Способ акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению

 

Использование: изобретение относится к медицине и может быть использовано для создания приборов для ориентирования слепых в окружающем пространстве. Сущность изобретения: в данном способе в качестве зондирующего используется сложный сигнал. Отклик согласованной фильтрации в этом случае близок к импульсной характеристике рассеивающего объекта. Для согласования частотного и временного диапазонов сигнала со слуховым анализатором производят временное растяжение откликов согласованной фильтрации в каждом канале приема. Восприятие инвалидом по зрению совокупности сигналов, отраженных от близлежащих объектов, позволяет ему наблюдать акустическую картину окружающей обстановки. 2 ил., 1 табл.

Изобретение касается создания приборов ориентирования слепых в окружающем пространстве.

Известны технические системы и приборы, предназначенные для инвалидов по зрению, позволяющие им ориентироваться в окружающей обстановке: устройство для ориентирования людей с ослабленным зрением; предназначенный для слепых преобразователь зрительного сигнала в звуковой; система для указания пути слепым; проводник для слепого с переводом визуальных данных в тактильные и слуховые ощущения; устройство для оценки возможностей аппарата для помощи слепым в ходьбе.

В устройстве для помощи слепым при ходьбе излучается ультразвуковой сигнал. Прием осуществляется на пять ультразвуковых приемников и фазовый детектор. Если разность фаз лежит в пределах заданной области, определяется, что препятствие находится в границах некоторого телесного угла, соответствующего указанному известному сдвигу фаз.

Измерение расстояния до объекта, как правило, сводится к оценке времени задержки экс-сигнала. Примером таких решений может служить способ и аппарат для оказания помощи в ориентировании слепым и людям с пониженным зрением. Аппарат выполнен как прибор для измерения расстояний с помощью определения времени прохождения ультразвукового экс-импульса. Данные о расстоянии преобразуют в акустически воспринимаемый звук определенной частоты.

Часть устройство представляет собой стационарные системы, например устройство для ведения слепых в городе. Оно позволяет слепым и плоховидящим перемещаться по определенному маршруту без помощи проводника. Состоит из кабеля или волокна, проложенного в грунте и передающего модулированных звуковой сигнал, принимаемый детектором в трости и передаваемый на приемник для сигнализации о любой опасности.

В настоящее время выделяют три направления развития технических систем визуализации окружающего пространства в помощь слепым.

К первому направлению относятся индикаторы свободного пути. Они наиболее просты и несут информацию только о наличии препятствия на пути следования слепого. Приборы используют узкий пучок акустической энергии и могут иметь форму карманного фонаря. Представление информации производится в звуковой или тактильной форме. В описании [9] представлен индикатор пути следования, работающий на ИК-излучении. С целью повышения безопасности передвижения в устройство введены блоки, позволяющие прибору реагировать не только на изменение уровня поверхности, но и ее состава. Поскольку отражение от различных поверхностей ИК-излучения неодинаково, человек может обнаруживать препятствия, например, бордюры.

Примером промышленных образцов подобного типа могут служить следующие приборы: Sonic Pathfinder разработан TONY HEYES из центра мобильности в Ноттенгеме (Великобритания) в 1987 г. Ультразвуковое излучение. Акустическое восприятие. Встроенный в прибор микропроцессор анализирует информацию и "решает", какая и в какой момент будет полеана для пользователя, выбирает ее элементы, существенные при определении степени опасности. Основное время прибор "молчит", давая возможность активно использовать для ориентирования слух и не загружая мозг излишней информацией. Сигнал подается за две секунды до потенциального столкновения с препятствием. При этом микропроцессор учитывает и скорость движения незрячего. Крепится на голове так, что руки свободны.

Vybraduks. Выпускается в ФРГ фирмой Frits Huttingel Elektronic. В основе прибора ультразвуковой радар с импульсами частотой 40 кГц. Размеры устройства 19-5-9 см, вес 190 г. Диапазон измеряемых расстояний до препятствий 0,9-9 м. Питания хватает на 15 ч.

Второе направление предполагает использование слуха в максимальных пределах его возможностей для восприятия окружающей обстановки. Приборы позволяют осуществить локализацию объекта, получить информацию о направлении и расстоянии. В устройствах такого типа возможно лоцировать несколько объектов одновременно, причем звуковой сигнал несет в себе некоторую информацию о природе объекта. Для обеспечения широкого поля зрения используется бинауральное восприятие. К подобным устройствам можно отнести средство ориентации для слепых. Устройство содержит излучатель, посылающий измерительный луч, отражаемый препятствием, поступающий к приемнику и преобразуемый в акустические сигналы. Излучатель и приемник помещены в прибор, носимый на теле слепого. Измерительный луч представляет собой ИК-излучение, которое направляется в виде тонкого пучка на локализуемый объект. После локализации объекта происходит сканирование контуров объектов ИK-лучом. Отраженный луч преобразуется приемником в акустические сигналы.

Примером действующего прибора может служить Siemens spectacles (Hanelt. BRO). Разработчик фирма СИМНЕНС (инженер Колани). Производится ультразвуковое излучение двумя трансдукерами. Винауральный прием. Излучатель и приемник расположены в очковой оправе. Вес всей электроники 200 г. Удаленность объекта (2,1-8,4 м) определяется по высоте тона (чем ближе, тем выше), а направление по стереоэффекту. На расстоянии 2 м ширина поля 80 см.

Третье направление характеризуется попыткой моделировать зрение восприятием фронтальных образов окружающей среды с помощью тактильных стимуляторов на теле или даже электродов, вживленных в мозг. Примером является Laser Cane (Nurion. USA). Инфракрасное излучение (3 излучателя). Акустическое восприятие через наушники и одновременно через вибраторы под указательным пальцем. В отличии от большинства приборов электронного ориентирования предусмотрено использование сразу трех пар излучателей- приемников. Они расположены в разных по высоте частях трости и "наблюдают" за соответствующими группами объектов: верхние защищают голову, средние информируют о стандартных препятствиях, а нижняя пара излучатель-приемник имеет особенность. Определяемый ею звуковой тон возникает не при появлении объекта в поле отражения, а наоборот, при его отсутствии. Эти элементы аппарата служат для реакции на понижение поверхности перед ногами и сообщают о ступенях вниз, ямах, крае платформы и других опасностях этого рода. Лазерные тифлотрости разрабатываются в США, начиная с середины 60-х годов, и сейчас достаточно широко используются. Ограничения налагаются ценами, достигающими нескольких тысяч долларов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ представления пространственной информации, реализованный в приборе Sonic guide (Worshald. New Zeland), разработанный Leslie KAY, деканом факультета электротехники университета в Kanterbury (Новая Зеландия).

Принцип работы прибора следующий. Используется ультразвуковой излучатель. Стереофоническое восприятие на два наушника. Многоэлементный звуковой дисплей. Излучатель и два приемника сконструированы в очковой оправе. Электроника и аккумуляторное питание находится в коробочке, которую можно поместить в карман. Питания хватает на 5 ч.

Прибор обеспечивает получение информации о расстоянии до объекта (чем он дальше, тем звук выше), а также, в известных пределах, о его форме, размерах и фактуре. Таким образом, прибор представляет уже не простой индикатор препятствия, а в определенной степени анализатор среды со многими важными характеристиками. Однако, чем богаче выдается информация, тем больше нагрузка на пользователя. Необходимо перерабатывать достаточно сложную звуковую картину с привлечением таких переменных, как громкость, высота звука, тембровые характеристики.

Для успешной интерпретации выдаваемых прибором сообщений требуется долгий процесс обучения. Курсы по освоению аппарата в ФРГ длятся около месяца. Цена более 3000 долларов.

Основные технические характеристики прибора приведены в таблице.

На фиг.1 показана структурная схема прибора.

Сущность способа представления акустической информации, положенного в основу рассмотренного прибора состоит в следующем. А среду излучается ультразвуковой сигнал с линейной ЧМ, с частотным диапазоном примерно в октаву.

Производят бинауральный прием экс-сигналов на два ультразвуковых приемника. Полученные сигналы перемножаются с опорным сигналом для получения сигнала биения. Осуществляют низкочастотную фильтрацию процесса. После усиления сигналы поступают на головные телефоны для восприятия слуховой системой человека. Расстояние до объекта представляется частотой слышимого сигнала, а направление на объект интерауральной разностью амплитуд сигналов, попадающих на оба уха. Недостаток рассмотренного способа состоит в следующем. Частота излучения зондирующего сигнала лежит в пределах 40-120 кГц. Нижняя граница диапазона определяется необходимой разрешающей способностью. Исследования животных, например летучих мышей, также показывает, что диапазон их излучения составляет 30-70 кГц, а область наибольшей интенсивности 40-50 кГц. От животных звук исходит не непрерывно, а в виде дискретных импульсов, длительность каждого из которых 1-5 мс.

В то же время, область наилучшей слышимости человеческого уха лежит в пределах 250-4000 Гц. Поэтому для подачи экс-сигналов на слуховой анализатор человека (САЧ) их частоту следует существенно понизить. Для уменьшения частоты осуществляют операцию действительной демодуляции (детектирования), заключающуюся в перемножении исходного сигнала и гаpмонического высокочастотного колебания.

Однако спектральная плотность мощности, полученная в результате этой операции, оказывается в общем случае искаженной копией спектра сигнала.

В рассмотренном методе производится перемножение экс-сигнала S(t) и эталонного ЛЧМ-сигнала So(t). Выделяемое в результате низкочастотной фильтрации колебание биения частот имеет (1/3) ˙cos(ω_oτ+μtτ+μ+τ²/2), где τ задержка экс-сигнала. Поскольку мгновенная частота сигнала определяется f(t) μτ где ϕ фаза сигнала, сигнал биения несет информацию главным образом о дистанции D до объекта, поскольку τ 2D/c.

Таким образом, сигнал, получаемый рассмотренным способом, несет информацию главным образом о дистанции до объекта. Прием экс-сигналов, отраженных от нескольких объектов или блестящих точек одного объекта, позволяет пользователю получить некоторую информацию о характере окружающей обстановки. Однако непосредственного анализа импульсной характеристики рассеивающего объекта, информация о которой содержится в экс-сигнале, в указанном способе не производится.

Целью изобретения является согласование частотного диапазона и длительности акустического сигнала со слуховым анализатором и получение более полной информации, содержащейся в экс-сигнале.

Достигается это тем, что в способ акустического представления пространственной информации, заключающийся в излучении ультразвукового. ЛЧМ сигнала, бинауральном приеме эхо-сигналов на два ультразвуковых микрофона, усилении, преобразовании электрических сигналов в акустические и последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, вводят операции согласованной фильтрации экс-сигналов в каждом канале и временного растяжения откликов фильтров в правом и левом каналах в α раз, где α f₁/f₂, f₁ несущая частота зондирующего сигнала, f₂ средняя частота диапазона воспринимаемого слуховым анализатором человека.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем. Излучается ультразвуковой ЛЧМ-импульс. Отметим, что в качестве зондирующего можно использовать любой сложный или шумоподобный сигнал, для которого выполняется условие TW > 1, где Т длительность сигнала, W его полоса. Однако исследования животных, например летучих мышей, показывает, что животные используют ЧМ сигналы с большой (до 100 кГц) девиацией частоты, в пределах его длительности, которая составляет единицы мс. Кроме того, фильтры сжатия для ЛЧМ сигналов хорошо разработаны, поэтому предполагаемый способ рассматривается применительно к ЛЧМ сигналам.

Входной сигнал Х(x,t), с учетом пространственной координаты х, представляет собой свертку зондирующего импульса S(x,t) с импульсной характеристикой рассеивающего объекта h(x,t).

X(x,t) S(х,t) ˙ h(x,t) (1) При согласованной фильтрации входного процесса отклик будет иметь вид X(x,t) ˙ S(x,-t) S(x,t) ˙ h(x,t) ˙ S(x,-t) (2) Известно, что корреляционная функция ЛЧМ-сигнала вида А ˙cos(ω_ot+μ t²/2) записывается R(τ)=(1/2)˙A_o²˙T˙[sin(πmx x(1-τ/T)τ/T]˙cos(ω_oτ)/πmτ/T (3) где m 2 Δ fT Δ f девиация частоты (1/2)A_o²T полная энергия рассматриваемого радиоимпульса.

При n >>1, что справедливо, например, для сигнала с девиацией частоты 40 кГц и длительностью 1 мс, корреляционная функция образует весьма острый пик и, следовательно свертка S(x,t)x S(x,-t) близка к δ-функции, т.е.

S(x,t). S(x,-t) ≈δ (x,t) (4)
С учетом (4) отклик согласованного фильтра составит
x(x,t) ≈ h(x,t) x δ (x,t) ≈ h(x,t) (5)
Другими словами, отклик согласованного фильтра близок к импульсной характеристике рассеивающего объекта.

Для того, чтобы ВЧ сигнал мог быть воспринят САЧ, необходимо произвести его временное растяжение по закону
X(x,t) _→ X(x/α, t/α) (6) с учетом (5) h(x,t) _→ h(x/α, t/α) где α f₁/f₂
f₁ несущая частота зондирующего сигнала,
f₂ средняя частота диапазона воспринимаемого слуховыми анализаторами человека.

Предположим, используются зондирующие импульсы с несущей частотой 80 кГц, а средняя частота слышимого диапазона 1,2 кНц. В этом случае α≈ 66. Если сигнал длительностью Т испытывает отражение от объекта с протяженностью в пространстве L, длительность отклика СФ Тсф можно оценить как 2L/c. Например, при L 0,5 м Тсф ≈ 2L/c ≈ 3 мс. После временного растяжения длительность сигнала, поступающего на САЧ, составит Тсф ≈ 200 мс. Такое увеличение длительности важно при восприятии, поскольку сигналы длительностью меньше 0,2 с распознаются с трудом.

Пример устройства реализующего обработку в соответствии с рассмотренным способом, показан на фиг.2.

Устройство содержит: 1 генератор зондирующих импульсов; 2 каскад ЧМ; 3 усилитель тракта излучения; 4 передатчик; 5, 6 ультразвуковые преобразователи; 7,8 аналого-цифровые преобразователи (АЦП); 9,10 согласованные фильтры (ОФ); 11, 12 блоки памяти; 13,14 цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП); 15, 16 усилители; 17, 18 головные телефоны; 19 генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ); 20 микропроцессор.

Тип АЦП 7, 8 выбирается исходя из требуемого быстродействия, определяемого частотой зондирующих импульсов. Поскольку максимальная частота, используемая в подобных системах, составляет 120 кГц, необходимое быстродействие обеспечивает АЦП К1108ПВ1 со временем преобразования меньше 0,9 мкс и тактовой частотой в пределах 0,4-1,5 МГц.

СФ 9, 10 (фильтры сжатия) для ЛЧМ сигналов хорошо известны в радиотехнике.

Емкость блоков памяти (БП) 11, 12 должна обеспечивать запись отчетов входной реализации. Количество отсчетов определяется
N f_дТ_р, Т_р 2D/c, где Т_р длительность реализации
D дальность действия устройства
f_д частота дискретизации
ЗУ используется в цифровой технике. K ЦАП 13, 14 не предъявляется особых требований по быстродействию, поскольку частота считывания информации из блоков памяти значительно ниже частоты записи, Могут быть использованы ЦАП К572ПТА1. 10В с временем преобразования 5 мкс, током потребления 2 мА, напряжением питания 10 В.

В качестве процессора 20 может быть применена однокристальная ЭВМ К1816.

После излучения входная реализация поступает на АЦП 7, 8 и далее на цифровые СФ 9, 10. Отклики СФ, соответствующие их рассеивающего объекта, записываются в блоки памяти 11, 12. Процессор 20 обеспечивает считывание информации в α раз медленнее записи и обнуление ВП после каждого цикла обработки. Полученные сигналы преобразуются в аналоговую форму с помощью ЦАП 13. 14 и после усиления поступают на головные телефоны 17, 18.

Применение новых по сравнению с прототипом операций для каждого канала обработки:
согласованной фильтрации
временного растяжения откликов согласованной фильтрации позволило получить положительный эффект согласовать частотный диапазон и длительность акустического сигнала со слуховым анализатором.

Формула изобретения

СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ, заключающийся в излучении ультразвукового частотно-модулированного импульса, бинауральном приеме эхо-сигнала на два ультразвуковых микрофона, усилении, преобразовании электрических сигналов в акустические, последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, отличающийся тем, что осуществляют согласованную фильтрацию эхо-сигналов и временное растяжение полученных откликов в каждом канале приема.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3