專利名稱：電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種傳感裝置，尤其涉及一種電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置。
背景技術(shù)：
我國是世界上人ロ最多的國家，同時也是世界上盲人最多的國家。盲人作為社會的弱勢群體，在日常生活中存在諸多不便，如何使盲人能夠像正常人一祥生活，感知到周圍豐富多彩的環(huán)境，獲取到物體形狀、色彩及亮度信息，以提高盲人生活質(zhì)量， 一直是人們研究的ー個重要領(lǐng)域。而現(xiàn)有的盲人生活輔助工具僅僅適用于盲人在単獨外出行動時，避免由于沒有視覺輔助而造成安全隱患。隨著計算機視覺、模式識別技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，人們開始嘗試使用信息化的電子裝置輔助盲人生活。在盲人生活輔助領(lǐng)域，一般采用聽覺或觸覺來代替視覺傳遞信息的功能。因為盲人雖然視覺功能喪失，但是盲人的觸覺功能超常靈敏，甚至超于視覺功能完好的正常人數(shù)倍。因此，盲人生活輔助工具具有采用觸覺信息來傳遞周圍環(huán)境信息的可能。申請?zhí)枮镃N02143161. 2的專利《盲人歩行用輔助器》公開了ー種盲人歩行用輔助器，具備測距単元，測量到障礙物的距離；傳遞單元，根據(jù)利用該測距単元所測量的距離而得到的障礙物立體信息，把障礙物的存在用觸覺或聲音進行傳遞。該專利主要面向障礙物的識別，利用物體識別元件來識別雙目攝像頭圖像中的物體，并通過聲音將識別信息傳遞給盲人。但是，盲人在使用該裝置時也會存在諸多問題。第一，如果環(huán)境中存在多種物體，盲人將同時聽到多個物體的提不聲音，使盲人很難分辨單獨的提不聲音；第二，如果盲人聽到的多個物體提示聲音存在一定的時間間隔，則獲取整個環(huán)境信息的時間將會延長，降低了盲人獲得環(huán)境信息的速度；第三，由于盲人的位置處于不斷變化中，而該實用新型對于新舊物體識別的方式相同，不具備距離判斷功能，導致新識別出的物體很難與已經(jīng)識別出的物體區(qū)分開，將會造成信息傳遞不準確，導致安全隱患。申請?zhí)枮镃N200710039632. 9的專利《基于物體辨識的盲人生活輔助裝置》公開了一種基于物體辨識的盲人生活輔助裝置，其中物體信息緩沖單元存儲環(huán)境中已檢測出的每ー個物體的種類信息、圖像中的位置坐標，相對盲人的三維位置信息、特征信息和注意力等級；物體檢測單元檢測圖像傳感器的探測區(qū)域內(nèi)是否有可以被檢測的物體，比對檢測到的物體是否是已有記錄的物體，并將新檢測到的物體在圖像中的位置坐標和物體的類別信息存入物體信息緩沖單元，并給予最高的注意力等級；物體測距單元測量物體信息緩沖單元中每ー個物體相對于盲人的三維位置信息；感覺替代單元將物體信息緩沖單元中的物體按盲人的要求轉(zhuǎn)換為聲音信號或觸覺信號，使盲人能感知環(huán)境中物體的存在。該能夠持續(xù)識別外部環(huán)境中新出現(xiàn)的物體，并通過提示信息的準確率和速度，提高了盲人認知環(huán)境的效率。以上兩種實用新型都僅僅能夠為盲人提示路況，而無法實現(xiàn)盲人對于周圍環(huán)境形狀、色彩及亮度的認知，無法提升盲人的生活質(zhì)量。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，能夠使盲人感知到生活環(huán)境中物體的形狀、色彩和亮度，提升盲人的生活質(zhì)量，同時可為盲人出行提供準確的即時信息，避免安全隱患。本實用新型采用下述技術(shù)方案一種電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，包括圖像采集模塊，用于采集周圍物體的形狀、色彩及亮度信息；數(shù)據(jù)處理模塊，用于接收圖像采集模塊采集到的周圍物體形狀、色彩及亮度信息，并根據(jù)圖像采集模塊采集到的信息輸出不同的控制信號，控制電流產(chǎn)生模塊和觸覺產(chǎn)生裝置對人體產(chǎn)生不同范圍、強度和頻率的電流刺激；電流產(chǎn)生模塊，用于在數(shù)據(jù)處理模塊的控制下產(chǎn)生不同強度的電流，電流通過觸覺產(chǎn)生裝置對人體產(chǎn)生刺激；觸覺產(chǎn)生裝置，用于接收數(shù)據(jù)處理模塊輸出的控制信號，利用電流產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同強度 的電流對人體產(chǎn)生不同范圍、強度和頻率的電流刺激。所述的數(shù)據(jù)處理模塊包括中央處理單元和與中央處理單元連接的緩存單元，中央處理單元將色彩和亮度信息轉(zhuǎn)化為不同強度和頻率的電流信號，采用的轉(zhuǎn)換公式為i r = F￡Xぶ+ X G+ X5 ,其中、Fg和Fv分別為R、G、B三基色頻率轉(zhuǎn)化系數(shù)，R、G、B
分別為圖像采集模塊采集到的紅、綠、藍三基色數(shù)值，F(xiàn)v為各像素合成頻率；所述的圖像采
集模塊的信號輸出端連接中央處理單元的信號輸入端，中央處理單元的信號輸出端連接電流產(chǎn)生模塊的輸入端，電流產(chǎn)生模塊的輸出端連接觸覺產(chǎn)生裝置的電流輸入端，中央處理単元的控制信號輸出端連接觸覺產(chǎn)生裝置。所述的觸覺產(chǎn)生裝置包括由多個導體組成的陣列，每一列上的每個導體的列連接端均通過列電子開關(guān)連接電流產(chǎn)生模塊的輸出端，每一行的每個導體的行連接端均通過行電子開關(guān)接地，每個行電子開關(guān)和列電子開關(guān)的控制信號輸入端分別連接中央處理單元的控制信號輸出端。所述觸覺產(chǎn)生裝置上的所有導體上均設置有與人體皮膚接觸的導電橡膠。所述的觸覺產(chǎn)生裝置設置在使用者佩戴的腰帯上。所述的圖像采集模塊包括至少ー個CCD攝像機，每個CCD攝像機的信號輸出端分別連接中央處理單元的信號輸入端。所述的圖像采集模塊還包括測距測速模塊，測距測速模塊的信號輸出端連接中央處理單元的信號輸入端，中央處理單元的焦距控制信號輸出端連接CCD攝像機的調(diào)焦信號輸入端。所述的圖像采集模塊包括兩個CXD攝像機。所述的圖像采集模塊設置在使用者佩戴的頭盔上。本實用新型利用圖像采集模塊模擬人體雙眼看到周圍環(huán)境中的物體形狀、色彩和亮度信息，并將信息通過數(shù)據(jù)處理模塊分析處理，由數(shù)據(jù)處理模塊通過不同的控制信號控制觸覺產(chǎn)生裝置和電流產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生不同區(qū)域、頻率和強度的電流刺激使用者身體特定部位的皮膚，從而向使用者傳輸圖像信息中所包含的形狀、色彩和亮度信息，本實用新型能夠快速、準確地向盲人傳遞周圍環(huán)境中物體形狀、色彩和亮度信息，改變了現(xiàn)有產(chǎn)品中僅能傳遞物體形狀的局限，使盲人能夠像正常人ー樣感知周圍豐富多彩的環(huán)境，提高了盲人的生活質(zhì)量，同時為盲人出行提供準確的即時信息，避免安全隱患。

圖I為本實用新型所述傳感裝置的原理框圖；圖2為本實用新型中觸覺產(chǎn)生裝置的局部電路圖。
具體實施方式
如圖I至圖3所示，本實用新型所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置包括圖像采集模塊，圖像采集模塊的信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊的信號輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊的信號輸出端連接觸覺產(chǎn)生裝置的信號輸入端。所述的圖像采集模塊包括至少ー個CCD攝像機，每個CCD攝像機的信號輸出端分 別連接中央處理單元的信號輸入端，CCD攝像機可直接將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，其輸出的數(shù)字信號包括亮度信號、紅(R)、綠(G)、藍(B)信號。本實施例中，為了達到更好的使用效果，圖像采集模塊采用兩個CCD攝像機，用來模擬人體雙眼看到周圍環(huán)境中的物體形狀、色彩和亮度信息。兩個CXD攝像機相隔一定距離且水平設置，可模擬人體雙眼看到同一物體時的角度差，以便形成立體視覺效果。為了使CCD攝像機在使用者運動過程中始終保持焦距準確、攝錄圖像清晰度最高，本實用新型在圖像采集模塊中設置了測距測速模塊。測距測速模塊的信號輸出端連接中央處理單元的信號輸入端，中央處理單元的焦距控制信號輸出端連接CXD攝像機的調(diào)焦信號輸入端。測距測速模塊可以自動測得使用者的運動速度，并可在50米的范圍內(nèi)準確測得被拍攝物體與使用者之間的距離，測距測速模塊將測得的速度和距離信號傳輸給中央處理單元，中央處理單元經(jīng)過分析處理后對CXD攝像機的焦距進行自動調(diào)節(jié)。在本實施例中，圖像采集模塊設置在使用者佩戴的頭盔上，便于模擬人體雙眼進行圖像采集。其中，CCD攝像機可采用540TVL超微型針孔攝像機，具備自動背光補償、自動電子快門、自動增益控制、自動白平衡、彩色/黒白自動轉(zhuǎn)換的功能；測距測速模塊采用微波雷達測距傳感器，微波雷達測距傳感器采用鋁合金微波波導腔體振蕩器，具有遠程微波測距功能，同時提供微波雷達測距傳感器，測程可達到IOOm以上，收發(fā)采用雙頭，具有測速傳感器和測距傳感器功能。由于上述兩個產(chǎn)品均為市售產(chǎn)品，其安裝使用方法在此不再贅述。所述的數(shù)據(jù)處理模塊包括中央處理單元、緩存單元和用于產(chǎn)生不同強度電流的電流產(chǎn)生模塊，中央處理單元連接緩存單元，所述的圖像采集模塊的信號輸出端連接中央處理單元的信號輸入端，中央處理單元的信號輸出端連接電流產(chǎn)生模塊的輸入端，電流產(chǎn)生模塊的輸出端連接觸覺產(chǎn)生裝置的電流輸入端，中央處理單元的控制信號輸出端連接觸覺產(chǎn)生裝置。本實施例中，圖像采集模塊的CCD攝像機將采集到的圖像以像素為300X200(可根據(jù)攝像機性能及實際工作要求確定)的格式儲存，圖像中包含物體形狀、色彩及亮度信息，此信息被傳送至中央處理單元。中央處理單元按照選定的視頻模式，根據(jù)CXD的工作時序，以每秒不少于15幀的掃描速度，將采集模塊中CCD攝像機傳輸?shù)牟噬袼匦盘柊凑誖GB像素格式存儲，并將每一個像素點的色彩及亮度信息通過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換為不同的控制信號，轉(zhuǎn)換公式在下文中具體介紹。中央處理單元通過控制電流產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同強度的電流刺激信號，以及控制觸覺產(chǎn)生裝置產(chǎn)生不同頻率和區(qū)域的電流刺激信號，對與觸覺產(chǎn)生裝置接觸的人體皮膚產(chǎn)生觸覺。為了保持中央處理單元處理速度，中央處理單元還連接有緩存單元。本實施例中，電流產(chǎn)生模塊可在中央處理單元控制下利用升壓電路產(chǎn)生電壓為100V，電流強度為O到8mA的安全電流，屬于成熟的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述；中央處理単元可采用ARM9等系列微處理器；緩存單元采用高速SDRAM類型芯片。所述的觸覺產(chǎn)生裝置包括由多個導體組成的陣列，每一列上的每個導體的列連接端均通過列電子開關(guān)連接電流產(chǎn)生模塊的輸出端，每一行的每個導體的行連接端均通過行電子開關(guān)接地，每個行電子開關(guān)和列電子開關(guān)的控制信號輸入端分別連接中央處理單元的控制信號輸出端。所述行電子開關(guān)和列電子開關(guān)可采用三極管、場效應管或可控硅。所述觸覺產(chǎn)生裝置中多個導體組成的陣列，其陣列大小應與圖像采集模塊采集并儲存的圖像像素格式相符，在本實施例中，觸覺產(chǎn)生裝置采用300X200的導體陣列，與CCD 攝像機采集并按照300X200像素儲存的格式相符。圖2以ー個8X8的導體陣列為例進行說明，其中電子開關(guān)采用三極管，如圖2所示，第一行Rl的每ー個導體的行連接端均連接三極管QRl的集電極，三極管QRl的發(fā)射極接地，三極管QRl的基極連接中央處理單元的控制信號輸出端；第一列LI的每ー個導體的列連接端均連接三極管QLl的發(fā)射極，三極管QLl的集電極連接電流產(chǎn)生模塊的輸出端，三極管QLl的基極連接中央處理單元的控制信號輸入端；第二行R2的每ー個導體的行連接端均連接三極管QR2的集電極，三極管QR2的發(fā)射極接地，三極管QR2的基極連接中央處理單元的控制信號輸出端；第二列L2的每ー個導體的列連接端均連接三極管QL2的發(fā)射極，三極管QL2的集電極連接電流產(chǎn)生模塊的輸出端，三極管QL2的基極連接中央處理單元的控制信號輸入端；以此類推，第八行R8的每ー個導體的行連接端均連接三極管QR8的集電極，三極管QR8的發(fā)射極接地，三極管QR8的基極連接中央處理單元的控制信號輸出端；第八列L8的每ー個導體的列連接端均連接三極管QL8的發(fā)射極，三極管QL8的集電極連接電流產(chǎn)生模塊的輸出端，三極管QL8的基極連接中央處理單元的控制信號輸入端。觸覺產(chǎn)生裝置中的任意一個導體只有導體兩端各自連接的三極管同時導通時,導體上才有電流通過。例如,只有三極管QRl和三極管QLl在中央處理單元的控制下同時導通時，處于第一列LI第一行Rl的導體才有電流通過。在圖2中，三極管也可替換為場效應管或可控硅，起到電子開關(guān)的作用。觸覺產(chǎn)生裝置上所有導體的上均設置有與人體皮膚接觸的導電橡膠，導電橡膠ー方面起到傳輸電流信號對人體進行刺激的作用，另ー方面可提高人體佩戴的舒適度和觸覺敏感度。本實施例中，觸覺產(chǎn)生裝置采用300X200的導體陣列，與CCD攝像機采集到的圖像儲存格式相符，300 X 200的導體陣列可設置成腰帯狀，便于使用。觸覺產(chǎn)生裝置中使用的導電橡膠為現(xiàn)有技木，在此不再贅述。本實用新型在工作吋，由中央處理單元發(fā)出控制信號，控制電流產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同強度的電流刺激信號來表達圖像信息中的亮度信息；中央處理單元利用分析處理后得到的物體形狀信息，通過控制不同數(shù)量、位置的三極管導通來表達圖像信息中的物體形狀信息；同時，中央處理單元通過控制三極管的導通頻率起到控制電流刺激信號頻率的作用，并以此不同頻率的電流刺激信號表達圖像信息中的物體色彩信息。因此，中央處理單元可以通過不同的控制信號控制觸覺產(chǎn)生裝置，使觸覺產(chǎn)生裝置產(chǎn)生不同區(qū)域、頻率和強度的電流刺激使用者身體特定部位的皮膚，產(chǎn)生各種圖形繪制的感覺，從而向使用者傳輸圖像信息中所包含的形狀、色彩和亮度信息。本實用新型中可在數(shù)據(jù)處理模塊中加入按鍵輸入模塊，用于設置各項設備參數(shù)。同時，為了達到更好的使用效果，本實用新型中CCD攝像機采集圖像的儲存格式可根據(jù)使用需求設置，不僅限于300X200的存儲格式，同時觸覺產(chǎn)生裝置的導體陣列大小與CCD攝像機采集圖像的儲存格式相符即可。本實用新型中中央處理單元將色彩和亮度信息轉(zhuǎn)化為不同強度和頻率的電流信號，采用的轉(zhuǎn)換公式為み=Fパ+Fs xG +Frx R，其中巧、Fg和ろ為R、G、B三基色頻率
轉(zhuǎn)化系數(shù)，R、G、B分別為圖像采集模塊采集到的紅、綠、藍三基色數(shù)值， 為各像素合成頻
率。按照人體可以分辨的頻率范圍，各像素合成頻率4的范圍應該處于0到IllOHz之間。
因此，按照三基色合成原理，任何顔色都可以用紅(R)、綠(G)、藍(B)這三種顏色按不同的 比例混合而成，同時，受人體皮膚能夠分辨頻率范圍0到IllOHz的限制，可以設定R、G、B三
基色最大值為10，從而可確定最大頻率系數(shù)為' =100，F(xiàn)s =10 5- =1。當設定三基色頻率轉(zhuǎn)化系數(shù)5 =100，Ps =10、奪=1吋，圖像采集模塊采集到的紅、綠、藍三基色數(shù)值在0-10的范圍內(nèi)任意變化，經(jīng)轉(zhuǎn)換公式計算出的各像素合成頻率み均小于1110Hz，處于人體可分辨頻率范圍。當R、G、B三基色數(shù)值均取10吋，み為1110，此時表達顏色為白色；當R、G、B三基色數(shù)值均取0吋，Pv為0，此時表達顏色為黑色。R、G、B三基色頻率轉(zhuǎn)化系數(shù)巧和マ
也可設定為其他數(shù)值，也可正常使用，但使用效果不佳，可能會造成患者無法分辨或分辨效果不好，影響整個裝置的使用效果。
權(quán)利要求1.一種電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于包括圖像采集模塊，用于采集周圍物體的形狀、色彩及亮度信息；數(shù)據(jù)處理模塊，用于接收圖像采集模塊采集到的周圍物體形狀、色彩及亮度信息，并根據(jù)圖像采集模塊采集到的信息輸出不同的控制信號，控制電流產(chǎn)生模塊和觸覺產(chǎn)生裝置對人體產(chǎn)生不同范圍、強度和頻率的電流刺激；電流產(chǎn)生模塊，用于在數(shù)據(jù)處理模塊的控制下產(chǎn)生不同強度的電流，電流通過觸覺產(chǎn)生裝置對人體產(chǎn)生刺激；觸覺產(chǎn)生裝置，用于接收數(shù)據(jù)處理模塊輸出的控制信號，利用電流產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同強度的電流對人體產(chǎn)生不同范圍、強度和頻率的電流刺激。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理模塊包括中央處理單元和與中央處理單元連接的緩存單元，中央處理單元將色彩和亮度信息轉(zhuǎn)化為不同強度和頻率的電流信號，采用的轉(zhuǎn)換公式為馬=&￥及+^^0+/^5,其中4、Fs和Fb分別為R、G、B三基色頻率轉(zhuǎn)化系數(shù)，R、G、B分別為圖像采集模塊采集到的紅、綠、藍三基色數(shù)值，為各像素合成頻率；所述的圖像采集模塊的信號輸出端連接中央處理單元的信號輸入端，中央處理單元的信號輸出端連接電流產(chǎn)生模塊的輸入端，電流產(chǎn)生模塊的輸出端連接觸覺產(chǎn)生裝置的電流輸入端，中央處理單元的控制信號輸出端連接觸覺產(chǎn)生裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述的觸覺產(chǎn)生裝置包括由多個導體組成的陣列，每一列上的每個導體的列連接端均通過列電子開關(guān)連接電流產(chǎn)生模塊的輸出端，每一行的每個導體的行連接端均通過行電子開關(guān)接地，每個行電子開關(guān)和列電子開關(guān)的控制信號輸入端分別連接中央處理單元的控制信號輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述觸覺產(chǎn)生裝置上的所有導體上均設置有與人體皮膚接觸的導電橡膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述的觸覺產(chǎn)生裝置設置在使用者佩戴的腰帶上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述的圖像采集模塊包括至少一個CCD攝像機，每個CCD攝像機的信號輸出端分別連接中央處理單元的信號輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述的圖像采集模塊還包括測距測速模塊，測距測速模塊的信號輸出端連接中央處理單元的信號輸入端，中央處理單元的焦距控制信號輸出端連接CXD攝像機的調(diào)焦信號輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述的圖像采集模塊包括兩個CXD攝像機。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，其特征在于所述的圖像采集模塊設置在使用者佩戴的頭盔上。
專利摘要電子點陣式智能盲人圖像觸覺傳感裝置，包括圖像采集模塊，用于采集周圍物體的形狀、色彩及亮度信息；數(shù)據(jù)處理模塊，用于接收圖像采集模塊采集到的周圍物體形狀、色彩及亮度信息，并根據(jù)圖像采集模塊采集到的信息輸出不同的控制信號，控制電流產(chǎn)生模塊和觸覺產(chǎn)生裝置對人體產(chǎn)生不同范圍、強度和頻率的電流刺激；電流產(chǎn)生模塊，用于在數(shù)據(jù)處理模塊的控制下產(chǎn)生不同強度的電流，電流通過觸覺產(chǎn)生裝置對人體產(chǎn)生刺激；觸覺產(chǎn)生裝置，用于接收數(shù)據(jù)處理模塊輸出的控制信號，利用電流產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同強度的電流對人體產(chǎn)生不同范圍、強度和頻率的電流刺激。本實用新型能夠快速、準確地向盲人傳遞周圍環(huán)境中物體形狀、色彩和亮度信息，提高了盲人的生活質(zhì)量。
文檔編號A61F9/08GK202505587SQ201220109650
公開日2012年10月31日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者張東林 申請人:鄭州科興電子信息科技有限公司