基于Haptic技術的盲人路徑誘導輔具應用研究現狀*

王冠生，鄭江華，2，瓦哈甫·哈力克，2，劉海亮

（1．新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830046;2．新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046）

0 引言

由于盲人視覺能力的喪失，使其在復雜移動環境中行走時必然面對眾多挑戰:獲取一定距離的空間信息;通過標志取得方向暗示;保持對方向和位置的判定和追蹤，以及到達某一標志時能夠有效識別等［1］。盲人在行走過程中快速、高效、獨立地定位自己也就成為一項艱難的任務，研究表明，這主要取決于一系列包括對空間信息的感知、編碼、學習和回憶等復雜性比較高的認知過程［2］。盲人的空間認知主要依賴于非視覺的其他感知的綜合感受，即盲人必須依靠其他的感覺（如觸覺、聽覺、嗅覺等）獲得環境信息，達到對空間信息的理解。基于此，世界各國的眾多專家和學者一直致力于各種盲人路徑誘導工具、裝置的研究和應用，以導盲工具的警示來輔助提高盲人對空間的認知水平，更好地指導盲人獨立、安全行走，切實提高盲人生活質量。

1 基于Haptic技術的盲人導航/路徑誘導輔具概述

針對盲人出行難的問題，盲人行走第三方輔助工具的研究與應用取得了較大進展，特別是基于單聲音通道提示導航信息的研究與應用［3～6］。但這類基于聲音達到路徑誘導功能的目的產品，當在吵雜的環境等公共場合時，語音的功效可能會大大降低甚至失去作用，這時，基于觸覺研究就顯得尤為重要。觸覺是一種分布于全身皮膚上的神經細胞接受來自外界的壓力、振動、溫度、濕度等方面的感覺，具有抗噪聲干擾、反饋及時和高效性等優點。作為聽覺后的又一個重要的信息傳遞通道，盲人又優于常人的觸覺資源，震動技術應用于盲人領域逐漸得以探索。

針對盲人特殊的空間認知，對路徑誘導環境特定的感知和敏銳于常人的觸覺資源，從單傳感器，到多傳感器以及與全球定位系統（global positioning system，GPS）、射頻識別（radio frequency identification，RFID）、Bluetooth 等技術的集成使用，從傳統的盲杖和導盲犬，到較為現代化的智能盲杖、導盲機器人、電子導盲設備以及嵌入式智能導盲系統等各式各樣的導盲系統和裝置，震動交互技術無不貫穿其中［7～12］。

基于Haptic技術的盲人導航/路徑誘導輔具是以用戶為中心系統通過處理加工采集的環境信息并以震動或震動與聲音等的集成形式傳達給盲人，通過結合盲人空間認知來達到環境信息的理解以實現定位和導航。功能模塊如圖1所示。

圖1 功能模塊圖Fig 1 Function module diagram

2 盲人導航/路徑誘導輔具研究與應用現狀

2．1 地理空間認知學科發展

從20世紀90年代中后期開始，隨著地理信息科學的快速發展和廣泛應用，作為地理信息科學的核心內容之一的地理空間認知（geospatial cognition）引起了世界各國的廣泛注意和重視［13］。1995年，美國國家地理信息與分析（NCGIA）中心發表了“Advancing Geographic Information Science”報告，把地理空間認知模型研究定調為地理信息科學的三大戰略領域之一［14］。1996年，美國地理信息科學大學研究會（UOGIS）又把地理信息認知的研究列為10個優先研究主題之一［15］。美國國家科學基金會（NSF）為了支持NCGIA繼續推動和發展地理信息科學，自1997年，多年資助Varenius項目，支持包括地理空間認知等這三大戰略領域的研究。1997年，在北京舉行的有關地理學專家討論報告中，把地理信息認知作為GIS的基礎理論研究之一，也成為地球信息機理的重要組成部分［16］。2001年，國家自然科學基金委在國家自然科學基金優先資助領域戰略研究報告中，把地理空間認知研究作為基礎理論研究內容之一，并列入優先資助范圍［17］。此后，中國國家自然科學基金委員和各部委曾先后多次資助空間認知相關的研究項目［18］。這表明，地理空間認知研究是地理信息科學的核心問題之一，已經得到包括國家和社會等層面的普遍認同和支持。

2．2 盲人空間認知研究現狀

“尋路”（wayfinding）是一種認知行為，是用戶利用從周圍空間環境中所獲取的地理信息進行決策的過程［19］。“尋路研究”就是研究人類在空間定位和導航的認知過程，知道自己從哪到哪和選擇最佳路徑（或有效路徑）的空間認知能力研究。

為了提高盲人的生活質量，能夠讓盲人在行走過程中安全、獨立自主地定位和方向判別，即能夠成功尋路，世界各國一直從事于盲人空間認知領域基礎研究，并證明了盲人顯示出與明眼人一樣甚至更具優越感的觸覺和聽覺區分、定位、語言加工、廣度和長期記憶等能力［20］。從基礎的環境認知地圖研究，通過觸覺地圖行走實驗，輔助盲人對空間環境認知水平［21］，到盲人和明眼人對空間環境中物體認知水平進行對比研究［22］，以及通過聲音來判斷房間大小、是否空滿和天花板高度等，以此來研究盲人對空間的認知［23］等，盲人對空間認知的研究已經得到更多關注，并認為盲人比明眼人更善于使用空間認知機制，這種補償機制在一定程度上能夠克服其視力缺失的局限性［24］。2011年，Lahav O等人［25］對盲人方向性和移動性進行實驗研究并指出需要注意的5個方面:1）充分利用各種感覺標志和線索;2）利用剩余視力或光感和聽覺信號掃描行走路徑;3）利用基本提示行走（如盲道）;4）當迷失方向（或解決問題）有能力恢復狀態;5）組建行走路徑“心境地圖”等。2012年，Pasqualotto A和Proulx M J［26］從神經可塑性的醫學角度說明盲人視力的缺失導致剩余感官自適應重組，造就了更加敏銳的聽覺和觸覺，進一步說明盲人具有優越的觸覺等資源，對空間信息有異于常人的認知。

2．3 Haptic技術用于盲人觸覺研究現狀

從20世紀70～80年代開始，一些學者就已經開始對盲人觸覺信息進行研究。并根據震動對身體的敏感程度不同，指出手指對0～10000 Hz的震動是敏感的，對230 Hz左右的震動最為敏感［27］，在利用震動作用于前臂和軀干進行傳遞信息比較研究后，認為對人體觸覺的最敏感的頻率段為100～300Hz，并進行震動頻率判別實驗［28］。2010年Jonghyun R等人［29］基于移動設備進行多組合震動閾值和震動頻率實驗研究，結果顯示對觸覺最敏感的頻率段為200～300 Hz，而在250 Hz時最為敏感。接著眾多學者進一步基于移動設備震動的頻率和對觸覺感知的震動適宜性進行研究，并揭示適宜性震動模式和指出震動在250 Hz時最為敏感［30，31］。

2．4 盲人導航/路徑誘導輔助工具研究與應用現狀

從20世紀60～70年代導盲工具剛起步時，震動技術已經應用其中，從具有單一傳感器的超聲測距儀器，通過觸覺獲得震動感提示障礙物的距離信息，到多個傳感器集成使用，獲取較多的障礙物信息進行震動誘導［7］，以及基于CCD攝像頭獲取更全面的環境信息的穿戴式“立體視覺”原型系統［8］和較為笨重適合于視障者以及老年人的機器人［9］等。此階段的單一傳感器到多傳感器類型集成使用，盲人導航/路徑誘導輔具主要類似于警報器，當檢測到障礙物等目標時，就會以警告信號（在此主要討論的是振動信號）提示盲人用戶，不同傳感器類型可以獲取不同的障礙物信息。隨著電子計算機圖像處理技術快速發展，系統能從環境中獲取豐富而全面的環境信息，包括道路信息等，并通過有效的手段（震動與其他集成）把多維度信息顯示出來，再結合盲人對空間的認知，用戶便可以“看到”環境信息。

近幾年來，隨著GPS，RFID，Bluetooth等技術的發展，相繼涌入盲人導航領域并常常和Haptic技術一道應用于盲人路徑誘導，為盲人誘導工具的人性化、智能化發展提供可能性。2008年，Ghiani G等人［10］進行了室內博物館導盲研究，把RFID標簽信息與博物館藏物信息在數據庫進行關聯，利用集成在移動設備PDA上的RFID識別器讀取標簽，通過TTS（text to speech）語音系統播報詳細信息和戴在2個手指上制動裝置以震動模式進行路徑誘導。2010年，Yelamarthi K等人［11］研制了基于RFID和GPS的智能機器人原型機，可以進行室內外導航，利用超聲波和紅外進行避障，利用語音和觸覺手套進行交互達到導航目的。Cang Ye［3］在手杖上集成包括3D圖像傳感器單元和用于圖像采集和處理的掌上電腦的手持導航設備，利用3D圖像傳感器獲取圖像傳遞給電腦設備，然后進行分析重組三維場景，通過藍牙耳機與震動的方式進行避障和路徑誘導。2011年，Hossain E等人［12］完善了地形檢測研究，在穿戴式要帶上集成4只超聲波傳感器（檢測樓梯和低洼之處）和1只紅外傳感器，這些傳感器與分析地形的微處理器、便攜式電腦相連，用馬達震動和嗡嗡聲音形式輸出障礙物及其類型信息。隨著GPS，RFID，計算機視覺等技術的成熟應用，系統能夠幫助用戶判斷路徑方向和障礙物的位置等更全面環境信息，進行有效避障誘導，并能實現雙向人機交互，用戶向系統提出服務請求，系統智能化地為用戶提供各種信息服務。

3 盲人導航/路徑誘導輔具發展趨勢與存在的問題

3．1 震動與其他技術集成化發展

20世紀70年代隨著超聲、激光等傳感器技術的持續發展，并逐步應用到盲人導航/路徑誘導領域，從單一傳感器向多傳感器集成發展。當檢測到障礙物等目標時，就會類似于警報器發出警告信號（震動信號或其他集成）提示盲人用戶，不同傳感器類型可以獲取不同的障礙物信息。20世紀90年末～21世紀初，隨著電子計算機圖像處理技術成熟應用，系統能從環境中獲取豐富而全面的環境信息，并通過有效的手段把多維度信息顯示出來，從此用戶可以“看到”環境信息。特別是近幾年來的計算機視覺技術，GPS，RFID，Bluetooth等技術的快速發展及其它們的集成使用，系統能夠幫助用戶判斷路徑方向和障礙物的位置等更全面環境信息，更好地輔助提高盲人對空間認知水平，進行有效避障誘導，并能實現雙向人機交互，用戶向系統提出服務請求，系統人性化、智能化地為用戶提供信息服務。

3．2 震動差異性發展

震動技術在和其他高新技術集成使用的同時，其本身也不間斷發展，從一般震動得到對人體觸覺最敏感頻率，到較為適宜性震動模式。震動技術正在多模式化、多通道化發展，基于震動頻率大小、震動持續時間長短、震動等待時間長短以及是否重復震動的不同來控制震動的差異性，不同形式震動表示不同的空間信息，利用多模式震動輔助盲人對空間認知，通過多維信息進行路徑誘導。

3．3 存在的主要問題

像其他盲人導航/路徑誘導輔具一樣，基于Haptic技術的盲人導航/路徑誘導輔具大多還處于發展之中，仍有許多技術、輔具功能、硬件結構以及誘導閾值問題等有待深入研究和探索。

1）技術和功能方面:設備有的功能單一，具有針對性、區域性，例如:有的只針對紅綠燈、斑馬線，有的只針對障礙物，有的只在室內有效，有的只在室外導航，有的只針對某段路線等，缺乏通用性，不能全方位地滿足用戶需求;有的結構復雜，價格昂貴，不易一般用戶消費;有的使用不便，需長期學習或培訓;有的人機交互和緊急事件的安全性考慮不足等等。因此，多數還都是處在實驗室階段的開發和測試中。

2）誘導閾值:雖然絕大多數輔具都能有效提醒，但到達什么位置時提醒，離目標物體多遠時提醒，提醒偏離路徑在返回正確路徑多少為合理值等這一系列閾值問題仍然沒有很好的解決。

3）負作用:震動長時間作用于人的皮膚容易產生麻痹或疼痛的感覺，信息表達維度比較有限。

3．4 對 策

隨著科學技術發展和社會的持續進步，基于Haptic技術的盲人導航/路徑誘導輔具存在的主要問題定會逐漸減弱。在技術和功能方面，考慮結構復雜性、易用性的同時，通過多技術、多模式集成并不斷優化，使其更具普遍性、智能性。在誘導閾值方面，結合盲人路徑誘導認知，通過對多組合、多類型盲人路徑誘導實驗，結合實驗數據、空間認知、盲人心理等因素進行充分研究和分析以及獲取經驗值等，在取得初步閾值后反過來指導盲人路徑誘導實驗，驗證其有效性并逐步完善，提出真正較為合理的路徑誘導閾值。在負作用方面，深挖震動技術，探討最適宜性震動模式，并與其他形式（語音等）集成使用，定會取得較好效果，既能滿足了盲人多通道信息需求，又能增強盲人路徑服務的環境適應性，更具人性化。

4 結束語

在較為吵雜的環境或不適合使用語音的條件下，對于盲人來說依靠觸覺傳遞信息無疑是最佳的選擇，從傳感器檢測障礙物到圖像處理技術的成熟應用以及與快速發展起來GPS，RFID，Bluetooth等技術的集成使用，震動技術也向多模式、多維度發展，更能體現抗噪聲干擾、反饋及時和高有效性等優點，特別是在盲人導航領域的應用，內容橫跨地理學、空間認知學、心理學、電子計算機等諸多學科領域，更富有挑戰性。從工效學評價和用戶心理學角度出發，結合盲人空間認知研制一種結構簡單、便攜帶、易使用、低成本的人性化盲人導航/路徑誘導輔具已經成為此領域研究的熱點所在。

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