一種基于Kinect的導盲拐杖及其實現方法技術

本發明專利技術公開了一種基于Kinect的導盲拐杖及其實現方法，該基于Kinect的導盲拐杖實現方法包括：通過Kinect拍攝景深圖像，將景深圖片傳輸到微處理器后，微處理器提取景深圖片并柵格化；將圖片上的像素換算為距離，再由程序判定圖片上的障礙物，根據設定條件進行語音提示；該基于Kinect的導盲拐杖包括：扶手、Kinect設備、拐杖主體、固定片、喇叭、支腳、微處理器。本發明專利技術采用工業超微型NANO迷你主機當做微處理器，通過景深圖像提取來判定障礙物距離；若檢測到有障礙物，通過喇叭來進行語音輸出，實現了監測前方障礙物和地面坑洞的功能。本發明專利技術能夠高效率識別障礙物并將精確計算距離并給出提示和建議，具有經濟實惠，方便攜帶，簡單高效，全天候應用的優點。

【技術實現步驟摘要】
-種基于Ki nect的導盲拐杖及其實現方法
本專利技術屬于盲人拐杖
，尤其涉及一種基于Kinect的導盲拐杖及其實現 方法。
技術介紹
隨著人口的日益增長，中國的盲人群體已經達到了一個龐大的數量。盲人的日常 生活與工作都深受出行問題的干擾。一個好的導盲工具，可以使失明的人做到獨立并且安 全的外出，提升其生活的品質。本文在研究分析國內外導盲系統及其相關技術的基礎上，基 于Kinect設計一款導盲拐杖，用于指引盲人的出行。 根據世界衛生組織（WHO)和《2006年中國第二次殘疾人調查資料》統計數據顯示， 中國約有1233萬盲人，是全世界盲人最多的國家，占整個世界盲人數的百分之20,并且以 每年45萬的速度增加。在平常的生活中，百分之八十以上的信息是通過視覺獲得的，盲人 則一直生活在黑暗的世界中，視力的缺失導致生活、學習、工作上莫大的困難作為社會上一 類特殊群體，需要給予更多關懷和照顧，如何讓他們能夠更安全地獨立行走，是盲人生活中 最大問題之一。隨著經濟發展，科技進步和社會文明程度的不斷提高，這一特殊群體的出行 問題越來越受到世界各國的關注和重視，為了提高社會對他們的關懷程度和救助水平，研 制開發更具人性化更適合于盲人路徑誘導的輔助工具具有重要的實用價值和社會現實意 義。 本項目的研究目標是設計一款基于Kinect的導盲拐杖，希望借助于微端處理器 的高運算能力及擴充能力，直接鏈接Kinect裝置取代原本計算機的角色，讓系統的便攜性 與功能性取得一個平衡，能夠正確而方便地為盲人判斷前方路況。 眼睛為靈魂之窗，對于一般人來說，視覺是不可或缺的感官，但凡生活中要做任何 事，都必須借助于視覺來感知物品的形狀、顏色、位置等等，但對于視力障礙的朋友來說，這 些基本的能力都變得遙不可及，所以為了不依靠他人可以獨自生活，盲人必須借助其他的 輔助工具來代替視覺感官。 盲人在行走中要借助第三方的幫助，其中包括盲杖、導盲犬、盲道、導盲設等。普通 的盲杖只能探測到距離身體0. 5米左右的的障礙物，其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，盲人很容易因此碰到障礙物，最終搞的頭破血流。導盲犬和盲人溝 通更加主動，尤其是對熟悉的地方有一個自己主動引導的判斷，但導盲大訓練嚴格且成本 極高，現在只有2. 5萬只導盲犬在為全世界60多個國家和地區殘障人士服務，就是在這僅 有的2. 5萬只導盲犬中，分布也是極不平衡，其中美國就占了一萬只，而中國占得數量僅為 個位數。我國有關方面已認識到導盲犬的重要性，大連導盲犬培訓基地的成立便是明證。 但導盲犬一方面成本高，另一方面數量少，滿足不了盲人的需求；并且在現有的城市交通 法規中，不允許帶寵物上路或乘坐公交，都限制了導盲犬的功能最大化；而犬類天生就是紅 綠色盲，需要依靠耳朵判斷車流量的大小，來判斷穿過馬路的時機，在帶領盲人過馬路時就 有一定的危險性。目前許多國家為盲人配備了盲道和語音提示裝置等導盲設施，但可以提 供的信息極為有限。并且現在國內的盲道設施建設和標準盲道有很大出入，部分地方做的 是面子工程，盲道被用來做一種裝飾，還有部分在盲道上面就存在障礙物或者下水井蓋等， 而在和盲人的交談中也得知，他們一方面不知道哪里有盲道，另一方面是不知道怎樣使用 盲道，可以說現在國內的盲道利用率是非常的低。而將這些不合格的盲道全部重建，耗費巨 大，不現實。所以，怎樣更好的利用已建設的導盲裝置很有必要。針對盲人出行所面臨的困 難，世界各地都在努力研究各種各樣的導盲系統，這其中已經開發成功的無線電導盲系統、 導盲電子眼鏡、衛星導盲、超聲波導盲、紅綠燈識別系統等等各式各樣的導盲系統和裝置。 最普及的盲人輔助工具為白手杖（白手杖標準長度為直立手杖由地面起算至 使用者的心臟，再加一個拳頭的高度。但因經費有限無法按個人定制，因此大多使用標準規 格的白手杖。材質為鋁合金或玻璃纖維，直徑約2公分，分為便攜式或折疊式，除手握部 分為黑色橡膠、尾端紅色外，其均為白色。）因為其成本最低，盲人只要再受過基本的定向行 走訓練就可以獨自行動。但白手杖仍有一些缺點，它只能幫助使用者感知一至兩步范圍內 的路面情況，無法得知廣告招牌、樹枝等騰空的障礙物，造成盲人額外的風險。 為了提高盲人的生活質量，增加其行走能力，世界各國一直在進行著導盲系統的 研制。有許多研究已經有了成功的案例，比如：超聲波導盲系統、無線電導盲系統、衛星導 盲、盲人電子眼鏡、紅外線導向燈等等。其中無線電、衛星導盲系統和紅外線導向燈系統，要 求改善周圍的環境設施，患者借助于外來信息確定自身的方位，雖然反映的信息較多，但耗 資龐大，信息量固定，發展更新遲緩，而且也很容易受到外來信息的干擾或者遭到人為的破 壞；電子眼鏡用光導和攝像原理將景物和周圍物體成像轉換成相應的聽覺信號，雖然結構 簡單，信息質量固定，但是系統復雜、成本昂貴。 盲人輔助工具相關的研究，主要是針對導航與監測障礙物并通過聲音或振動回饋 給盲人，達到指引盲人行走的目的，較近期發表的研究有Villanueva提出的Tom Pouce II。 該系統是以紅外線技術來感測障礙物，再以振動與否來分辨前方指到的方向是否有障礙 物，當裝置指到一個有4?6公尺長度、并大于肩膀寬度的通道，就會停止振動。 在國內，浙江大學、清華大學、鄭州大學、杭州電子科技大學以及臺灣中央大學的 智能計算及人機互動實驗室在盲人導航這個領域也有相當大的貢獻。曾以兩個RGB鏡頭組 合來仿真生物的雙眼視覺，經過運算后可以得到障礙物的方向與距離，透過語音告知盲人， 實現了低成本的盲人輔助工具。在近期也有使用Kinect作為感測裝置的相關研究，相當令 人期待。不過這部份的研究目前都是以筆記本電腦為主要運算裝置，盲人的行動力無法跟 一般人相比，背著一臺計算機無疑會消耗不少體力，而且盲人操作計算機有一定的困難度， 因此提高了系統的不便。 國外也有相關的研究，德國康斯坦茨大學（University of Konstanz)也有設計并 制作使用Kinect的輔助導盲工具，并且結合閱讀二維圖像標記的功能，可以辨識每個房間 的名稱，幫助盲人在辦公大樓內可以順利到達目的地。而他們的研究也是須使用筆記本電 腦來做為運算裝置，可以作為本項目的最為直接的參考。 制作一個盲人輔助工具時的主要功能是要探測前方是否有障礙物或坑洞等危險 區域，所以首先是要先尋找一個可靠的測距儀器。現今測距裝置大多是以超音波技術來實 現，他的優點是成本低以及相關研究也都相當成熟。國內外通常使用易學易用且應用廣泛 的單芯片微電腦Arduino,也有超音波測距的套件可以使用，以HC-SR04超音波傳感器套件 為例，它的感測距離為2cm?400cm,精度為0. 3cm,成本為100元人民幣左右，缺點是它的 測量角度只有15度左右，對于測量前方障礙物的范圍太小，無法勝任城市路況的需求。 Kinect是微軟公司于2010年6月針對游戲主機Xbox360推出的一款體感設備，如 圖1所示。雖然最初只是針對游戲領域進行開發的體感設備，但是推出之后就引起人們的 極大關注。隨著Kinect for Windows的出現和代碼本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于Kinect的高度智能化導盲拐杖設計實現方法，其特征在于，該基于Kinect的高度智能化導盲拐杖設計實現方法包括以下步驟：步驟一，通過Kinect獲取景深圖像數據流，將深度圖像數據流傳輸到微處理器，微處理器對數據流進行提取；步驟二，運用算法轉變使kinect能夠豎直放置，微處理器處理轉換后景深圖像提取并將其柵格化；步驟三，對算法轉換后的景深圖像進行環境障礙物識別；步驟四，將景深圖像上的障礙物對應的深度像素換算為與導盲拐杖的實際距離；步驟五，由經過微處理器對實際距離的數據進行讀取判斷，達到設定距離條件后，處理器發出命令并通過揚聲器進行語音提示。

【技術特征摘要】
1. 一種基于Kinect的高度智能化導盲拐杖設計實現方法，其特征在于，該基于Kinect 的高度智能化導盲拐杖設計實現方法包括以下步驟： 步驟一，通過Kinect獲取景深圖像數據流，將深度圖像數據流傳輸到微處理器，微處 理器對數據流進行提取； 步驟二，運用算法轉變使kinect能夠堅直放置，微處理器處理轉換后景深圖像提取并 將其柵格化； 步驟三，對算法轉換后的景深圖像進行環境障礙物識別； 步驟四，將景深圖像上的障礙物對應的深度像素換算為與導盲拐杖的實際距離； 步驟五，由經過微處理器對實際距離的數據進行讀取判斷，達到設定距離條件后，處理 器發出命令并通過揚聲器進行語音提示。2. 如權利要求1所述的基于Kinect的導盲拐杖實現方法，其特征在于，在步驟一中 Kinect拍攝的景深圖像需要將一維像素組轉化為2D圖像，方法如下： 在Processing中，這個圖像數據被儲存在后臺的像素數組； 以下是用函數從Kinect獲取并且顯示高分辨率深度信息的代碼： void mousepressed () { int[] depth Values = Kinect.depthMap(); int clickPosition = mouseX +(mouseY*640); int clickedDepth = depthValues[clickPosition]; depth = clickedDepth; printin ('' depth: + depth ); } 在這段程序中，Kinect. depthMap以整數數組的形式來返回深度數值；代碼中的int [] 表示depth Values將要存儲為一個整數數組；把Kinect看做是一個照相機；得到的數據都 2D的，代表著長方形表格里每一個點的深度數值；通過這段程序，得到的就是單棧的像素： 一維數組，每一行的數據都存儲在一起，而每一行最后一個像素都存儲在下一行第一個像 素之前； 深度圖像的每一個像素都對應著一個高分辨率的深度值；深度圖像的分辨率為 640X480像素，意味著圖像有480行，640列；因此，Kinect. d印thMap返回的一維線性數組 有307200個整數，堆棧的第一個整數表示圖像的最左上像素，之后的數組都表示改行下一 個像素值，直到最右下角的最后一個像素； 而語句 int clickPosition = mouseX+(mousey*640)則能從 depth Values 中的 數組中找出相應數值；int []depth Values聲明depth Values -樣一個放入很多整數的盒 子-depth Values [clickPosition]進入這個盒子，找出需要的整數；clickPosition的 數值告訴需要進入盒子多深，需要拿出哪個整數。3. 如權利要求1所述的基于Kin...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張克華，王書平，石棟，劉潤之，程光明，
申請(專利權)人：浙江師范大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33