楊茜雯，趙 航

（1.吉林動(dòng)畫(huà)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春吉糧天裕生物工程有限公司智能管理服務(wù)分公司，吉林 吉林 132000）

0 引言

圖形圖像是最常見(jiàn)的信息載體，有60%～70%的信息是以圖形圖像的方式來(lái)呈現(xiàn)的。視力障礙者主要借助觸覺(jué)來(lái)感知圖形圖像類(lèi)信息?，F(xiàn)有的觸覺(jué)圖形主要以紙張和電子顯示屏承載。觸覺(jué)圖形在紙張上的表現(xiàn)是通過(guò)壓印、盲文觸點(diǎn)打印、熱塑等方式改變紙張的凸起，以此形成具有圖形語(yǔ)義的觸覺(jué)信息，但紙張能夠承載的信息種類(lèi)和內(nèi)容有限，也無(wú)法實(shí)時(shí)地、動(dòng)態(tài)地承載觸覺(jué)信息。適用于視力障礙者的電子顯示器主要分為觸覺(jué)點(diǎn)顯器和觸覺(jué)圖形顯示器，都能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)上的圖形圖像用觸覺(jué)圖形同步顯示，以便視力障礙者摸讀。對(duì)于觸覺(jué)圖形的研究，目前主要集中在對(duì)觸覺(jué)刺激的技術(shù)研究、對(duì)觸覺(jué)認(rèn)知和觸覺(jué)圖形顯示器的設(shè)備開(kāi)發(fā)上，鮮有學(xué)者對(duì)觸覺(jué)圖形顯示器的觸覺(jué)體驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)探討。本文基于國(guó)際通用的布萊爾盲文參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)觸覺(jué)圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，并采用3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)模型，邀請(qǐng)30 名視力障礙者對(duì)模型進(jìn)行體驗(yàn)評(píng)估。

1 觸覺(jué)和觸覺(jué)感知機(jī)制

1.1 觸 覺(jué)

觸覺(jué)是機(jī)械刺激通過(guò)觸覺(jué)感受器作用于皮膚產(chǎn)生的感覺(jué)，是唯一可以代替視覺(jué)的感知系統(tǒng)。通過(guò)觸覺(jué)，人可以感受到刺激物體的形狀或大小等信息。視力障礙者主要通過(guò)觸摸來(lái)感知外部世界，皮膚上的感受器比正常人更敏感。觸覺(jué)的體驗(yàn)構(gòu)成是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，指尖是人體觸覺(jué)最靈敏的部位之一。手指皮膚觸覺(jué)的感知受多種因素的影響，如力的大小、力的方向、觸碰角度、滑動(dòng)速度以及皮膚的溫度和濕度等。大量研究在觸覺(jué)感知及其反饋機(jī)制方面有所發(fā)現(xiàn)。有研究表明，人群的種族、年齡和性別對(duì)皮膚的摩擦性能沒(méi)有顯著影響。指尖的生理結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)層的力學(xué)感知也有差異[1]。觸覺(jué)感知和認(rèn)知、觸覺(jué)學(xué)習(xí)和記憶、觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制和觸覺(jué)人機(jī)交互等方向是觸覺(jué)研究的熱門(mén)研究方向。而對(duì)于觸覺(jué)圖形的研究，多與觸覺(jué)感知和認(rèn)知、觸覺(jué)人機(jī)交互等方向進(jìn)行交叉融合。

1.2 觸覺(jué)感知機(jī)制

皮膚通過(guò)與其他物體進(jìn)行摩擦而產(chǎn)生刺激，人通過(guò)接受刺激產(chǎn)生感知。皮膚細(xì)胞上的感受器受到外部刺激被激活，從而向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳達(dá)信號(hào)。這些信息隨著神經(jīng)纖維進(jìn)入脊髓，再被傳到腦干進(jìn)行進(jìn)一步處理[2]。對(duì)觸覺(jué)感知的研究涉及生物學(xué)、皮膚摩擦學(xué)和行為學(xué)等方面，在觸覺(jué)傳感技術(shù)和觸覺(jué)顯示技術(shù)等方面有廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的用于測(cè)試觸覺(jué)感知的觸摸方式包括靜態(tài)觸摸（下壓）、滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)、抓取、敲擊、外界振動(dòng)刺激以及用工具（如觸控筆）觸摸等，通過(guò)不同材料對(duì)觸摸的愉悅度或舒適度進(jìn)行評(píng)估。

2 觸覺(jué)圖形顯示設(shè)備

清華大學(xué)未來(lái)實(shí)驗(yàn)室在觸覺(jué)圖形和觸覺(jué)圖形顯示器方面的研究取得了諸多成果。焦陽(yáng)[3]等人基于以用戶為中心的設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了視聽(tīng)結(jié)合的觸覺(jué)圖形顯示設(shè)備，并針對(duì)觸覺(jué)圖像的呈現(xiàn)提供了使觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)認(rèn)知同步的設(shè)備交互，通過(guò)用戶測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)備的可用性和易用性。江寧[4]等人針對(duì)觸覺(jué)圖形顯示器所顯示的圖像信息準(zhǔn)確問(wèn)題，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)因素，設(shè)計(jì)了T-圖像交流語(yǔ)言系統(tǒng)，使計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)地完成由圖像轉(zhuǎn)化成盲人容易理解的、具有明確語(yǔ)義的觸摸圖像。斯坦福大學(xué)SIU A F[5]等人基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適用于視力障礙者混合編程的2.5D 觸覺(jué)顯示器，可以使盲人用戶參與到3D 模型設(shè)計(jì)中，并通過(guò)3D 打印技術(shù)將模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物。麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)[6]使用帶有觸覺(jué)傳感器的機(jī)械臂采集了對(duì)200 種物體的觸摸超過(guò)12 000 次的觸覺(jué)信息，其中包括常見(jiàn)的家庭用品、工具和紡織物等，并建立了“觸覺(jué)-視覺(jué)”對(duì)應(yīng)圖像?，F(xiàn)今，對(duì)于觸覺(jué)圖形顯示器的開(kāi)發(fā)已經(jīng)滿足基礎(chǔ)的圖形識(shí)別、信息實(shí)時(shí)傳輸和顯示以及人機(jī)交互需求。觸覺(jué)圖形顯示器如Graille、Sheet-type braille displays、novel BrailleDis 9000 pin-Matrix 等基于盲文模塊設(shè)計(jì)的矩陣器件都可以關(guān)聯(lián)計(jì)算機(jī)設(shè)備與人類(lèi)進(jìn)行交互并提供信息。然而，現(xiàn)有的交互數(shù)據(jù)只能實(shí)現(xiàn)文字閱讀和圖形顯示等特定環(huán)境下的交互，還不具備在復(fù)雜環(huán)境中的實(shí)時(shí)識(shí)別和觸覺(jué)交互能力。創(chuàng)建廣泛的、高質(zhì)量的觸覺(jué)圖像，仍是研究者所面臨的挑戰(zhàn)。并且，高額的研發(fā)和生產(chǎn)成本使得用戶人群無(wú)法負(fù)擔(dān)。

3 觸覺(jué)圖形設(shè)計(jì)

觸覺(jué)圖形又稱(chēng)觸覺(jué)圖或盲圖，由點(diǎn)、線、面、盲文標(biāo)注和色彩5 部分組成，是專(zhuān)門(mén)為視力障礙者設(shè)計(jì)的可觸摸識(shí)別的三維凹凸符號(hào)。盲文采用3×2共6 個(gè)凸點(diǎn)為基本結(jié)構(gòu)，是最常見(jiàn)的觸覺(jué)圖形。2021 年5 月，中國(guó)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《觸摸圖形設(shè)計(jì)及圖例》（GB/T 40142—2021），在日常生活、數(shù)學(xué)學(xué)科和物理學(xué)科等方面給予資料參考，指明了觸摸圖形的組成要素，觸摸圖形設(shè)計(jì)的原則、要求及校對(duì)方法。單一的點(diǎn)狀觸摸圖形無(wú)法表達(dá)復(fù)雜信息。在復(fù)雜圖形的設(shè)計(jì)中，觸摸圖形的形狀和空間關(guān)系十分重要。尤其是轉(zhuǎn)譯大型的藝術(shù)作品，相比于單一物品的表達(dá)需要更大的空間，也意味著更高的成本。隨著三維打印技術(shù)的進(jìn)步，低成本的原型設(shè)計(jì)和三維模型制作給觸摸圖形的設(shè)計(jì)帶了更好的機(jī)會(huì)。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和交互技術(shù)的幫助下，觸覺(jué)圖形的設(shè)計(jì)可以通過(guò)更便捷的方式進(jìn)行調(diào)整與反饋。

國(guó)際通用的布萊葉盲文包含256 個(gè)字符，應(yīng)用要求保持2.5 mm 的點(diǎn)間距以保證盲人用戶能夠清晰地識(shí)讀。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)盲文》（GB/T 15720—2008）對(duì)盲符和盲文手寫(xiě)板的尺寸參數(shù)制定了規(guī)范，其中要求盲符的點(diǎn)徑為1.0 ～1.6 mm，點(diǎn)高為0.2 ～0.5 mm，點(diǎn)距為2.2 ～2.8 mm。此規(guī)定自2008 年起沿用至今。

4 參數(shù)化設(shè)計(jì)與3D 打印

參數(shù)化設(shè)計(jì)可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)圖形的快捷更改。目前在工程設(shè)計(jì)中使用的AutoCAD、Rhino 等軟件都是基于參數(shù)化設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的計(jì)算和顯示。觸覺(jué)圖形的點(diǎn)、線、面等基本元素在形態(tài)設(shè)計(jì)上有一定的規(guī)律性，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的快速建模和修改。AutoCAD 和Rhino 軟件還可以連接3D 打印設(shè)備，以便在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段實(shí)現(xiàn)多樣的、高相似的實(shí)驗(yàn)樣品。

本文設(shè)計(jì)了適用于觸覺(jué)圖形顯示器的觸摸圖形的基本形態(tài)，并利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)觸覺(jué)圖形的基本形態(tài)設(shè)計(jì)了42 個(gè)變形；邀請(qǐng)了30 名受試者對(duì)42 個(gè)變形進(jìn)行觸摸感知實(shí)驗(yàn)，篩選出最適宜的基本形態(tài)參數(shù)。

5 觸覺(jué)圖形參數(shù)化設(shè)計(jì)和感知實(shí)驗(yàn)

5.1 觸覺(jué)圖形的參數(shù)化設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中的觸覺(jué)圖形參照《中國(guó)盲文》（GB/T 15720—2008）中圖形的設(shè)計(jì)規(guī)范和人機(jī)工學(xué)手指尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。觸覺(jué)圖形的基本形態(tài)一般為旋轉(zhuǎn)曲面，旋轉(zhuǎn)曲面由母線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，如圖1所示。

圖1 觸覺(jué)圖形基本形態(tài)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩種旋轉(zhuǎn)曲面的母線，限制點(diǎn)徑范圍為10 ～14 mm、點(diǎn)高2 ～14 mm，共組成42 個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖2 所示。其中，模型組A 為母線頂點(diǎn)切線水平平行的圖形，模型組B 為拋物線圖形。

圖2 觸覺(jué)圖形實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

5.2 感知實(shí)驗(yàn)

感知實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)了來(lái)自吉林動(dòng)畫(huà)學(xué)院的30 名本科生，年齡在18 ～25 歲，且手指沒(méi)有明顯的畸形和嚴(yán)重外傷，食指和中指的指紋完整。實(shí)驗(yàn)前，所有受試者被要求用酒精擦拭慣用的食指和中指。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有受試者被要求閉眼進(jìn)行感知實(shí)驗(yàn)。在不同的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，手指與平面所構(gòu)成的角度變化范圍一般在20 ～75°，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)手指與觸摸圖形的接觸角度大致保持為30°，要求受試者在觸摸過(guò)程中保持角度不變。受試者輪流在不同實(shí)驗(yàn)條件下選擇出最適宜條件的對(duì)象。具體包括以下實(shí)驗(yàn)條件。

（1）食指按壓舒適實(shí)驗(yàn)。用食指對(duì)模型進(jìn)行按壓，選擇感到最舒適的模型。手指不能來(lái)回滑動(dòng)。

（2）食指滑動(dòng)舒適實(shí)驗(yàn)。用食指來(lái)回滑動(dòng)，選擇感到最舒適的模型。

（3）視覺(jué)舒適實(shí)驗(yàn)。睜開(kāi)眼睛，選擇看起來(lái)最舒適的模型。

（4）食指刺激實(shí)驗(yàn)。用食指對(duì)模型進(jìn)行按壓，選擇感到最刺激的模型。手指不能來(lái)回滑動(dòng)。

（5）中指按壓舒適實(shí)驗(yàn)。用中指對(duì)模型進(jìn)行按壓，選擇感到最舒適的模型。手指不能來(lái)回滑動(dòng)。

（6）中指滑動(dòng)舒適實(shí)驗(yàn)。用中指來(lái)回滑動(dòng)，選擇感到最舒適的模型。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在感知實(shí)驗(yàn)中，上述每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行210 次，為實(shí)驗(yàn)篩選提供了充足的樣本數(shù)據(jù)。圖3 展示了食指按壓舒適實(shí)驗(yàn)的樣本被選頻次（10 次以上），其中模型組B 中點(diǎn)徑為2 mm 的B1、B8和B15號(hào)樣本均被高頻選擇，而模型組A 中高頻被選對(duì)象集中在點(diǎn)高8 mm 和點(diǎn)高10 mm 的樣本中，點(diǎn)高12 mm 和14 mm 的樣本也被較高頻次選擇。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)曲面表面頂點(diǎn)尖銳時(shí)，點(diǎn)高越小，觸覺(jué)圖形的觸摸舒適度越高；當(dāng)旋轉(zhuǎn)曲面表面頂點(diǎn)為平滑狀時(shí)，觸感的舒適指向點(diǎn)高較高的圖形。圖4 展示了食指滑動(dòng)舒適實(shí)驗(yàn)的樣本被選頻次（10 次以上），其中B1、B13、B15號(hào)樣本均來(lái)源于模型組B，它們的點(diǎn)高與點(diǎn)徑并無(wú)關(guān)聯(lián)關(guān)系；僅12 號(hào)樣本來(lái)源于模型組A。

圖3 食指按壓舒適實(shí)驗(yàn)樣本被選頻次（10 次以上）

圖4 食指滑動(dòng)舒適實(shí)驗(yàn)樣本被選頻次（10 次以上）

圖5展示了視覺(jué)舒適實(shí)驗(yàn)的樣本被選頻次（10 次以上）。其中，B15、B17和A19號(hào)樣本點(diǎn)徑均為14 mm；A12和A14號(hào)樣本點(diǎn)徑均為12 mm；A12和A19號(hào)樣本點(diǎn)徑均為10 mm。在食指刺激實(shí)驗(yàn)中，模型組A 中被選樣品更偏向于點(diǎn)高較小的范圍，其中A1、A3、A10、A16號(hào)樣品的點(diǎn)徑均≤6 mm。在模型組B 中，B4、B6、B7、B11和B14號(hào)樣品被高頻選擇，點(diǎn)徑均≥8 mm。

圖5 視覺(jué)舒適實(shí)驗(yàn)樣本被選頻次（10 次以上）

在中指按壓舒適實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)組A 中的被選樣本點(diǎn)高范圍在8 ～14 mm，而實(shí)驗(yàn)組B 中的被選樣本之間的參數(shù)無(wú)直接關(guān)聯(lián)關(guān)系。在中指滑動(dòng)舒適實(shí)驗(yàn)中，其中B1、B8、B13、B15和B16樣本均來(lái)自表面較為尖銳的實(shí)驗(yàn)組B。

綜合上述6 個(gè)實(shí)驗(yàn)的樣本被選頻次，B15號(hào)樣本在其中5 個(gè)實(shí)驗(yàn)中被最高頻次選擇，總被選頻次為75 次，其點(diǎn)高為2 mm、點(diǎn)徑為14 mm；B1號(hào)樣本在4 個(gè)實(shí)驗(yàn)中被次高頻次選擇，總被選頻次為50 次，其點(diǎn)高為2 mm、點(diǎn)徑為10 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以觸覺(jué)圖形為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)觸覺(jué)圖形的參數(shù)化設(shè)計(jì)和感知實(shí)驗(yàn)，探索了適用于觸覺(jué)圖形顯示器的基礎(chǔ)圖形的適配參數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定選擇出一個(gè)較為合理的樣本模型。但觸覺(jué)圖形的組合與顯示是多樣化的，在實(shí)際的圖形顯示器工作中是多個(gè)樣本協(xié)同合作。在無(wú)障礙信息圖形相關(guān)領(lǐng)域，對(duì)于觸覺(jué)圖形的組合與顯示和多個(gè)樣本作用的感知，是本研究的拓展方向。