摘 要

近几年来，中国成为全球盲人数量最多的国家。由于视觉障碍的限制，出行成为盲人的巨大难题。现在，城市中都修建了盲道，帮助盲人出行。本文以各种现有盲道作为处理对象，提出盲道识别的各种算法，识别出盲道区域。该研究成果不仅可以应用在电子导盲设备上，也可以应用到其他领域。主要研究成果如下：

（1）对颜色盲道和纹理盲道进行了盲道识别算法的研究。在颜色盲道识别中，实现了基本的阈值分割算法。

（2）进行了盲道边界线的检测算法研究，采用 Canny 边缘检测算子实现图像的检测分析，利用 Hough 变换提取盲道 2 条边界线，计算得到盲道偏移矢量的角度值。

（3）利用GPS模块进行定位，语音播报模块进行提醒，对使用者的安全进行保障。

实验结果表明，本文提出的盲道识别算法，针对不同种类的盲道图像，都能准确的分割出盲道区域及检测出盲道的边界和相应角度值，准确的指导盲人出行，改善了盲人生活质量。

Abstract

In recent years, China has become the country with the largest number of blind people in the world. Due to the limitation of visual barrier, travel becomes a huge problem for the blind. Now, blind roads have been built in cities to help blind people travel. Now, blind roads have been built in cities to help blind people travel. In this paper, all kinds of existing blind channels are used as processing objects, and various algorithms of blind channel recognition are proposed to identify blind channel areas. The research results can not only be used in electronic blinding equipment, but also in other fields. The main research results are as follows:

(1) The blind path recognition algorithm of color blind path and texture blind path is studied. In color blind path recognition, the basic threshold segmentation algorithm is implemented.

(2) In this paper, the detection algorithm of blind path boundary line is studied. Canny edge detection operator is used to detect and analyze the image. Hough transform is used to extract two boundary lines of blind path and calculate the angle value of blind path offset vector.

(3) GPS module is used for positioning, and voice broadcast module is used for reminding to ensure the safety of users.

The experimental results show that the blind path recognition algorithm proposed in this paper can accurately segment the blind path area, detect the boundary and the corresponding angle value of the blind path for different kinds of blind path images, guide the blind people to travel accurately, and improve the quality of life of the blind people.

目录

第1章 绪论 5

1.1引言 5

1.2国内外研究现状 6

1.3主要研究内容 6

第2章 总体方案设计 7

2.1需求分析 7

2.2设计的基本内容 7

2.3盲道识别系统设计方案 9

第3章 硬件系统设计 10

3.1主控电路 10

3.2GPS电路 11

3.3语音播报电路 12

第4章 盲道边缘检测算法设计 13

4.1阈值分割算法 13

4.2盲道检测与识别 15

4.2.1盲道边缘检测 15

4.2.2边缘检测算子 15

4.2.3Canny 边缘检测 16

第5章 总结与展望 17

5.1总结 17

5.2展望 17

第1章 绪论

1.1引言

近几年来，中国成为全球盲人数量最多的国家。由于视觉障碍的限制，出行成为盲人的巨大难题。现在，城市中都修建了盲道，帮助盲人出行。盲人作为社会上的一个特殊群体，需要社会给予他们更多的关怀和照顾，使他们能够更好的独立生活。如何安全行走，是盲人生活中最大的问题。为了方便盲人出行，一些城市已经在主要街道设立专门的盲道，解决盲人出行问题。但是现在交通线路复杂，简单的为盲人提供盲道，已经远远满足不了当前的需要。全球信息化的发展，促使越来越多的盲人走出家门，找寻自己的生活。但是由于自身的特殊情况，不可能允许盲人像正常人一样出行。所以，有必要设计一种实际可行的识别设备，帮助盲人解决出行难的问题。盲道识别设备必须考虑盲人的特殊性以及便携性。

1.2国内外研究现状

随着无线通信和自动识别技术在各个应用领域中的不断发展，设计出一种可行而便携的盲道识别设备已经成为可能。国外发达国家在上世纪末就己经意识到并开发出了部分识别设备。意大利目前已经利用自动识别技术设计出一种盲道识别设备，该识别系统可以方便的给盲人提供精确的 GPS 位置。西班牙研究人员为盲人和视障者研制出一种可随身携带的指路仪器，帮助他们在繁华都市中判定方向，并且配有为通信系统配音的声音合成器和输入信息的盲文键盘。国内目前也有相关的研发与应用。广州市几年前就有用于公交车站台盲人语音提示系统投入使用。但是由于识别设备的特殊性，该系统并没有大规模的商用。因此，我国完全有必要利用当今先进的射频识别技术、数据通信传输技术、计算机管理数据库，结合盲人的特殊性，设计出一种功能强大的、便携的识别设备，帮助盲人出行。当发生紧急情况时，该系统可通过对盲人的跟踪定位为救援人员提供准确的地理位置信息。

1.3主要研究内容

本文的主要研究内容是，设计一种通过图像识别以及障碍及盲道边缘检测实现的盲道识别仪。针对不同类型的盲道采用不同的识别算法，并将它们统一到一个框架内。论文内容如下：

第一章绪论，对盲道识别仪这一课题的背景和意义进行介绍，然后介绍当前国内外的研究现状，简单阐述本文的研究内容。

第二章介绍总体设计方案，设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施。

第三章设计系统硬件，主要分为GPS系统，GMS移动通信系统和语音播报系统三个部分来进行阐述，具体介绍实现各功能的硬件设计方案，并进行器件选型。

第四章进行检测算法设计，主要内容为盲道图像分割，边缘检测，拐角检测部分的算法的设计。

第五章为总结和展望，总结本篇论文完成的工作，并对未来可以实现的目标进行展望。

第2章 总体方案设计

2.1需求分析

此次题目的设计目的是设计一种盲道识别仪，可以帮助盲人在外出时识别盲道，需要满足的需求可归结为以下几点：

（1）能够进行实时定位，出现意外时可第一时间定位盲人位置，以防发生事故。

（2）具有语音播报功能，以引导盲人走上盲道或在盲人偏离盲道时及时进行提醒。

（3）具有通信功能，以便在盲人需要帮助时第一时间能联系他人。

2.2设计的基本内容

标准盲道应该是深黄色的，带有明显凸起纹理，并且在直行区域和即将拐弯处纹理不一样，如图2.1所示。由于具有显著的颜色差异，因此是最容易为我们的系统所识别分割出来，但是大多数盲道并非这样，它们虽然相对于普通人行道仍有整体的颜色差异，但是差异并不显著，而且经常会有局部干扰区域影响系统的判断，如图2.2所示，非标准但仍有颜色差异的盲道虽然可能会给系统识别带来一些麻烦，但是它们和标准盲道类似，只要经过各种适当的图像增加技术，大部分也可以得到正确的识别结果。然而，现有的盲道远远不止这两类，有一些盲道甚至和普通人行道几乎没有可分辨的颜色差异了,唯一可以识别出它们的特征仅有它们的凸出纹理。这类盲道在城市的郊区中随处可见，有些是由于修建不合格，有些则是因为年代久远导致盲道原来的颜色已经褪尽，除此之外，还有些盲道并不具有区域性的特征，典型的，它们通常只存在局部的几何特征，比如细长条的凸出，或者是较深的沟理，如图2.3所示。这是一类特殊的盲道，但是我们却可以用一类相同的算法来识别出它们。

图2.1 标准盲道

图2.2具有纹理差异的盲道图片

图2.3具有局部几何特征的盲道图片

2.3盲道识别系统设计方案

盲道识别系统的框架由三个部分组成，图像采集、图像处理、系统响应。其中图像采集指实时地采集盲道图像；图像处理是整个框架的核心，它对采集到的图像进行各种相关处理，并得到最终的结果，用数学描述；最后的结果由系统响应表现出来。其中的图像处理是整个框架的重点。如前面所分析的，各种盲道的风格差异非常大，表现出来的数据分析，它们的数学特征差异也很大，因此很难用一种单一的算法将不同风格的盲道识别出来。所以在图像处理这一环节上，我们将针对不同的盲道采用不同的识别算法，并且将它们统一在一个框架里，以图像读取为输入，以盲道边界检测结果为输出。策略上我们对于读取的图像依次采用各种算法，各个算法以找到盲道的两条边界为终结，若尝试完所有的算法后仍未找到两条边界线，则系统认为盲人已经偏移出盲道区域了。据此，我们给出图像处理环节的流程图。

是否可以检测到边界

基于区域分割

系统响应

基于纹理差异分割

基于局部几何特征查找

第3章 硬件系统设计

3.1主控电路

本次设计采用的单片机芯片为STM8S芯片，和其他八位单片机相比，STM8有以下几个优点：

（1）CPU频率高，可达24MHZ。

（2）灵活的时钟控制，4个主时钟源。

（3）带有高吸收电流输出的GPIO脚。

（4）高性价比。

图3.1 STM8S最小系统电路

3.2GPS电路

本次选用的是Neo6 GPS模块，NEO6 GPS模块的优点如下：

（1）体积小巧，性能优异。

（2）模块增加放大电路， 有利于无缘陶瓷天线快速搜星。

（3）模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM，使用方便。

（4）模块自带SMA接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。

（5）模块兼容3.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统。

图3.2 GPS电路

3.3语音播报电路

本次选用的是ISD1820语音模块，主要特点如下：

（1）高质量、清晰的语音播放。

（2）可用单片机控制。

（3）带循环播放，点动播放，单遍播放功能。

图3.3语音播报电路

第4章 盲道边缘检测算法设计

4.1阈值分割算法

图像阈值分割是一种应用广泛的分割技术，它的原理是要确定好一个阈值，然后将每一个像素点的灰度值和阈值进行比较，根据比较的结果将该图像划分成不同灰度级的两大类区域——目标区域和背景区域，从而产生相应的二值图像。该算法能够很大的压缩数据量，简化了对图像分析和处理的步骤。

一般来讲，标准的阈值分割可分为以下 3 个步骤：

1. 确定阈值。

（2）将阈值与像素比较。

（3）将像素归类。