基于激光雷达三维重建的居家养老室内空间设计改造研究

摘要：为了增强老年人居家养老生活空间的适老性，研究提出一种基于激光雷达的居家养老室内空间三维重建系统，为养老空间设计改造提供建模辅助，并提出面向居家养老的室内空间设计改造原则和策略。文章利用专家征询法对设计效果进行评价，设计改造策略的社会、经济和生态效益评分分别为86.77分、82.23分和80.62分，专家对设计的适老性、舒适性、便利性等指标评价均较高。以激光雷达三维重建为基础，设计改造居家养老的生活空间，能有效满足老年人的多层次养老需求，对提升老年人居家养老生活质量具有重要价值。

关键词：激光雷达;三维重建;居家养老;室内设计

中图分类号：TU241.93 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）17-0-04

0 引言

近年来，随着经济社会的发展，社会人口结构呈现出老龄化的趋势，老龄人口占总人口比例较高[1]。我国家庭结构也呈现出小型化和少子化的特点，年轻人的养老负担较重，社会养老压力也在不断增加。居家养老是现阶段最常见的老年人养老模式，老年人更加适应在熟悉的家庭环境下养老，保持原有的生活节奏和方式[2]。但是绝大多数家庭在进行室内装修设计时，对老年人养老需求的考虑不足，导致家庭环境室内设计存在适老化程度较低的问题，不利于老年人的居家养老生活[3-4]。因此，研究针对居家养老老年人，提出基于激光雷达的居家养老室内空间三维重建系统，对居家养老空间进行三维建模，并提出居家养老室内空间设计改造策略。研究期望通过室内设计改造的方式为居家养老老年人创造更好的生活环境，以促进老年人居家养老生活质量的提升。

1 基于激光雷达的居家养老室内空间设计

1.1 基于激光雷达的养老空间三维重建系统设计

为了满足居家养老老年人的生活需求，对老年人的居家环境进行适老化设计改造，须首先对改造空间进行三维建模，以便后续开展内部空间设计工作，为设计规划提供模型架构的技术基础。现有室内环境三维重建方法主要分为激光扫描和视觉测绘两种。视觉测绘通常使用深度摄像机或双目及多目摄像机获取建筑内部空间的深度信息，能采集到丰富的空间语义信息，但是视觉测绘技术存在动态性不足、计算负荷量大、累计误差大等问题，并且对测量环境的光影条件要求较高[5]。激光扫描技术更为直接可靠，三维重建结果不受累计误差的影响，因此研究通过激光雷达三维重建的方式，实现对养老改造空间的测绘建模，利用激光雷达探测扫描室内空间环境，并融合惯导三维重建系统，建立改造养老环境的三维空间模型。

图1所示。三维重建系统包括上位机和下位机两个模块，其中上位机模块为电脑终端，通过无线网络与下位模块通信，实现对激光扫描结果的显示和储存。下位机使用移动式小车搭载激光雷达测绘，移动小车配备Raspberry Pi“树莓派”作为控制和运算核心，并连接移动测速模块、MPU6050芯片和RPLIDAR A2激光雷达，实现测速反馈、移动控制和扫描测绘功能的集合。移动测速模块利用安装在车轮上的测速码盘，实时测量与反馈小车的移动速度。MPU6050芯片则主要用于获取小车位姿信息。RPLIDAR A2激光雷达使用三角测距法进行激光测距采样，雷达测量模块保持匀速旋转，由发射端发射调制好的红外激光信号，再由接收端接收物体反射回来的红外激光，通过雷达内部传感器的实时运算，获取测量物体与雷达的距离和角度信息，实现对空间信息的激光测绘。将激光雷达垂直安装在移动小车上，每当测量模块完成一周旋转，即可获取一个空间垂直切面的点云信息。最终系统通过对多个空间垂直切面点云信息的叠加组合，形成测量空间的三维点云，完成对目标空间环境的激光扫描三维重建。

基于激光雷达的室内空间三维重建系统的数据采集和传输采用多线程并行的方式，多模块的数据采集和解算均在同一时刻进行，以保证最终三维重建结果的连贯性与准确性。基于激光雷达的室内空间三维重建系统软件运行流程如图2所示。首先建立上位机与下位机之间的网络连接，再由Raspberry Pi连通各个模块，完成系统初始化。通过对移动数据的融合解算测量系统的位姿信息，将激光雷达扫描得到的点云数据与位姿信息相结合，获得目标空间的三维点云信息。移动数据融合方法如图3所示，利用陀螺仪和加速度计测量整合测量模块的位姿信息和位置信息，通过对陀螺仪的角速度进行积分获得位姿角，并使用加速度计获取静止状态下的位姿角信息。并且为了避免累计误差的影响，采用卡尔曼滤波算法融合两种位姿角数据，并整合融合后的位姿信息与线速度值，得到系统位置信息后，进一步与位姿信息进行互补滤波器融合，获取系统的准确位置数据。

1.2 面向居家养老的室内空间设计改造策略

随着年龄的增长和身体机能的退化，老年人在室内空间的停留时间越来越长，老年人对室内空间环境设施的依赖程度和要求也逐渐提升[6]。因此，为了提升居家养老老年人的养老生活质量，研究对老年人居家养老空间进行分析，结合室内空间的三维建模，提出居家养老室内空间设计改造的原则和策略。

研究从居家养老室内空间设计的安全性、方便性、健康性、心理性和发展性五个角度出发，设计规划居家养老空间的室内环境。老年人居家养老室内空间设计改造原则如图4所示。年龄的增长使老年人的身体行动能力和灵活性不断降低，老年人对环境和突发情况的适应能力也明显低于年轻时期。因此需要增加居家养老空间的安全性设施，以安全性为前提，在卫生间、卧室、厨房等危險易发区域增加报警装置，在设计材料选用上多采用皮革等软包材料，尽量使用圆角处理方式，以降低设计的风险。老年人记忆能力和学习能力的衰退导致其对空间物质的交互能力降低。在居家养老空间适老化改造的过程中，应该充分考虑老年人的信息接收与交互的方便性，突出显示开关、报警等重要装置的位置，尽量简化空间功能的使用流程，并贴合老年人的生活习惯。

从居家养老空间的健康性出发改造，须注意室内环境设计与老年人身体健康的联系。一方面保证室内空间的良好采光和通风，保持空气流通，满足老年人对阳光的需求。在设计材料使用上，也要注重材料的环保性和安全性，避免甲醛等有害物质危害老年人的身体健康。另一方面，合理温馨的室内设计有助于提升老年人的心理体验，促进老年人的心理健康发展。老年人的心理健康也是室内设计改造的重要因素，设计过程中应该通过设计手法的转换，保证增加的助老辅助设施与空间环境协调，顾及老年人的自尊心和自主意识[7-8]。老年人的机能衰退是一个持续的过程，设计改造时要考虑未来老年人生活需求的动态变化，进行预设性设计改造，避免二次改造。

可以从空间动线组织、色彩使用、智能融入等多个方面出发进行适老化设计。一方面，老年人普遍存在行动能力减弱的问题，身体灵活性降低使老年人容易在转身等过程中跌倒，因此设计改造需要增强老年人居住空间的动线流畅性，在考虑空间大小的情况下，使老年人在室内的运动轨迹形成连通的环形通路，加强各个功能空间的联系，保证室内空间区域之间的流线移动，降低危险发生的概率[9]。另一方面，居家养老空间的色彩使用也是设计改造重点关注的问题。室内环境中，背景与装饰元素的色彩搭配能起到调节空间观感和氛围的作用，直接影响老年人日常生活的心理感受。研究表明，老年人更喜爱艳丽的色彩搭配[10]。不同色彩的视觉认知特性能对老年人的感官产生影响，在客厅等活动空间中可以使用更加明亮活泼的色系装点，帮助老年人在轻快明亮的环境中保持良好的心理状态。而书房则需要更加平和宁静的色彩来搭配，通过色彩和空间的层次组合，帮助老年人舒缓心情，提升老年人的专注力。卧室作为休息空间，要以柔软放松的色调设计，为老年人营造温馨舒适的睡眠环境。为了提升老年人生活的便利程度，可以在居家养老环境中引入智能家居，以减轻老年人的基礎生活负担。在空间的照明、温度、声音控制中引入智能控制技术，使用红外感应、语音控制等方式调节，并引入远程监控与报警装置，使子女能及时为老年人提供生活帮助。智能扫地机器人、洗碗机等智能家居设备也能减轻老年人的劳动负担，帮助老年人维护室内环境的整洁。

2 居家养老室内设计效果分析

采用Delphi“应用程序开发工具”专家征询法对研究提出的居家养老室内空间设计改造策略进行综合效益评价，由5名室内设计领域专家、4名养老服务领域专家和4名三维建模领域专家进行预调查和两轮调查综合评价。专家征询的肯德尔协调系数如表1所示。

从表1中可以看出，13名专家征询意见的肯德尔系数较高，专家征询意见的一致性较高。专家对设计改造策略的社会、经济和生态效益评价采用100分制。若评估分数低于35分，表明设计改造策略的效益评价表现较差;评估分数在35～65分，表示综合效益评价表现一般;评估分数在66～85分，表示综合效益评价表现良好;而当评估分数高于85分时，则表示综合效益评价为优秀。研究提出的居家养老室内空间设计改造策略的综合效益专家评价结果如图5所示。

从图5中可以看出，采用多个专家评分的方式对居家养老空间设计进行综合效益评分，其中经济效益的平均评分为82.23分，大部分专家评分在80分以上，只有4名专家的评分在80分以下，原因在于部分专家认为采用激光雷达进行室内设计会在技术上产生成本消耗。社会效益的平均评分为86.77分，且所有专家的评分均在80分以上，表明研究提出的居家养老室内空间设计产生的养老效果等社会效益较好。最后可以看出居家养老室内空间设计的生态效益平均评分为80.62分，相较于经济效益与社会效益而言，该室内空间设计的生态效益评分偏低，但是仍然达到了80分以上。收集设计与养老领域专家对居家养老室内设计方案的综合评价，评分标准采用0～5分制，如表2所示。

从表2中可以看出，在综合评价中，以适老性、舒适性、便利性、智能性、全局整合性为评价指标，所有设计专业专家在同一个评价指标中的评分具有一致性。此外，从专家的评分结果中可以看出，专家对所有评价指标的评分均在3分以上，表明专家对当前的居家养老空间设计方案的综合评价较高。

3 结语

随着老龄化的不断加剧，如何针对老年人群的居家养老进行室内空间设计是目前设计行业的重要话题。研究利用激光雷达来实现室内三维重建，并以此提出从方便性、安全性、健康性、心理性、发展性入手设计适合老年人群居住的居家养老空间。最后对研究提出的居家养老空间设计方案进行评价，设计方案的综合效益评价中显示，所有专家的评分都在80分以上。居家养老室内空间设计的综合评价中显示，所有专家评分一致性较高，均认为当前方案具备较强的综合性能。以上结果表明，研究提出的居家养老室内空间设计改造策略能有效增强空间的适老性，对提升老年人的生活质量具有重要意义。未来可以面向自理、介助等多个阶段的老年人进行针对性的设计，为提升老年人的生活质量提供思路。

参考文献：

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作者简介：吕潇（2000—），女，山东济南人，本科在读，研究方向：室内空间设计。