盲用無障礙觸覺圖學的框架性理論研究

孫 宇，李純蓮，李 璇

(長春大學 a. 特殊教育學院；b. 計算機科學技術學院，長春 130022)

眾所周知，對明眼人來說，圖紙是工程師的語言，而對盲人來說，觸覺圖學更有其重要的現實意義。比如，盲人學生要了解所在學校的具體結構，依靠導盲人、導盲犬，或者持杖自行探索，需較長時間，并且，這隨盲生個體定向行走能力的不同而有所差異。但若有一張該校的觸覺布局圖，盲人很快就可以明晰它的整體結構。作為技術圖紙，其最基本要素包括圖形以及對它的標注，明眼人使用的視覺圖學(普通的圖學)和盲人使用的觸覺圖學都概莫能外。正因為圖學的應用非常廣泛，其國家技術標準的制定和實施是一個國家的基礎工程。目前，普通圖學的國家規范已經發展得十分完善，但國內外對觸覺圖學的研究還處于起步階段，沒有形成系統的、規范的技術標準。

一、問題的提出

圖學要件包括圖形和標注，而圖形主要由各種基本技術圖線構成，如實線、虛線、點劃線等，標注則主要由文字構成。不過，對觸覺圖學來說，無論是構成圖形的基本圖線，還是構成圖形標注的文字，它們都是由盲點按照一定的科學規律構造而成的。圖紙是工程師用的技術語言，盲文是盲人用的書面語言，這兩種語言在圖紙的標注上就產生了交集。觸覺圖學的發展晚于盲文，了解盲文，對中國而言，尤其是了解漢語盲文，對研究觸覺圖學會起到拋磚引玉的作用，畢竟觸覺圖學和盲文的最基本單位都是那些凸起的、手指比較敏感的盲點。

總之，本研究具有如下特點：(1)有利于完善工程用盲字和無障礙觸覺圖形的設計思想，主要是從摸讀心理學角度探索盲人認識工程用漢字、觸覺圖形的新途徑。(2)項目中工程用盲字的設計思想及其應用，有利于盲人對相應漢字“形音義”的深刻理解。具體表現在觸覺圖學上，盲文版漢字可以對觸覺圖形進行有效的、準確的標注，而傳統的“拼音盲文”(即現行的盲文)很難做到這一點。

二、國內外研究現狀

本研究中提及的觸覺圖學中用到的盲文版漢字，是在遵循現行盲文特點的基礎上設計的一種漢語盲字[1]；它的顯著特點是在充分考慮盲人“識字”機理的前提下，實現了盲文和普通漢字的有機統一，從而適于觸覺圖形的標注。另外，有些學者為了解決漢語盲文中存在的大量同音字現象，還引進了語料庫技術[2-3]，也有一定的參考價值。同樣的，在國內，盡管對無障礙觸覺圖學作了一些探索，但關于觸覺圖形的盲人“識圖”機理的研究卻非常少。

在國外，與中國漢字聯系最密切的是日本漢字。然而，日本與我國不同，日語盲文不只是假名有盲文形式，也有盲文版的日本漢字，所以日本盲人掌握日本漢字相對比較容易，其有益的經驗值得借鑒[4-5]。不過，普通的日本漢字在表面上與中國漢字類似，但表現為盲文則有較大的差異。因為日語有音讀、訓讀的區別，絕大多數日本漢字都是多音節(尤其是訓讀)，并且沒有聲調，而中國漢字是單音節，有聲調的，所以從盲人的摸讀心理學來說，盲人在認識日本漢字和中國漢字方面存在著很大差別。其中，文獻[6]從視覺障礙學生的心理與教育角度介紹了日語盲文的可讀性；文獻[7-8]介紹了各種摸讀方法(如單手摸讀、雙手交叉摸讀等)對閱讀日語盲文的影響；文獻[9]介紹了神經網絡算法在優化日語盲文分詞中的進展情況。

在英美，盲教育和盲文相對比較成熟。英語盲文既有音標的盲文，也有其文字的盲文形式。在盲人認識英語文字以及觸覺圖形的研究方面，相關文獻比漢語、日語要多很多，研究也比較透徹。這些文獻對于了解盲人的“識圖、識字”機理是很有益的。當前，視障學生摸讀盲文的能力素質主要通過摸讀速度、摸讀準確性和文本理解三方面來評估。為了讓盲人和視力受損的用戶參與學習可視化概念，不僅要為他們提供文本，還要為他們提供圖形。界面友好的觸摸感知系統允許明眼人參與創建過程的每個階段，這可以通過二維觸覺顯示器實現，盲人參與者能夠獨立操作圖形對象并進行注釋。因此，一個由視力良好的圖形創作者和一個盲人搭檔組成的團隊可以創造出質量更好的觸覺圖形。空間模式識別對于構建信息豐富的圖形至關重要，對這些認知技能的洞察可以為觸覺圖形制作和無障礙制圖的當前實踐提供信息。用戶使用一些直觀的策略手動探索觸摸表面以與觸覺數據交互，其中，觸覺數據的復雜性和觸覺渲染方法在一定程度上也會影響用戶的觸覺感知能力。

三、框架性研究方案

文章旨在研究盲人的“觸覺識圖”機理，以及“無障礙觸覺圖形”基本要素的框架性設計理論與應用，目的是使盲人盡可能像明眼人那樣運用基本的技術圖形，以及與明眼人合作開發無障礙設備。

(一)框架性研究內容

(1)從工程圖學角度，依據盲人的觸覺“識圖”機理創造出基本技術圖線相應的各種盲文點位組合，包括經典幾何、機械制圖和建筑制圖中常用的技術圖線。

(2)從計算語言學角度，基于盲人的觸覺“識字”機理設計工程用漢字相應的盲文版形式。具體來說，首先是基礎的工程用漢字，然后是不同專業領域的工程用漢字，從而為觸覺圖學的標注奠定基礎。

(3)在研究無障礙觸覺圖學的過程中，優化神經網絡算法、遺傳算法的權值、閾值和適應值函數等，并在實踐中不斷完善這些算法，進而使該觸覺圖學規范更加符合盲人學習和使用的個性化需求。

(4)了解當前流行的無障礙圖形應用軟件，或者對現有的盲用讀屏軟件，如NVDA做一些二次開發，以輔助視覺殘障人士無障礙地使用工程圖形開發環境。

(二)框架性研究目標

總目標：基于工程圖學的基本原理創造出工程用漢字的盲文版形式和規范化、標準化的盲文版技術圖線，研究不同盲人群體的“識圖”機理。具體目標：(1)基于盲人的“識圖”機理，了解觸覺思維的傳導過程，創造出工程用漢字，以及基本技術圖線和基本圖形的盲文版形式。(2)研究出實用的遺傳算法、神經網絡等算法，用以解決盲人“識圖”的個性化問題。(3)研究出簡體字中工程用漢字、基本技術圖線和圖形的盲表的構建規律，研究出盲人“識圖”軟件的信息無障礙設計理論。

(三)擬解決的關鍵科學問題

觸覺圖學和視覺圖學分屬于不同的神經傳輸過程，在認知方面存在著很大的差異。目前，中國盲人(或視障者)由于在基礎教育階段學習現行盲文，他們學習漢語是直接從盲文分詞開始的，對漢字的理解相當模糊，可以說，即使對接受過義務教育的盲人來說，在認識漢字方面也是“文盲”。至于觸覺圖形，盲人了解得就更少了。如果用上述盲文對觸覺圖形進行標注，存在的理解偏差也就可想而知了。我們應解決的關鍵科學問題如下：

(1)從工程圖學角度，把明眼人識別的各種基本技術圖線轉換為盲人依靠觸覺可以識別的線性點位標準組合。主要是通過計算機模擬，盲人摸讀檢驗，以及制造一些無障礙設備來進行最終確定。對于不同的技術圖線，在進行相應的觸覺圖學轉換時，核心參數是確定每種技術圖線所需盲文點的疏密程度、點距和點徑等，但這些參數的選擇必須以滿足盲人摸讀心理為前提。

(2)研究無障礙觸覺圖形的標注問題，尤其是其中的漢字標注，即把復雜結構的漢字轉換為能與其唯一對應的、適合觸摸的盲文。這包括：首先是借助大數據漢語語料庫，以及構建合適的數學統計模型來探尋漢字各構成要素(即漢字的聲韻調、偏旁部首)的分布規律。其次，按照一定的規則將這些漢字信息線性化為不同的盲符組合。例如，漢字偏旁部首的分布頻率是極不均勻的。由于中國傳統文化的影響，蘊含古代陰陽五行思想的偏旁部首 “日/月/木/火/土/金/水” 等幾個偏旁在漢字中所占的比例就非常高。因此，對這一類的漢字偏旁，在設計對應的盲符時，觸覺優先級也應該較高。事實上，對于一個熟練的盲文讀者，食指的敏感程度高于其他手指，而指尖高于指腹。

(3)在計算機輔助研究圖學標準時，改進神經網絡、GA等算法，以優化觸覺圖學的技術規范。實踐中，盲人“識圖”具有個性化特點，因為盲人失明的年齡和原因不同，致使他們在認知能力方面存在很大差異，比如先天失明者、幼年失明者和30歲的中途失明者。通過不同盲人群體所“識圖”的難易程度及數量來訓練神經網絡，最終獲得各個失明群體能夠認識的最大觸覺圖形子集(舉例：先天失明者很難掌握一些較復雜的空間曲線，如工程圖中用到的截交線、相貫線等)。由于這類算法在盲人“識圖”中的研究還處于很原始的階段，所以有必要對它們做進一步的完善。

四、框架性研究方法

傳統的語言學屬于人文社會學科，而圖學又與工程學、計算機科學以及數學相關聯。

(一)框架性技術路線

一是根據盲人憑借觸覺、聽覺辨識漢字和圖形的特點，設計工程用漢字和基本技術圖線的盲文版形式，它是研制觸覺圖學的基礎工作。二是靈活借鑒國內外計算機盲用碼表的研發經驗，研發漢字與圖形的盲表。三是研究設計信息無障礙插件，進行觸覺圖學的初步設計。四是通過軟件設計和測試的多次循環往復，不斷完善神經網絡等算法，得到最優的無障礙觸覺圖學方案。下面是盲人專用的盲文和觸覺圖形的輸入輸出設備(如圖1、圖2所示)和工作流程(如圖3所示)。

圖1 智能盲文(點字)顯示器

圖2 盲用制圖板

圖3 工作流程圖

(二)具體研究方法

1.線性化工程用漢字為觸覺圖學中的盲文

運用工程語言語料庫技術，從中了解漢字的使用頻率分布情況。在此基礎上，關鍵技術首先是掌握每一類漢字(如金屬元素與非金屬元素)的偏旁部首、基本音節、聲調的分布頻率。首先，對于偏旁，主要關注漢字形旁的分布規律。因為盲文版漢字是一種線性結構，典型的盲字由四個盲符部件構成，即偏旁標志符(更準確地說，應該是含義標志符)、結構標志符、基本音節和聲調標志符構成。其次，再逐次盲符化漢字的結構、音節(聲韻調)信息。最后，從盲人觸覺心理學角度，把漢字的形旁、結構以及聲韻調信息賦給相應的盲方。實際上，一個盲字最多可以由四個盲方構成，按照 Unicode 碼，那么四個盲符可以形成 256*256*256*256(將近43億)種組合，而《新華字典》所收錄的漢字也就一萬三千多。可見，作為設計盲字的資源是極為豐富的。所以，必須優選出適合摸讀的盲文點位組合來設計盲文版漢字，這主要通過統計方法和盲人的摸讀實踐相結合來獲得，具體如圖4所示。

圖4 工程用漢字線性化流程圖

2.關于觸覺圖學中基本圖形的研究

對于一些基本的觸覺圖形(包括基本的技術圖線)，有時候需要按照盲人的認知去分類。因此，讓一些知識豐富的盲人來劃分典型的觸覺圖形，然后以這些典型的觸覺圖形所對應的普通圖形作為神經網絡的輸入，同時這些觸覺圖形作為神經網絡的輸出來訓練該學習算法。待算法穩定以后，就可以用該神經網絡算法生成的觸覺圖形快速地構建碼表了。當然，典型圖形的選擇仍然可以從注明的圖形庫(如 AutoCAD 中包含的庫)中獲得，進而形成典型觸覺圖形的數據庫。觸覺圖形盲表的研究流程如圖5所示。

3.觸覺圖學中的盲人“識圖”

在完成上面兩個步驟以后，就可以進入觸覺圖形“識圖”軟件的實現階段。不過，設計盲人“識圖”軟件，首先要考慮的是無障礙技術在“識圖”軟件中的應用，否則盲人難以使用該圖形軟件。也就是說，軟件真正意義的信息無障礙一定是能夠讓盲人不依賴任何程度的視覺輔助，僅僅憑借聽覺或者觸摸就能了解和使用軟件人機交互界面中的任意元素，就像明眼人使用它那樣順暢。然而，目前的盲用信息無障礙技術發展還不完善，尤其是圖形、圖像的盲用信息無障礙。原因在于，國家的信息無障礙標準未能全面、準確地貫徹執行，明眼人的軟件工程師缺乏系統的盲用無障礙軟件設計理論，而且盲人和明眼人也沒有做到充分的信息融通。另外，還需在觸覺圖學“識圖”軟件中再次引進遺傳算法、神經網絡等自適應算法，用于區分不同盲人群體(先天、幼年和中途失明者)所能認知的最大觸覺圖形子集，算法的基本原理同步驟2。具體研究流程如圖6所示。

圖6 識圖軟件研究流程

五、結論

本質上，研究無障礙觸覺圖學標準和無障礙設備需要首先解決的是盲人和明眼人的溝通問題，因為盲人和明眼人看問題的角度是不一樣的，必須尋找他們的共同交匯點，只有這樣，才更便于實現盲人和明眼人在信息交互上的真正融合，圖學方面自然也不例外。事實上，觸覺圖學不僅是一個科學問題，更重要的是，它可以為盲人群體的生活、工作和學習提供便利。

文章基于盲人“識圖”機理提出了與圖形、工程用漢字有機對應的觸覺圖學思想，即從工程圖學、計算語言學角度線性化圖形、漢字等信息，然后把它們轉化為盲文的特定點位以供盲人摸讀。該觸覺圖學不僅可以更方便地區分觸覺圖形中標注的不同漢字，使其更接近于普通漢字，而且也可以實現盲人對圖形的準確理解。可以說，觸覺圖學有助于實現盲人同明眼人一樣的“識圖”權利。