基于Haptic技术的盲人路径诱导辅具应用研究现状*

王冠生，郑江华，2，瓦哈甫·哈力克，2，刘海亮

（1．新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046;2．新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046）

0 引言

由于盲人视觉能力的丧失，使其在复杂移动环境中行走时必然面对众多挑战:获取一定距离的空间信息;通过标志取得方向暗示;保持对方向和位置的判定和追踪，以及到达某一标志时能够有效识别等［1］。盲人在行走过程中快速、高效、独立地定位自己也就成为一项艰难的任务，研究表明，这主要取决于一系列包括对空间信息的感知、编码、学习和回忆等复杂性比较高的认知过程［2］。盲人的空间认知主要依赖于非视觉的其他感知的综合感受，即盲人必须依靠其他的感觉（如触觉、听觉、嗅觉等）获得环境信息，达到对空间信息的理解。基于此，世界各国的众多专家和学者一直致力于各种盲人路径诱导工具、装置的研究和应用，以导盲工具的警示来辅助提高盲人对空间的认知水平，更好地指导盲人独立、安全行走，切实提高盲人生活质量。

1 基于Haptic技术的盲人导航/路径诱导辅具概述

针对盲人出行难的问题，盲人行走第三方辅助工具的研究与应用取得了较大进展，特别是基于单声音通道提示导航信息的研究与应用［3～6］。但这类基于声音达到路径诱导功能的目的产品，当在吵杂的环境等公共场合时，语音的功效可能会大大降低甚至失去作用，这时，基于触觉研究就显得尤为重要。触觉是一种分布于全身皮肤上的神经细胞接受来自外界的压力、振动、温度、湿度等方面的感觉，具有抗噪声干扰、反馈及时和高效性等优点。作为听觉后的又一个重要的信息传递通道，盲人又优于常人的触觉资源，震动技术应用于盲人领域逐渐得以探索。

针对盲人特殊的空间认知，对路径诱导环境特定的感知和敏锐于常人的触觉资源，从单传感器，到多传感器以及与全球定位系统（global positioning system，GPS）、射频识别（radio frequency identification，RFID）、Bluetooth 等技术的集成使用，从传统的盲杖和导盲犬，到较为现代化的智能盲杖、导盲机器人、电子导盲设备以及嵌入式智能导盲系统等各式各样的导盲系统和装置，震动交互技术无不贯穿其中［7～12］。

基于Haptic技术的盲人导航/路径诱导辅具是以用户为中心系统通过处理加工采集的环境信息并以震动或震动与声音等的集成形式传达给盲人，通过结合盲人空间认知来达到环境信息的理解以实现定位和导航。功能模块如图1所示。

图1 功能模块图Fig 1 Function module diagram

2 盲人导航/路径诱导辅具研究与应用现状

2．1 地理空间认知学科发展

从20世纪90年代中后期开始，随着地理信息科学的快速发展和广泛应用，作为地理信息科学的核心内容之一的地理空间认知（geospatial cognition）引起了世界各国的广泛注意和重视［13］。1995年，美国国家地理信息与分析（NCGIA）中心发表了“Advancing Geographic Information Science”报告，把地理空间认知模型研究定调为地理信息科学的三大战略领域之一［14］。1996年，美国地理信息科学大学研究会（UOGIS）又把地理信息认知的研究列为10个优先研究主题之一［15］。美国国家科学基金会（NSF）为了支持NCGIA继续推动和发展地理信息科学，自1997年，多年资助Varenius项目，支持包括地理空间认知等这三大战略领域的研究。1997年，在北京举行的有关地理学专家讨论报告中，把地理信息认知作为GIS的基础理论研究之一，也成为地球信息机理的重要组成部分［16］。2001年，国家自然科学基金委在国家自然科学基金优先资助领域战略研究报告中，把地理空间认知研究作为基础理论研究内容之一，并列入优先资助范围［17］。此后，中国国家自然科学基金委员和各部委曾先后多次资助空间认知相关的研究项目［18］。这表明，地理空间认知研究是地理信息科学的核心问题之一，已经得到包括国家和社会等层面的普遍认同和支持。

2．2 盲人空间认知研究现状

“寻路”（wayfinding）是一种认知行为，是用户利用从周围空间环境中所获取的地理信息进行决策的过程［19］。“寻路研究”就是研究人类在空间定位和导航的认知过程，知道自己从哪到哪和选择最佳路径（或有效路径）的空间认知能力研究。

为了提高盲人的生活质量，能够让盲人在行走过程中安全、独立自主地定位和方向判别，即能够成功寻路，世界各国一直从事于盲人空间认知领域基础研究，并证明了盲人显示出与明眼人一样甚至更具优越感的触觉和听觉区分、定位、语言加工、广度和长期记忆等能力［20］。从基础的环境认知地图研究，通过触觉地图行走实验，辅助盲人对空间环境认知水平［21］，到盲人和明眼人对空间环境中物体认知水平进行对比研究［22］，以及通过声音来判断房间大小、是否空满和天花板高度等，以此来研究盲人对空间的认知［23］等，盲人对空间认知的研究已经得到更多关注，并认为盲人比明眼人更善于使用空间认知机制，这种补偿机制在一定程度上能够克服其视力缺失的局限性［24］。2011年，Lahav O等人［25］对盲人方向性和移动性进行实验研究并指出需要注意的5个方面:1）充分利用各种感觉标志和线索;2）利用剩余视力或光感和听觉信号扫描行走路径;3）利用基本提示行走（如盲道）;4）当迷失方向（或解决问题）有能力恢复状态;5）组建行走路径“心境地图”等。2012年，Pasqualotto A和Proulx M J［26］从神经可塑性的医学角度说明盲人视力的缺失导致剩余感官自适应重组，造就了更加敏锐的听觉和触觉，进一步说明盲人具有优越的触觉等资源，对空间信息有异于常人的认知。

2．3 Haptic技术用于盲人触觉研究现状

从20世纪70～80年代开始，一些学者就已经开始对盲人触觉信息进行研究。并根据震动对身体的敏感程度不同，指出手指对0～10000 Hz的震动是敏感的，对230 Hz左右的震动最为敏感［27］，在利用震动作用于前臂和躯干进行传递信息比较研究后，认为对人体触觉的最敏感的频率段为100～300Hz，并进行震动频率判别实验［28］。2010年Jonghyun R等人［29］基于移动设备进行多组合震动阈值和震动频率实验研究，结果显示对触觉最敏感的频率段为200～300 Hz，而在250 Hz时最为敏感。接着众多学者进一步基于移动设备震动的频率和对触觉感知的震动适宜性进行研究，并揭示适宜性震动模式和指出震动在250 Hz时最为敏感［30，31］。

2．4 盲人导航/路径诱导辅助工具研究与应用现状

从20世纪60～70年代导盲工具刚起步时，震动技术已经应用其中，从具有单一传感器的超声测距仪器，通过触觉获得震动感提示障碍物的距离信息，到多个传感器集成使用，获取较多的障碍物信息进行震动诱导［7］，以及基于CCD摄像头获取更全面的环境信息的穿戴式“立体视觉”原型系统［8］和较为笨重适合于视障者以及老年人的机器人［9］等。此阶段的单一传感器到多传感器类型集成使用，盲人导航/路径诱导辅具主要类似于警报器，当检测到障碍物等目标时，就会以警告信号（在此主要讨论的是振动信号）提示盲人用户，不同传感器类型可以获取不同的障碍物信息。随着电子计算机图像处理技术快速发展，系统能从环境中获取丰富而全面的环境信息，包括道路信息等，并通过有效的手段（震动与其他集成）把多维度信息显示出来，再结合盲人对空间的认知，用户便可以“看到”环境信息。

近几年来，随着GPS，RFID，Bluetooth等技术的发展，相继涌入盲人导航领域并常常和Haptic技术一道应用于盲人路径诱导，为盲人诱导工具的人性化、智能化发展提供可能性。2008年，Ghiani G等人［10］进行了室内博物馆导盲研究，把RFID标签信息与博物馆藏物信息在数据库进行关联，利用集成在移动设备PDA上的RFID识别器读取标签，通过TTS（text to speech）语音系统播报详细信息和戴在2个手指上制动装置以震动模式进行路径诱导。2010年，Yelamarthi K等人［11］研制了基于RFID和GPS的智能机器人原型机，可以进行室内外导航，利用超声波和红外进行避障，利用语音和触觉手套进行交互达到导航目的。Cang Ye［3］在手杖上集成包括3D图像传感器单元和用于图像采集和处理的掌上电脑的手持导航设备，利用3D图像传感器获取图像传递给电脑设备，然后进行分析重组三维场景，通过蓝牙耳机与震动的方式进行避障和路径诱导。2011年，Hossain E等人［12］完善了地形检测研究，在穿戴式要带上集成4只超声波传感器（检测楼梯和低洼之处）和1只红外传感器，这些传感器与分析地形的微处理器、便携式电脑相连，用马达震动和嗡嗡声音形式输出障碍物及其类型信息。随着GPS，RFID，计算机视觉等技术的成熟应用，系统能够帮助用户判断路径方向和障碍物的位置等更全面环境信息，进行有效避障诱导，并能实现双向人机交互，用户向系统提出服务请求，系统智能化地为用户提供各种信息服务。

3 盲人导航/路径诱导辅具发展趋势与存在的问题

3．1 震动与其他技术集成化发展

20世纪70年代随着超声、激光等传感器技术的持续发展，并逐步应用到盲人导航/路径诱导领域，从单一传感器向多传感器集成发展。当检测到障碍物等目标时，就会类似于警报器发出警告信号（震动信号或其他集成）提示盲人用户，不同传感器类型可以获取不同的障碍物信息。20世纪90年末～21世纪初，随着电子计算机图像处理技术成熟应用，系统能从环境中获取丰富而全面的环境信息，并通过有效的手段把多维度信息显示出来，从此用户可以“看到”环境信息。特别是近几年来的计算机视觉技术，GPS，RFID，Bluetooth等技术的快速发展及其它们的集成使用，系统能够帮助用户判断路径方向和障碍物的位置等更全面环境信息，更好地辅助提高盲人对空间认知水平，进行有效避障诱导，并能实现双向人机交互，用户向系统提出服务请求，系统人性化、智能化地为用户提供信息服务。

3．2 震动差异性发展

震动技术在和其他高新技术集成使用的同时，其本身也不间断发展，从一般震动得到对人体触觉最敏感频率，到较为适宜性震动模式。震动技术正在多模式化、多通道化发展，基于震动频率大小、震动持续时间长短、震动等待时间长短以及是否重复震动的不同来控制震动的差异性，不同形式震动表示不同的空间信息，利用多模式震动辅助盲人对空间认知，通过多维信息进行路径诱导。

3．3 存在的主要问题

像其他盲人导航/路径诱导辅具一样，基于Haptic技术的盲人导航/路径诱导辅具大多还处于发展之中，仍有许多技术、辅具功能、硬件结构以及诱导阈值问题等有待深入研究和探索。

1）技术和功能方面:设备有的功能单一，具有针对性、区域性，例如:有的只针对红绿灯、斑马线，有的只针对障碍物，有的只在室内有效，有的只在室外导航，有的只针对某段路线等，缺乏通用性，不能全方位地满足用户需求;有的结构复杂，价格昂贵，不易一般用户消费;有的使用不便，需长期学习或培训;有的人机交互和紧急事件的安全性考虑不足等等。因此，多数还都是处在实验室阶段的开发和测试中。

2）诱导阈值:虽然绝大多数辅具都能有效提醒，但到达什么位置时提醒，离目标物体多远时提醒，提醒偏离路径在返回正确路径多少为合理值等这一系列阈值问题仍然没有很好的解决。

3）负作用:震动长时间作用于人的皮肤容易产生麻痹或疼痛的感觉，信息表达维度比较有限。

3．4 对 策

随着科学技术发展和社会的持续进步，基于Haptic技术的盲人导航/路径诱导辅具存在的主要问题定会逐渐减弱。在技术和功能方面，考虑结构复杂性、易用性的同时，通过多技术、多模式集成并不断优化，使其更具普遍性、智能性。在诱导阈值方面，结合盲人路径诱导认知，通过对多组合、多类型盲人路径诱导实验，结合实验数据、空间认知、盲人心理等因素进行充分研究和分析以及获取经验值等，在取得初步阈值后反过来指导盲人路径诱导实验，验证其有效性并逐步完善，提出真正较为合理的路径诱导阈值。在负作用方面，深挖震动技术，探讨最适宜性震动模式，并与其他形式（语音等）集成使用，定会取得较好效果，既能满足了盲人多通道信息需求，又能增强盲人路径服务的环境适应性，更具人性化。

4 结束语

在较为吵杂的环境或不适合使用语音的条件下，对于盲人来说依靠触觉传递信息无疑是最佳的选择，从传感器检测障碍物到图像处理技术的成熟应用以及与快速发展起来GPS，RFID，Bluetooth等技术的集成使用，震动技术也向多模式、多维度发展，更能体现抗噪声干扰、反馈及时和高有效性等优点，特别是在盲人导航领域的应用，内容横跨地理学、空间认知学、心理学、电子计算机等诸多学科领域，更富有挑战性。从工效学评价和用户心理学角度出发，结合盲人空间认知研制一种结构简单、便携带、易使用、低成本的人性化盲人导航/路径诱导辅具已经成为此领域研究的热点所在。

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