一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，涉及一種導盲帽，屬于光電導盲領域。本發(fā)明包括3D攝影單元、信號處理單元和用于人體感知的觸點陣列單元。所述的3D攝影單元包括用于近紅外主動照明的近紅外光源和用于雙相機攝影的左、右近紅外攝像光電傳感器。所述的信號處理單元包括預處理單元、深度提取單元和量化輸出單元。所述的觸點陣列單元中單個觸點結構采用微型電磁鐵控制觸點撞針的結構。本發(fā)明通過采用景物方位、大小、色差、距離等四維度綜合信息刺激的方法，幫助盲者通過記憶學習過程實現(xiàn)“看見”光明的目標；還可解決傳統(tǒng)感知觸點工具通過舌面、腋下等電刺激傳導方式給盲人造成的生活不便問題。
【專利說明】
一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于光電導盲技術領域，具體為一種可用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽。
【背景技術】
[0002]全盲和視力損傷問題是世界上嚴重的社會和公共衛(wèi)生問題之一，2014年，全球視力損傷總人數(shù)接近2億，其中我國盲人數(shù)量已經(jīng)達到600多萬，而且還在以每分鐘新增一例的數(shù)量增加。這些視力損傷患者在日常生活中，由于無法自由行動，需要看護，一方面給家人和社會帶來了較為沉重的負擔，另一方面也給患者自身的心理健康帶來嚴重的影響，容易產(chǎn)生自卑、自我厭惡等情緒。
[0003]目前市場上已有的導盲產(chǎn)品，如電子手杖、超聲波導盲儀等主要被動接收自然界物體紅外輻射或定向超聲波束回波的方法，該導盲模式只能提供障礙物的距離信息，而采用“舌面”刺激模式的導盲設備只具備捕捉障礙物的方位和大小信息的功能，并且對“舌面”電刺激脈沖方法也使得盲人感覺很不舒服，由于這些設備均存在較大的局限性，只能在一定程度上輔助盲人進行簡單的行動。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，要解決的技術問題是克服現(xiàn)有導盲設備無法同時提供景物大小、方位、距離等信息的缺陷，使盲人通過訓練學習，可以在腦中勾勒出場景物體的距離、位置、輪廓，從而實現(xiàn)盲人導盲。
[0005]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，集成3D攝影重構技術、信號處理技術以及人體感知技術，采用由二維觸點感知陣列獲取障礙物方位大小、由觸點撞擊強度變化獲取障礙物顏色的差異、由觸點撞擊頻率變化獲取外部活動景物與盲人之間距離的變化等四維度信息綜合刺激方法，通過引導學習記憶過程為盲者帶來光明。
[0007]本發(fā)明公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，包括3D攝影單元、信號處理單元和用于人體感知的觸點陣列單元。所述的3D攝影單元包括用于近紅外主動照明的近紅外光源和用于雙相機攝影的左近紅外攝像光電傳感器、右近紅外攝像光電傳感器，所述的左近紅外攝像光電傳感器、右近紅外攝像光電傳感器對稱安裝于導盲帽的眼鏡上，組成雙攝像光電傳感器。所述的近紅外光源安裝于眼鏡上方的導盲帽正前方。所述的觸點陣列單元固定于導盲帽的內壁面，工作時觸點陣列單元與人體前額保持良好接觸。3D攝影單元主要功能是:將景物反射的紅外信號，經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后轉變?yōu)閿?shù)字量的電信號。選用近紅外波段，使得導盲帽不僅適用于白天使用，在無光照的夜晚也可繼續(xù)工作。紅外導盲帽上配置雙攝像光電傳感器，配合處理系統(tǒng)的3D成像算法，從而實現(xiàn)支持立體圖像拍攝。相比較于部分導盲設備只能捕捉障礙物的存在和方位，配合3D圖像，導盲帽還能夠提供障礙物的遠近及大小信息。
[0008]所述的信號處理單元包括預處理單元、深度提取單元和量化輸出單元，主要功能是:基于微型圖像處理計算機系統(tǒng)，將雙攝像光電傳感器拍攝的兩幅圖像首先通過預處理單元進行圖像增強、去噪聲等預處理，然后經(jīng)過深度提取單元實現(xiàn)獲取視場中障礙物深度、位置和大小信息，將場景各點的深度變化、景物色差等信息量化為電壓信號的頻率和強度變化，并通過量化輸出單元傳送給觸點陣列單元。
[0009]所述的觸點陣列單元基于感覺替代原理，利用位于額頭上的觸點撞擊將障礙物的方位、大小和遠近信息提供給盲人用戶。觸點撞擊感知呈二維矩形排列，能夠直接與導盲帽的矩形視場映射，根據(jù)障礙物的大小和方位，對應的觸點被激活從而產(chǎn)生相應脈沖刺激信號，觸點所發(fā)出撞擊強度和頻率與景物的遠近相關的，障礙物越近，觸點撞擊的強度和頻率也提高，從而加強對盲人用戶的提醒。觸點撞擊的最大強度是受控并且可以調節(jié)的，以保證盲人的舒適性及對健康不產(chǎn)生損傷。
[0010]所述的觸點陣列單元中形成感知刺激陣列中單個觸點結構采用微型電磁鐵控制觸點撞針的結構，觸點撞針移動的位置和強度由程序中的電流強度控制，觸點撞擊的最大強度是受控并且可以調節(jié)的，以保證盲人的舒適性及對健康不產(chǎn)生損傷。
[0011]本發(fā)明公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽的工作方法為:基于3D攝影單元、信號處理單元和觸點陣列單元實現(xiàn)3D攝影重構、信號處理以及人體感知，采用由二維觸點感知陣列獲取障礙物方位大小、由觸點撞擊強度及撞擊頻率變化獲取外部活動景物與盲人之間距離的變化等四維度信息綜合刺激方法，通過引導學習記憶過程使盲人可以在腦中勾勒出場景物體的距離、位置、輪廓，從而實現(xiàn)盲人導盲。
[0012]有益效果:
[0013]1、本發(fā)明公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，將3D攝影重構技術、信號處理技術以及人體感知技術進行綜合集成，通過采用景物方位、大小、色差、距離等四維度綜合信息刺激的方法，幫助盲者通過記憶學習過程實現(xiàn)“看見”光明的目標，克服現(xiàn)有導盲設備無法同時提供景物大小、方位、距離等信息的缺陷。
[0014]2、本發(fā)明公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，還可解決傳統(tǒng)感知觸點工具通過舌面、腋下等電刺激傳導方式給盲人造成的生活不便問題。
【附圖說明】
[0015]圖1為紅外導盲帽組成原理圖；
[0016]圖2為紅外導盲帽3D攝影單元概念圖；
[0017]圖3為紅外導盲帽觸點陣列概念圖；
[0018]圖4為3D景物重構效果圖；
[0019]圖5為脈沖感知單元效果示意圖；
[0020]圖6為單個觸點結構示意圖。
[0021]其中:1-3D攝影單元、2-右近紅外攝像光電傳感器、3-近紅外光源、4-左近紅外攝像光電傳感器、5-信號處理單元、6-預處理單元、7-深度提取單元、8-量化輸出單元、9-觸點陣列單元、10-障礙物、11-被激活的觸點、12-未被激活的觸點、13-觸覺感知、14-觸點撞針、15-電磁鐵。
【具體實施方式】
[0022]為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結合附圖和實例對
【發(fā)明內容】
做進一步說明。
[0023]圖1是本實施例的一種可用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽工作原理圖。本實施例公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，包括3D攝影單元1、信號處理單元5以及用于人體感知的觸點陣列單元9。所述的3D攝影單元包括用于近紅外主動照明的近紅外光源3和用于雙相機攝影的左近紅外攝像光電傳感器4、右近紅外攝像光電傳感器2，所述的左近紅外攝像光電傳感器4、右近紅外攝像光電傳感器2對稱安裝于導盲帽的眼鏡上，組成雙攝像光電傳感器。所述的近紅外光源3安裝于眼鏡上方的導盲帽正前方。所述的觸點陣列單元9固定于導盲帽的內壁面。3D攝影單元I主要功能是:將景物反射的紅外信號，經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后轉變?yōu)閿?shù)字量的電信號。選用近紅外波段，使得導盲帽不僅適用于白天使用，在無光照的夜晚也可繼續(xù)工作。紅外導盲帽上配置雙攝像光電傳感器，配合處理系統(tǒng)的3D成像算法，從而實現(xiàn)支持立體圖像拍攝。相比較于部分導盲設備只能捕捉障礙物的存在和方位，配合3D圖像，導盲帽還能夠提供障礙物的遠近及大小信息。
[0024]所述的信號處理單元包括預處理單元6、深度提取單元7和量化輸出單元8，主要功能是:基于微型圖像處理計算機系統(tǒng)，將雙攝像光電傳感器拍攝的兩幅圖像首先通過預處理單元6進行圖像增強、去噪聲等預處理，然后經(jīng)過深度提取單元7實現(xiàn)獲取視場中障礙物深度、位置和大小信息，將場景各點的深度變化等信息量化為電壓信號的頻率和強度變化，并通過量化輸出單元8傳送給觸點陣列單元9。
[0025]所述的觸點陣列單元9基于感覺替代原理，利用位于額頭上的觸點撞擊將障礙物的方位、大小和遠近信息提供給盲人用戶。觸點撞擊感知呈二維矩形排列，能夠直接與導盲帽的矩形視場映射，根據(jù)障礙物10的大小和方位，對應的觸點被激活從而產(chǎn)生相應脈沖刺激信號，被激活觸點11所發(fā)出撞擊強度和頻率與景物的遠近相關的，障礙物10越近，被激活觸點11撞擊的強度和頻率也提高，從而加強對盲人用戶的提醒。被激活觸點11撞擊的最大強度是受控并且可以調節(jié)的，以保證盲人的舒適性及對健康不產(chǎn)生損傷。
[0026]所述的觸點陣列單元9中形成感知刺激陣列中單個觸點結構采用微型電磁鐵15控制觸點撞針14的結構，觸點撞針14移動的位置和強度由程序中的電流強度控制，觸點撞擊的最大強度是受控并且可以調節(jié)的，以保證盲人的舒適性及對健康不產(chǎn)生損傷。
[0027]本實施例公開的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽的工作方法為:首先，借助中間的近紅外光源3的反射，如圖2所示，采用近紅外波段雙相機立體攝影獲取周圍景物3D場景信息(包括周圍景物的輪廓、位置、距離信息)，接著利用信號處理技術將場景不同位置處的深度信息轉換為導盲帽代表刺激強度的二維量化矩陣輸出，場景中的物體離盲人越近，矩陣中特定點的刺激強度越高，如圖5所示。感知刺激陣列中單個觸點采用微型電磁鐵15控制觸點撞針14的結構，觸點撞針11移動的位置和強度由程序中的電流強度控制，如圖6所示。工作時導盲帽內的二維觸點陣列與人體前額保持良好接觸，如圖2、3所示。由觸點陣列以及變化的刺激頻率和強度組成的這種四維綜合刺激方式，可使盲人經(jīng)過一定時間的訓練學習后，在腦中建立二維觸點陣列激勵與周圍場景的對應關系，并在腦中勾勒出場景物體的距離、位置、輪廓，從而實現(xiàn)盲人導盲。
[0028]相比較于傳統(tǒng)的可佩戴式導盲設備只能捕捉障礙物的存在和方位，紅外全景深感知導盲帽通過對3D圖像的重構處理技術，還可以進一步提供障礙物的遠近及大小信息，該導盲帽新型的二維觸點陣列的感知結構也可解決傳統(tǒng)感知觸點工具通過舌面、腋下等電刺激傳導方式給盲人造成的生活不便問題。
[0029]為驗證本發(fā)明具有紅外全景深感知功能的導盲帽3D景物重構和景深探測的功能，對某任意三維景物圖片進行了 3D景物重構技術處理，效果如圖4所示，說明3D景物重構和景深探測的功能能夠滿足導盲使用要求。
[0030]以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:包括3D攝影單元(1)、信號處理單元(5)和用于人體感知的觸點陣列單元(9);所述的3D攝影單元包括用于近紅外主動照明的近紅外光源(3)和用于雙相機攝影的左近紅外攝像光電傳感器(4)、右近紅外攝像光電傳感器(2)，所述的左近紅外攝像光電傳感器(4)、右近紅外攝像光電傳感器(2)對稱安裝于導盲帽的眼鏡上，組成雙攝像光電傳感器;所述的近紅外光源(3)安裝于眼鏡上方的導盲帽正前方;所述的觸點陣列單元(9)固定于導盲帽的內壁面，工作時觸點陣列單元(9)與人體前額保持良好接觸。2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:所述的3D攝影單元(I)主要功能是，將景物反射的紅外信號，經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后轉變?yōu)閿?shù)字量的電信號;選用近紅外波段，使得導盲帽不僅適用于白天使用，在無光照的夜晚也可繼續(xù)工作;紅外導盲帽上配置雙攝像光電傳感器，配合處理系統(tǒng)的3D成像算法，從而實現(xiàn)支持立體圖像拍攝;相比較于部分導盲設備只能捕捉障礙物的存在和方位，配合3D圖像，導盲帽還能夠提供障礙物的遠近及大小信息。3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:所述的信號處理單元(5)包括預處理單元(6)、深度提取單元(7)和量化輸出單元(8)，主要功能是:基于微型圖像處理計算機系統(tǒng)，將雙攝像光電傳感器拍攝的兩幅圖像首先通過預處理單元(6)進行圖像增強、去噪聲等預處理，然后經(jīng)過深度提取單元(7)實現(xiàn)獲取視場中障礙物深度、位置和大小信息，將場景各點的深度變化、景物色差等信息量化為電壓信號的頻率和強度變化，并通過量化輸出單元(8)傳送給觸點陣列單元(9)。4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:所述的觸點陣列單元(9)基于感覺替代原理，利用位于額頭上的觸點撞擊將障礙物的方位、大小和遠近信息提供給盲人用戶;觸點撞擊感知呈二維矩形排列，能夠直接與導盲帽的矩形視場映射，根據(jù)障礙物(10)的大小和方位，對應的觸點被激活從而產(chǎn)生相應脈沖刺激信號，被激活觸點(11)所發(fā)出撞擊強度和頻率與景物的遠近相關的，障礙物(10)越近，被激活觸點(11)撞擊的強度和頻率也提高，從而加強對盲人用戶的提醒;被激活觸點(11)撞擊的最大強度是受控并且可以調節(jié)的，以保證盲人的舒適性及對健康不產(chǎn)生損傷。5.根據(jù)權利要求3所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:所述的觸點陣列單元(9)基于感覺替代原理，利用位于額頭上的觸點撞擊將障礙物的方位、大小和遠近信息提供給盲人用戶;觸點撞擊感知呈二維矩形排列，能夠直接與導盲帽的矩形視場映射，根據(jù)障礙物(10)的大小和方位，對應的觸點被激活從而產(chǎn)生相應脈沖刺激信號，被激活觸點(11)所發(fā)出撞擊強度和頻率與景物的遠近相關的，障礙物(10)越近，被激活觸點(11)撞擊的強度和頻率也提高，從而加強對盲人用戶的提醒;被激活觸點(11)撞擊的最大強度是受控并且可以調節(jié)的，以保證盲人的舒適性及對健康不產(chǎn)生損傷。6.根據(jù)權利要求5所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:所述的觸點陣列單元(9)中形成感知刺激陣列中單個觸點結構采用微型電磁鐵(15)控制觸點撞針(14)的結構，觸點撞針(14)移動的位置和強度由程序中的電流強度控制，觸點撞擊的最大強度是受控并且可以調節(jié)的，以保證盲人的舒適性及對健康不產(chǎn)生損傷。7.根據(jù)權利要求5所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:采用由二維觸點感知陣列獲取障礙物方位大小、由觸點撞擊強度及撞擊頻率變化獲取外部活動景物與盲人之間距離的變化等四維度信息綜合刺激方法，通過引導學習記憶過程使盲人可以在腦中勾勒出場景物體的距離、位置、輪廓，從而實現(xiàn)盲人導盲。8.根據(jù)權利要求5所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:二維觸點陣列的感知結構能夠解決傳統(tǒng)感知觸點工具通過舌面、腋下等電刺激傳導方式給盲人造成的生活不便問題。9.根據(jù)權利要求5所述的一種用于人體佩戴的具有紅外全景深感知功能的導盲帽，其特征在于:工作方法為， 首先，借助中間的近紅外光源(3)的反射，采用雙攝像光電傳感器立體攝影獲取周圍景物3D場景信息，接著利用信號處理技術將場景不同位置處的深度信息轉換為導盲帽代表刺激強度的二維量化矩陣輸出，場景中的物體離盲人越近，矩陣中特定點的刺激強度越高;感知刺激陣列中單個觸點采用微型電磁鐵(15)控制觸點撞針(14)的結構，觸點撞針(11)移動的位置和強度由程序中的電流強度控制;工作時導盲帽內的二維觸點陣列與人體前額保持良好接觸；由觸點陣列以及變化的刺激頻率和強度組成的這種四維綜合刺激方式，盲人經(jīng)過一定時間的訓練學習后，在腦中建立二維觸點陣列激勵與周圍場景的對應關系，并在腦中勾勒出場景物體的距離、位置、輪廓，從而實現(xiàn)盲人導盲。
【文檔編號】H04N13/04GK105959572SQ201610513329
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】張恩洋, 朱彬, 鄭國鋒, 劉健, 劉可輝, 賈清虎, 張紅剛
【申請人】張恩洋, 朱彬, 張紅剛