摘要:為了增強老年人居家養(yǎng)老生活空間的適老性,研究提出一種基于激光雷達的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng),為養(yǎng)老空間設計改造提供建模輔助,并提出面向居家養(yǎng)老的室內(nèi)空間設計改造原則和策略。文章利用專家征詢法對設計效果進行評價,設計改造策略的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益評分分別為86.77分、82.23分和80.62分,專家對設計的適老性、舒適性、便利性等指標評價均較高。以激光雷達三維重建為基礎,設計改造居家養(yǎng)老的生活空間,能有效滿足老年人的多層次養(yǎng)老需求,對提升老年人居家養(yǎng)老生活質(zhì)量具有重要價值。
關鍵詞:激光雷達;三維重建;居家養(yǎng)老;室內(nèi)設計
中圖分類號:TU241.93 文獻標識碼:A 文章編號:1004-9436(2022)17-0-04
0 引言
近年來,隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,社會人口結構呈現(xiàn)出老齡化的趨勢,老齡人口占總人口比例較高[1]。我國家庭結構也呈現(xiàn)出小型化和少子化的特點,年輕人的養(yǎng)老負擔較重,社會養(yǎng)老壓力也在不斷增加。居家養(yǎng)老是現(xiàn)階段最常見的老年人養(yǎng)老模式,老年人更加適應在熟悉的家庭環(huán)境下養(yǎng)老,保持原有的生活節(jié)奏和方式[2]。但是絕大多數(shù)家庭在進行室內(nèi)裝修設計時,對老年人養(yǎng)老需求的考慮不足,導致家庭環(huán)境室內(nèi)設計存在適老化程度較低的問題,不利于老年人的居家養(yǎng)老生活[3-4]。因此,研究針對居家養(yǎng)老老年人,提出基于激光雷達的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng),對居家養(yǎng)老空間進行三維建模,并提出居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計改造策略。研究期望通過室內(nèi)設計改造的方式為居家養(yǎng)老老年人創(chuàng)造更好的生活環(huán)境,以促進老年人居家養(yǎng)老生活質(zhì)量的提升。
1 基于激光雷達的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計
1.1 基于激光雷達的養(yǎng)老空間三維重建系統(tǒng)設計
為了滿足居家養(yǎng)老老年人的生活需求,對老年人的居家環(huán)境進行適老化設計改造,須首先對改造空間進行三維建模,以便后續(xù)開展內(nèi)部空間設計工作,為設計規(guī)劃提供模型架構的技術基礎?,F(xiàn)有室內(nèi)環(huán)境三維重建方法主要分為激光掃描和視覺測繪兩種。視覺測繪通常使用深度攝像機或雙目及多目攝像機獲取建筑內(nèi)部空間的深度信息,能采集到豐富的空間語義信息,但是視覺測繪技術存在動態(tài)性不足、計算負荷量大、累計誤差大等問題,并且對測量環(huán)境的光影條件要求較高[5]。激光掃描技術更為直接可靠,三維重建結果不受累計誤差的影響,因此研究通過激光雷達三維重建的方式,實現(xiàn)對養(yǎng)老改造空間的測繪建模,利用激光雷達探測掃描室內(nèi)空間環(huán)境,并融合慣導三維重建系統(tǒng),建立改造養(yǎng)老環(huán)境的三維空間模型。
圖1所示。三維重建系統(tǒng)包括上位機和下位機兩個模塊,其中上位機模塊為電腦終端,通過無線網(wǎng)絡與下位模塊通信,實現(xiàn)對激光掃描結果的顯示和儲存。下位機使用移動式小車搭載激光雷達測繪,移動小車配備Raspberry Pi“樹莓派”作為控制和運算核心,并連接移動測速模塊、MPU6050芯片和RPLIDAR A2激光雷達,實現(xiàn)測速反饋、移動控制和掃描測繪功能的集合。移動測速模塊利用安裝在車輪上的測速碼盤,實時測量與反饋小車的移動速度。MPU6050芯片則主要用于獲取小車位姿信息。RPLIDAR A2激光雷達使用三角測距法進行激光測距采樣,雷達測量模塊保持勻速旋轉(zhuǎn),由發(fā)射端發(fā)射調(diào)制好的紅外激光信號,再由接收端接收物體反射回來的紅外激光,通過雷達內(nèi)部傳感器的實時運算,獲取測量物體與雷達的距離和角度信息,實現(xiàn)對空間信息的激光測繪。將激光雷達垂直安裝在移動小車上,每當測量模塊完成一周旋轉(zhuǎn),即可獲取一個空間垂直切面的點云信息。最終系統(tǒng)通過對多個空間垂直切面點云信息的疊加組合,形成測量空間的三維點云,完成對目標空間環(huán)境的激光掃描三維重建。
基于激光雷達的室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸采用多線程并行的方式,多模塊的數(shù)據(jù)采集和解算均在同一時刻進行,以保證最終三維重建結果的連貫性與準確性。基于激光雷達的室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng)軟件運行流程如圖2所示。首先建立上位機與下位機之間的網(wǎng)絡連接,再由Raspberry Pi連通各個模塊,完成系統(tǒng)初始化。通過對移動數(shù)據(jù)的融合解算測量系統(tǒng)的位姿信息,將激光雷達掃描得到的點云數(shù)據(jù)與位姿信息相結合,獲得目標空間的三維點云信息。移動數(shù)據(jù)融合方法如圖3所示,利用陀螺儀和加速度計測量整合測量模塊的位姿信息和位置信息,通過對陀螺儀的角速度進行積分獲得位姿角,并使用加速度計獲取靜止狀態(tài)下的位姿角信息。并且為了避免累計誤差的影響,采用卡爾曼濾波算法融合兩種位姿角數(shù)據(jù),并整合融合后的位姿信息與線速度值,得到系統(tǒng)位置信息后,進一步與位姿信息進行互補濾波器融合,獲取系統(tǒng)的準確位置數(shù)據(jù)。
1.2 面向居家養(yǎng)老的室內(nèi)空間設計改造策略
隨著年齡的增長和身體機能的退化,老年人在室內(nèi)空間的停留時間越來越長,老年人對室內(nèi)空間環(huán)境設施的依賴程度和要求也逐漸提升[6]。因此,為了提升居家養(yǎng)老老年人的養(yǎng)老生活質(zhì)量,研究對老年人居家養(yǎng)老空間進行分析,結合室內(nèi)空間的三維建模,提出居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計改造的原則和策略。
研究從居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計的安全性、方便性、健康性、心理性和發(fā)展性五個角度出發(fā),設計規(guī)劃居家養(yǎng)老空間的室內(nèi)環(huán)境。老年人居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計改造原則如圖4所示。年齡的增長使老年人的身體行動能力和靈活性不斷降低,老年人對環(huán)境和突發(fā)情況的適應能力也明顯低于年輕時期。因此需要增加居家養(yǎng)老空間的安全性設施,以安全性為前提,在衛(wèi)生間、臥室、廚房等危險易發(fā)區(qū)域增加報警裝置,在設計材料選用上多采用皮革等軟包材料,盡量使用圓角處理方式,以降低設計的風險。老年人記憶能力和學習能力的衰退導致其對空間物質(zhì)的交互能力降低。在居家養(yǎng)老空間適老化改造的過程中,應該充分考慮老年人的信息接收與交互的方便性,突出顯示開關、報警等重要裝置的位置,盡量簡化空間功能的使用流程,并貼合老年人的生活習慣。
從居家養(yǎng)老空間的健康性出發(fā)改造,須注意室內(nèi)環(huán)境設計與老年人身體健康的聯(lián)系。一方面保證室內(nèi)空間的良好采光和通風,保持空氣流通,滿足老年人對陽光的需求。在設計材料使用上,也要注重材料的環(huán)保性和安全性,避免甲醛等有害物質(zhì)危害老年人的身體健康。另一方面,合理溫馨的室內(nèi)設計有助于提升老年人的心理體驗,促進老年人的心理健康發(fā)展。老年人的心理健康也是室內(nèi)設計改造的重要因素,設計過程中應該通過設計手法的轉(zhuǎn)換,保證增加的助老輔助設施與空間環(huán)境協(xié)調(diào),顧及老年人的自尊心和自主意識[7-8]。老年人的機能衰退是一個持續(xù)的過程,設計改造時要考慮未來老年人生活需求的動態(tài)變化,進行預設性設計改造,避免二次改造。
可以從空間動線組織、色彩使用、智能融入等多個方面出發(fā)進行適老化設計。一方面,老年人普遍存在行動能力減弱的問題,身體靈活性降低使老年人容易在轉(zhuǎn)身等過程中跌倒,因此設計改造需要增強老年人居住空間的動線流暢性,在考慮空間大小的情況下,使老年人在室內(nèi)的運動軌跡形成連通的環(huán)形通路,加強各個功能空間的聯(lián)系,保證室內(nèi)空間區(qū)域之間的流線移動,降低危險發(fā)生的概率[9]。另一方面,居家養(yǎng)老空間的色彩使用也是設計改造重點關注的問題。室內(nèi)環(huán)境中,背景與裝飾元素的色彩搭配能起到調(diào)節(jié)空間觀感和氛圍的作用,直接影響老年人日常生活的心理感受。研究表明,老年人更喜愛艷麗的色彩搭配[10]。不同色彩的視覺認知特性能對老年人的感官產(chǎn)生影響,在客廳等活動空間中可以使用更加明亮活潑的色系裝點,幫助老年人在輕快明亮的環(huán)境中保持良好的心理狀態(tài)。而書房則需要更加平和寧靜的色彩來搭配,通過色彩和空間的層次組合,幫助老年人舒緩心情,提升老年人的專注力。臥室作為休息空間,要以柔軟放松的色調(diào)設計,為老年人營造溫馨舒適的睡眠環(huán)境。為了提升老年人生活的便利程度,可以在居家養(yǎng)老環(huán)境中引入智能家居,以減輕老年人的基礎生活負擔。在空間的照明、溫度、聲音控制中引入智能控制技術,使用紅外感應、語音控制等方式調(diào)節(jié),并引入遠程監(jiān)控與報警裝置,使子女能及時為老年人提供生活幫助。智能掃地機器人、洗碗機等智能家居設備也能減輕老年人的勞動負擔,幫助老年人維護室內(nèi)環(huán)境的整潔。
2 居家養(yǎng)老室內(nèi)設計效果分析
采用Delphi“應用程序開發(fā)工具”專家征詢法對研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計改造策略進行綜合效益評價,由5名室內(nèi)設計領域?qū)<摇?名養(yǎng)老服務領域?qū)<液?名三維建模領域?qū)<疫M行預調(diào)查和兩輪調(diào)查綜合評價。專家征詢的肯德爾協(xié)調(diào)系數(shù)如表1所示。
從表1中可以看出,13名專家征詢意見的肯德爾系數(shù)較高,專家征詢意見的一致性較高。專家對設計改造策略的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益評價采用100分制。若評估分數(shù)低于35分,表明設計改造策略的效益評價表現(xiàn)較差;評估分數(shù)在35~65分,表示綜合效益評價表現(xiàn)一般;評估分數(shù)在66~85分,表示綜合效益評價表現(xiàn)良好;而當評估分數(shù)高于85分時,則表示綜合效益評價為優(yōu)秀。研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計改造策略的綜合效益專家評價結果如圖5所示。
從圖5中可以看出,采用多個專家評分的方式對居家養(yǎng)老空間設計進行綜合效益評分,其中經(jīng)濟效益的平均評分為82.23分,大部分專家評分在80分以上,只有4名專家的評分在80分以下,原因在于部分專家認為采用激光雷達進行室內(nèi)設計會在技術上產(chǎn)生成本消耗。社會效益的平均評分為86.77分,且所有專家的評分均在80分以上,表明研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計產(chǎn)生的養(yǎng)老效果等社會效益較好。最后可以看出居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計的生態(tài)效益平均評分為80.62分,相較于經(jīng)濟效益與社會效益而言,該室內(nèi)空間設計的生態(tài)效益評分偏低,但是仍然達到了80分以上。收集設計與養(yǎng)老領域?qū)<覍蛹茵B(yǎng)老室內(nèi)設計方案的綜合評價,評分標準采用0~5分制,如表2所示。
從表2中可以看出,在綜合評價中,以適老性、舒適性、便利性、智能性、全局整合性為評價指標,所有設計專業(yè)專家在同一個評價指標中的評分具有一致性。此外,從專家的評分結果中可以看出,專家對所有評價指標的評分均在3分以上,表明專家對當前的居家養(yǎng)老空間設計方案的綜合評價較高。
3 結語
隨著老齡化的不斷加劇,如何針對老年人群的居家養(yǎng)老進行室內(nèi)空間設計是目前設計行業(yè)的重要話題。研究利用激光雷達來實現(xiàn)室內(nèi)三維重建,并以此提出從方便性、安全性、健康性、心理性、發(fā)展性入手設計適合老年人群居住的居家養(yǎng)老空間。最后對研究提出的居家養(yǎng)老空間設計方案進行評價,設計方案的綜合效益評價中顯示,所有專家的評分都在80分以上。居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計的綜合評價中顯示,所有專家評分一致性較高,均認為當前方案具備較強的綜合性能。以上結果表明,研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設計改造策略能有效增強空間的適老性,對提升老年人的生活質(zhì)量具有重要意義。未來可以面向自理、介助等多個階段的老年人進行針對性的設計,為提升老年人的生活質(zhì)量提供思路。
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作者簡介:呂瀟(2000—),女,山東濟南人,本科在讀,研究方向:室內(nèi)空間設計。