Vakok tájékozódását segítô eszköz integrált sztereo ultrahangos és rádiós rendszerrel

Átírás

1 Vakok tájékozódását segítô eszköz integrált sztereo ultrahangos és rádiós rendszerrel Mihajlik Péter, Tatai Péter, Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Balog András, AITIA Informatikai Rt. A cikkben beszámolunk egy vakok számára készült újszerû eszközrôl, amely a Budapest Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen, az AITIA Informatikai Rt.-vel való együttmûködésben lett kifejlesztve. A készülék sztereo ultrahangos visszhanglokációval deríti fel a vak felhasználó elôtti terepet, és speciális hangeffektusokkal jelzi az akadály helyét, megközelítôleg úgy, mintha a hangot maga az akadály adta volna ki. Emellett egy másik komplett rendszer is helyet kap a készülékben: a kiemelt objektumokra szerelt rádió adó/vevôkkel képes kommunikálni és így segíteni a világtalan felhasználót az objektumok megtalálásában. A készülék lelke egy digitális jelprocesszor, amely még az eszköz vezérlésén kívül a beépített kötetlen, magyar nyelvû beszédszintézist is végzi. A cikkben ismertetjük a készülék mûködési elvét és felépítését különös tekintettel az akadálydetekcióra és visszajelzésre, a rádiós rendszerre és a mesterséges beszéd elôállítására. A vakok és csökkentlátók számára rendkívül nehéz a társadalmi beilleszkedés, a közlekedés és szinte minden tevékenység. Az utóbbi években világszerte kutatnak és fejlesztenek a vakok számára korszerû segéd-eszközöket (pl.: [1], [2]), azonban ezek magas ára miatt hazánkban jóformán csak a fehér bot és esetleg a vakvezetô kutya tekinthetô általánosnak. A cikk beszámol egy vakok számára készített új eszközrôl, amely szereo ultrahangos visszhanglokációval deríti fel a vak felhasználó elôtti terepet. A korszerû információtechnológia már ma is számos lehetôséget kínál a vakok életének és beilleszkedésének megkönnyítésére, de ezek terjedése lassú, aminek oka részben anyagi, részben az eszközök korlátozott használhatóságára vezethetô vissza. A kutatások és maguk a hatékonyabb eszközök is költségesek, a vakok anyagi lehetôségei pedig rendszerint még a létezô eszközök vagy programok megvásárlására sem elegendôek. A fentiek alapján rendkívül jelentôs, hogy olcsó, könnyen használható, de a legkorszerûbb tudományos, mûszaki és technológiai lehetôségeket kihasználó eszközöket kutassunk, fejlesszünk és terjesszünk. A projekt egyszerre több probléma megoldását is célul tûzte ki. Egyrészt az önálló közlekedést kívánja támogatni az útba esô akadályok akusztikus jelzésével, továbbá a fontos objektumok (buszmegálló, üzletek és szolgáltatási pontok stb.) megtalálását segíti magyar nyelvû beszédinformációval. Az elsô funkciót az elkerülendô akadály detektálását egy sztereo ultrahangos visszhanglokációs rendszerrel valósítottuk meg, a másodikat a kiemelt objektumok megtalálását pedig egy rádiós rendszerrel. A két rendszer vezérlését, irányítását korszerû digitális jelprocesszor végzi, csakúgy, mint a tájékoztató hangeffektusok és a mesterséges beszéd elôállítását. 1. ábra A Superbat készülék elve A készülék akkumulátorról üzemeltethetô, könnyû, kisméretû és egyszerûen használható, hogy a vak felhasználói igényekhez minél jobban igazodjon. MEGVALÓSÍTÁS A következôkben az egyes részegységek, alrendszerek mûködési elvét tárgyaljuk vázlatosan. Kétdimenziós ultrahangos visszhanglokátor 2. ábra A kétdimenziós ultrahangos visszhanglokáció elve A középen elhelyezett ultrahang adó periodikusan bocsát ki rövid mérôimpulzusokat a hallható hangtartomány feletti szûk frekvenciasávban (40 khz névleges frekvencián). A visszhangjeleket mindkét oldali vevô érzékeli, és a visszaverôdési idôkbôl mind a távolságot, mind az irányt meg lehet határozni. Ehhez demodulálni kell a jeleket, majd a burkolót mintavételezni és digitálisan feldolgozni a precíz akadálylokáció érdekében 43

2 Mivel mindenkinek a hallórendszere a saját füléhez és fejéhez alkalmazkodott, ezért egy átlag szûrôkészlettel az érzeti térbe helyezés csak megközelítôleg lesz jó. A problémán egyénre szabott HRIR készletekkel lehet segíteni, pl. megoldható, hogy egy teszt alapján lehessen választani, majd az Interneten keresztül letölteni a kívánt szûrôpárkészletet. 3. ábra A baloldali vevô idealizált burkolójele A legközelebb lévô akadály távolságának és az irányának közelítô meghatározása: (további részletek a [3]-ban találhatók). A fent meghatározott akadálypozíciót speciális hangeffektusokkal jelezzük vissza a vak felhasználónak, úgy, hogy egyrészt megközelítôleg úgy hallja a hangot, mintha az akadály adta volna ki. Másrészt a távolságot hangmagassággal is érzékeltetjük kellemes gitárpengetés szerû szintetizált hanggal. Ennek a hangnak az elôállítása nem tekinthetô bonyolult feladatnak, azonban az akadály virtuális érzeti térbe helyezését érdemes röviden ismertetni. Kétdimenziós érzeti térbe helyezés Esetünkben csak a fejhez viszonyított vízszintes síkban detektáljuk az akadályokat a felhasználó elôtt, így elég 5 -os felbontás esetén 18 szûrôpárt eltárolni, amelyeket 128 pontos FIR szûrôk valósítanak meg [5]. Rádiós alrendszer A kiemelt objektumok megtalálását a rájuk szerelt fix telepítésû rádióadó/-vevôk segítik. Ahogy az alábbi ábra is mutatja, a vak felhasználónál lévô mobil egység is rendelkezik rádióadó/-vevôvel, így duplex adatátvitel is megvalósítható a két egység között. Így lehetôvé válik a vak számára a poll -ozás, vagyis a közelében levô fix egységek lekérdezése, a kívánt egység kiválasztása, majd ultrahang segítségével a rávezetés is lehetséges. A kétirányú adatátvitel hasznos lehet továbbá buszon a leszállás jelzésére, jelzôlámpáknál és sok egyéb helyen. Az, hogy térben fôként az elôttünk lévô vízszintes síkban viszonylag jól azonosítani tudjuk egy hangforrás helyét, elsôsorban a fejünk és fülkagylónk jellegzetes spektrumformáló tulajdonságainak, és az ehhez fûzôdô tanulási folyamatnak köszönhetô [4]. Vagyis, sztereó fejhallgatóval elvileg tetszôleges érzeti teret hozhatunk létre, hiszen csak két hangcsatorna kódolja mind a forráshangot, mind annak a fejhez viszonyított relatív helyét. Tehát egy hangot úgy tehetünk az érzeti tér egy bizonyos pontjába, hogy a kiválasztott ponthoz tartozó szûrôpárral megszûrjük jobb és baloldalon a hangjelet, és fülhallgatón keresztül a megfelelô fülbe vezetjük az így kapott jeleket. A szûrôk biztosítják a fej és a fülkagyló iránytól függô frekvenciamenetének modellezését. Matematikai szempontból a HRTF (Head Related Transfer Function) idôtartománybeli megfelelôjével, a HRIR-rel (Head Related Impulse Response) végzünk konvolúciót két csatornán. 5. ábra A rádiós alrendszer egyszerûsített blokkvázlata Amint az illusztráció mutatja, általános soros adatátvitelt valósítunk meg a szabad ISM sávú rádiókommunikációval, így kötetlen szavas beszédszintetizátor esetén bárhol, bármikor felolvashatja a beszédszintetizátor a sugárzott információt. A rádiós összeköttetés távolsága maximum kb. 50 m lehet, amit egyéb technikákkal szükség esetén szûkíteni lehet. Kötetlen beszédszintézis 4. ábra A kétdimenziós érzeti térbe helyezés alapelve A beszédszintetizátorunk az LSP (Line Spectrum Pair) beszédparaméterek azon tulajdonságait használja ki, hogy azok az idô folyamatos függvényei, azaz sok más beszédparaméterrel ellentétben mint pl. a formánsok, LPC, vagy kepsztrum paraméterek nem változnak ugrásszerûen, és nem is szûnnek meg egyes beszédszakaszokban. Így különösen alkalmasak arra, hogy kis hangadatbázis esetén is viszonylag jó beszédhangminôséget adjanak [6]. 44

3 Analóg burkoló-demoduláció Ultrahang-frekvencia: 40 khz Ultrahang-impulzus generálás: az egyik idôzítô (timer) kimenetét felhasználva A rádiós modul oldható kötéssel illeszkedik Személyi számítógéphez soros v. párhuzamos porton kapcsolódik. 6. ábra A kötetlen beszédszintetizátor egyszerûsített blokkvázlata A rendszerbe be van építve egy graféma/fonéma átalakító és egy fonémából LSP, hangmagasság, zöngésség, erôsítés-be konvertáló egység, így a rádiós soros összeköttetéssel karakterenként vett szavakat, mondatokat azoknak mennyiségétôl és minôségétôl függetlenül, azaz kötetlen módon fel tudja olvasni. A kísérleti eszköz funkcionális blokkvázlata Az eddig tárgyalt funkciókhoz egy kisméretû, hordozható jelprocesszor (DSP) alapú készüléket terveztünk. Az eszköz funkcionális blokkvázlata az alábbi ábrán látható. Számítógéprôl a készülék mûködtetô programja frissíthetô, (akár interneten keresztül is), és a flash-memóriában tárolható. Az analóg interfészek segítségével pedig sztereó visszajelzô hang generálható, valamint az ultrahangos modul felôl érkezô visszhang-burkoló jelek digitalizálhatók be. A saját fejlesztésû kártya tehát alkalmas arra, hogy a készülék magja legyen, a perifériák könnyen cserélhetôk, párhuzamosan tesztelhetôk, feljeszthetôk. EREDMÉNYEK A projekt eredményeként elkészült egy egybeintegrált kísérleti eszköz, amelyet gyakorlatilag a létrehozandó termék prototípusának tekinthetünk. A készüléket elsôsorban a mûködtetô programjának írásával, bôvítésével folyamatosan fejlesztjük, a DSP-t tartalmazó központi hardvert véglegesnek tekintjük. 8. ábra A készülék központi, DSP-s modulja 7. ábra A kísérleti eszköz funkcionális blokkvázlata Rövidítések feloldása, a rendszer legfontosabb jellemzôi: HPI: interfész a hoszt (PC) felé (program frissítés stb. céljából) DSP: alacsony fogyasztású, 16 bites fix pontos, 100 MIPS jelprocesszor AIC-k: Analóg interfész áramkörök: 16 bit, 22 KSPS DAC-ADC A készülék minden funkciója, és azoknak beállítása a mobiltelefonokéhoz hasonlóan négy vezérlôgombbal lehetséges. A rádiós modul nem látható a képen, de szintén a fenti készülékbe helyezhetô, avagy igény szerint elhagyható. Az ultrahang szenzoros modul egy külön hardver egység, melyet a fülhallgatókhoz hasonlóan célszerû a fejjel egy koordinációs rendszerbe helyezni (pl. baseball-sapkára, szemüvegre), hogy a rendszer képességeit maximálisan ki lehessen használni. A készülék egyes funkcióit külön teszteltük, különös tekintettel a teljesen újszerû sztereo visszhanglokációs akadálydetektoros rendszerre, melynek eredményét több helyen is publikáltuk [3], [7]. 45

4 átfogó tesztelése jelen tanulmány megírásának pillanatában zajlik, az eredményeket publikálni fogjuk. ÖSSZEFOGLALÁS 9. ábra Vak programozó tesztelés közben Az elkészült egybeintegrált készüléket több konferencián is bemutattuk, ahol a vak illetve látó érdeklôdôk ki is próbálhatták az éppen aktuális szoftverváltozattal. A rendszer A vakok és gyengénlátók társadalmi beilleszkedését, mindennapi életét segítô speciális készüléket fejlesztettünk. Az eszköz prototípusa csaknem teljesen elkészült; az ultrahangszenzoros modul sorozatgyárthatósághoz való formálása és a szoftver fejlesztésének befejezése van csak hátra. Mivel a szükséges alkatrészek ára viszonylag alacsony, fôként sorozatgyártás esetén jó eséllyel érhetjük el a célunk, hogy a vakok számára fejlesztett eszközt ôk maguk is meg tudják vásárolni. Azonban a fix telepítésû rádiós egységek tekintetében az állami, önkormányzati szerepvállalás nélkülözhetetlennek látszik, és természetesen a mobil egységek elterjesztésében is számítunk erre. A készülék rádiós interfésze kompatíbilissá tehetô más hazai rendszerekkel pusztán a mûködtetô szoftver módosításával, így az országhatáron belül vagy akár azon kívül is bárhol használható lehet. IRODALOMJEGYZÉK [1] J. Borenstein, I. Ulrich, A. Arbor: The GuideCane A Computerized Travel Aid for the Active Guidance of Blind Pedestrians, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Al-buquerque, NM, Apr , 1997, [2] Tony Heyes: An Electronic Travel Aid for the Vision Impaired, [3] Mihajlik Péter, Tatai Péter: Ultrahangos tájékozódó eszköz vakok számára, Hiradástechnika Journal on C5, 1999, Vol. 50, [4] Jens Blauert, Spatial Hearing: The MIT Press, Cambridge, MA, 1983, [5] Bill Gardner, Keith Martin: HRTF Measurements of a KE- MAR Dummy-Head Microphone, MIT Media Lab Perceptual Computing Technical Report #280, May, 1994, [6] Lükô Bálint: A Low-Cost Speech Synthesis Method, Proceedings of 2003 Polish-Hungarian-Czech Workshop On Circuit Theory, Signal Processing, And Applications, Prague, Czech Republic, Sept [7] Mihajlik Péter, Guttermuth Mária, Seres Krisztián, Tatai Péter: A DSP-based Ultrasonic Navigation Aid for the Blind, Proceedings of IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Budapest, Hungary, 2001, A SZERZÔK BEMUTATÁSA Tatai Péter 1964-ben végzett a BME Villamosmérnöki Karának híradástechnika szakán tôl 1986-ig a Távközlési Kutató Intézetben dolgozott, ahol digitális átviteltechnikai és automatikus mérô rendszerek kutatásával és fejlesztésével foglalkozott tól 1986-ig a Kódmodulációs Rendszerek osztályát vezette. Összesen kb. 2 évet töltött tanulmányutakon japán, angol, svéd és német egyetemeken óta a BME-n dolgozik, és részt vesz a távközlés oktatásában. Idejének nagyobb részét azonban a kutatás, valamint több kutatási téma irányítása tölti ki. Jelenleg fôként digitális jelfeldolgozással, távközlési mérésekkel és beszédfelismeréssel foglalkozik. Több mint 90 publikációja jelent meg. 46

5 Mihajlik Péter 1999-ben végzett a BME Villamosmérnöki és Informatikai Karán távközlési fôszakirányon és orvosbiológiai technika mellékszakirányon tôl 2002-ig villamosmérnöki PhD képzésen vett részt a BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszékén, majd ugyanott ügyvivô szakértôként dolgozott tôl tudományos segédmunkatársként foglalkozik a tanszéken kutatással, oktatással, és disszertációja elkészítésével, melyet automatikus beszédfelismerés témában ír. Balog András 2002-ben végzett a BME Villamosmérnöki és Informatikai Karán mûszaki informatikusként. Utolsó egyetemi éveitôl kezdve digitális jelfeldolgozással és jelfeldolgozó rendszerek alacsony szintû programozásával foglalkozik. Jelenleg a vakok tájékozódását segítô eszköz szoftverének fejlesztését végzi az AITIA Informatikai Rt.-nél. Átadás Parádfürdôn február 6-án, ünnepélyes keretek közt adták át a Parádfürdôi Kórház betegfelvételi egységét. A közel egy évig tartó beruházás keretében nemcsak a hotel szárny új bejárata és recepciós része valósult meg, hanem egy teljesen újszerû hálózati megoldással kiépült a most bevezetett integrált informatikai rendszer infrastruktúrája, valamint a betegágynál is használható telefonálási és internetezési lehetôség. Az ünnepélyes megnyitón Rácz Jenô, az ESZCSM helyettes államtitkára elmondta, hogy az országos intézetek fejlesztési elképzeléseiben a Parádfürdôi Kórház Hévízzel és a Sportkórházzal együtt kiemelt helyet foglal el. Sós Tamás, a Heves Megyei Közgyûlés elnöke, a térség országgyûlési képviselôje köszöntôjében kiemelte, hogy a Mátra és környéke az európai-uniós csatlakozás után is a régió egyik legjelentôsebb idegenforgalmi területe, melyben fontos szerepet kap a gyógyturizmus. Zámbó László kórházi fôigazgató hangsúlyozta, hogy a megújult és megszépült épületrészek ugyanúgy a betegek komfortérzetét és gyógyulásukat támogatja, mint az ezzel egy idôben elkészült informatikai és kommunikációs rendszer. A kórházban elsôként épült ki egy olyan kábeltelevíziós hálózat, amely lehetôvé teszi, hogy a betegágyak mellôl közvetlenül lehessen a telefon hálózatot és az intranet szolgáltatásokat használni. A korszerû számítástechnikai lehetôségek igénybevételéhez szintén a kábeltelevíziós hálózat biztosít hátteret. A kórházi informatikai rendszert (MedSolution) rekord gyorsasággal telepítették és januártól a kórház teljes betegadminisztrációját e rendszerrel végzik. (Tudósítónktól) 47