果采用多個單點測距會造成系統(tǒng)龐大，干擾嚴重的問題出現(xiàn)。

本文采用雙目CCD結構，以雙目視覺測量技術為基礎，通過圖像處理獲取盲人前方三維空間信息，具有響應速度快、掃描范圍大等諸多優(yōu)點，更接近于人雙眼的功能和特性。通過語音提示模塊能夠更加準確地讓盲人獲知前方障礙物情況，能夠較好地解決盲人行走避障問題。

1 雙目視覺測距原理分析

該導盲系統(tǒng)以雙目視覺測距技術為基礎，采用已標定好的雙CCD結構采集圖像，運用圖像匹配技術找到障礙物的相對位置，最后以音頻信號的形式傳送給人腦，達到導盲的目的。利用雙目視覺系統(tǒng)測量攝像機前端物體的距離、方位的原理圖如圖1所示。

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圖1 雙目視覺系統(tǒng)原理圖

圖1中雙目攝像機呈光軸平行放置，間距即基線長為b，攝像機焦距均為f，O1和O2為焦點,r為目標物到兩個攝像機中心點所在平面上的距離，平面xwy為雙攝像機能夠共同掃描的視域，即雙目測距在該平面的測試范圍。目標物在兩個攝像機的CCD平面上成的像點出現(xiàn)在不同位置上，即對應不同的像素m和n，像素差即視差為其差d。若用D表示單個像素的尺寸，運用幾何光學原理可推導出計算r的公式：

同樣，根據(jù)相似三角形計算出目標物到雙目攝像頭中軸線的垂直距離：

容易看出，增加基線b的長度，可以增大視差，從而可以減小視差計算誤差的影響；但是，基線的增大也意味著視域的減小和匹配難度的增大，所以要合理協(xié)調兩者的大小。

2 軟硬件設計方案

盲人行走示意圖如圖2所示。

圖2 盲人行走示意圖

雙目視覺導盲系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，需要硬件和軟件相結合來實現(xiàn)。由于圖像采集需要處理的信息量很大，為簡化系統(tǒng)，本設計采用線陣CCD掃描斜平面（該平面是以攝像平面中心點O為固定點，母線L、D端左右平移形成的平面）上的障礙物信息。盲人在行走時是靈活的，佩戴此導盲系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)從平面區(qū)域到空間區(qū)域的掃描，達到導盲的目的。

2.1 硬件設計

硬件設計結構框圖如圖3所示。本系統(tǒng)采用嵌入式控制器ARM11為內(nèi)核的S3C6410芯片協(xié)調各個部件工作，由S3C6410控制FPGA產(chǎn)生外圍器件的選通和讀寫控制信號。障礙物經(jīng)過成像系統(tǒng)在CCD上成像，生成的圖像電荷包經(jīng)過轉移脈沖依次輸出。由于電荷包生成的信號很弱，且輸出信號中含有各種噪聲，為了便于提取有用信號進行處理，必須提高信噪比和抑制噪聲。

圖3 硬件設計結構框圖

本設計采用差動放大濾波電路對CCD的輸出信號進行處理，經(jīng)A/D轉換變?yōu)镾3C6410能夠處理的數(shù)字信號。為了同時提取兩個CCD信號進行匹配，將兩片A/D轉換后的灰度數(shù)據(jù)送入FPGA中，通過數(shù)據(jù)選擇器進行合并，然后送入雙口SRAM中緩存。最后，S3C6410讀取雙口SRAM中兩路CCD信號進行匹配處理，求解出障礙物深度信息，經(jīng)過音頻驅動電路，轉化為語音信號提示。