视障者三维触感交互机制及其设计应用研究

    许倩倩+余慧+郭雅文

    

    

    摘要：为丰富视障者的生活阅读体验，提高视障者对图像文字的理解，通过研究视障者触觉感知，分析视障者触觉机制、视障者触觉图像形成原理，以及点阵显示装置技术，同时结合数字化3D点阵显示技术，总结并设计出三维触感点阵概念性交互设备：PINsphere气动式盲文显示装置，使视障者能通过触觉图形对三维物体更加完整深入的认知，丰富他们的生活及阅读体验。

    关键词：人机交互设计 三维点阵 触觉图形

    引言

    视障问题是全世界所一直关注的问题之一。随着人们生活水平的不断提高，视障者对生活质量的需求也不断上升，而视障者对图形的理解却是模糊的、抽象的。本项目以视障者通过触觉感知事物为切入点，结合数字化3D点阵显示技术，使视障者可以通过触摸3D点阵显示屏，整体地了解到文字与其所指向物体的简单三维构型，更具现化感知周围事物和环境，从而改善视障者的生活和文化学习质量。

    一、视障者触觉获取信息的方式研究

    视障者与外界的联系与其触觉也有很大关联，而且视障者的触觉相当敏感。当他们进行触摸物体时，他们的触觉就与他们敏锐的神经错综复杂地结合起来，再传达信息给他们。但这样会产生盲人摸象的结果。使视障者获取到了片面、不详细的信息。

    随着社会的发展，我国人口老龄化日益严重，新发视障者数量仍在迅速发展。与此同时经调研，视障者在活动中主要运用主动触觉和听觉去认识外界事物。视障者使用触觉不能感知到事物的颜色、亮度和触觉范围之外的事物、但他们的触觉能够感受到物体的温度、湿度、压力、振动等方面，从而可以通过冷觉热觉、压觉以及振动的形式刺激皮肤，从中获得外界事物的各种信息。除此以外，视障者还可以通过触觉可以了解到物体的质感、表面纹理等信息，再结合自我的触觉经验，进一步了解和识别该物体。

    在视障者接触外界信息的过程中，又分为主动和被动两种接受方式。主动与被动接受是存在很大差异的，在主动运动中，皮肤的感觉不受部位限制，在过程中是可以自我控制和调节的。而被动接受的过程中，会出现无意识、违计划的事故发生，在一定程度下，甚至会给视障者带来危险和严重不便。

    二、视障者三维触感机制及其设计研究

    2016年9月27号的时候我們走访了位于北京西城区的盲文图书馆，和那里的工作人员做了一次交流。了解到视障者也有自己的尊严和与普通人平等的权益，而不是一味接受将其视为弱视群体的同情所产生的爱心行为。因为他们虽然是弱势群体，但是有自己的自尊。所以给我们的启示就是产品的改进结果，不应该是把他们孤立出来，认为他们是跟别人不同的，不是设计出一个全新的事物，而是设计一种通用产品，在保证他们权益和自尊的基础上，带给他们更好的生活体验和阅读的体验。

    （一）视障者识图产品的发展动态

    20世纪50年代出现了视障者图书机，在此之前辅助视障者获取信息的主要以盲文纸质书为主。50年代之后又出现了视障者打字机以及有声阅读设备，2000年以后，便相继出现了视障者电话扫描阅读机、视障者平板、视障者指环等直到发展到现在的视障者显示器。在整个发展过程中，产品形态从实体趋向概念；摸读内容丰富度上，也在不断提高。但至今市面上三维视障者触点显示器的产品几乎为零，即使是极少数概念产品，也只是依附于平面上触点的位移，并不能显示物体的整体形态。

    （二）图像呈现依据与文字阅读方式

    图像呈现的依据以及主要灵感来源于浮雕艺术，对浮雕艺术的审美不仅有视觉上的审美，要有触觉上的审美，并对其具有很大影响。浮雕的空间结构可以说是三维的立体形态，同时也兼具着某种平面形态，话句话说，浮雕具有经形体压缩处理后的二维或平面的特征，是将现实存在的事物将其压缩处理，形成一种扁平化的艺术。以此类推，将平面化的图形转化成三维立体的形态，可以将平面图形进行拉伸延长处理，以凹凸起伏的形态呈现出来。

    当前社会对视障者的教育，通常以触摸的方式达到认知和识别事物的目的。对盲文的学习，现阶段主要是单纯地依靠静态的盲文教材，视障者对汉字的理解几乎是空白的，不仅如此，还对其认识汉字的偏旁结构和理解汉字意义造成了很大的困难。现有的主流的盲文都是采用拼读音节的形式，这样只是有字音而没有字形，虽然通过上下文可以理解出词语的含义。但是，也会因为只有拼音，从而出现拼读错误的概率。例如有一些生僻难懂的词，视障者也无法准确地理解、掌握其概念。将汉字，即常用文字，存储进视障者文字识图学习设备当中。通过拆解笔画、语音叙述汉字的含义并且用3D点阵显示，从而出现相关联的需要表达的图形和图像，汉字点触学习设备结合语音与字形所对应的触觉图像，实现视障者对基本汉字的笔画顺序、偏旁部首、含义的认知和理解，并能简单地利用所习汉字进行组词造句的功能。通过这个在帮助视障者识别理解图形的基础上，同时达到辅助视障者学习汉字的目的。

    （三）图文的呈现方式

    探讨弧面点阵与平面点阵显示字形和图形的触觉差异。设置两个变量，即弧面与平面，与水平面垂直的阵点与倾斜的阵点。调查人们对不同展示，面对图文确认的速度与效果的反应。结论得出有弧度的屏会使字形图形扩散，顺着笔画方向有指向性地倾斜会便于获得有利和完善的信息（如图1），综合考虑，选取曲面屏。

    在文字方面，挑选500基本汉字，如人、这、中、大、为、上、个、国、我、以、要、他、雪、时等进行原有的笔画拆解。现行中国盲文GB/T15720-1995标准适用于中国视力残疾人使用的触觉凸点文字。它规定了中国盲文的盲符结构和参数，以及现行盲文方案与汉语双拼盲文方案、分词连写规则及书写格式等。其中中国盲文的盲符结构也是由布莱尔盲文体系演变出的，它主要是以注音字母为基础，加之拼写汉语普通话的一种盲文方案。它分为三个方块，分别代表声母、韵母和声调共组成一个发音。而大部分由图像演变而来的汉字主要分为形旁和声旁。

    （四）盲文显示装置设计应用原理

    PlNsphere气动式盲文显示装置对传统图文识别系统进行创新，结合数字化技术，增加产品与使用者的互动性；让使用者，及视障者能够直接触摸，并通过触摸感受和识别图形；促进视障者主动进行探索和学习，增强使用者主动学习与认知文字和图形的兴趣。视障者可以更直观感受到抽象的、瞬时的、巨大的、微小的等难以通过触觉识别整体的物体。

    产品工作原理：此设计对于球体大小R1、触点长度L、中心控制器半径R2都有特定的比例要求。中心控制器的半径与触点长度为反比，触点也会因为球体由中心扩散，而扩大触点距离，降低显示触摸位点的密度，从而加大识别难度。PlNsphere气动式盲文显示装置，此原理主要应用在电磁式盲文显示装置。

    其中3D点阵显示的原理是：存储图像像素是m×n，那它对应矩阵也是m行n列。现有的盲文二维读图产品中的图像为二值图像，只有黑白两种颜色，RGB图像一般黑和白的数值范围是0到255，使用double型数据处理后，O代表黑色，1代表白色。灰度图像的数值在0和1之间，经处理器处理后，根据数值大小进行不同程度的位移，从而形成三维立体图像。图像三维立体显示装置。将物体看为从中心球体延伸点触形成物体整体的一种物理成像方式。

    三、产品设计实践

    PlNsphere气动式盲文显示装置（如图2）所示主要具有展示图像和图文转化的功能，主要从视障者如何感知三维立体图像和文字转化图像后所表达的含义这两大问题出发，实现三维图形的展示并可以通过图形来了解和学习文字，从而促进视障者对图文的识别和理解。

    （一）展现图像的功能

    将图片输入系统中，或者是进行语音搜索，然后通过电脑分析掃描，将图片上的图像进行所谓的拉伸，通过点阵突起形成上下凹凸起伏的触点，与此同时当视障者在触摸过程中会根据触摸点的移动进行语音解释，使视障者在触摸到立体展示的不同部位时都能得到完整的解释，更加形象地帮助视障者理解图像上的信息。

    （二）图文转化的功能

    1.交互：学习文字/识字功能：名词通常单字也有指向性的图形可以表达其含义，例如人、花、龙等字，单字的动词、副词、连词、部分名词、形容词则需要组成两字或多字的词语来形成图像。单独的汉字字形与图形的点阵输出不能全面的形成认知体系，须配合语音，解释字词内在含义，解释图像与汉字的联系，例如形容心理、精神方面的字，禅，可以通过点阵输出立体佛像，视障者触摸图像，触摸不同的部位时，触点底部接收器感知压力，处理信号后，语音则会解释图形中相应部位的专有称谓以及形成原因等。组成词汇：如下雪，可以动态刷新图像，把图像帧化处理，通过每帧动态刷图实现立体刷图功能，配上语音解释词汇，巩固记忆汉字，使视障者知道如何运用汉字。最后也可以根据所形成不同词汇造句，再次巩固记忆。

    2.搜字功能：视障者语音搜索汉字，产品进行语音识别功能，也可以通过触控笔点击对应盲点的位置，信息经过传导处理之后，再根据常用汉字排列顺序找出同音字。然后通过语音分别进行解释说明，判断筛选出想要搜索的文字，然后再通过点阵输出想要的文字图像，从而达到搜字的功能。

    3书写矫正功能：视障者在学习汉字时，汉字不像布莱尔盲文由6个点不同变换的编码似的方式组合而成，而是由不同的笔画字符衔接穿插组合成的方块字，所以较普通盲文的学习和点阵呈现的方式都要复杂得多。书写的笔画位置也较难找准容易出错，书写检查功能较好地解Z夹了～_-f-问题。在一个汉字学习完成后，会语音提示检验书写，通过点触笔在点阵中按顺序写出此汉字允许的误差范围不超过x个点阵位，x根据点的间距决定密度，d为点阵间距，d×x<=12mm.（触摸范围有效距离，球体立方体验证）（详细流程图如图3）。

    从图像的三维显示为出发点，在识别图形的同时，可以进一步对文字加深了解，在整个系统过程中以视障者的触觉感受为主，加之语音的解释说明，完善信息，从而使视障者从中能够获得更准确、更真实的认知感受。

    结语

    视障者是需要得到社会关爱的群体，面对生活水平的不断提高，视障者的需求也在不断增加。本文就是通过点阵的三维触感交互方式，将图形与文字立体呈现。同时此产品的设计从人性化出发，了解视障者的真实心理需求，融入交互设计的方法，使视障者更加直观和真实地了解外界事物，但在技术和实现度上仍需不断改进，从而使视障者告别以往被动接受信息的状态，让他们感受到和正常人没有什么不同，不再有所谓的孤独感。