CN111047949A - 基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器，包括存储器、处理器、驱动模块、执行器、盲文显示模块，与现有技术相比，本发明采用的读取信息的方式与渠道和达到的设计效果却是另辟蹊径，从根本上解决了令人困扰多年的难题。本设计主要由硬件以及机械结构系统和软件识别处理系统组成。系统运行基本过程为：软件进行数据的处理与分析，并同时检测是否含有标题以及目录，综合进行分级的处理，直至达到对数据最基本内容的读取与输出。硬件点阵的机械结构系统的精确排列与显现，则是依靠单片机精准计算对信号的给予，从而达到对盲人提供阅读内容的效果。

Description

基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器

技术领域

本发明涉及一种盲人辅助技术，尤其涉及一种基于自建汉字盲文库实现任 意文本阅读的盲文阅读器。

背景技术

目前，主流文字识别系统对于图片非常敏感，图像的质量严重影响文字识 别率，并影响后续语音输出的正确性，而语音输出部分的准确率及自然度等又 会直接影响到用户是否能得到正确的信息。这类设计实现难度较大，不能很好 的达到有效降低成本和推广大众的实际目的。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于自建汉字盲文库实 现任意文本阅读的盲文阅读器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括存储器、处理器、驱动模块、执行器、盲文显示模块，所述存 储器的数据传输端与所述处理器的数据传输端连接，所述处理器的驱动信号输 出端与所述驱动模块的信号输入端连接，所述驱动模块的控制信号输出端与所 述执行器的控制信号输入端连接，所述执行器的控制信号输出端与所述盲文显 示模块连接。

进一步，所述盲文显示模块的机壳上设置有控制面板和电磁式盲文显示装 置，控制面板上设有电源开关键、播放键、停止键、上翻页键、下翻页键、扬 声器和USB接口，电磁式盲文显示装置上设有20个盲文点字格，一个盲文点 字格能显示一个盲文字符，一次可显示20个盲文字符，每个盲文点字格有6个 盲文触点组成。

进一步，所述处理器为STM32芯片，所述处理器采用型号AMS1117-3.3芯 片、型号BUTTON芯片、两个电阻和五个电容组成供电电路。

进一步，所述存储器为型号W25Q64存储芯片。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器，与现 有技术相比，本发明采用的读取信息的方式与渠道和达到的设计效果却是另辟 蹊径，从根本上解决了令人困扰多年的难题。本设计主要由硬件以及机械结构 系统和软件识别处理系统组成。系统运行基本过程为：软件进行数据的处理与 分析，并同时检测是否含有标题以及目录，综合进行分级的处理，直至达到对 数据最基本内容的读取与输出。硬件点阵的机械结构系统的精确排列与显现， 则是依靠单片机精准计算对信号的给予，从而达到对盲人提供阅读内容的效果。

同时为方便盲人阅读时的操作，本设计还设置了盲文指示操作按键，提高 了人机之间的互动性。与此同时，该设计还具有众多后期发展延伸潜力，如蓝 牙、与互联网互联、增加盲文输入、增加存储功能等，这些都是本作品基于现 状的下一步发展方向和目标，用以更好的服务盲人，服务人民。

盲文电子阅读器是依靠自身STM32单片机读写SD卡模块自动进行数据的收 录处理、转换输出，同时通过硬件系统以及机械结构来对盲文点阵进行一种精 确控制表现形式的产品设计。从而，达到对盲人提供阅读方便以及提高阅读量、 拓展知识面的目的。

本设计经过对盲人阅读的观察和数据采集等多方面的技术整合，具有很强 的说服力，定量的分析和理论数据的支撑是整个产品设计过程客观。结合人机 工程学查询得到的摆动手臂的舒适尺寸，为下一步确定面板横向尺寸提供依据； 为方便定位设计三行两列凸点的排版规格，以尝试摸读次数最小为设计依据。

同时，人机工程学躯体感觉与运动区表明，拇指在功能的重要性上比其他 四指更有优势，它所感知的信息更细嫩。根据解剖学对人手的分析，拇指控制 面垂直于其他手指操作面，且沿拇指弯曲方向。综合考虑，决定采用带有盲文 的按键进行键位设计，盲文按键实现上下级(主目录与分目录)的分级选择， 以及上下翻页的功能。为在拇指小范围移动的前提下满足更多的操作，人机交 互较优越于多指操作体验。根据舒适状态下拇指位置的活动空间情况，考虑在 正面阅读靠近右侧的上下两端设置按钮位置。并在附近设计Home(单击为返回 键设计，双击返回主页，长按为电源键)，减小移动区间。

同时本设计考虑到读者在触摸阅读时不再大位移的移动手臂，提高阅读时 的效率，并增强读者的操作体验舒适度，我们在硬件设施上增设了带有盲文的 功能键，进行人机之间的交互，并且为了读者可以随时随地轻松携带，增加便 携性，也对其面部设计进行了优化。

附图说明

图1是一个盲文点字示意图；

图2是盲文点字的排布规则示意图；

图3是“龙”字的盲文字符示意图；

图4是电磁式盲文显示装置示意图；

图5是本发明的盲文显示装置整体图；

图6是本发明的盲文阅读器外形图；

图7是本发明的单片机供电电路图；

图8是本发明的盲文操作电路图；

图9是本发明的外部存储电路图；

图10是本发明的SD卡存储电路图；

图11是本发明的12864显示电路图；

图12是本发明的ULN2803驱动电路图；

图13是本发明的LTC3780供电电路图；

图14是本发明的汉字转换拼音流程图；

图15是本发明的自动分词系统流程图；

图16是本发明的汉字盲文转换系统实现流程图；

图17是本发明的盲文读取与显示流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

盲文文字组成分析

盲文，英文名叫Braille，又称点字、凸字，是专门为盲人设计、凭借触 觉感知的文字。盲人阅读是通过触摸由多个凸点组成的盲文字符来进行。1824 年，法国盲人路易·布莱尔(Louis·Braille)受到夜文的启发，创造出了以 简单的凸点代替拉丁字母的盲文体系。现代汉语盲文是根据法国盲人路易·布 莱尔(Louis·Braille)发明的盲文点字制定的。

一个盲文点字由6个固定点距的凸点组成，称为一方，这六个凸点呈三行 两列排布，左边自上而下为1点，2点，3点，右边为4点，5点，6点， 如图1所示。凸点的大小、点距、字距、行距都是根据盲人触觉心理和触觉生 理特点来设计的。凸点的形状一般为半球形或抛物面形，凸点底部直径为1.0～ 1.6mm、高为0.2～0.5mm、点距为2.2～2.8mm、方距为3.5～4.0mm，如 图2所示。

我国使用的汉语盲文方案有两种：一种是现行盲文；一种是汉语双拼盲文。 目前汉语双拼盲文最为通用。汉语双拼盲文是依据汉语拼音而制成的，一个完 整的盲文字符是由声母、韵母组成，如图3所示，为汉字的盲文字符。声母、 韵母各占一方盲文点字，因此要显示一个完整的盲文字符需要2方的空间。

盲文显示驱动方式分析

盲文显示装置是实现触觉再现技术的具体应用，触觉再现是指以一定方式 刺激人体感觉器官，从而使人产生真实触觉或者能够代替真实触觉的一种感觉。 触觉再现主要有两种方式：一种是感官替代，另一种是直接重构。直接重构方 式产生的触觉感直观、可靠、准确率高，因此采用直接重构方式。

实现盲文触点的凸显是盲文显示装置中最重要的设计环节，其驱动器要求 结构简单、体积小、材质轻、加工工艺简洁、容易操控、响应速度快。

经过与指导教师分析、探讨及查阅相关资料，有6种方式可以实现：压 电陶瓷式盲文显示装置、记忆合金式盲文显示装置、电磁式盲文显示装置、气 动式盲文显示装置、电刺激式盲文显示装置、温控式盲文显示装置。

经过对比分析采用电磁式盲文显示装置，利用电磁效应、安培定则和磁体 同极相斥现象，通过永久磁铁和电磁铁产生的磁力，来控制触点的升起和复位， 如图4所示。在不工作的状态下，由永磁铁制成的驱动针对铁芯产生吸力，因 铁芯固定不动，因此驱动针在吸力的作用下会向下运动，触点缩入孔中。在工 作状态下，向电磁线圈通以直流电，通电线圈产生的磁场会抵消掉永久磁铁产 生的磁场，驱动针便在牵引弹簧的带动下伸出孔形成盲文凸点。该装置易控制， 能产生所需的触觉力，盲文触点间距可满足要求。

触点空间分辨率与接触力大小分析

在静态触摸时，人手指的触觉空间分辨阀值为0.95mm。人体体表的其余部 分，除舌尖外，分辨力均不如指尖高。在设计盲文显示装置时，必须注意到皮 肤感受器的这种局限性。盲文显示装置触点的空间分辨率由触觉的空间分辨阈 值来确定的，空间分辨阈值越小，对装置的精度要求和尺寸要求就严格，因此 在设计盲文触点的布局要尽可能地紧凑，在有限的空间内如何布置高密度的触 点，成为首要解决的问题。根据中国盲文国标GB/T15720-2008规定，参考盲 人的心理和生理特点，盲文触点的点距一般为2.2～2.8mm，点高为0.2～0.5mm。

人手感知不同材质的物体时，手指的压力阈值不同。目前没有具体的文献 指出手指感知盲文时接触力的区间范围，而盲人在阅读盲文的过程中，需要借 助触点对指尖的作用力来识别盲文。人的手指对过小的压力不敏感，而过大的 压力则有可能恶化感知能力。

系统整体方案设计

本作品旨在设计出一种可将纸质书籍或者电子文档中的普通文字转换成动 态盲文点字的便携式盲文显示装置。该盲文显示装置设计方案的基本构架如图 5所示，首先我们将书籍存放在SD卡中，SD卡插入阅读器，阅读器处理器STM32 自建文件系统读取书籍数据，将盲文字符相对应的控制信号传输至盲文驱动模 块，盲文驱动模块驱动执行器向盲文显示模块发送显示命令，盲文显示模块接 收到命令后显示盲文，并利用显示器显示读取的文字以便验证正确性。

本发明创新点：

1.本设计从弱势群体、容易忽略的群体盲人出发，设计了一款盲文阅读器， 满足了盲人的阅读需求

2.本设计综合国内外相关技术，解决了盲人阅读设备存在造价昂贵、体积 大、携带困难、操作复杂、识别率低等问题。为盲文阅读器的广泛应用创造了 一个良好的开端。

3.根据盲文规则创新的自主设计了盲文点阵的单片机字型编码形式，建立 起了汉语盲文拼音库，实现了汉字盲文的换，通过汉字自动分词，汉字盲文转 换，盲文生成，得到相对应的盲文码。

4.传统盲文书籍成本高、文本少，盲人阅读量很有限，本作品不需要额外 进行转换，可实现任意文本、电子书籍的翻译，直接将现有的电子书籍存放入 SD卡，本系统就可以自动转换为盲文供盲人进行阅读，使盲人能够和正常人一 样阅读所有书籍，享受同样的获取知识权利。

作品设计与制作

装置外观与机械部分设计与制作

磁式盲文显示装置的外形图如图6所示，控制面板上设有电源开关键、播 放键、停止键、上翻页键、下翻页键、扬声器和USB接口。电源开关键、播放 键、停止键、上翻页键、下翻页键均与处理器连接，实现上下翻页和即时暂停/ 播放功能。USB接口可与外存储器相连接，实现脱机使用。电磁式盲文显示装 置上设有20个盲文点字格，一个盲文点字格能显示一个盲文字符，一次可显 示20个盲文字符，每个盲文点字格有6个盲文触点组成，图4中一共有120 个盲文触点。此装置总体结构轻巧，长为132mm，宽为40mm，高为30mm，便 于盲人朋友外出携带，视为盲人学习盲文必不可少的辅助工具。

图6中，1-电源开关键，2-播放键，3-停止键，4-上翻页键，5-下翻页键，6-SD接口，7-盲文触点，8-机壳。电磁式盲文显示装置中一共有60个盲文触 点，一个盲文触点由一组触点驱动机构驱动，因此需要采用了60组触点驱动机 构。

硬件部分设计与制作

本装置整体硬件部分较为简单，主要为SD卡模块、STM32最小系统、12864 显示模块、电磁阀电源模块、控制部分电源模块、IO口扩展等。

单片机供电电路设计与制作

STM32芯片工作电压为3.3V，而输入电压为5V.因此，本文设计了图7 所示的降压电路.在图7中，button为开关电源，是整个电路板的开关按键； F1是熔断器(保险丝)，其额定电流为500mA，起保护电路的作用；电容 C27的作用是增强降压电路的稳定性；C25和C26为输出滤波电容.滤 波电容的作用是抑制自身(内部电路)的刺激振荡，让输出电压处于稳定状态。

盲文操作电路设计与制作

按键电路是盲文显示装置必不可少的输入接口，用于实现盲文阅读时的翻 页、确定和返回等功能，是盲人与盲文显示装置的人机交互枢纽.按键电路有 4个按键，且在机械装置的左右两端各设置了上翻及下翻两个功能.在图8所 示的按键电路中，每个按键都连接在MCU的一个引脚上.MCU通过检测按 键的脉冲，可实现相应的功能。

外部存储电路设计与制作

为了对汉字中文库和盲文字库进行快速读取与存储，外部存储采用W25Q64 存储芯片(一种大容量的存储芯片).其性能方面优于其他大部分串行闪存芯片， 它拥有64MB的存储空间，最高传输速度可达40M/s，支持SPI总线传输，同 时只占用主控芯片的4个引脚，工作电压为3.7-3.6V.在设计的外部存储电路(图9)中，只要将对应的引脚相连，就可通过软件读取外部FLASH芯片。

SD卡存储电路设计与制作

为了满足盲人阅读海量文本的需求，采用SD卡来存储文本数据.SD存 储卡具有体积小、传输速度快、可热插拔、容量大等优点.所设计的SD卡存 储电路如图10所示.在SDIO模式下，主控芯片的内部总线自带了驱动SD 卡工作的总线接口，在设计SD卡存储电路时，只要将其接口分别与主控芯片 的总线接口对应连接在一起，就能够对SD卡进行软件开发。

12864显示电路设计与制作

为了方便使用盲文阅读器，本文开发了12864显示电路(图11).它可以利 用液晶屏的显示方法显示出中文或盲文.方便地管理和操作SD卡的文件.将 LCD当作一个外部存储器时，可变静态存储控制器的读写时序和LCD的读 写时序很相似.利用FSMC在相应地址读写相关数值时，STM32芯片的 FSMC模式会在硬件上自动完成时序控制.因此，只要设置好读写相关时序 的寄存器，就可以通过FSMC完成时序控制.

阀门驱动电路设计与制作

如图12所示：电磁阀的驱动电路采用达林顿管进行驱动，ULN2803八路NPN 达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路(诸如TTL,CMOS或 PMOS/NMOS)和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用 和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。所有器件具有集电 极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列 兼容。

如图13所示：阀门供电电路设计与制作

阀门60个全部工作时电流为5A左右，一般电源芯片无法提供这么大的能 量，并且必须要高效率，本设计采用凌特公司LTC3780进行供电。LTC3780是一 款高性能的能降压-升压的开关型稳压器，可在输入电压高于、低于或等于输出 电压的条件下工作。恒定频率电流模式架构提供了一个高达400Hz的可锁相频 率，可以在4～30V宽输入和输出范围内实现不同工作模式间的无缝切换。

程序设计与编写

汉字转换拼音设计

汉字以字形为表现形式，而盲文以声音为表现形式，这种形码和音码之间 没有明确的对应关系，很难通过计算或逻辑推导模型实现形音之间的确定性自 动转换。借助词典思路，采用形－音对照表的方式，先将汉字转换为汉语拼音， 然后再将汉语拼音转换为盲文拼音。汉字转换为汉语拼音以汉语词典作为标准， 过程如图14所示。对输入的汉字，判定是否为多音字，若是多音字，则通过多 音字识别规则来判定出哪个音节最符合该字；若不是多音字，则通过词典来输 出汉语拼音字符串，最后，把输出的字符串组合成拼音组输出。如果有需要， 还可以增加间隔符，在这部分将汉语拼音拆分为适合盲文的形式，对将汉语拼 音转换为盲文拼音的操作会带来便利。

盲文自动分词设计

汉语中每个汉字是独立的，独立的汉字构成词汇。汉字不论是书写还是印 刷品，都不用分词，也就是词之间没有空格分隔。盲文是需要分词的，分词连 写，是汉语盲文独有的重要规则。所谓分词，即是把一个一个的词分开来写；所 谓连写，即是按照盲文的特殊性，避免音节结构过于松散，便于摸读，将一些 词连起来写盲文的分词连写，可以借助汉字分词技术实现。先将输入的汉字源 分词，再将已分好词的汉字用做盲文转换，相连的汉字转换为盲文时采用连写 形式，这样，盲文分词就转化为汉字分词，利用汉字分词方法得以实现。比较 成熟的汉字分词方法是字符串匹配，即机械分词方法。它是按照一定的策略将待分析的汉字串与一个“充分大的”机器词典中的词条进行匹配，若在词典中 找到该字符串，则匹配成功(识别出一个词)。常用的基本机械分词方法有:① 正向最大匹配法(由左到右的方向)；②逆向最大匹配法(由右到左的方向)； ③最少切分(使每一句中切出的词数最小)。

实际应用中可以采用各种方法的组合，如双向最大匹配法。分词系统的设 计通常包含两大模块:分词算法、分词词库，如图15所示。

当待切分的文本输入后，分词算法调用分词词库查询语句，而分词词库则 向分词算法反馈该词语是否存在词库中。其中，若是有库中未出现的字，作为 一个词处理。

盲文分词与汉字分词的不同之处在于盲文分词不能太长，由几个词汇组成 的词要切分，如无缝钢管要分为“无缝”和“钢管”2个词，而不是通常汉语 中的“最大匹配”；再有，盲文分词需要符合盲文的词法规则。盲人特有的摸 读心理和摸读习惯，制约着他们不能像明眼人阅读时那样，一目十行，而是只 能一个盲符一个盲符地感知和摸读，如果盲文符号串过长，很容易混淆，而且 使人疲惫不堪。因此，限定分词长度符合分词连写的初衷，同时，要遵从盲文 分词连写的一般原则。实现时的有效方法是，按照盲文分词连写的规则建立分 词词库，而不必过多修改分词算法。

汉字盲文转换设计

完成前面所述的基本设计，就可以实现汉字盲文转换系统，图16给出其流 程。先将汉字源文件分词，可以采用通常的分词算法，如最大双向匹配算法， 但需要专用的分词库；再将分词后的汉字文件转换为汉语拼音文件，各个词汇 的拼音之间由空格分离；汉语拼音转换为盲文拼音码，各个词汇拼音之间的空 格仍然保留；盲文生成:盲文有自己的拼写规则，如一个盲文通常由两组盲符 组成，左半部分为声母，右半部分为韵母，两个拼音符号组成一个盲文。因此， 汉语拼音转化为盲文拼音是把汉字拆分拼音，逐个拼音查找对应的盲文拼音码， 盲文生成便是把盲文拼音码组合起来，组成盲文文本。至此，得到的盲文文本 可以以文件形式存储，也可以作为盲文应用系统的数据源。

盲文读取与显示设计

盲文显示思路为将单片机读写SD卡模块所采集的数字信息进行识别并转换 输出。主要由数据预处理、汉字信息提取、字符匹配识别和精准转换排列输出 这四部分组成。主要包括输入数据信息，将输入信息进行对照识别，实现电子 书内容与盲文字符的转换，再根据转换结果对应盲文点阵排列的输出。

具体设计思想如下，首先对输入数据进行读取与录入，信息的预处理，实 行标题目录的多层分级管理，然后对文本内容进行单个汉字数据的提取，将这 些信息送入到早已写好程序的单片机中与相应的盲文字符数据转换库进行匹 配，最后将匹配结果，即识别出的单个盲文字符在盲文字符数据转换库中对应 的编号保存在结果数组中所排列的顺序结果，通过点阵输出即可。示意图如图 17所示。

系统测试

盲文点阵测试

在测试系统整体性能强，为了验证硬件电路的正确性，采用60个LED灯 代替60个盲文点，显示盲文.LED灯显示板的第一组接口控制每方的1，6 点；第二组接口控制每方的3，4点；第三组接口控制每方的2，5点.通过 灯亮和灯灭组合出盲文字符，可以方便地检测控制信号，以判断硬件电路是否 正常工作。

首先把贴片式LED灯焊接在显示板上，并与主板进行连接，然后把测试 程序下载到中央微控制器中，通过按键操作，开展数字、文字、字母阅读等盲 文显示实验，以验证硬件电路中各模块的工作状态。LCD显示屏能够正确显 示“床前明月光，疑是地上霜”的中文和盲文，同时LED灯一一对应地显示 出了盲文点。实验结果表明，所设计硬件电路中各模块均能正常工作，性能稳 定。

盲文SD卡存储读取测试

盲文阅读器采用SD卡存储文本文献资料，可实现任意电子书籍阅读。测试 单片机是否能够正常读取SD卡文件。

经测试，单片机能够正确读取文件。

盲文阅读器阅读测试

完成上述基本测试后，对盲文阅读器进行完整测试，经测试，所有功能均 正常工作，能够实现盲文阅读。

能够从SD卡中读取文本信息，并且正确显示，每页显示5个字，翻页后下 一页也显示正确无误。

结论

从上面测试结果可以看出，本作品完成了设计的所有功能。

在互联网时代，盲文阅读器能够满足广大盲人朋友的阅读需求，提高盲人 知识水平。本文设计的电磁式盲文阅读器没有出现过热、短路或断电现象，各 电路模块之间能协调工作，其硬件的集成度较高，具有较好的可靠性和稳定 性.本设计为驱动大面积触觉点阵以及显示盲人触觉图形研究奠定了一定基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器，其特征在于：包括存储器、处理器、驱动模块、执行器、盲文显示模块，所述存储器的数据传输端与所述处理器的数据传输端连接，所述处理器的驱动信号输出端与所述驱动模块的信号输入端连接，所述驱动模块的控制信号输出端与所述执行器的控制信号输入端连接，所述执行器的控制信号输出端与所述盲文显示模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器，其特征在于：所述盲文显示模块的机壳上设置有控制面板和电磁式盲文显示装置，控制面板上设有电源开关键、播放键、停止键、上翻页键、下翻页键、扬声器和USB接口，电磁式盲文显示装置上设有20个盲文点字格，一个盲文点字格能显示一个盲文字符，一次可显示20个盲文字符，每个盲文点字格有6个盲文触点组成。

3.根据权利要求1所述的基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器，其特征在于：所述处理器为STM32芯片，所述处理器采用型号AMS1117-3.3芯片、型号BUTTON芯片、两个电阻和五个电容组成供电电路。

4.根据权利要求1所述的基于自建汉字盲文库实现任意文本阅读的盲文阅读器，其特征在于：所述存储器为型号W25Q64存储芯片。

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