An Orientation & Mobility Aid for People with Visual Impairments

Orientierung&Mobilität (O&M) umfasst eine Reihe von Techniken für Menschen mit Sehschädigungen, die ihnen helfen, sich im Alltag zurechtzufinden. Dennoch benötigen sie einen umfangreichen und sehr aufwendigen Einzelunterricht mit O&M Lehrern, um diese Techniken in ihre täglichen Abläufe zu integrieren. Während einige dieser Techniken assistive Technologien benutzen, wie zum Beispiel den Blinden-Langstock, Points of Interest Datenbanken oder ein Kompass gestütztes Orientierungssystem, existiert eine unscheinbare Kommunikationslücke zwischen verfügbaren Hilfsmitteln und Navigationssystemen. In den letzten Jahren sind mobile Rechensysteme, insbesondere Smartphones, allgegenwärtig geworden. Dies eröffnet modernen Techniken des maschinellen Sehens die Möglichkeit, den menschlichen Sehsinn bei Problemen im Alltag zu unterstützen, die durch ein nicht barrierefreies Design entstanden sind. Dennoch muss mit besonderer Sorgfalt vorgegangen werden, um dabei nicht mit den speziellen persönlichen Kompetenzen und antrainierten Verhaltensweisen zu kollidieren, oder schlimmstenfalls O&M Techniken sogar zu widersprechen. In dieser Dissertation identifizieren wir eine räumliche und systembedingte Lücke zwischen Orientierungshilfen und Navigationssystemen für Menschen mit Sehschädigung. Die räumliche Lücke existiert hauptsächlich, da assistive Orientierungshilfen, wie zum Beispiel der Blinden-Langstock, nur dabei helfen können, die Umgebung in einem limitierten Bereich wahrzunehmen, während Navigationsinformationen nur sehr weitläufig gehalten sind. Zusätzlich entsteht diese Lücke auch systembedingt zwischen diesen beiden Komponenten — der Blinden-Langstock kennt die Route nicht, während ein Navigationssystem nahegelegene Hindernisse oder O&M Techniken nicht weiter betrachtet. Daher schlagen wir verschiedene Ansätze zum Schließen dieser Lücke vor, um die Verbindung und Kommunikation zwischen Orientierungshilfen und Navigationsinformationen zu verbessern und betrachten das Problem dabei aus beiden Richtungen. Um nützliche relevante Informationen bereitzustellen, identifizieren wir zuerst die bedeutendsten Anforderungen an assistive Systeme und erstellen einige Schlüsselkonzepte, die wir bei unseren Algorithmen und Prototypen beachten. Existierende assistive Systeme zur Orientierung basieren hauptsächlich auf globalen Navigationssatellitensystemen. Wir versuchen, diese zu verbessern, indem wir einen auf Leitlinien basierenden Routing Algorithmus erstellen, der auf individuelle Bedürfnisse anpassbar ist und diese berücksichtigt. Generierte Routen sind zwar unmerklich länger, aber auch viel sicherer, gemäß den in Zusammenarbeit mit O&M Lehrern erstellten objektiven Kriterien. Außerdem verbessern wir die Verfügbarkeit von relevanten georeferenzierten Datenbanken, die für ein derartiges bedarfsgerechtes Routing benötigt werden. Zu diesem Zweck erstellen wir einen maschinellen Lernansatz, mit dem wir Zebrastreifen in Luftbildern erkennen, was auch über Ländergrenzen hinweg funktioniert, und verbessern dabei den Stand der Technik. Um den Nutzen von Mobilitätsassistenz durch maschinelles Sehen zu optimieren, erstellen wir O&M Techniken nachempfundene Ansätze, um die räumliche Wahrnehmung der unmittelbaren Umgebung zu erhöhen. Zuerst betrachten wir dazu die verfügbare Freifläche und informieren auch über mögliche Hindernisse. Weiterhin erstellen wir einen neuartigen Ansatz, um die verfügbaren Leitlinien zu erkennen und genau zu lokalisieren, und erzeugen virtuelle Leitlinien, welche Unterbrechungen überbrücken und bereits frühzeitig Informationen über die nächste Leitlinie bereitstellen. Abschließend verbessern wir die Zugänglichkeit von Fußgängerübergängen, insbesondere Zebrastreifen und Fußgängerampeln, mit einem Deep Learning Ansatz. Um zu analysieren, ob unsere erstellten Ansätze und Algorithmen einen tatsächlichen Mehrwert für Menschen mit Sehschädigung erzeugen, vollziehen wir ein kleines Wizard-of-Oz-Experiment zu unserem bedarfsgerechten Routing — mit einem sehr ermutigendem Ergebnis. Weiterhin führen wir eine umfangreichere Studie mit verschiedenen Komponenten und dem Fokus auf Fußgängerübergänge durch. Obwohl unsere statistischen Auswertungen nur eine geringfügige Verbesserung aufzeigen, beeinflußt durch technische Probleme mit dem ersten Prototypen und einer zu geringen Eingewöhnungszeit der Probanden an das System, bekommen wir viel versprechende Kommentare von fast allen Studienteilnehmern. Dies zeigt, daß wir bereits einen wichtigen ersten Schritt zum Schließen der identifizierten Lücke geleistet haben und Orientierung&Mobilität für Menschen mit Sehschädigung damit verbessern konnten

Mobile depth sensing technology and algorithms with application to occupational therapy healthcare

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonThe UK government is striving to shift its current healthcare delivery model from clini-cian–oriented services, to that of patient and self–care–oriented intervention strategies. It seeks to do so through Information Communication (ICT) and Computer Mediated Re-ality Technologies (CMRT) as a key strategy to overcome the ever–increasing scarcity of healthcare resources and costs. To this end, in the UK the use of paper–based information systems have exhibited their limitations in providing apposite care. At the national level, The Royal College of Occupational Therapists (RCOT) identify home visits and modifica-tions as key levers in a multifactorial health programme to evaluate interventions for older people with a history of falling or are identified as being prone to falling. Prescribing Assistive Equipment (AE) is one such mechanism that seeks to reduce the risk of falling whilst promoting the continued independence of physical dexterity and mobility in older adults at home. In the UK, the yearly cost of falls is estimated at £2.3 billion. Further evidence places a 30% to 60% abandonment rate on prescribed AE by and large due to a ‘poor fit’ and measurement inaccuracies. To remain aligned with the national strategy, and assist in the eradication of measurement inaccuracies, this thesis employs Mobile Depth Sensing and Motion Track-ing Devices (MDSMTDs) to assist OTs in in the process of digitally measuring the extrin-sic fall–risk factors for the provision of AE. The quintessential component in this assess-ment lies in the measurement of fittings and furniture items in the home. To digitise and aid in this process, the artefact presented in this thesis employs stereo computer–vision and camera calibration algorithms to extract edges in 3D space. It modifies the Sobel–Feldman convolution filter by reducing the magnitude response and employs the camera intrinsic parameters as a mechanism to calculate the distortion matrix for interpolation between the edges and the 3D point cloud. Further Augmented Reality User Experience (AR-UX) facets are provided to digitise current state of the art clinical guidance and over-lay its instructions onto the real world (i.e., 3D space). Empirical mixed methods assessment revealed that in terms of accuracy, the arte-fact exhibited enhanced performance gains over current paper–based guidance. In terms of accuracy consistency, the artefact can rectify measurement consistency inaccuracies, but there are still a wide range of factors that can influence the integrity of the point-cloud in respect of the device’s point-of-view, holding positions and measurement speed. To this end, OTs usability, and adoption preferences materialise in favour of the artefact. In conclusion, this thesis demonstrates that MDSMTDs are a promising alterna-tive to existing paper–based measurement practices as OTs appear to prefer the digital–based system and that they can take measurements more efficiently and accurately