面向視力障礙者的觸覺圖形參數化設計

楊茜雯，趙 航

（1.吉林動畫學院，吉林 長春 130000；2.長春吉糧天裕生物工程有限公司智能管理服務分公司，吉林 吉林 132000）

0 引言

圖形圖像是最常見的信息載體，有60%～70%的信息是以圖形圖像的方式來呈現的。視力障礙者主要借助觸覺來感知圖形圖像類信息。現有的觸覺圖形主要以紙張和電子顯示屏承載。觸覺圖形在紙張上的表現是通過壓印、盲文觸點打印、熱塑等方式改變紙張的凸起，以此形成具有圖形語義的觸覺信息，但紙張能夠承載的信息種類和內容有限，也無法實時地、動態地承載觸覺信息。適用于視力障礙者的電子顯示器主要分為觸覺點顯器和觸覺圖形顯示器，都能夠將計算機上的圖形圖像用觸覺圖形同步顯示，以便視力障礙者摸讀。對于觸覺圖形的研究，目前主要集中在對觸覺刺激的技術研究、對觸覺認知和觸覺圖形顯示器的設備開發上，鮮有學者對觸覺圖形顯示器的觸覺體驗進行相關探討。本文基于國際通用的布萊爾盲文參數化標準對觸覺圖形進行設計研究，并采用3D 打印技術實現觸覺模型，邀請30 名視力障礙者對模型進行體驗評估。

1 觸覺和觸覺感知機制

1.1 觸 覺

觸覺是機械刺激通過觸覺感受器作用于皮膚產生的感覺，是唯一可以代替視覺的感知系統。通過觸覺，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觸摸來感知外部世界，皮膚上的感受器比正常人更敏感。觸覺的體驗構成是一項系統性的工作，指尖是人體觸覺最靈敏的部位之一。手指皮膚觸覺的感知受多種因素的影響，如力的大小、力的方向、觸碰角度、滑動速度以及皮膚的溫度和濕度等。大量研究在觸覺感知及其反饋機制方面有所發現。有研究表明，人群的種族、年齡和性別對皮膚的摩擦性能沒有顯著影響。指尖的生理結構較為復雜，不同結構層的力學感知也有差異[1]。觸覺感知和認知、觸覺學習和記憶、觸覺運動控制和觸覺人機交互等方向是觸覺研究的熱門研究方向。而對于觸覺圖形的研究，多與觸覺感知和認知、觸覺人機交互等方向進行交叉融合。

1.2 觸覺感知機制

皮膚通過與其他物體進行摩擦而產生刺激，人通過接受刺激產生感知。皮膚細胞上的感受器受到外部刺激被激活，從而向中樞神經系統傳達信號。這些信息隨著神經纖維進入脊髓，再被傳到腦干進行進一步處理[2]。對觸覺感知的研究涉及生物學、皮膚摩擦學和行為學等方面，在觸覺傳感技術和觸覺顯示技術等方面有廣泛的應用。常見的用于測試觸覺感知的觸摸方式包括靜態觸摸（下壓）、滑動、旋轉滑動、抓取、敲擊、外界振動刺激以及用工具（如觸控筆）觸摸等，通過不同材料對觸摸的愉悅度或舒適度進行評估。

2 觸覺圖形顯示設備

清華大學未來實驗室在觸覺圖形和觸覺圖形顯示器方面的研究取得了諸多成果。焦陽[3]等人基于以用戶為中心的設計方法開發了視聽結合的觸覺圖形顯示設備，并針對觸覺圖像的呈現提供了使觸覺和聽覺認知同步的設備交互，通過用戶測試驗證了設備的可用性和易用性。江寧[4]等人針對觸覺圖形顯示器所顯示的圖像信息準確問題，結合人機工程學因素，設計了T-圖像交流語言系統，使計算機可以自動地完成由圖像轉化成盲人容易理解的、具有明確語義的觸摸圖像。斯坦福大學SIU A F[5]等人基于計算機輔助設計開發了適用于視力障礙者混合編程的2.5D 觸覺顯示器，可以使盲人用戶參與到3D 模型設計中，并通過3D 打印技術將模型轉化為實物。麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室的研究團隊[6]使用帶有觸覺傳感器的機械臂采集了對200 種物體的觸摸超過12 000 次的觸覺信息，其中包括常見的家庭用品、工具和紡織物等，并建立了“觸覺-視覺”對應圖像。現今，對于觸覺圖形顯示器的開發已經滿足基礎的圖形識別、信息實時傳輸和顯示以及人機交互需求。觸覺圖形顯示器如Graille、Sheet-type braille displays、novel BrailleDis 9000 pin-Matrix 等基于盲文模塊設計的矩陣器件都可以關聯計算機設備與人類進行交互并提供信息。然而，現有的交互數據只能實現文字閱讀和圖形顯示等特定環境下的交互，還不具備在復雜環境中的實時識別和觸覺交互能力。創建廣泛的、高質量的觸覺圖像，仍是研究者所面臨的挑戰。并且，高額的研發和生產成本使得用戶人群無法負擔。

3 觸覺圖形設計

觸覺圖形又稱觸覺圖或盲圖，由點、線、面、盲文標注和色彩5 部分組成，是專門為視力障礙者設計的可觸摸識別的三維凹凸符號。盲文采用3×2共6 個凸點為基本結構，是最常見的觸覺圖形。2021 年5 月，中國國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會發布國家標準《觸摸圖形設計及圖例》（GB/T 40142—2021），在日常生活、數學學科和物理學科等方面給予資料參考，指明了觸摸圖形的組成要素，觸摸圖形設計的原則、要求及校對方法。單一的點狀觸摸圖形無法表達復雜信息。在復雜圖形的設計中，觸摸圖形的形狀和空間關系十分重要。尤其是轉譯大型的藝術作品，相比于單一物品的表達需要更大的空間，也意味著更高的成本。隨著三維打印技術的進步，低成本的原型設計和三維模型制作給觸摸圖形的設計帶了更好的機會。在計算機輔助設計和交互技術的幫助下，觸覺圖形的設計可以通過更便捷的方式進行調整與反饋。

國際通用的布萊葉盲文包含256 個字符，應用要求保持2.5 mm 的點間距以保證盲人用戶能夠清晰地識讀。國家標準《中國盲文》（GB/T 15720—2008）對盲符和盲文手寫板的尺寸參數制定了規范，其中要求盲符的點徑為1.0 ～1.6 mm，點高為0.2 ～0.5 mm，點距為2.2 ～2.8 mm。此規定自2008 年起沿用至今。

4 參數化設計與3D 打印

參數化設計可以利用計算機輔助設計軟件實現對設計圖形的快捷更改。目前在工程設計中使用的AutoCAD、Rhino 等軟件都是基于參數化設計原理實現對圖形的計算和顯示。觸覺圖形的點、線、面等基本元素在形態設計上有一定的規律性，通過參數化設計軟件可以實現對圖形的快速建模和修改。AutoCAD 和Rhino 軟件還可以連接3D 打印設備，以便在設計開發階段實現多樣的、高相似的實驗樣品。

本文設計了適用于觸覺圖形顯示器的觸摸圖形的基本形態，并利用參數化設計方法對觸覺圖形的基本形態設計了42 個變形；邀請了30 名受試者對42 個變形進行觸摸感知實驗，篩選出最適宜的基本形態參數。

5 觸覺圖形參數化設計和感知實驗

5.1 觸覺圖形的參數化設計

本實驗中的觸覺圖形參照《中國盲文》（GB/T 15720—2008）中圖形的設計規范和人機工學手指尺寸參數進行設計。觸覺圖形的基本形態一般為旋轉曲面，旋轉曲面由母線繞中心軸旋轉而成，如圖1所示。

圖1 觸覺圖形基本形態

本實驗設置兩種旋轉曲面的母線，限制點徑范圍為10 ～14 mm、點高2 ～14 mm，共組成42 個實驗模型，如圖2 所示。其中，模型組A 為母線頂點切線水平平行的圖形，模型組B 為拋物線圖形。

圖2 觸覺圖形實驗模型

5.2 感知實驗

感知實驗邀請了來自吉林動畫學院的30 名本科生，年齡在18 ～25 歲，且手指沒有明顯的畸形和嚴重外傷，食指和中指的指紋完整。實驗前，所有受試者被要求用酒精擦拭慣用的食指和中指。在實驗過程中，所有受試者被要求閉眼進行感知實驗。在不同的測量實驗中，手指與平面所構成的角度變化范圍一般在20 ～75°，本實驗設計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程中保持角度不變。受試者輪流在不同實驗條件下選擇出最適宜條件的對象。具體包括以下實驗條件。

（1）食指按壓舒適實驗。用食指對模型進行按壓，選擇感到最舒適的模型。手指不能來回滑動。

（2）食指滑動舒適實驗。用食指來回滑動，選擇感到最舒適的模型。

（3）視覺舒適實驗。睜開眼睛，選擇看起來最舒適的模型。

（4）食指刺激實驗。用食指對模型進行按壓，選擇感到最刺激的模型。手指不能來回滑動。

（5）中指按壓舒適實驗。用中指對模型進行按壓，選擇感到最舒適的模型。手指不能來回滑動。

（6）中指滑動舒適實驗。用中指來回滑動，選擇感到最舒適的模型。

5.3 實驗結果與分析

在感知實驗中，上述每組實驗均進行210 次，為實驗篩選提供了充足的樣本數據。圖3 展示了食指按壓舒適實驗的樣本被選頻次（10 次以上），其中模型組B 中點徑為2 mm 的B1、B8和B15號樣本均被高頻選擇，而模型組A 中高頻被選對象集中在點高8 mm 和點高10 mm 的樣本中，點高12 mm 和14 mm 的樣本也被較高頻次選擇。結果表明，在實驗條件下，當旋轉曲面表面頂點尖銳時，點高越小，觸覺圖形的觸摸舒適度越高；當旋轉曲面表面頂點為平滑狀時，觸感的舒適指向點高較高的圖形。圖4 展示了食指滑動舒適實驗的樣本被選頻次（10 次以上），其中B1、B13、B15號樣本均來源于模型組B，它們的點高與點徑并無關聯關系；僅12 號樣本來源于模型組A。

圖3 食指按壓舒適實驗樣本被選頻次（10 次以上）

圖4 食指滑動舒適實驗樣本被選頻次（10 次以上）

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

圖5 視覺舒適實驗樣本被選頻次（10 次以上）

在中指按壓舒適實驗中，實驗組A 中的被選樣本點高范圍在8 ～14 mm，而實驗組B 中的被選樣本之間的參數無直接關聯關系。在中指滑動舒適實驗中，其中B1、B8、B13、B15和B16樣本均來自表面較為尖銳的實驗組B。

綜合上述6 個實驗的樣本被選頻次，B15號樣本在其中5 個實驗中被最高頻次選擇，總被選頻次為75 次，其點高為2 mm、點徑為14 mm；B1號樣本在4 個實驗中被次高頻次選擇，總被選頻次為50 次，其點高為2 mm、點徑為10 mm。

6 結語

本文以觸覺圖形為研究對象，通過對觸覺圖形的參數化設計和感知實驗，探索了適用于觸覺圖形顯示器的基礎圖形的適配參數，并通過實驗測定選擇出一個較為合理的樣本模型。但觸覺圖形的組合與顯示是多樣化的，在實際的圖形顯示器工作中是多個樣本協同合作。在無障礙信息圖形相關領域，對于觸覺圖形的組合與顯示和多個樣本作用的感知，是本研究的拓展方向。