馬建剛， 鄭江華

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆智慧城市與環(huán)境建模高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

視力受損者在地理環(huán)境中，判別方位需要依靠殘余視力和其他的感知器官[1,2]。視力缺失為盲人出行帶來了極大的認知阻礙[3]，致使盲人無法依靠視覺獲取周邊信息[4]，但是依靠其他感知器官獲取信息，有可能導(dǎo)致獲取的環(huán)境信息有所缺失。選擇適當(dāng)?shù)妮o助工具，有助于盲人對環(huán)境的進一步感知。一般視力受損者會選擇導(dǎo)盲杖或者導(dǎo)盲犬來幫助探知周圍信息。但是導(dǎo)盲杖只限于對盲人半徑1m左右的地面探測，對于和盲人等高或者更遠處的障礙物則無法探測；導(dǎo)盲犬需要特殊訓(xùn)練，而且訓(xùn)練周期長，成本較高，不利于普及。為解決上述應(yīng)用局限，基于Haptic技術(shù)加載多種傳感器的應(yīng)用導(dǎo)航服務(wù)應(yīng)運而生，眾多學(xué)者依據(jù)盲人的認知特點，用各種科技手段來實現(xiàn)對盲人的路徑誘導(dǎo)，幫助盲人實現(xiàn)功能康復(fù)。

Ricky Jacob等人結(jié)合Haptic技術(shù)考察行人的空間認知能力，采用震動反饋提示已成功引導(dǎo)行人到達目的地，基于Haptic應(yīng)用移動定位服務(wù)(location-based service,LBS)在移動終端的測試結(jié)果表明：Haptic技術(shù)對行人的反饋是有效的選擇，使用不同的震動頻率和不同的震動模式可降低用戶對環(huán)境的認知壓力[5,6]。王冠生等人對2012年前基于Haptic與空間認知的盲人路徑誘導(dǎo)輔具進行了系統(tǒng)的闡述，總結(jié)出近年來盲人導(dǎo)航輔具朝著震動與多種傳感器集成、差異性震動的方向發(fā)展[7]。隨著定位技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，2012年至今Haptic技術(shù)與空間認知以及與其他盲人路徑誘導(dǎo)技術(shù)集成應(yīng)用研究方面均有了較大的進展，推動了盲人導(dǎo)航服務(wù)領(lǐng)域出現(xiàn)了新的變化，有必要對新進展進行歸納總結(jié)。

1 盲人地理空間認知

關(guān)于盲人空間認知的現(xiàn)有研究從心理學(xué)、生理學(xué)以及腦認知科學(xué)等角度解釋[8]。從地理學(xué)角度闡述盲人空間認知對尋徑、環(huán)境認知機理，對盲人認知地理環(huán)境有重要作用。尤其是基于Haptic的盲人的空間認知狀況，在嘈雜環(huán)境中對盲人路徑誘導(dǎo)有不可替代的輔助效果。因此，本文嘗試從地理學(xué)的角度對盲人的空間認知進行歸納總結(jié)。

王曉明等人結(jié)合心理學(xué)的研究成果，分別從地理知覺、地理表象、地理概念化、以及地理知識心理表征和地理空間推理五個方面進行了闡述，對地理空間認知從整體到局部，再從局部到整體的角度進行了闡釋[9]。魯學(xué)軍等人分析了多個空間認知模型，以自下而上的形式對地理空間認知模式進行了分析，總結(jié)出了地理空間的一般認知模式[10]。比較上述兩個地理空間的認知框架，后者更符合地理空間認知的一般過程。

地理空間有大尺度、中等尺度與小尺度之分[11]，與盲人切實相關(guān)的是中、小尺度的地理環(huán)境，即對空間格局中目標(biāo)的位置、距離、方位的認知[12]。因此，本文僅討論中小尺度下的盲人地理空間認知。

1.1 盲人空間認知的表現(xiàn)形式及認知層次

空間認知的表現(xiàn)形式有3種，即感知空間、認知空間、符號空間[10]。這3種認知表現(xiàn)形式的空間尺度逐漸增加，所對應(yīng)的空間認知層次也相應(yīng)增加，如表1所示。基于盲人對環(huán)境的認知壓力和試驗的可操作性，大多研究采取對中小尺度的室內(nèi)外環(huán)境測試盲人空間認知。

表1 盲人空間認知框架

在中、小尺度下的地理環(huán)境認知研究中，諶小猛等人探討了盲人在熟悉環(huán)境和陌生環(huán)境中的空間認知表現(xiàn)，認為先天性盲人對路徑模型的刻畫精度不高，但是采用有效的探路策略可提高認知水平，認知能力強的個體行走也更為有效，后天性盲人認知能力優(yōu)于先天性盲人[8,19]。國外研究盲人和明眼人對地圖描述的精確度來探究盲人的空間認知，發(fā)現(xiàn)盲人和視力受損者對地圖的表述較明眼人更加精細，但是盲人對地理信息各物體間的信息編碼相互獨立，對地物之間的相對位置關(guān)系把握不夠[13]。即盲人無法將空間特征感知上升到空間對象認知的層次，缺乏有效的信息編碼手段。在空間對象認知層次，無法將現(xiàn)實世界中認知的地理事物形成具有相對拓撲關(guān)系的“心理地圖[20]”。

1.2 盲人空間認知的基本單位

空間認知的基本單位分為“空間特征”和“空間對象”，“空間特征”又分為“空間原始特征”和“空間功能特征”，空間原始特征是實體本身所帶有的屬性，空間功能特征是將空間實體抽象概念化后所具有的屬性。盲人對空間物體認知的概念局限于聽到、聞到或者感知到，而對物體所具有的紋理、顏色等實體特征可能會有認知上的障礙?？臻g功能特征對于特定為盲人設(shè)置的較易感知，然而現(xiàn)實中大多人造物體為視力正常的人所設(shè)定，對特殊群體使用造成了一定的困擾。"空間對象"是對空間實體的主觀理解[10]，是盲人對認知到的物體在腦海中形成的主觀圖像。

1.3 盲人空間認知采取的尋路策略

一般而言，明眼人會采取以自我為中心和以非自我為中心兩種策略[21]。前者的尋路策略采取行人與地物確定二者之間的相對位置關(guān)系，后者的尋路策略采取物體到物體的關(guān)系來確定地物的相對位置關(guān)系，在實際應(yīng)用中二者通常會結(jié)合使用。研究發(fā)現(xiàn)，盲人一般采取以自我為中心的尋路策略[22]。

1.4 認知提示手段

語音提示[23，24]或者震動提示[25，26]方式為引導(dǎo)盲人行走比較常用的提示方式，以提高盲人的空間認知能力，引導(dǎo)盲人用戶理解空間信息[27]。震動方式的采用，為盲人在嘈雜環(huán)境或者語音提示受到阻礙時提供了一種可行的解決方案，設(shè)計的眾多盲人導(dǎo)航系統(tǒng)中，多個震動傳感器的使用為震動模式提供了多樣化的選擇。差異性震動方案是嘈雜環(huán)境中提示盲人的有效手段[7]。

綜上所述，空間認知體系是理論基礎(chǔ)，尋路策略是盲人在空間認知方面的具體實踐，語音和震動是提示手段。雖然對盲人空間認知從地理學(xué)、心理學(xué)以及認知神經(jīng)科學(xué)等方面做出多角度的解釋，但是從地理學(xué)角度對盲人空間認知的研究到目前為止并沒有一個完整的理論體系。分析其原因，一方面，可能是研究者采取不同的實驗方案與實驗設(shè)計，得出的結(jié)果和結(jié)論有所差異[28]；另一方面，也有可能是社會對特殊群體的關(guān)注度較低。

2 基于Haptic的盲人導(dǎo)航服務(wù)

盲人導(dǎo)航服務(wù)包括路徑誘導(dǎo)與避障兩部分。GPS、紅外線(infrared)、超聲波(ultrasonic wave)、無線射頻識別(RFID)、雷達(radar)、藍牙( Bluetooth )以及超寬帶無線通信技術(shù)(UWB)等的應(yīng)用，為盲人出行提供多樣化的選擇。從導(dǎo)航服務(wù)設(shè)計角度來說，一方面根據(jù)盲人的空間認知狀況考慮，另一方面從機器認知的角度設(shè)計。在實際應(yīng)用中，雖然在技術(shù)上實現(xiàn)了提示盲人的作用，但是普及率較低，盲人出行依然面臨很大的認知壓力。本文總結(jié)近年基于Haptic的盲人導(dǎo)航服務(wù)方面的研究，分別從國內(nèi)外研究進行了介紹，對其現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢進行了闡述及梳理。

2.1 研究現(xiàn)狀

2.1.1 國外研究現(xiàn)狀

Bourbakis N在2008年設(shè)計了一種機器視覺判別障礙物形狀的探測儀。儀器由微型電腦、3D攝像機、2D震動馬達陣列組成。其原理是3D攝像頭探測到障礙物后，由2D震動馬達陣列將探測到的障礙物以震動的形式告知盲人，未震動區(qū)域則對應(yīng)實際環(huán)境中的無障礙物區(qū)域[29]。這種提示方式可將現(xiàn)實環(huán)境中3D物體提取為2D形狀，以震動陣列幫助盲人感知障礙物的形狀與所在位置，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穿戴繁瑣，不易于推廣使用。

Mann S等人在2011年將6個震動馬達嵌入到頭盔中，用攝像機幫助盲人感知環(huán)境，該套系統(tǒng)的有效探測距離為0.3～6 m，并且距離障礙物越近，震動越強烈[30]。設(shè)備可檢測到障礙物的方位，但不可檢測障礙物大小，震動馬達集成于頭盔上，用戶體驗不友好。

Scheggi S等人在2014年設(shè)計了一種基于震動的遠距離盲人引導(dǎo)系統(tǒng)，由攝像機和一對震動傳感器組成，震動由人工遠程控制，震動周期為0.4 s，當(dāng)需要提示盲人時，震動周期變?yōu)?.2 s[31]。該系統(tǒng)為持續(xù)震動模式，探測到障礙物后震動頻率變高，對于用戶來說容易產(chǎn)生認知疲勞，提示方式為人工監(jiān)測，未實現(xiàn)自動化處理。

Mahmud N等人在2014年用3組超聲波探測儀和3個震動馬達設(shè)計了一種幫助盲人探障的導(dǎo)航系統(tǒng)。三組超聲波對應(yīng)著3個震動馬達，當(dāng)探測到距離障礙物50～70 cm時，震動馬達低速震動提醒；當(dāng)距離障礙物30～50 cm時，震動馬達中速震動提醒；探測到距離障礙物小于30 cm時，震動馬達急速震動提醒[32]。也有人將3個超聲波傳感器集成到導(dǎo)盲杖上探測障礙物，在手柄處集成震動馬達，使用震動提示障礙物[33]。使用多個傳感器可準(zhǔn)確判別障礙物的方位，采用差異性震動提示可告知盲人障礙物的距離，給盲人安全行走提供了保障。

Cosgu A等人在2014年設(shè)計了一種帶有8個震動馬達的腰帶的盲人引導(dǎo)系統(tǒng)，該8個震動馬達分別指示8個不同的方位，而且震動組合也較多，一個馬達震動時僅指示一個方位，如東、西、西北等，如果震動馬達相繼震動(跑馬燈式震動)，則指示盲人朝指定方位轉(zhuǎn)向[34]。多個震動馬達的組合提供了多種震動組合，集成在腰帶兼具實用性與隱蔽性，為盲人路徑誘導(dǎo)提供了更為精確的方向引導(dǎo)。馬達單點震動較易被接受，跑馬燈式震動給試驗者帶來不適的體驗。

2.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

趙銀平等人在2011年設(shè)計了一種盲人行走助手，超聲波傳感器和紅外傳感器結(jié)合使用，用單片機控制各傳感器，傳感器探測到障礙物或者凹洼處，行走助手以震動提示盲人，并加入夜間行走模式，在晚上盲人可打開LED燈，并用蜂鳴提示過路行人，保障盲人安全[35]。此設(shè)備集成了多種傳感器，加載夜間行走模式，從盲人角度和外部環(huán)境兩方面設(shè)計考慮，保護盲人出行安全。

王冠生等人在2012年基于Android平臺，采用智能手機，結(jié)合google地圖，采用差異性震動模式為盲人提供路徑誘導(dǎo)服務(wù)。在路口等關(guān)鍵節(jié)點采用不同的震動模式，指引盲人到達目的地[36]。但目前google地圖在國內(nèi)已經(jīng)無法使用，采用高精度地圖和差異性震動技術(shù)來為盲人提供路徑誘導(dǎo)服務(wù)，成為盲人最強烈的現(xiàn)實需求。

相關(guān)研究還包括對盲人行走中遇到水進行震動提示[37]，使用震動提示來幫助盲人尋物[38]，采用鞋墊前腳掌位置安裝震動器，并連接導(dǎo)航儀，幫助盲人實現(xiàn)路徑導(dǎo)航[39]，結(jié)合北斗定位系統(tǒng)，采用震動提示來為盲人提供障礙物報警功能[40]。對水跡的探測和尋物的功能，以震動提示為盲人提供了更加細致的服務(wù)需求；結(jié)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)提供路徑誘導(dǎo)，是盲人探測外界陌生環(huán)境的必要條件，差異性震動對障礙物和路徑誘導(dǎo)的提示，更為盲人在語音提示受到干擾時，提供了更為多樣的反饋選擇。

2.2 基于Haptic的盲人導(dǎo)航服務(wù)的特征與發(fā)展趨勢

1)集成化。導(dǎo)航器具設(shè)計時，單個傳感器往往無法滿足盲人對實際環(huán)境高精度與實時的反饋要求。因此，多個傳感器的使用可提高對環(huán)境探測的范圍。功能單一的傳感器只能對環(huán)境中某類特定的物體有效，所以根據(jù)盲人以及導(dǎo)航器具的功能需求，加載多種傳感器，可多方位為盲人提供障礙物探測與路徑誘導(dǎo)服務(wù)。

2)震動提示。上述的盲人導(dǎo)航服務(wù)均采用震動作為輔助提示手段，當(dāng)遇到障礙物時以震動的形式提示盲人，雖有采用差異化的震動提示，但是對震動提示的時間長短、震動強度，沒有結(jié)合盲人的心理認知狀況具體分析。

3)定位精度。現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度達到了亞米級，定位誤差在10 m左右。但是對盲人來說，定位授時時間較長，而且定位誤差滿足不了盲人對高精度定位的需求。超寬帶定位技術(shù)(UWB)的出現(xiàn)解決了盲人對高精度定位的現(xiàn)實需求，該技術(shù)的定位精度可達10～20 cm，并且可實時定位，對定位的響應(yīng)速度也滿足盲人對高精度定位與實時定位的要求，已有學(xué)者引用該技術(shù)對盲人進行室內(nèi)定位與路徑導(dǎo)航[41，42]。高精度定位的出現(xiàn)不僅滿足特殊人群的需求，也可能是未來定位導(dǎo)航的發(fā)展趨勢之一。

4) 微地圖/精細地圖的應(yīng)用。地圖內(nèi)容主要由數(shù)學(xué)要素、地理要素、整飾要素組成。盲人對地圖的使用除數(shù)學(xué)要素這個隱形要素外，對地理要素的感知、對整飾要素的信息獲取均不可見，為盲人使用地圖造成很大困擾。近幾年對室內(nèi)地圖、地鐵站等微地圖的研究也有較大發(fā)展，但是與盲人的實際需求仍有較大的差距。盲人在實際環(huán)境中行走，需要對以自身為中心的地理環(huán)境有精準(zhǔn)的描述。因此，對微地理環(huán)境的建模，豐富精細地圖對盲人的引導(dǎo)功能，具有重要意義。3D 地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)的出現(xiàn)為實現(xiàn)上述功能實現(xiàn)提供了可能，在實際應(yīng)用中，3D GIS主要應(yīng)用在應(yīng)急響應(yīng)[43]、交通管理[44]、礦產(chǎn)資源調(diào)查[45]等方面，對盲人路徑誘導(dǎo)的微地圖/精細地圖的應(yīng)用仍有發(fā)展空間。

近年來技術(shù)的進步與發(fā)展，采用了多種手段提高盲人空間認知水平。從起初測試盲人導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性、有效性向著可靠性、穩(wěn)定性等方面發(fā)展；基于觸覺和聽覺的提示方式也從單通道向著多通道的模式發(fā)展；在系統(tǒng)設(shè)計中，不單單依靠硬件設(shè)施，還加入了路徑規(guī)劃和優(yōu)化算法，系統(tǒng)更加的智能化、集成化；盲人導(dǎo)航系統(tǒng)的功能不再是單一的導(dǎo)航或者避障，而是將針對盲人面臨現(xiàn)實困難的多種解決辦法融入到同一個系統(tǒng)中，兼具實用性與人性化。

2.3 面臨的挑戰(zhàn)

近些年來，基于Haptic的盲人導(dǎo)航服務(wù)雖然發(fā)展速度較快，但是真正普及使用的少之又少，其原因是一些科學(xué)問題依然亟待解決。

1) 環(huán)境實時檢測。盡管設(shè)計了許多針對路徑導(dǎo)航的功能，并且加入了障礙物探測的功能，但是并沒有加入實際環(huán)境中，諸如人流、車流等環(huán)境動態(tài)變化突發(fā)狀況的預(yù)警機制。面對外界環(huán)境的突發(fā)狀況，現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)并不能給出更好的解決方案。

2) 認知疲勞。語音和震動對人體的持續(xù)刺激會產(chǎn)生認知疲勞，也會導(dǎo)致認知能力的下降。需要解決盲人長期使用語音或者震動提示方式感到疲勞的問題。

3) 盲人空間認知研究。導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計的目的為尋徑和避障，而對盲人空間格局的認知機理，到目前為止研究成果雖多，但是沒有形成完整的理論體系，因此，針對盲人的導(dǎo)航系統(tǒng)在功能方面大多只側(cè)重于導(dǎo)航與避障。

4) 盲人與地理環(huán)境的交互。盲人認識地理環(huán)境，獲取地理環(huán)境格局的能力，以及地理環(huán)境對盲人空間認知的反饋，對盲人的出行有至關(guān)重要的作用。幫助盲人快速高效認識地理環(huán)境，地理環(huán)境中各要素呈現(xiàn)給盲人，可有效減少盲人走彎路，偏離路線等情況的出現(xiàn)。

3 結(jié)束語

本文從盲人空間認知的研究現(xiàn)狀、以及基于Haptic盲人導(dǎo)航服務(wù)的應(yīng)用進行了闡述和總結(jié)。基于Haptic的盲人導(dǎo)航服務(wù)向著多種技術(shù)手段融合應(yīng)用和功能多樣化的方向發(fā)展；震動提示從單個單模式向著多組多模式的方向發(fā)展；從粗略地圖導(dǎo)航向著精細地圖導(dǎo)航的方向發(fā)展。到目前為止，關(guān)于盲人的空間認知，路徑誘導(dǎo)中對盲人偏離路徑的容忍程度仍需討論；對震動提示，只是作為一種提示手段，對差異性震動提示仍未做深入研究；路徑導(dǎo)航中，在距離路口什么位置提示，何時提示仍然值得探討。

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