Устройство помощи слепым
Полезная модель относится к области обеспечения жизненных потребностей человека и может быть использована для создания устройств переноса немеханических форм энергии на тело человека, в частности, для построения систем технического зрения для слабовидящих и слепых людей.
Устройство обладает более широкими функциональными возможностями, что является техническим результатом, и содержит блок сенсоров, блок обработки информации, блок формирования управляющих сигналов и блок актуаторов.
Полезная модель относится к области обеспечения жизненных потребностей человека и может быть использована для создания систем технического зрения для слабовидящих и слепых людей.
Известно устройство, содержащее цветную аналоговую камеру и блок обработки видеосигнала [Система технического зрения, www.pribor.ru.].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее блок сенсоров, выполненный в виде видеокамеры, и блок обработки информации, выполненный в виде монитора, вход которого соединен с выходом блока сенсоров [А.П.Буланов и др. "Система технического зрения", www.sms-futomation.ru].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, оно не позволяет производить автоматическое распознавание объектов, определять расстояние до них и формировать звуковые и вибромеханические сигналы для слепых и слабовидящих.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения автоматического распознавания объектов, определения расстояние до них и формирования звуковых и вибромеханических сигналов в качестве информационных сигналов для слепых и слабовидящих.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, выполненное в виде блока сенсоров, содержащего видеокамеру, и блока обработки информации, первый вход которого соединен с первым выходом
блока сенсоров, являющимся выходом видеокамеры, введены блок формирования управляющих сигналов, первый вход которого соединен с первым выходом блока обработки информации, и блок актуатров, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока управляющих сигналов, при этом, в блок сенсоров введен дальномер, выход которого является вторым с выходом блока сенсоров и соединен со вторым входом блока обработки информации, в блок обработки информации введены модуль анализа расстояния до препятствия, вход которого является вторым входом блока обработки информации, а выход - является вторым выходом блока обработки информации, а также последовательно соединенные модуль захвата кадра с заданной периодичностью, вход которого является первым входом блока обработки информации, модуль конвертации в растровый формат, модуль предварительной цифровой обработки и модуль распознавания изображения, выход которого является первым выходом блока обработки информации, в блок формирования управляющих сигналов - введены первый и второй модули формирования вибро-сигналов, выходы которых являются, соответственно, первым и вторым выходами блока формирования управляющих сигналов, а также третий модуль формирования вибросигналов и модуль формирования звуко-речевых сигналов, первый вход которого соединен с входом третьего модуля формирования вибросигнала и является вторым входом блока формирования управляющих сигналов, соединенного со вторым выходом блока обработки информации, а второй вход - соединен с входами первого и второго модулей формирования вибросигналов и является первым входом блока формирования управляющих сигналов, а в блок актуатров введены блок электромагнитных вибраторов на руках, блок электромагнитных вибраторов на груди, блок головных телефонов и блок электромагнитных вибраторов на ногах, входы которых являются, соответственно, первым, вторым, третьим и четвертым входами блока актуатров, при этом, выход
модуля формирования звуко-речевых сигналов и выход третьего модуля формирования вибросигналов являются третьим и четвертым выходами блока формирования управляющих сигналов, соответственно.
На чертеже представлены: на фиг.1 - структурная схема устройства помощи слепым, фиг.2 - пример выполнения модуля предварительной цифровой обработки, на фиг.3 - электромагнитного вибратора.
Устройство помощи слепым (фиг.1) выполнен в виде блока 1 сенсоров, содержащего видеокамеру 2, блока 3 обработки информации, первый вход которого соединен с первым выходом блока 1 сенсоров, являющимся выходом видеокамеры 2, блока 4 формирования управляющих сигналов, первый вход которого соединен с первым выходом блока 3 обработки информации, и блока 5 актуаторов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока 4 управляющих сигналов.
Кроме того, блок 1 сенсоров содержит дальномер 6, выход которого является вторым выходом блока 1 сенсоров, который соединен со вторым входом блока 3 обработки информации.
Дополнительно блок 3 обработки информации содержит модуль 7 анализа расстояния до препятствия, вход которого является вторым входом блока 3 обработки информации, а выход - является вторым выходом блока 3 обработки информации, а также последовательно соединенные модуль 8 захвата кадра с заданной периодичностью, вход которого является первым входом блока 3 обработки информации, модуль 9 конвертации в растровый формат, модуль 10 предварительной цифровой обработки и модуль 11 распознавания изображения, выход которого является первым выходом блока 3 обработки информации.
В устройстве помощи слепым блок 4 формирования управляющих сигналов содержит первый 12 и второй 13 модули формирования вибросигналов, выходы которых являются, соответственно, первым и вторым выходами блока 4 формирования управляющих сигналов, а также третий
модуль 14 формирования вибросигналов и модуль 15 формирования звуко-речевых сигналов, первый вход которого соединен с входом третьего модуля 14 формирования вибросигналов и является вторым входом блока 4 формирования управляющих сигналов, соединенного со вторым выходом блока 3 обработки информации, а второй вход - соединен с входами первого 12 и второго 13 модулей формирования вибросигналов и является первым входом блока 4 формирования управляющих сигналов.
При этом, блок 5 актуатров содержит блок 16 электромагнитных вибраторов на руках, блок 17 электромагнитных вибраторов на груди, блок 18 головных телефонов и блок 19 электромагнитных вибраторов на ногах, входы которых являются, соответственно, первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 5 актуатров, а выход модуля 14 формирования звуко-речевых сигналов и выход третьего модуля 15 формирования вибросигналов являются третьим и четвертым выходами блока 4 формирования управляющих сигналов, соответственно.
Модуль 10 предварительной цифровой обработки (фиг.2) содержит группу 20 из М параллельных сумматоров 20-1...20-М и N групп 21-1...21-N по М блоков умножения на весовые коэффициенты 21-1-1...21-1-М - 21-N-1...21-N-M, при этом, выход каждого из блоков умножения на весовые коэффициенты 21-1-1...21-1-М - 21-N-1...21-N-M из N групп 21-1...21-N по М блоков умножения на весовые коэффициенты соединен со входом соответствующего параллельного сумматора группы 20 из М параллельных сумматоров 20-1...20-М.
Кроме того, модуль 10 предварительной цифровой обработки содержит блок 22 формирования фрагментов изображения, вход которого является входом модуля 10 предварительной цифровой обработки, группу 23 из N пороговых блоков 23-1...23-N, каждый из которых содержит группу из Р пороговых элементов 24-1-1...24-N-Р и группу из Q пороговых элементов 25-1-1...25-N-Q, входы которых соединены с соответствующими выходами бока 22 формирования фрагментов изображения, и группу 26 из N
параллельных перемножителей 26-1...26-N, причем, входы каждого из параллельных перемножителей 26-1...26-N группы 26 параллельных перемножителей соединены с выходами первой группы из Р пороговых элементов 24-1-1...24-N-P и второй группы из Q пороговых элементов 25-1-1...25-N-Q соответствующего порогового блока из группы 23 из N пороговых блоков 23-1...23-N, а выходы - соединены с входами блоков умножения на весовые коэффициенты 21-1-1...21-1-М - 21-N-1...21-N-M из N групп 21-1...21-N по М блоков умножения на весовые коэффициенты 21-1-1...21-1-М - 21-N-1...21-N-M.
Выходы параллельных сумматоров 20-1...20-М являются элементарными выходами группы 20 из М параллельных сумматоров, образующих выход модуля 10 предварительной цифровой обработки.
Блок 22 формирования фрагментов изображения может быть выполнен в виде неуправляемого или управляемого коммутатора, соединяющего с входами пороговых элементов, входящих в состав N пороговых блоков 23-1...23-N, соответствующих элементов исходного изображения, а параллельные перемножители 22-1...22-N могут быть выполнены в виде элементов И.
Электромагнитный вибратор (фиг.3) содержит размещенные в корпусе 27 сердечник 28, катушку 29, постоянный магнит 30 с возможностью перемещения в корпусе 27 под действием электромагнитного поля катушки 29, а также исполнительный элемент 31, закрепленный на постоянном магните 30, зазор 32 и отверстие 33 в корпусе 27.
При этом, постоянный магнит 30 отделен от катушки сердечником 28, изготовленным, например, из пластмассы или из металла, не проводящего магнитное поле. В корпусе 27 в направлении перемещения исполнительного элемента 31 выполнено отверстие 32 с соответствующими исполнительному элементу 31 размерами, обеспечивающими возможность выхода исполнительного элемента 31, фронтальная поверхность которого имеет
цилиндрическую форму, за пределы корпуса 27 при перемещении постоянного магнита 30 в корпусе 27 благодаря зазору 33 в сторону стенки корпуса 27 с отверстием 32.
Видеокамера 2 может быть выполнена в виде цифровой видеокамеры, дальномер 6 - в виде цифрового измерителя дальности, например, лазерной линейки, модуль 7 анализа расстояния до препятствия пороговый - в виде цифрового компаратора, модуль 8 захвата кадра с заданной периодичностью - в виде блока буферной памяти, частота записи кадра в которую из памяти видеокамеры 2 в несколько раз ниже частоты формирования кадра видеокамеры 2, модуль 9 конвертации в растровый формат в частном случае - в виде последовательно-параллельного регистра, модуль 11 распознавания изображения - в виде блока выделения максимального сигнала или в виде пороговых блоков (по числу выходов модуля предварительной цифровой обработки), выходы которых соединены с элементом ИЛИ, первый 12, второй 13 и третий 15 модули формирования вибро-сигналов - виде в виде генераторов, формирующих электрические сигналы для управления электромеханическими вибраторами, а модуль 14 формирования звуко-речевых сигналов - в виде генератора звуковых или речевых сигналов. На входе модуля может быть включен элемент ИЛИ для объединении двух поступающих на его вход сигналов.
Работает устройство помощи слепым следующим образом.
При использовании устройства помощи слепым видеокамера 2 и дальномер 6 укрепляются, например, на головном уборе человека.
Сигналы от видеокамеры 2 поступают в блок 3 обработки информации, который, при обнаружении на пути человека объекта, вырабатывает сигналы, поступающие в блок 4 формирования управляющих сигналов, в котором вырабатываются управляющие сигналы для блока 5 актуатров. Электромагнитные вибраторы на руках 16 и на груди 17 прикрепляются к телу человека, что приводит при их срабатывании к одновременному воздействию на человека механических воздействий. При
формировании звуко-речевых сигналов в модуле 14 происходит формирование звуковых или речевых сигналов в головных телефонах 18 слепого. Аналогично, при снижении значений выходного сигнала дальномера 6 (величины дальности до препятствия) до минимально допустимого уровня срабатывает модуль 7, который вырабатывает сигнал с уровнем логической единицы, поступающий на входы модуля 14 формирования звуко-речевых сигналов и третьего модуля 15 формирования вибро-сигналов, формирующих сигналы, подающиеся на головные телефоны 18 и электромагнитный вибратор 19 на ногах.
Модуль 10 предварительной цифровой обработки работает следующим образом.
Предварительно в блок 22 формирования фрагментов изображения записывают в цифровом виде элементы входного изображения (изображения наблюдаемого объекта), например, уровни сигналов в заданных точках изображения, которые образуют массив элементов входного изображения.
Этот массив элементов принадлежащих прямоугольной области входного изображения с размера W×H пикселей, где W - ширина, а H - высота общей прямоугольной области входного изображения в пикселях и соответствует первому слою нейронной сети.
Элементы этого слоя упорядочены в отдельных прямоугольных областях размерами w×h. Выходное значение элемента первого S-слоя рассматривается как яркость соответствующего пикселя и принадлежит интервалу [0,B], где 0 - нулевая яркость (черный). При В=1 получаем вариант для распознавания бинарных (черно-белых) изображений, а при В>1 - для изображений с уровнями серого цвета.
Каждая из случайных отдельных прямоугольных областей размерами w×h соединена поэлементно с пороговыми элементами соответствующего порогового блока группы 23 из N пороговых блоков 23-1...23-N, каждый из которых содержит группу из Р пороговых элементов 24-1-1...24-N-P и
группу из Q пороговых элементов 25-1-1...25-N-Q, входы которых соединены с соответствующими выходами бока 22 формирования фрагментов изображения. Пороговые элементы первой группы из Р пороговых элементов 24-1-1...24-N-P формируют уровень логической единицы, если входной сигнал 
, где 
- случайный порог, а пороговые элементы второй группы из Q пороговых элементов 25-1-1...25-N-Q вырабатывают уровень логической единицы, если входной сигнал 
, где 
- случайный порог. Случайные пороги выбираются из интервала [0,B
], где коэффициент B
(0,1] подбирается экспериментально.
Выходные сигналы каждого из пороговых элементов группы 23 из N пороговых блоков перемножаются в соответствующем параллельном перемножителе 26-1...26-N группы 26 из N параллельных перемножителей 26-1...26-N.
Выходные сигналы aj каждого из параллельных перемножителей 26-1...26-N группы 26 из N параллельных перемножителей 26-1...26-N, выполненных в виде элементов И, умножаются на весовые коэффициенты в соответствующих блоках 21-1-1...21-1-М - 21-N-1...21-N-M умножения на весовые коэффициенты группы 21 по М блоков умножения на весовые коэффициенты 21-1...21-N.
Значения весов w ij являются модифицируемыми в процессе настройки («обучения») модуля 10 предварительной цифровой обработки.
В результате в каждом из параллельных сумматоров группы 20 из М параллельных сумматоров 20-1...20-М формируется функция активации линейного вида 
.
Номер параллельного сумматора в группе 20 из М параллельных сумматоров 20-1...20-М, имеющего наибольшее выходное значение, указывает на номер класса, которому принадлежит входное изображение.
Перед работой устройства помощи слепым проводят процесс модификации («обучения») модуля 10 предварительной цифровой обработки путем настройки значений весовых коэффициентов (значений коэффициентов умножения) в блоках 21-1-1...21-1-М - 21-N-1...21-N-M умножения на весовые коэффициенты N групп 21-1...21-N по М блоков умножения на весовые коэффициенты 21-1-1...21-1-М - 21-N-1...21-N-М. Процесс «обучения» является итерационным и разбивается на последовательные циклы (эпохи). На каждом таком цикле прогоняются все образы из обучающей выборки. Процесс обучения останавливается после некоторого фиксированного числа таких циклов, либо после того, когда средняя по циклу ошибка будет меньше, чем некоторое заданное допустимое значение ошибки.
Электромагнитные вибраторы на руках 16, на груди 17 и на ногах 19 (фиг.3) работают следующим образом.
В рабочем состоянии на катушку 29 электромагнитного вибратора подается постоянный ток в направлении, обеспечивающим отталкивание магнита 30 от катушки 29 и выталкивание, таким образом, прикрепленного к постоянному магниту 30 исполнительного элемента 31 из корпуса 27 в отверстие 33. Исполнительный элемент 31, имеющий цилиндрическую фронтальную поверхность, при настройке на несколько миллиметров выходит за пределы корпуса 27 и «выбирает» неравномерность тела прилегая к коже человека в месте крепления электромагнитного вибратора и обеспечивает комфортный уровень давления на тело.
При обнаружении блоком 3 обработки информации по сигналам от блока 1 сенсоров объекта или препятствия на пути слепого в сигнале соответствующего первого 13, второго 13 и третьего 15 модулей формируется переменная составляющая, которая вызывает продольное перемещение в направлении отверстия 33 в корпусе 27 постоянного магнита 30 и прикрепленного к нему исполнительного элемента 31, выполненного объемным или полым и имеющим фронтальную поверхность (со стороны
отверстия 33 в корпусе 27) цилиндрическую форму. Поскольку в направлении перемещения исполнительного элемента 31 в корпусе 27 выполнено отверстие 33 с размерами, обеспечивающими возможность выхода исполнительного элемента 31 за пределы корпуса 27, то исполнительный элемент 31 периодически выходя за пределы корпуса 27, вызывает механическое воздействие на тело слепого, к которому прикреплен электромагнитный вибратор. Следовательно, слепой или слабовидящий человек получает сигнал об опасности.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно позволяет производить автоматическое распознавание объектов, определять расстояние до них и формировать звуковые и вибро-механические сигналы.
1. Устройство помощи слепым, содержащее блок сенсоров и блок обработки информации, первый вход которого соединен с первым выходом блока сенсоров, отличающееся тем, что введены блок формирования управляющих сигналов, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами блока обработки информации, а также блок актуаторов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока формирования управляющих сигналов, при этом второй вход блока обработки информации соединен со вторым выходом блока сенсоров.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок сенсоров содержит видеокамеру, выход который является первым выходом блока сенсоров, и дальномер, выход которого является вторым выходом блока сенсоров.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки информации содержит последовательно соединенные модуль захвата кадра с заданной периодичностью, вход которого является первым входом блока обработки информации, модуль конвертации в растровый формат, модуль предварительной цифровой обработки и модуль распознавания изображения, выход которого является первым выходом блока обработки информации, а также модуль анализа расстояния до препятствия, вход которого является вторым выходом блока обработки информации, а вход является вторым выходом блока обработки информации.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования управляющих сигналов содержит первый и второй модули формирования вибросигналов, выходы которых являются, соответственно, первым и вторым выходами блока формирования управляющих сигналов, а также третий модуль формирования вибросигналов и модуль формирования звуко-речевых сигналов, первый вход которого соединен с входом третьего модуля формирования вибросигнала и является вторым входом блока формирования управляющих сигналов, а второй вход соединен с входами первого и второго модулей формирования вибросигналов и является первым входом блока формирования управляющих сигналов.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок актуаторов содержит блок электромагнитных вибраторов на руках, блок электромагнитных вибраторов на груди, блок головных телефонов и блок электромагнитных вибраторов на ногах, входы которых являются, соответственно, первым, вторым, третьим и четвертым входами блока актуатров.
6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что модуль предварительной цифровой обработки содержит группу из М параллельных сумматоров, N групп по М блоков умножения на весовые коэффициенты, блок формирования фрагментов изображения, вход которого является входом модуля предварительной цифровой обработки, группу из N пороговых блоков, каждый из которых содержит группу из Р пороговых элементов и группу из Q пороговых элементов, входы которых соединены с соответствующими выходами блока формирования фрагментов изображения, и группу из N параллельных перемножителей, при этом выход каждого из блоков умножения на весовые коэффициенты из N групп по М блоков умножения на весовые коэффициенты соединен со входом соответствующего параллельного сумматора группы из М параллельных сумматоров, входы каждого из параллельных перемножителей группы из N параллельных перемножителей соединены с выходами первой группы из Р пороговых элементов и второй группы из Q пороговых элементов соответствующего порогового блока группы из N пороговых блоков, а выходы соединены с входами соответствующих блоков умножения на весовые коэффициенты из N групп по М блоков умножения на весовые коэффициенты, а выходы параллельных сумматоров группы из М параллельных сумматоров являются элементарными выходами, образующих выход модуля предварительной цифровой обработки.
