眼镜论文(眼镜设计基础课程论文)

「论文精选」基于机器视觉的智能导盲眼镜设计

何腾鹏，张荣芬，刘超，房乐楠，刘宇红

(贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：提出一种基于机器视觉的智能导盲眼镜系统的设计方案。采用三星公司Cx-A8架构的S5PV210作为中央处理器，搭载Lix系统，配备双目采集、GPS定位、语音播报、GSM短信、语音通话、无线传输六大核心功能模块搭建智能导盲眼镜系统的硬件平台，结合深度学习算法在远程云服务器上完成了对目标场景的智能识别，最后以语音的形式实时对盲人的行走作出准确引导。系统测试结果表明，该智能导盲眼镜系统在测试环境下不仅能对盲人出行正确导航，还具有一定的目标识别能力，能帮助盲人进行简易物品归类。该系统还兼有GPS定位、语音通话、GSM短信等多项辅助功能。

中图分类号：TN929

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.i.0258-7998.2017.04.015

中文引用格式：何腾鹏，张荣芬，刘超，等.基于机器视觉的智能导盲眼镜设计[J].电子技术应用，2017，43(4)：58-61.

英文引用格式：HT，ZhRf，LiCh，.Difihivii[J].AiifEiThi，2017，43(4)：58-61.

0引言

据世界卫生组织统计，截至目前全球约有盲人7800万，其中90%生活在发展中国家，中国现有盲人数量占据世界盲人总数的18%，多达1400万。盲人作为社会中的一种弱势群体，视力残疾、眼部疾病给其生活带来了诸多不便。另一方面，近年来随着我国老龄化人口的持续增多，视力障碍者数量也在急剧上升，如何保障盲人群体及视障人士安全有效地出行显得尤为重要。为此，本文设计了一种基于机器视觉[1]的智能导盲眼镜，旨在帮助盲人朋友在行走过程中，安全、有效地避开道路上的目标障碍物，尽最大可能地保障其出行安全。相较于市场上导盲效率不理想的导盲手杖和价格昂贵的导盲犬，基于机器视觉的智能导盲眼镜系统更具竞争力。

1智能导盲眼镜控制系统的总体设计

本文的智能导盲眼镜控制系统由前端嵌入式采集传输系统和远程云平台服务器两大部分组成。嵌入式采集传输系统以三星Cx-A8架构的S5PV210处理器为载体，搭载Lix内核，配备双目采集、GPS定位、语音播报、GSM短信、语音通话、无线传输等核心功能模块搭建智能导盲眼镜系统的硬件平台，主要完成信息采集传输和智能指令导盲功能。云平台服务器作为智能导盲眼镜的远程数据处理中心，在服务器配置上，选用阿里云作为云端服务器，再融入深度学习、双目测距[2]等相关算法，实现对智能导盲眼镜前端场景目标的图像识别、距离检测和方位判断。此外该服务器还构建了GPS卫星数据匹配平台，结合智能导盲眼镜实体，能对眼镜使用者进行实时有效地定位。本系统的总体设计框图如图1所示。

2智能导盲眼镜控制系统硬件设计

2.1双目采集模块设计

双目采集模块选用两个性能参数完全一致的CMOS高清摄像头，用于智能导盲眼镜前方场景信息的采集，帮助盲人获取前方目标和相应的场景信息。

2.2GPS定位模块设计

全球定位系统(GPS)能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置，可在全球范围内进行全天候、全方位的实时定位。系统选用瑞士Ux公司的NEO-6M模组作为GPS模块的核心单元，主要用于实时获取盲人所在地理位置的经纬度坐标。

2.3无线通信传输模块设计

无线通信传输模块主要由3G芯片和对应的外围电路组成，采用3G无线技术，实现智能导盲眼镜与远程云平台服务器的双向通信。一方面将双目摄像头模块采集到的图片以及GPS模块获取到的地理位置坐标信息通过3G网络发到远端云服务器平台，另一方面将服务器的图片识别和地理位置配对结果反送回来传递给智能导盲眼镜，进行语音播报，把结果实时告诉给盲人。同时利用3G模块的GSM短信功能，智能导盲眼镜系统也会将从云服务器端获取的结果，以短消息的形式及时告知盲人家属。另外，在特殊情况下，盲人也可利用3G的电话功能直接与亲属间进行语音通话。图2为无线通信传输模块的应用电路图。

2.4语音播报模块设计

智能导盲眼镜控制系统的语音播报功能主要用于将导盲眼镜前方目标的图片识别结果、距离、方位信息以及所处的地理位置通过语音模块播放出来，及时告知盲人所处的周围环境状况。系统选用SYN6288中文语音合成芯片作为语音播报模块的主体，实现文本到声音的转换，其外围电路如图3所示。

3智能导盲眼镜控制系统的软件设计

本系统的软件设计分为远端云平台服务器上的程序设计和智能导盲眼镜前端的程序设计两部分。远程云平台服务器上的软件设计主要是采用C/C++等高级编程语言将图片的识别、测距、方位检测等相关算法转换成计算机系统能够识别的程序指令，从而实现智能导盲眼镜远程云服务器的识别、测距、方位检测等功能。另外GPS的经纬度解析也在云服务器上通过软件编程实现。导盲眼镜前端软件设计主要包括双目摄像头的图片采集、GPS地理位置坐标的获取、无线通信传输模块的数据传输与接收、语音播报模块的调度和按键中断的配置等功能模块子程序的编写，其主程序流程图如图4所示。

4基于深度信念网络的自然场景识别

深度信念网络（DBifNwk，DBN）[3]作为深度学习中最为广泛应用的一种算法模型，多应用于手写字体识别和自然场景识别这两个方向。在智能导盲眼镜控制系统中，深度信念网络主要用在自然场景中常见的物体识别上，这也是深度学习在机器视觉领域中的一种应用体现。图5是一个典型的深度信念网络的网络结构模型。

从图5可以看出，深度信念网络是由多个受限制玻尔兹曼机（RiBzMhi，RBM）[4]组成的深层网络，在这个网络中，DBN的训练过程采用逐层训练的方法，每一层RBM都单独训练，参数也是单独调整[5]。训练完一层后，将该层的训练结果作为下一层RBM的输入，直至每一层RBM都训练完成，这个过程称之为预训练。当深度信念网络中的所有RBM训练完成后，再根据样本的标签值，采用反向传播算法向后微调。

在智能导盲眼镜的图像训练过程中，采用改进型的CIFAR-10自然场景库作为测试训练样本。原始的CIFAR-10数据集有60000张32×32的彩色图像，分为飞机、汽车、猫、鸟、鹿、狗、青蛙、马、船和卡车共10类。为了增强智能导盲眼镜的实用性，结合盲人的特殊情况，本文在实际的系统图像训练中，加入了餐桌、椅子、人、垃圾桶、树木等生活中常见的一些目标场景，对原始的CIFAR-10自然场景库进行了改进，然后采用改进型的CIFAR-10自然场景库通过图6所示的深度信念网络模型进行训练识别。

在上述训练模型中，改进型CIFAR-10自然场景库中每张图均为32×32的彩色图片，因此输入层大小为3072个结点(3072=32×32×3)，两个隐含层节点数分别为1000和200，在经过面向多元分类的Sfx分类器[6]后输出层为10个单元，系统最终模型结构为3072-1000-200-10。在智能导盲眼镜系统实际的图像训练阶段，训练模型中的两层RBM的训练迭代次数都设置为200，学习率都设置成0.1。训练完成后，将系统学习到的权重用于初始化神经网络，对网络参数进行参数微调，并用Sii函数[7]激活神经网络。系统训练过程中，由于样本繁多，数据繁杂，隐含层需要相对较多的节点数才能学习到较好的特征，加之图片本身信息量大，需要较多次的迭代，整个训练过程平均历时10个小时，这与深度学习中的卷积神经网络[8]以及自动编码模型[9]相比，训练时间大幅度缩短，并且还具有较为理想的识别率，这也是本系统选用深度信念网络作为识别训练模型的主要原因。

5系统测试结果与分析

采用上述的深度信念网络训练模型先对改进型CIFAR-10库中的10000张测试图片随机进行了示范性测试，表1所示为各类样本的识别率和平均识别率。

从表1可以看出改进型CIFAR-10库中的10类测试样本通过导盲眼镜系统的深度信念网络训练模型后，其平均识别率为82.9%，与基于支持向量机[10]训练识别模型的识别率相比，其平均识别率超出了支持向量机模型的近10%，为进一步的智能导盲眼镜整体系统测试奠定了基础。最后，针对盲人的生活需要，结合智能导盲眼镜的其他功能，对智能导盲眼镜控制系统在实际场景中进行了系统联调，其中双目摄像头的采集帧率设置为3帧/，语音导航频率设定为每两秒钟导盲一次，远程服务器端测试结果如图7、图8所示。通过图7可以看出智能导盲眼镜的GPS功能能实时、准确地获取佩戴导盲眼镜用户的经纬度，并通过无线通信传输模块送至远程服务器，进行地理位置的准确匹对。图8显示该智能导盲眼镜在实际场景中，不仅能较准确识别出前方目标的类别，还能测出目标物体到导盲眼镜的距离，正确表示出障碍物的方位特征，并在眼镜端实时以语音导盲的形式帮助盲人及时有效地避开障碍物，从而保障了盲人的安全出行。

6结语

本系统以S5PV210为主控制器搭建基于机器视觉的智能导盲眼镜，通过搭载Lix内核，配备双目采集、GPS定位、语音播报、GSM短信、语音通话、无线传输六大核心功能模块组成系统，完成了系统的硬件电路设计和软件设计。通过系统测试，该智能导盲眼镜不仅能对盲人的独立出行进行实时语音导航，而且在特殊情况下，盲人可以通过智能眼镜上的触发按键，使用导盲眼镜的GPS、GSM短信、语音通话等功能，及时向亲朋好友获取帮助。另外由于智能导盲眼镜还具有图像识别能力，能帮助盲人进行简易物品归类，在一定程度上也使盲人的生活自理能力得以提升，这对于盲人基数较大的中国而言，显得尤为重要。

参考文献

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[10]崔鹏宇.基于支持向量机的分类器训练研究[J].数字技术与应用，2016(6)：58-58.

“近视是一件终生、昂贵的烦心事”！这些方法或许能够防治

英国《经济学人》周刊网站6月9日发文章称，如今近视越来越常见，滴眼液、多接触阳光和高科技镜片或许能够防止或延缓儿童的近视发展。

文章称，过去几十年间，东亚的近视率暴涨。20世纪60年代，中国应届毕业生约20%至30%近视。现在，中国有些地方的毕业生近视率超过80%。亚洲大陆其他地方的近视率甚至更严重。对首尔高中毕业男生进行的一项调查发现：有97%的学生近视。香港和新加坡也紧随其后。虽然这个问题在东亚最为严重，但也并非东亚特有。2015年发表的一篇评论文章宣称：欧洲应届生的近视率在20%至40%之间，大大高于相关研究领域人员认为的“自然”发生率。

伦敦穆尔菲尔兹眼科医院眼科医生安妮格雷特·达尔曼-努尔说，对大部分近视的人来说，近视是一件终生、昂贵的烦心事。

2019年发表的一篇论文认为：近视每加深1屈光度，就可能导致近视性黄斑病变发病率增加67%，黄斑病变是一种可能导致失明的无法治疗的疾病。

文章称，大部分近视是由眼球畸形引起的。功能正常的眼睛会精确地将入射光聚焦到视网膜上——眼球底部的光敏感表层。而在近视的眼睛中，眼球变形，导致光最终在视网膜前方聚焦。近视者通常可以看清近处物体，但是远处的物体看不清。而且，这种状况往往会逐步加深，人们的视力会在儿童和青少年时期不断恶化，到了成年才能稳定下来。

数十年来，研究人员一直以为近视主要是遗传因素所致。不过，已有早期迹象表明这可能不是全部原因。

1969年发表的一篇对阿拉斯加州因纽特人的研究发现：中年以上的人群中几乎没有近视，但在较大龄儿童和年轻的成年人中，近视率超过50%。这种变化速度太快，因此不纯粹是基因所致，而且这是在研究对象开始采取比较安定的生活方式时发生的。但是，研究结果与当时信奉的观点相左，因此被忽视了。

文章称，东亚的近视现象加剧很难让人置之不理。堪培拉澳大利亚国立大学研究近视问题的伊恩·摩根说：“你受教育程度越高，分数越高，参加的课后学习班和辅导班越多，近视的可能性就越大。”人们普遍认为近视与太多的近距离用眼相关，比如阅读与写作。

这种理论仍然流行，但证据不足。相反，现在占主导地位的假设是：接触日光才是主要变量。2007年发表的一项对加利福尼亚州儿童的研究发现：户外活动时间与近视风险降低密切相关。另一篇次年发表的论文对悉尼的4000多名儿童进行了3年的跟踪调查，也得出了类似结论。体育运动、步行、野餐，活动的类型似乎并不重要，待在户外是关键。

接触日光理论也得到了动物研究的支持。动物研究可以严格控制暴露在日光下的时间，而光线昏暗确实会引发近视。研究人员也有一套推定机制。暴露在明亮光线之下似乎可以刺激视网膜产生多巴胺，而多巴胺似乎有助于控制眼睛发育速度。如果接触亮光太少，眼轴就会变得太长，无法正确聚焦。

文章称，研究人员还一直在探究延缓近视发展的方法。其中之一就是使用低剂量的阿托品——在致命的茄属植物中发现的一种有毒化学物质。妇女曾用这种植物汁液来扩大瞳孔，让自己看起来更迷人。另一种则是专门设计的OK角膜塑形镜，目的是在配戴期间改变角膜形状。这些办法似乎有效，但专家担心给儿童配戴隐形镜片可能有副作用，因为如果使用不当，可能导致不可逆的角膜瘢痕。

尖端眼镜可能也有帮助。2020年，《英国眼科杂志》发表了一篇中国研究人员试验“多区正向光学离焦（DIMS）”镜片的论文。这种镜片有一个专门校正配戴者视力的中央区，周围是数以百计个不同光功率的其他小区。

滴眼液、多接触阳光和高科技镜片，或许能够防止或延缓未来学龄儿童的近视发展。但是，等到近视者成年时，近视就成永久性的了。

来源：参考消息网

邯郸爱眼眼科医院科普：矫正视力不可忽视镜架的作用

镜架的作用

作者：康杰‬

邯郸爱眼医院视光中心

【关键词】视力矫正；镜架；作用；价值随着信息技术迅速发展，电子产品种类数量也不断增加，在为人们生活提供便捷的同时，也增加了近视眼风险。人们的近视眼发病率不断增加，近视眼防治是当前社会关注的热点问题[1]。笔者研究发现，大部分的近视眼（屈光不正）患者，在配镜时，格外注重验光及镜片，未能正视镜架的作用，使得眼镜佩戴过程中，近视数值不断增加[2]。通过调查能够发现，镜架功能十分强大，不仅具有美观、装饰作用，还可保护视力，本文基于此进行浅谈。

1.矫正视力概述

矫正视力指的是，使用眼镜矫正屈光不正现象之后获得的视力数值，也就是戴眼镜后的视力数值。医学界通常将不戴眼镜所测的数值称之为裸眼视力，简单而言，假设一位近视眼的视力为0.10，佩戴了眼镜后，视力为1.50，0.10则是其裸眼视力，1.50则为其矫正视力。矫正的含义就是，戴了眼镜后其视力会得到改善，近视眼通过戴眼镜，可矫正视力。

镜架的分类及规格

笔者结合文献资料及时，对当前市面上的镜架分类及规格进行汇总。

金属架：镜架由金属材料制作而成；

塑料架：又塑料及其类似材料制成；

混合架：由金属及塑料材质制作而成；

半框和无框架：固定镜片的架件由单一金属或塑料材料制作而成，或是由塑料+金属制作而成，在镜片位置设置了半框圈或无框圈，主要是为保护镜片。

与其他光学仪器类似，市场对镜架提出了严格的质量要求。国家GB/T14214对镜架质量提出了机械性、金属件质量、外观质量、装配质量等要求。镜架制作材料不同，镜架的特性也就不同。常见的镜架包括：铝合金、铜合金、钛合金、黄金、白金及不锈钢等，镜架的弹性较好，硬度较高，且抗腐蚀性较强，便于携带。

钛合金镜架本身弹性较好，且镜架质量较轻，不易变形，是最为立项的镜架材料。钛金、白铜、青铜、塑料等合成材料制作而成的镜架，抗腐蚀性较强，且比重较好、强度较高。

我国对镜架尺寸也提出了要求，配镜者要结合自己的需求，合理选择镜架。镜架尺寸单数范围：33-59，双数范围：34-60。鼻梁尺寸，单数范围：13-21，双数范围：14-22。镜腿尺寸，单数范围：125-155，双数范围:126-156。

2.镜架的选择

为发挥视力矫正作用，配镜者要选择最为合适的眼睛与镜片距离，一般保持12.0最佳。镜面不可接触睫毛、镜身不可接触脸腮。镜腿放在戴镜者的耳根，眼睛鼻托、戴镜者鼻梁密切吻合，确保眼镜不下滑。眼镜与人眼位置直接关系着镜片光学中心，影响棱镜效应。

高度屈光不正的镜片不仅仅厚，而且还重，对光学中心的精确度要求比较严格，针对这类镜片要选择小框架，宽度大的塑料镜架，确保镜片安装牢固。就眼睛近视度数较高的配镜者，要选择小镜圈的镜架，主要是因镜圈过大，不仅影响美观，还压迫鼻梁，若调整不当，将会产生棱镜度，很难保障视力矫正效果。

若配镜者的脸形比较宽，且两眼瞳距较小，则选择小镜架。若选择的是大镜架，在眼镜制作时，为保障光学中心与瞳距吻合，要将光学中心远离镜架几何中心。若光学中心内移太多，将不会出现棱镜效应。若长期佩戴这种眼镜，极易发生视觉疲劳，久而久之还会导致其出现斜视、弱视等不良后果，且佩戴过程中，镜片极易损坏。

佩戴美观角度

笔者调查发现，目前市面上的眼镜镜框形状包括：方形、长方形、圆形、半月形、椭圆形等，配镜者要结合自己的脸形、肤色科学选择。

圆形脸的人，可选择梨形、扇形的镜架，避免使用圆形、方形镜架；尖形脸的人，选择架式（上窄下宽）；鼻梁较长的人，则选择低鼻托梁镜架；下颔小的人则佩戴高桩头镜架。

眼镜是光学、美学与力学的完美组合，镜架颜色的选择十分重要。一般情况下，男生可佩戴深色镜架或褐色镜架、深紫红色镜架，女生可佩戴明亮颜色的镜架；身体健壮且肤色较深的人可佩戴浅色、轻巧型的镜架；身材瘦小的人，则佩戴深色粗厚的镜架。

✔合适的镜架，其形状能够与配镜者的鼻梁、配镜者脸廓密切重合，配镜者的眉毛要在镜架上缘。镜框的大小要适宜，就脸形较宽的人，应当注重镜腿外张角的控制，避免外张角夹脸[3]。总而言之，戴镜者要结合自己的年龄、爱好、面部轮廓、屈光度，合理选择镜架

3.镜架的较配

一副眼镜镜片与镜架选择后，要校配其质量，确保眼镜使用效果。就深度近视、老花眼、散光眼，若未能正确校配，很难保障验光精准，装配正确，配镜者带上会有强烈的不适感。整形之后的镜架，左右镜面要平稳，佩戴者无痛感。眼镜架不损伤耳朵、不损伤鼻子，镜片保持在眼睛正前方位置。试镜架时，要综合考虑鼻梁、镜框中心及镜架、镜架脚长度、镜架角度等。

校配步骤包括：①调整颞距，适当调整镜架外张角大小，促使镜圈平面处于配镜者眼睛的正前方，无压痛感；②合理调整镜腿，控制镜腿的弯曲度、弯曲点、垂直角、俯角等，促使镜架张度与配镜者头型适应，镜腿外张角控制在80-95°左右，确保镜架左右对称，两个镜腿张开平放、倒伏始终保持平整；③合理调整镜框，科学调整头角大小，促使镜片光学中心，正对通过配镜者的视轴，以此保障矫正效果最佳[4]；④科学调整托叶，调整镜架，促使托叶与配镜者的鼻梁密切吻合，托叶对称。

综上所述，眼镜不仅仅可矫正视力，还可保护眼睛，属于一种戴在头部前额眼上的工具。眼镜由镜片及镜架组成，患者想要科学矫正视力，不仅要确保验光精准，还要选择合适的镜架，如此才可获得一副理想的眼镜。

参考文献[1].定制镜架,助力儿童视力矫正功能镜片效果最大化[J].中国眼镜科技杂志,2019,15(09):80-81.[2]王之鉴.关于眼镜架结构改良的探讨[J].科技风,2016,08(19):12-15.[3]周静.眼镜架的选择对屈光不正的影响[C].中华医学会.中华医学会第十二届全国眼科学术大会论文汇编.中华医学会:中华医学会,2017,15(08):564-565.[4]娄海闽.矫正视力不可忽视镜架的作用[J].引进与咨询,2018,15(10):70-78.