CN105959572A - 一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，涉及一种导盲帽，属于光电导盲领域。本发明包括3D摄影单元、信号处理单元和用于人体感知的触点阵列单元。所述的3D摄影单元包括用于近红外主动照明的近红外光源和用于双相机摄影的左、右近红外摄像光电传感器。所述的信号处理单元包括预处理单元、深度提取单元和量化输出单元。所述的触点阵列单元中单个触点结构采用微型电磁铁控制触点撞针的结构。本发明通过采用景物方位、大小、色差、距离等四维度综合信息刺激的方法，帮助盲者通过记忆学习过程实现“看见”光明的目标；还可解决传统感知触点工具通过舌面、腋下等电刺激传导方式给盲人造成的生活不便问题。

Description

一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽
技术领域
本发明属于光电导盲技术领域，具体为一种可用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽。
背景技术
全盲和视力损伤问题是世界上严重的社会和公共卫生问题之一，2014年，全球视力损伤总人数接近2亿，其中我国盲人数量已经达到600多万，而且还在以每分钟新增一例的数量增加。这些视力损伤患者在日常生活中，由于无法自由行动，需要看护，一方面给家人和社会带来了较为沉重的负担，另一方面也给患者自身的心理健康带来严重的影响，容易产生自卑、自我厌恶等情绪。
目前市场上已有的导盲产品，如电子手杖、超声波导盲仪等主要被动接收自然界物体红外辐射或定向超声波束回波的方法，该导盲模式只能提供障碍物的距离信息，而采用“舌面”刺激模式的导盲设备只具备捕捉障碍物的方位和大小信息的功能，并且对“舌面”电刺激脉冲方法也使得盲人感觉很不舒服，由于这些设备均存在较大的局限性，只能在一定程度上辅助盲人进行简单的行动。
发明内容
本发明公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，要解决的技术问题是克服现有导盲设备无法同时提供景物大小、方位、距离等信息的缺陷，使盲人通过训练学习，可以在脑中勾勒出场景物体的距离、位置、轮廓，从而实现盲人导盲。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，集成3D摄影重构技术、信号处理技术以及人体感知技术，采用由二维触点感知阵列获取障碍物方位大小、由触点撞击强度变化获取障碍物颜色的差异、由触点撞击频率变化获取外部活动景物与盲人之间距离的变化等四维度信息综合刺激方法，通过引导学习记忆过程为盲者带来光明。
本发明公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，包括3D摄影单元、信号处理单元和用于人体感知的触点阵列单元。所述的3D摄影单元包括用于近红外主动照明的近红外光源和用于双相机摄影的左近红外摄像光电传感器、右近红外摄像光电传感器，所述的左近红外摄像光电传感器、右近红外摄像光电传感器对称安装于导盲帽的眼镜上，组成双摄像光电传感器。所述的近红外光源安装于眼镜上方的导盲帽正前方。所述的触点阵列单元固定于导盲帽的内壁面，工作时触点阵列单元与人体前额保持良好接触。3D摄影单元主要功能是：将景物反射的红外信号，经光学系统聚焦后转变为数字量的电信号。选用近红外波段，使得导盲帽不仅适用于白天使用，在无光照的夜晚也可继续工作。红外导盲帽上配置双摄像光电传感器，配合处理系统的3D成像算法，从而实现支持立体图像拍摄。相比较于部分导盲设备只能捕捉障碍物的存在和方位，配合3D图像，导盲帽还能够提供障碍物的远近及大小信息。
所述的信号处理单元包括预处理单元、深度提取单元和量化输出单元，主要功能是：基于微型图像处理计算机系统，将双摄像光电传感器拍摄的两幅图像首先通过预处理单元进行图像增强、去噪声等预处理，然后经过深度提取单元实现获取视场中障碍物深度、位置和大小信息，将场景各点的深度变化、景物色差等信息量化为电压信号的频率和强度变化，并通过量化输出单元传送给触点阵列单元。
所述的触点阵列单元基于感觉替代原理，利用位于额头上的触点撞击将障碍物的方位、大小和远近信息提供给盲人用户。触点撞击感知呈二维矩形排列，能够直接与导盲帽的矩形视场映射，根据障碍物的大小和方位，对应的触点被激活从而产生相应脉冲刺激信号，触点所发出撞击强度和频率与景物的远近相关的，障碍物越近，触点撞击的强度和频率也提高，从而加强对盲人用户的提醒。触点撞击的最大强度是受控并且可以调节的，以保证盲人的舒适性及对健康不产生损伤。
所述的触点阵列单元中形成感知刺激阵列中单个触点结构采用微型电磁铁控制触点撞针的结构，触点撞针移动的位置和强度由程序中的电流强度控制，触点撞击的最大强度是受控并且可以调节的，以保证盲人的舒适性及对健康不产生损伤。
本发明公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽的工作方法为：基于3D摄影单元、信号处理单元和触点阵列单元实现3D摄影重构、信号处理以及人体感知，采用由二维触点感知阵列获取障碍物方位大小、由触点撞击强度及撞击频率变化获取外部活动景物与盲人之间距离的变化等四维度信息综合刺激方法，通过引导学习记忆过程使盲人可以在脑中勾勒出场景物体的距离、位置、轮廓，从而实现盲人导盲。
有益效果：
1、本发明公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，将3D摄影重构技术、信号处理技术以及人体感知技术进行综合集成，通过采用景物方位、大小、色差、距离等四维度综合信息刺激的方法，帮助盲者通过记忆学习过程实现“看见”光明的目标，克服现有导盲设备无法同时提供景物大小、方位、距离等信息的缺陷。
2、本发明公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，还可解决传统感知触点工具通过舌面、腋下等电刺激传导方式给盲人造成的生活不便问题。
附图说明
图1为红外导盲帽组成原理图；
图2为红外导盲帽3D摄影单元概念图；
图3为红外导盲帽触点阵列概念图；
图4为3D景物重构效果图；
图5为脉冲感知单元效果示意图；
图6为单个触点结构示意图。
其中：1-3D摄影单元、2-右近红外摄像光电传感器、3-近红外光源、4-左近红外摄像光电传感器、5-信号处理单元、6-预处理单元、7-深度提取单元、8-量化输出单元、9-触点阵列单元、10-障碍物、11-被激活的触点、12-未被激活的触点、13-触觉感知、14-触点撞针、15-电磁铁。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
图1是本实施例的一种可用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽工作原理图。本实施例公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，包括3D摄影单元1、信号处理单元5以及用于人体感知的触点阵列单元9。所述的3D摄影单元包括用于近红外主动照明的近红外光源3和用于双相机摄影的左近红外摄像光电传感器4、右近红外摄像光电传感器2，所述的左近红外摄像光电传感器4、右近红外摄像光电传感器2对称安装于导盲帽的眼镜上，组成双摄像光电传感器。所述的近红外光源3安装于眼镜上方的导盲帽正前方。所述的触点阵列单元9固定于导盲帽的内壁面。3D摄影单元1主要功能是：将景物反射的红外信号，经光学系统聚焦后转变为数字量的电信号。选用近红外波段，使得导盲帽不仅适用于白天使用，在无光照的夜晚也可继续工作。红外导盲帽上配置双摄像光电传感器，配合处理系统的3D成像算法，从而实现支持立体图像拍摄。相比较于部分导盲设备只能捕捉障碍物的存在和方位，配合3D图像，导盲帽还能够提供障碍物的远近及大小信息。
所述的信号处理单元包括预处理单元6、深度提取单元7和量化输出单元8，主要功能是：基于微型图像处理计算机系统，将双摄像光电传感器拍摄的两幅图像首先通过预处理单元6进行图像增强、去噪声等预处理，然后经过深度提取单元7实现获取视场中障碍物深度、位置和大小信息，将场景各点的深度变化等信息量化为电压信号的频率和强度变化，并通过量化输出单元8传送给触点阵列单元9。
所述的触点阵列单元9基于感觉替代原理，利用位于额头上的触点撞击将障碍物的方位、大小和远近信息提供给盲人用户。触点撞击感知呈二维矩形排列，能够直接与导盲帽的矩形视场映射，根据障碍物10的大小和方位，对应的触点被激活从而产生相应脉冲刺激信号，被激活触点11所发出撞击强度和频率与景物的远近相关的，障碍物10越近，被激活触点11撞击的强度和频率也提高，从而加强对盲人用户的提醒。被激活触点11撞击的最大强度是受控并且可以调节的，以保证盲人的舒适性及对健康不产生损伤。
所述的触点阵列单元9中形成感知刺激阵列中单个触点结构采用微型电磁铁15控制触点撞针14的结构，触点撞针14移动的位置和强度由程序中的电流强度控制，触点撞击的最大强度是受控并且可以调节的，以保证盲人的舒适性及对健康不产生损伤。
本实施例公开的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽的工作方法为：首先，借助中间的近红外光源3的反射，如图2所示，采用近红外波段双相机立体摄影获取周围景物3D场景信息(包括周围景物的轮廓、位置、距离信息)，接着利用信号处理技术将场景不同位置处的深度信息转换为导盲帽代表刺激强度的二维量化矩阵输出，场景中的物体离盲人越近，矩阵中特定点的刺激强度越高，如图5所示。感知刺激阵列中单个触点采用微型电磁铁15控制触点撞针14的结构，触点撞针11移动的位置和强度由程序中的电流强度控制，如图6所示。工作时导盲帽内的二维触点阵列与人体前额保持良好接触，如图2、3所示。由触点阵列以及变化的刺激频率和强度组成的这种四维综合刺激方式，可使盲人经过一定时间的训练学习后，在脑中建立二维触点阵列激励与周围场景的对应关系，并在脑中勾勒出场景物体的距离、位置、轮廓，从而实现盲人导盲。
相比较于传统的可佩戴式导盲设备只能捕捉障碍物的存在和方位，红外全景深感知导盲帽通过对3D图像的重构处理技术，还可以进一步提供障碍物的远近及大小信息，该导盲帽新型的二维触点阵列的感知结构也可解决传统感知触点工具通过舌面、腋下等电刺激传导方式给盲人造成的生活不便问题。
为验证本发明具有红外全景深感知功能的导盲帽3D景物重构和景深探测的功能，对某任意三维景物图片进行了3D景物重构技术处理，效果如图4所示，说明3D景物重构和景深探测的功能能够满足导盲使用要求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：包括3D摄影单元(1)、信号处理单元(5)和用于人体感知的触点阵列单元(9)；所述的3D摄影单元包括用于近红外主动照明的近红外光源(3)和用于双相机摄影的左近红外摄像光电传感器(4)、右近红外摄像光电传感器(2)，所述的左近红外摄像光电传感器(4)、右近红外摄像光电传感器(2)对称安装于导盲帽的眼镜上，组成双摄像光电传感器；所述的近红外光源(3)安装于眼镜上方的导盲帽正前方；所述的触点阵列单元(9)固定于导盲帽的内壁面，工作时触点阵列单元(9)与人体前额保持良好接触。
2.根据权利要求1所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：所述的3D摄影单元(1)主要功能是，将景物反射的红外信号，经光学系统聚焦后转变为数字量的电信号；选用近红外波段，使得导盲帽不仅适用于白天使用，在无光照的夜晚也可继续工作；红外导盲帽上配置双摄像光电传感器，配合处理系统的3D成像算法，从而实现支持立体图像拍摄；相比较于部分导盲设备只能捕捉障碍物的存在和方位，配合3D图像，导盲帽还能够提供障碍物的远近及大小信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：所述的信号处理单元(5)包括预处理单元(6)、深度提取单元(7)和量化输出单元(8)，主要功能是：基于微型图像处理计算机系统，将双摄像光电传感器拍摄的两幅图像首先通过预处理单元(6)进行图像增强、去噪声等预处理，然后经过深度提取单元(7)实现获取视场中障碍物深度、位置和大小信息，将场景各点的深度变化、景物色差等信息量化为电压信号的频率和强度变化，并通过量化输出单元(8)传送给触点阵列单元(9)。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：所述的触点阵列单元(9)基于感觉替代原理，利用位于额头上的触点撞击将障碍物的方位、大小和远近信息提供给盲人用户；触点撞击感知呈二维矩形排列，能够直接与导盲帽的矩形视场映射，根据障碍物(10)的大小和方位，对应的触点被激活从而产生相应脉冲刺激信号，被激活触点(11)所发出撞击强度和频率与景物的远近相关的，障碍物(10)越近，被激活触点(11)撞击的强度和频率也提高，从而加强对盲人用户的提醒；被激活触点(11)撞击的最大强度是受控并且可以调节的，以保证盲人的舒适性及对健康不产生损伤。
5.根据权利要求3所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：所述的触点阵列单元(9)基于感觉替代原理，利用位于额头上的触点撞击将障碍物的方位、大小和远近信息提供给盲人用户；触点撞击感知呈二维矩形排列，能够直接与导盲帽的矩形视场映射，根据障碍物(10)的大小和方位，对应的触点被激活从而产生相应脉冲刺激信号，被激活触点(11)所发出撞击强度和频率与景物的远近相关的，障碍物(10)越近，被激活触点(11)撞击的强度和频率也提高，从而加强对盲人用户的提醒；被激活触点(11)撞击的最大强度是受控并且可以调节的，以保证盲人的舒适性及对健康不产生损伤。
6.根据权利要求5所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：所述的触点阵列单元(9)中形成感知刺激阵列中单个触点结构采用微型电磁铁(15)控制触点撞针(14)的结构，触点撞针(14)移动的位置和强度由程序中的电流强度控制，触点撞击的最大强度是受控并且可以调节的，以保证盲人的舒适性及对健康不产生损伤。
7.根据权利要求5所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：采用由二维触点感知阵列获取障碍物方位大小、由触点撞击强度及撞击频率变化获取外部活动景物与盲人之间距离的变化等四维度信息综合刺激方法，通过引导学习记忆过程使盲人可以在脑中勾勒出场景物体的距离、位置、轮廓，从而实现盲人导盲。
8.根据权利要求5所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：二维触点阵列的感知结构能够解决传统感知触点工具通过舌面、腋下等电刺激传导方式给盲人造成的生活不便问题。
9.根据权利要求5所述的一种用于人体佩戴的具有红外全景深感知功能的导盲帽，其特征在于：工作方法为，
首先，借助中间的近红外光源(3)的反射，采用双摄像光电传感器立体摄影获取周围景物3D场景信息，接着利用信号处理技术将场景不同位置处的深度信息转换为导盲帽代表刺激强度的二维量化矩阵输出，场景中的物体离盲人越近，矩阵中特定点的刺激强度越高；感知刺激阵列中单个触点采用微型电磁铁(15)控制触点撞针(14)的结构，触点撞针(11)移动的位置和强度由程序中的电流强度控制；工作时导盲帽内的二维触点阵列与人体前额保持良好接触；由触点阵列以及变化的刺激频率和强度组成的这种四维综合刺激方式，盲人经过一定时间的训练学习后，在脑中建立二维触点阵列激励与周围场景的对应关系，并在脑中勾勒出场景物体的距离、位置、轮廓，从而实现盲人导盲。
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