倪 琴， 周國祥

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

近年來，中國的智能手機(jī)市場有著快速的發(fā)展，使用手機(jī)的用戶迅速增長。截至2012年底，中國智能手機(jī)的用戶人數(shù)已達(dá)到3.8億人［1］。但絕大部分智能手機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)都只能滿足具有正常生理機(jī)能人群的需求，殘疾人作為社會的弱勢群體很少從中獲得先進(jìn)科技帶來的益處。我國現(xiàn)有8 500多萬殘疾人，占全國人口6.34%。無障礙環(huán)境是殘疾人參與社會生活的基本條件［2］，因此基于無障礙需求的手機(jī)交互設(shè)計(jì)研究迫在眉睫并受到廣泛關(guān)注。

觸屏操作的交互設(shè)計(jì)作為現(xiàn)今移動智能終端市場的主流成為了人機(jī)交互領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。觸屏操作可以使用戶方便地修改手機(jī)界面，通過觸點(diǎn)變化、虛擬鍵盤以及可調(diào)節(jié)適配器來進(jìn)行界面更改，然而這種便捷式的智能操作方式卻給殘疾人使用智能手機(jī)帶來了新的壁壘［3］。

迄今為止，只有網(wǎng)頁內(nèi)容無障礙準(zhǔn)則WCAG2.0和 MWBP［4］。還沒有一個統(tǒng)一的移動終端無障礙設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而一些知名的移動終端制造商又各自推出了多種操作系統(tǒng)，如蘋果iOS、谷歌Android、諾基亞Symbian與BlackBerry OS以及微軟Windows Phone等。這些平臺雖也有一些基于無障礙設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序［5－9］，因設(shè)計(jì)成本和普及率低等問題，可用性及功能都不夠完善。

根據(jù)IDC 2013最新統(tǒng)計(jì)，谷歌的Android系統(tǒng)已占有75%的智能手機(jī)市場［10］，另外考慮到作為目前最普及和開放的智能手機(jī)平臺，Android系統(tǒng)提供了基于無障礙的標(biāo)準(zhǔn)輔助性服務(wù)（如Text－to－Speech）以及其他便于開發(fā)人員創(chuàng)建和分配等服務(wù)［11］。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種在Android系統(tǒng)平臺上的開放式導(dǎo)航方法，主要服務(wù)對象為視障患者以及上肢功能障礙人群。該方法通過單一觸點(diǎn)觸發(fā)以及外接適配器觸發(fā)，可解決用戶無法精確定位觸點(diǎn)的難題，通過自動掃描系統(tǒng)配合同步語音的輸出，實(shí)現(xiàn)Android智能手機(jī)的無障礙導(dǎo)航。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 用戶需求分析

（1）視障礙人群。對于視障人群，由于此類用戶的視覺器官存在著一定的缺陷，對于智能手機(jī)運(yùn)用最大的障礙就是他們不能看見或者不能看清手機(jī)屏幕以及使用手指進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。針對此類特殊人群的智能手機(jī)設(shè)計(jì)，可以傾向于使用聽覺功能來引導(dǎo)他們完成手機(jī)操作。采用自動掃描系統(tǒng)對手機(jī)屏幕上的信息進(jìn)行語音輸出，使用戶能夠了解屏幕上的信息。

（2）上肢功能障礙人群。主要包括上肢受到損傷不能靈活使用手指以及由老年帕金森氏癥等引起手指顫抖的人群。由于他們無法使用手指進(jìn)行手機(jī)觸屏操作，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要盡量避免手指直接觸屏的操作，使用外接的適配器代替手指進(jìn)行操作將可以較好地實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)觸屏功能。

1.2 Android系統(tǒng)架構(gòu)

Android是一個基于Linux平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)，它采用4層設(shè)計(jì)，由5個部分組成，從下至上分別是：Linux內(nèi)核、Android運(yùn)行環(huán)境、開發(fā)庫、應(yīng)用程序接口和應(yīng)用程序，其架構(gòu)如圖1所示。

Android核心系統(tǒng)服務(wù)依賴于Linux內(nèi)核，它是系統(tǒng)架構(gòu)的底層，位于硬件和軟件棧之間，用來提供系統(tǒng)的底層服務(wù)如內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。開發(fā)庫和Android運(yùn)行環(huán)境是用C／C＋＋實(shí)現(xiàn)的，包含C／C＋＋庫，被Android系統(tǒng)中不同的組件使用，通過Android應(yīng)用程序接口為開發(fā)者進(jìn)行服務(wù)。Android運(yùn)行環(huán)境提供了Java編程語言核心庫的大部分功能，由Dalvik Java虛擬機(jī)和基礎(chǔ)Java類庫組成。Dalvik是基于寄存器的虛擬機(jī)，可以根據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)更大的優(yōu)化。應(yīng)用程序接口提供了核心應(yīng)用程序所使用的API框架，開發(fā)人員可以直接引用，簡化了組件的重用。在應(yīng)用程序?qū)又?，Android提供了豐富的核心程序，比如電話、聯(lián)系人管理程序、SMS短消息程序等，它們都是基于Android系統(tǒng)的API構(gòu)建的［11］。

圖1 Android系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 應(yīng)用程序模塊

為殘疾人設(shè)計(jì)的無障礙應(yīng)用程序主要是實(shí)現(xiàn)殘疾人對智能手機(jī)基本功能的使用。根據(jù)用戶需求分析和Android系統(tǒng)的特點(diǎn)，具體的功能模塊劃分如圖2所示。

圖2 應(yīng)用程序模塊

在用戶操作模塊，Android會偵測到用戶的事件觸發(fā)從而開始相應(yīng)的服務(wù)，在用戶界面的幫助下，用戶可以通過觸屏或者外接適配器引發(fā)事件。

在開發(fā)初期實(shí)現(xiàn)了一些手機(jī)的基本功能，如電話操作、短信操作以及聯(lián)系人管理，除此之外，根據(jù)殘疾人的殘障種類和不同用戶場景，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用戶個性化設(shè)置的模塊，對各種交互方式進(jìn)行詳細(xì)的劃分，方便殘疾人根據(jù)自身的限制選擇適合自己的個性化設(shè)置。

數(shù)據(jù)處理模塊使用了Android系統(tǒng)集成的SQLite數(shù)據(jù)庫。SQLite是一個開源的、嵌入式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，支持SQL語言，在遵守ACID關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的同時(shí)還可以和很多程序語言結(jié)合，處理數(shù)據(jù)速度快。Android提供的API可以方便地使用SQLite來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作［12］。根據(jù)軟件的需求，創(chuàng)建DBAdapter輔助類和SQLHelper類進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。DBAdapter輔助類可以封裝所有對數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜訪問，由它創(chuàng)建、打開、關(guān)閉和使用SQLite數(shù)據(jù)庫；SQLHelper類主要用于數(shù)據(jù)庫的基本操作，它可以覆蓋onCreate（）和onUpgrade（）方法，用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫獲得SQLiteDatabase的實(shí)例，通過執(zhí)行SQL語句對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行如新增、查詢、刪除等操作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的版本升級。

2 導(dǎo)航方法交互設(shè)計(jì)

Android系統(tǒng)集成了很多可用的服務(wù)以完成類似于觸摸屏的交互方法。文本轉(zhuǎn)語音引擎（TTS）可以讀取手機(jī)屏幕上的可用文本，并通過同步語音輸出使用戶獲得信息。視障用戶可以通過單一手勢觸屏完成選擇操作，上肢功能障礙人群可以通過外接適配器完成類似的觸屏選擇操作。因此無需借助外界的幫助，僅憑單一的手勢觸發(fā)便可以完成手機(jī)基本功能的操作，大大提高了這類特殊人群的社會參與度以及個人的自主性和隱私保護(hù)。

2.1 用戶界面和掃描方法

由于用戶完成操作的方法單一，并且掃描屏幕的文本需要耗費(fèi)時(shí)間，因此用戶界面的設(shè)計(jì)變得尤為重要。用戶界面要簡單清晰，這樣可以簡化掃描程序以節(jié)約用戶的等待時(shí)間。受手機(jī)屏幕尺寸的限制，圖標(biāo)和文字要盡量簡潔，基于手機(jī)無障礙需求的設(shè)計(jì)原則［13］，將用戶界面設(shè)置成3個區(qū)域：2個控制區(qū)域和1個信息區(qū)域。2個控制區(qū)域分別置于用戶界面的上下端，信息區(qū)域置于用戶界面的中間，如圖3所示。

上端控制區(qū)域?yàn)楣δ苄詤^(qū)域，最多允許6個功能圖標(biāo)來進(jìn)行不同選項(xiàng)的設(shè)置，用戶可以在這個區(qū)域選擇個人偏好的操作；下端控制區(qū)域?yàn)檫x擇性區(qū)域，最多允許3個選擇圖標(biāo)，如確認(rèn)、刪除、返回等。

下端的控制區(qū)域主要是對上端控制區(qū)域的選擇進(jìn)行確認(rèn)或撤銷；中間的信息區(qū)域用來顯示上端控制區(qū)域選擇的圖標(biāo)的詳細(xì)信息。

圖3 用戶界面劃分

當(dāng)用戶通過事件觸發(fā)進(jìn)入主界面后，先由垂直掃描開始進(jìn)行導(dǎo)航，垂直掃描是在上下端控制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，以行為單位進(jìn)行循環(huán)掃描，直到用戶通過單點(diǎn)觸屏或外界適配器觸發(fā)選擇上下端控制區(qū)域內(nèi)的事件后，開始進(jìn)行平行掃描，平行掃描是在行內(nèi)的功能圖標(biāo)間進(jìn)行的，平行掃描允許用戶選擇一個選項(xiàng)用以激活事件并開始相應(yīng)的功能操作。為了防止錯選現(xiàn)象的出現(xiàn)，在每個事件中要設(shè)置一個返回操作。掃描過程如圖4所示。

圖4 掃描順序

2.2 文本轉(zhuǎn)語音引擎（TTS）

掃描過程伴隨的語音輸出是通過Android系統(tǒng) 集 成 的 文 本 轉(zhuǎn) 語 音 引 擎 （Text－to－Speech，TTS）來實(shí)現(xiàn)的。文本轉(zhuǎn)語音引擎可以將指定的文本轉(zhuǎn)換成不同的語言進(jìn)行語音輸出，通過API接口可以直接調(diào)用。TTS引擎采取資源預(yù)加載的方法，根據(jù)一系列參數(shù)在庫中提取相應(yīng)的資源，加載到當(dāng)前的系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)TTS調(diào)用的代碼為：

private TextToSpeech mTts；

protected void onActivityResult（Intent data）｛Intent installIntent＝new Intent（）；

installIntent.setAction（

TextToSpeech.Engine.ACTION－INSTALL－TTSDATA）；

startActivity（installIntent）；

｝

在創(chuàng)建了一個TTS的實(shí)例后，要通過OnInitListener（）接口來通知系統(tǒng)當(dāng)前TTS引擎已經(jīng)處于可用狀態(tài)。每個TTS需要執(zhí)行的語音消息隊(duì)列統(tǒng)一由TTS引擎管理隊(duì)列來請求優(yōu)先級和順序。一般有2種不同的方式［14］來實(shí)現(xiàn)：引用“TextToSpeech.QUEUE－FLUSH”調(diào)用Speak（）方法時(shí)，會中斷當(dāng)前實(shí)例正在運(yùn)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)向執(zhí)行新的隊(duì)列任務(wù)；引用“TextToSpeech.QUEUEADD”調(diào)用Speak（）方法時(shí)，語音任務(wù)會被添加到當(dāng)前任務(wù)隊(duì)列之后。

2.3 個性化

用戶的個性化設(shè)置，如掃描速度、間隔時(shí)間、是否使用音頻、鍵盤的分布等是為了適應(yīng)不同用戶的實(shí)際需求，可以通過Android系統(tǒng)的Shared Preference來進(jìn)行管理。狀態(tài)機(jī)可以獲取每一個時(shí)刻用戶的個性化偏好，并根據(jù)檢測到的時(shí)間來引發(fā)不同的功能。文本到語音引擎是完全集成在Android應(yīng)用程序中，因此用戶在每一個時(shí)刻都可以看到或聽到手機(jī)屏幕上的可用功能。通過這項(xiàng)特殊的功能，用戶可以完全自主地進(jìn)行手機(jī)操作，系統(tǒng)允許用戶通過單點(diǎn)觸屏或外接開關(guān)來接聽、掛斷或忽略來點(diǎn)呼叫。此外，用戶可以進(jìn)行個性化設(shè)置的事件還包括：

（1）是否選擇語音輸出、是否使用耳機(jī)和設(shè)置文本轉(zhuǎn)語音的音頻播報(bào)速度。

（2）設(shè)置自動掃描的速度和重復(fù)次數(shù)。

（3）選擇屏幕虛擬鍵盤的行數(shù)和每個按鈕的字母數(shù)來設(shè)置鍵盤的不同外觀。

（4）對聯(lián)系人進(jìn)行設(shè)置，是否創(chuàng)建常用聯(lián)系人群組。

（5）設(shè)置交互方式（觸屏或者通過外接適配器）。

2.4 人機(jī)交互方式

上述的導(dǎo)航方法是建立在單一手勢觸發(fā)完成手機(jī)操作的基礎(chǔ)上。視障患者可以在手機(jī)屏幕上的任意位置進(jìn)行按壓以觸發(fā)掃描及選擇的操作，與普通的智能手機(jī)需要精確位置觸發(fā)相比，這種單點(diǎn)觸發(fā)更容易被視障患者操作。為上肢功能障礙人群設(shè)計(jì)的一款可以通過直接按壓開關(guān)觸發(fā)手機(jī)操作的適配器，如圖5所示。

外接適配器是一個可替換的硬件組件，可以通過外部開關(guān)控制智能手機(jī)。此設(shè)備有2個3.5mm的輸入插孔連接免提和開關(guān)，1個3.5mm的輸出插孔來連接設(shè)備終端。這種類型的接口（3.5mm插孔）是符合國際移動通信手持機(jī)有線耳機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)的［15］，在內(nèi)部，適配器具有硬件開關(guān)設(shè)置，在基于Android系統(tǒng)開發(fā)的手機(jī)上易于操作，兼容性強(qiáng)，以符合不同生產(chǎn)廠家的手機(jī)型號。

圖5 外接適配器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于無障礙需求為Android系統(tǒng)的用戶界面提供了另一種導(dǎo)航方法，在需求分析、設(shè)計(jì)以及編程實(shí)現(xiàn)之后，用戶界面如圖6所示。

圖6 主界面

此界面簡潔友好，適合殘疾人進(jìn)行簡單快捷的操作。在性能提升方面，由于目前的Android應(yīng)用程序市場并沒有很多專門針對殘疾人群體的應(yīng)用程序，外接適配器的使用更是考慮到了殘疾人功能性障礙的個體差異性，因此該應(yīng)用不僅方便了殘疾人用戶對智能手機(jī)的使用，而且大大地滿足其日常生活的通信需求。

經(jīng)過Android虛擬機(jī)上的一系列模擬仿真后，基于無障礙設(shè)計(jì)的導(dǎo)航方法被投入了實(shí)體設(shè)備測試。在通用性測試中，選取6個大的Android手機(jī)制造商生產(chǎn)的6種不同的機(jī)型進(jìn)行測試，包 括 HTC－Desire （G7）、Samsung Galaxy－Note、Huawei C8813、Motorola MB525、Sony Ericsson LT22i和LG G2。測試結(jié)果表明該導(dǎo)航方法兼容于多種型號的Android智能手機(jī)并運(yùn)行良好，基于Android系統(tǒng)開發(fā)的智能手機(jī)更是占據(jù)近59%的市場份額，考慮到部分殘疾人收入相對較低，因此基于Android開發(fā)的導(dǎo)航方法可以應(yīng)用于價(jià)格較低的智能手機(jī)上供用戶選擇。

此外，為了驗(yàn)證導(dǎo)航方法的實(shí)用性，提供測試版APP給9位殘疾人（5名視障患者和4名上肢功能障礙患者）進(jìn)行用戶體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明殘疾人用戶在簡單的指導(dǎo)后就可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行個性化設(shè)置，并能完全自主地操作手機(jī)并實(shí)現(xiàn)其基本功能。以發(fā)一條“OK”的信息為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2所列，9位用戶均能成功完成并且平均所用時(shí)間為47.4s。

表1 視障用戶實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間 s

表2 上肢功能障礙用戶實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間 s

4 結(jié)束語

基于Android系統(tǒng)開發(fā)的智能手機(jī)價(jià)格相對低廉，并且Android平臺具有很大的開放性、兼容性和大量集成的服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，將其作為為殘疾人服務(wù)的通信產(chǎn)品具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。目前該方法已經(jīng)可以應(yīng)用于Android系統(tǒng)中，并且通過控制事件完成了與外部適配器開關(guān)元件的整合，與不同型號Android智能手機(jī)的兼容，使殘疾用戶可以獨(dú)立完成智能手機(jī)的基本功能操作。未來基于無障礙需求的設(shè)計(jì)將不僅停留在基本的手機(jī)功能操作上，還將會對復(fù)雜一些的功能比如收發(fā)郵件、網(wǎng)頁瀏覽、GPS導(dǎo)航等手機(jī)服務(wù)進(jìn)行開發(fā)，并對更多的用戶進(jìn)行反饋意見采集，使殘疾人能夠更加便捷地享受現(xiàn)代科技帶來的便利并更好地參與社會生活。

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