способ ориентации слепого и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ ориентации слепого, при котором между слепым и наблюдаемой сценой помещают оптико-электронное устройство, с помощью которого преобразуют изменение освещенности сцены в пропорциональные частотно-изменяющиеся звуковые сигналы по двум каналам и направляют их в головные телефоны слепого, который по изменению звукового сигнала судит о появлении, наличии и исчезновении объекта на сцене, отличающийся тем, что оптико-электронное устройство выполнено с возможностью раздельного контроля освещенности М-зон сцены, где М= 2,4, . . . , К, . . . , М, одна половина которых соответствует левой части сцены, а другая половина - правой, а фиксированная частота преобразуемых звуковых сигналов для каждой К-зоны левой и правой частей сцены отлична от частот, соответствующих другим зонам, при этом по возникновению звуков соответствующей частоты слепой дополнительно судит о направлении на объект, при смене фиксированной частоты - о направлении движения объекта, по скорости изменения частоты - о скорости перемещения объекта, а по количеству одновременно звучащих сигналов различной частоты - о горизонтальном габарите объекта и количестве объектов.

2. Устройство для ориентации слепого, содержащее объектив и электронную схему из двух одинаковых независимых каналов, каждый из которых включает фоточувствительный приемник, размещенный в фокальной плоскости объектива и электрически соединенный с генератором звуковых частот нагруженным на телефон, отличающееся тем, что фоточувствительный приемник в каждом канале выполнен из N инвертирующих фотоячеек (N= 1,2, . . . , К, . . . , N), а генератор звуковых частот состоит из N каскадов фиксированных, не равных друг другу, звуковых частот, при этом каждая К-фотоячейка соединена с К-каскадом фиксированной частоты, а выходы каскадов через N входов согласующего усилителя подключены к головному телефону данного канала.

3. Устройство для ориентации слепого по п. 2, отличающееся тем, что К-каскады фиксированных частот генератора звуковых частот в обоих каналах настроены на одинаковые частоты, при этом частоты N-каскадов повышаются с увеличением номера каскада от 1 до N.

4. Устройство для ориентации слепого по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что каскады фиксированных частот обоих каналов настроены на музыкальные частоты равномерно темперированной шкалы.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области социальной реабилитации инвалидов по зрению и могут быть использованы, в частности, для обеспечения их ориентации в пространстве и среди предметов в быту и на производстве.

Известен ряд способов и устройств для ориентации слепых, основанных на восприятии разности в освещенности предметов окружающего пространства в определенном угле зрения чувствительным прибором, который преобразует ее в сигналы, доступные для анализа слепым, например в звуковые или тактильные. При этом освещенность, в широком понимании, может быть как естественной - дневной свет или ИК-излучение ночью, так и вспомогательной - в виде светового (1. Пт. США, 4, 648, 710, 1987, з-ка Японии), электромагнитного (2. Пт. США 5, 144, 294, 1992), лазерного (3. Реклама НУРИОН-ИНЦ, США, 1998; 4. Пт. США 5, 487, 669, 1996) излучений, УЗ-излучения (5. Буклет Wormald Int. Sensory Aide New-Zeland), ИК-излучения и получение отраженных сигналов от предметов этого излучения прибором слепого с последующим преобразованием их, например, в звук.

Вспомогательная освещенность требует увеличения габаритов и веса устройств ориентации и, самое главное, требует дополнительного источника энергии для системы излучения, на 1-3 порядка большую, чем требует приемная часть.

Известны способы и устройства для ориентации слепого на основе преобразования естественной освещенности в пределах наблюдаемой им сцены в звуковые сигналы определенной тональности. При этом способе между наблюдаемой сценой и слепым помещают объектив, проецируют с его помощью на фоточувствительный приемник оптическое изображение сцены, получают фотоэлектрический сигнал, пропорциональный интегральной освещенности этой сцены, преобразуют этот сигнал в частотный звуковой сигнал и на основании изменения его частоты судят о появлении, наличии или исчезновении предмета в наблюдаемой сцене. Устройства, осуществляющие этот способ, содержат объектив, светочувствительный элемент, например фоторезистор или фотодиод, генератор электрических колебаний звуковой частоты и акустический излучатель, например головной телефон. Работают эти устройства следующим образом. Световое изображение предмета, на который направлен объектив устройства, проецируется на светочувствительный элемент - фоторезистор. Его активное сопротивление зависит от яркости и площади светового изображения, т.е. от интегральной освещенности. Фоторезистор включен в схему генератора так, что изменение его сопротивления изменяет частоту колебаний генератора, что и отмечается телефоном, на который нагружен генератор. Таким образом, слепой по изменениям тональности звука может определить появление, наличие и исчезновение предмета в границах обзора объективом сцены. Также работает и устройство, принятое нами за прототип, применяемое в лаборатории научного обучения слепых студентов Принстонского университета США, которое позволяет "прослушивать" звуковые образы предметов. Оно также позволяет, при специальной оптике, определять уровень жидкости в сосуде и уровень ртути в термометре, следить за лучем осциллографа, считывать диаграммы и т.д. (7. Eleсtrоnics World, с. 77, vol. 78, 5, 67 г.).

Недостатком аналогов и прототипа является работа на принципе регистрации только изменения интегральной освещенности от всей сцены, при котором пропорционально меняется частота генератора, т.е. они не могут регистрировать ни движение, ни направление движения, ни количество находящихся в поле зрения предметов, ни скорость их движения, ни их габариты.

Техническим результатом предлагаемых изобретений является обеспечение возможности определения направления на объект наблюдения и локализация его положения на сцене наблюдения, определения направления его движения и скорости, количества объектов и их габаритов.

Указанный технический результат по способу достигается тем, что в известном способе ориентации слепого, при котором между слепым и наблюдаемой сценой помещают оптико-электронное устройство, которым преобразуют изменение освещенности сцены в пропорциональный частотно изменяющийся звук, по изменению которого судят о появлении, наличии и исчезновении объекта со сцены и согласно изобретению оптико-электронное устройство контролирует раздельно и независимо М-зон сцены (М=2, 4,..., К, ...,), при этом одна половина зон соответствует левой части сцены, а другая половина - правой, причем звуковые сигналы, соответствующие каждой К-зоне левой и правой частей сцены, равны, фиксированы по частоте, а сама частота отлична от всех частот, соответствующих другим зонам и их сигналы направляют в левое и правое ухо слепого соответственно, при этом по появлению звука определенной частоты слепой судит о наличии объекта в сцене и направлении на него, а по смене фиксированных частот судят о его движении и направлении движения, а по скорости смены частот - о скорости его перемещения, причем по количеству одновременно звучащих частот судят о горизонтальном габарите объекта и количестве объектов.

Указанный технический результат достигается еще и тем, что в устройстве для ориентации слепого, содержащем объектив и электронную схему, включающую фоточувствительный приемник, размещенный в фокальной плоскости объектива и электрически соединенный с генератором звуковых частот, нагруженным на телефон, согласно изобретению электронная схема выполнена из двух одинаковых, независимых каналов, каждый из которых включает фоточувствительный приемник, выполненный из N инвертирующих фотоячеек (N=1, 2, ..., К,...,), генератор звуковых частот, состоящий из N каскадов фиксированных не равных друг другу звуковых частот, согласующий усилитель, при этом каждая К-фотоячейка соединена с К-каскадом фиксированной частоты, а выходы каскадов включены на N входов согласующего усилителя, выход которого нагружен на головной телефон данного канала. Кроме того, технический результат достигается еще и тем, что каскады фиксированных частот каждого канала, имеющие одинаковые номера, настроены на одинаковые частоты, при этом их частоты повышаются с увеличением номеров соответствующих ячеек и настроены на музыкальные частоты равномерно-темперированной шкалы.

Именно раздельный способ рассмотрения двумя идентичными независимыми оптико-электронными каналами позонально левой и правой части наблюдаемой сцены, возможность проведения раздельного акустического анализа левым и правым ухом слепого, обеспечиваемый заданным количеством фотоячеек и соответствующим им количеством каскадов фиксированных частот генератора звуковых частот в устройстве, обеспечили достижение технического результата. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение обоих заявляемых технических решений с прототипами и выявленные различия между ними позволили установить их соответствие критерию "новизна".

При изучении других известных решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипов, не были выявлены и поэтому обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию "изобретательский уровень".

Тот факт, что заявителем были изготовлены лабораторный макет и опытный образец устройства, который был испытан в цехе, а затем и в школе восстановления трудоспособности слепых Санкт-Петербургского правления Всероссийского общества слепых, позволяет заключить о их соответствии критерию "промышленно применимы".

На чертеже приведена оптико-электронная блок-схема устройства для ориентации слепого. Здесь: 1, 2, 3, 4 - фотоячейки фотоприемников, идентичных в обоих каналах, и соответствующие им каскады фиксированных частот и зоны наблюдаемой сцены; 5 - объектив, 6 и 7 - каналы электронной схемы, 8 и 9 - фоточувствительные приемники, каждый состоящий из N=4 стандартных инвертирующих фотоячеек (инвертирующая фотоячейка - это твердотельный интегральный элемент, который при изменении освещенности, падающей на него, в большую или меньшую сторону интенсивности от заданного "нуля" дает на выходе только сигнал одного знака (положительный или отрицательный в зависимости от типа интегральной структуры элемента), причем ячейки от края каждого приемника к месту их сочленения, соответствующего центру наблюдаемой сцены, имеют порядковые номера 1, 2, 3 и 4; 10 и 11 - генераторы звуковых частот, состоящие каждый из N=4 каскадов фиксированной частоты, причем каскады 1 в обоих каналах настроены на ноту "до", каскады 2 настроены в обоих каналах на ноту "ми", каскады 3 - на ноту "соль" и каскады 4 - на ноту "си". Такое количество фотоячеек в каждом канале и соответствующих им каскадов фиксированных частот выбрано для практического выполнения устройства, предназначенного для облегчения начального обучения слепого. Эту же цель преследовал и выбор "черезнотного" звукового ряда нот одной октавы. Для слепого, прошедшего обучение, количество ячеек увеличено до 7, но их может быть и более, что увеличит разрешение прибора и обеспечит более точное определение местоположения объекта; 12 и 13 - согласующие многовходные усилители; 14 и 15 - головные телефоны левого и правого каналов; 16 и 17 - левая и правая половины наблюдаемой сцены, граница которой ограничена полем зрения объектива и глубиной его резкости, а площади зон 1, 2, 3, 4 каждой половины пропорциональны площадям фотоячеек; 18 - объект наблюдения.

Устройство содержит объектив 5, в фокусной плоскости которого расположены два одинаковых фоточувствительных приемника 8 и 9. Они дают начало двум идентичным электронным каналам 6 (правому) и 7 (левому). Далее для краткости, в силу идентичности обоих каналов, опишем только элементы и блоки одного канала - левого. Каждый фоприемник состоит из четырех стандартных инвертирующих фотоячеек. Каждая К-фотоячейка приемника соединена с К-каскадом фиксированной частоты генератора звуковых частот 11 (10 в правом канале), и его фиксированная частота отличается от всех других частот данного канала. Фотоячейкам и соответствующим им каскадам присвоены одни и те же порядковые номера. Выходы каждого каскада соединены с одним из четырех входов согласующего усилителя 13 (12 в правом канале), его выход нагружен телефоном 14 (15 в правом канале).

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Объектив 5 устройства был направлен на заданную сцену, состоящую из площадей 16 и 17, в которой в пределах глубины резкости объектива (3-5 м, как и у аналогов) отсутствовали предметы. В силу этого на обоих фотоприемниках проекция сцены создавала равномерное освещение, а в телефонах 14 и 15 звук отсутствовал. Это молчание слепой оценивал как признак отсутствия какого-либо препятствия или предмета в сцене.

При появлении объекта 18 в зоне 1 левой половины 16 рассматриваемой сцены (Л) степень освещенности зоны 1 изменилась, а в телефоне 14 это вызвало появление звука ноты "до". Слепой, во-первых, принял информацию о появлении объекта слева, во-вторых, что он находится "далеко - на краю сцены". При перемещении объекта 18 из зоны 1 в зону 2 половины сцены 16 в телефоне 14 нота "до" замолкла, а зазвучала нота "ми". Слепой определил, что, во-первых, объект движется и, во-вторых, что направление его движения - слева к центру сцены. Переход объекта из зоны 2 в зоны 3 и 4 вызвал звучание в телефоне 14 нот "соль" и затем "си". В момент перехода объекта с зоны 4 площади 16 на зону 4 правой площади 17 наряду со звучанием ноты "си" в телефоне 14 возникал звук ноты "си" и в телефоне 15 правого канала. Слепой определил, что объект переместился в центр сцены. Окончательный переход объекта 18 на зону 4 правой площади 17 приводит к умолканию ноты "си" в телефоне 14. Дальнейшее передвижение объекта по зонам 4, 3, 2 и 1 правой 17 части сцены создавало последовательное возникновение звука нот "соль", "ми" и "до". Слепой воспринимал ее как текущую информацию, что объект двигался и удалялся от центра к правому краю сцены.

Пример 2. Слепой устанавливал объектив устройства (или он поворачивал голову, если устройство крепилось на головной убор) так, что ось симметрии 0-0 была направлена на объект 18. Он при этом слышал звуки ноты "си" в обоих телефонах 14 и 15. Это значило, что объект находится строго перед ним. Объект 18 перемещали по направлению к слепому. В силу оптических свойств объектива 5 проекция объекта увеличивалась, а в телефонах 14 и 15 звучали последовательно ноты "соль" и "ми" и "до", а слепой получал информацию, что объект приближается к нему, а при звуках ноты "до", что он настолько близок к объекту, что возможно столкновение.

При удалении объекта по оси 0-0 его проекция постепенно уменьшалась и последовательно переставали звучать в обоих телефонах 14 и 15 ноты "до", затем "ми", "соль" и "си". Слепой получал информацию, что объект 18 удалился от него за пределы резкости объектива, т.е. далее 5 метров.

Пример 3. Объектив 5 устройства устанавливали так, что наблюдаемая сцена была пуста, т. е. звуков в обоих телефонах не было. Объект в виде полосы длиной, соизмеримой с шириной сцены, и высотой, равной половине ее высоты, протягивали слева направо по зонам 1, 2, 3, 4, 4, 3, 2 и 1. Соответственно этому начинали последовательно звучать ноты, сначала в телефоне 14 - от "до" до "си" (совместно), а затем в телефоне 15 - от "си" до "до" (совместно). Слепой при этом получал информацию, во-первых, что поперек его дороги слева направо движется некий объект; длиной, соизмеримой с шириной сцены, во-вторых.

Затем полосу укладывали плашмя на землю - телефоны 14 и 15 молчали. В момент установки полосы на торец в молчащих телефонах внезапно появились звуки сразу всех нот обоих каналов, что послужило информацией, что перед слепым находится препятствие, перегораживающее дорогу.

Затем были взяты макеты в виде предметов различных габаритов размерами 0,25-4,0 ширины зоны и высотой 0,2-0,8 вертикального размера наблюдаемой сцены. Слепой безошибочно отличал любой высотный и горизонтальный габарит: о ширине - по количеству одновременно звучащих соседних нот, а о высоте - по изменению силы звука ноты. Последнее достигалось слепым при хорошем и длительном обучении - около двух недель ежедневного 1,5-2-часового обучения.

Затем, мимо объектива перемещали расположенные друг за другом макеты, отстоящие друг от друга порядка на одну ширину зоны. Слепой четко производил их счет по возникновению и прекращению звука ноты, расположенной между двумя другими нотами.

Во всех примерах описывалось движение объекта относительно неподвижного слепого. Естественно, в способе ничего не изменится, если объект будет неподвижен, а слепой будет поворачивать голову из стороны в сторону или двигаться.

Работает устройство следующим образом. Пусть электронная схема включена и готова к работе. Его объектив 5 проецирует изображение все сцены на оба фотоприемника 8 и 9. Если в объеме угла зрения и глубины резкости объектива нет объекта, контрастирующего с освещенностью сцены, то ячейки обоих приемников будут засвечены ровным фоновым освещением - оно создает в каждой ячейке фотоэлектрические сигналы равной величины, принимаемые за "нулевой" уровень. В этом случае оба генератора звуковых частот 10 и 11 закрыты и в телефонах 14 и 15 звуков нет. Допустим, что объект 18, контрастный по отношению к фону, переместился в зону 1 левой стороны 16 сцены. При этом освещенность на фотоячейке приемника 5 изменилась и "нулевой" уровень ее сигнала нарушился, а на ее выходе появился сигнал, достаточный для запуска каскада фиксированной частоты 1 в генераторе звуковых частот 11, соответствующий ноте "до". Его сигнал через согласующий усилитель 13 возбудил телефон 14, в котором звучит звук ноты "до". Как только объект 18 переместится в зону 2 левой стороны 16, его проекция переместится на фотоячейку 2, фотоячейка 1 возвратится в нулевое состояние и выключит каскад 1, звук ноты "до" прекратится. Одновременно фотоячейка 2 выделит сигнал и запустит каскад 2, а в телефоне 14 зазвучит нота "ми". Подобным образом будут работать и фотоячейки 3 и 4 при перемещении объекта по зонам 3 и 4, которые будут запускать своими сигналами каскады фиксированных частот 3 и 4 соответственно, сигналы которых, проходя через согласующий усилитель 13, вызовут в телефоне 14 ноты "соль" и "си".

Аналогично будет работать и правый канал 6 (фотоприемник 8, генератор звуковых частот 10, усилитель 12 и телефон 15), если объект 18 появится в зонах половины 17 сцены.

В любом случае, в момент перехода проекции объекта с одной фотоячейки на другую в телефоне будут звучать две ноты, а затем предыдущая замолчит; т.е. сохраняется непрерывность сигнала движения одного объекта. В противном случае, могло бы создаться ошибочное впечатление о нескольких объектах в сцене. Эта непрерывность обеспечивается расположением рабочих полей фотоячеек с зазором не более 0,1 мм, в том числе и между ячейками обоих приемников.

В силу независимости работы К-фотоячеек и К-каскадов фиксированных частот они могут работать и одновременно так, что в телефонах будут различимо звучать несколько или все ноты.

Выбор сочетания нот и последовательности их звучания диктовался соображением приближения смены частот при движении по сцене объекта к эффекту Доплера, при котором тон звука нарастает при приближении звучащего объекта и снижении его при удалении объекта. Сочетание этого принципа с раздельным использованием телефонов за счет двух каналов обеспечивает подобие данного способа бунауральному эффекту, при котором определяется направление на источник звука.

Таким образом, заявляемые способ и устройство для ориентации слепого своими новыми приемами и новым инструментарием позволяют осуществлять раздельное наблюдение зон правой и левой частей пространства перед слепым и определять не только наличие, но и место объектов в нем, а также направление их движения и скорость их перемещения, значительно облегчают социальную адаптацию слепого в повседневную жизнь как в быту, так и на производстве.