面向视力障碍者的触觉图形参数化设计

杨茜雯，赵 航

（1.吉林动画学院，吉林 长春 130000；2.长春吉粮天裕生物工程有限公司智能管理服务分公司，吉林 吉林 132000）

0 引言

图形图像是最常见的信息载体，有60%～70%的信息是以图形图像的方式来呈现的。视力障碍者主要借助触觉来感知图形图像类信息。现有的触觉图形主要以纸张和电子显示屏承载。触觉图形在纸张上的表现是通过压印、盲文触点打印、热塑等方式改变纸张的凸起，以此形成具有图形语义的触觉信息，但纸张能够承载的信息种类和内容有限，也无法实时地、动态地承载触觉信息。适用于视力障碍者的电子显示器主要分为触觉点显器和触觉图形显示器，都能够将计算机上的图形图像用触觉图形同步显示，以便视力障碍者摸读。对于触觉图形的研究，目前主要集中在对触觉刺激的技术研究、对触觉认知和触觉图形显示器的设备开发上，鲜有学者对触觉图形显示器的触觉体验进行相关探讨。本文基于国际通用的布莱尔盲文参数化标准对触觉图形进行设计研究，并采用3D 打印技术实现触觉模型，邀请30 名视力障碍者对模型进行体验评估。

1 触觉和触觉感知机制

1.1 触 觉

触觉是机械刺激通过触觉感受器作用于皮肤产生的感觉，是唯一可以代替视觉的感知系统。通过触觉，人可以感受到刺激物体的形状或大小等信息。视力障碍者主要通过触摸来感知外部世界，皮肤上的感受器比正常人更敏感。触觉的体验构成是一项系统性的工作，指尖是人体触觉最灵敏的部位之一。手指皮肤触觉的感知受多种因素的影响，如力的大小、力的方向、触碰角度、滑动速度以及皮肤的温度和湿度等。大量研究在触觉感知及其反馈机制方面有所发现。有研究表明，人群的种族、年龄和性别对皮肤的摩擦性能没有显著影响。指尖的生理结构较为复杂，不同结构层的力学感知也有差异[1]。触觉感知和认知、触觉学习和记忆、触觉运动控制和触觉人机交互等方向是触觉研究的热门研究方向。而对于触觉图形的研究，多与触觉感知和认知、触觉人机交互等方向进行交叉融合。

1.2 触觉感知机制

皮肤通过与其他物体进行摩擦而产生刺激，人通过接受刺激产生感知。皮肤细胞上的感受器受到外部刺激被激活，从而向中枢神经系统传达信号。这些信息随着神经纤维进入脊髓，再被传到脑干进行进一步处理[2]。对触觉感知的研究涉及生物学、皮肤摩擦学和行为学等方面，在触觉传感技术和触觉显示技术等方面有广泛的应用。常见的用于测试触觉感知的触摸方式包括静态触摸（下压）、滑动、旋转滑动、抓取、敲击、外界振动刺激以及用工具（如触控笔）触摸等，通过不同材料对触摸的愉悦度或舒适度进行评估。

2 触觉图形显示设备

清华大学未来实验室在触觉图形和触觉图形显示器方面的研究取得了诸多成果。焦阳[3]等人基于以用户为中心的设计方法开发了视听结合的触觉图形显示设备，并针对触觉图像的呈现提供了使触觉和听觉认知同步的设备交互，通过用户测试验证了设备的可用性和易用性。江宁[4]等人针对触觉图形显示器所显示的图像信息准确问题，结合人机工程学因素，设计了T-图像交流语言系统，使计算机可以自动地完成由图像转化成盲人容易理解的、具有明确语义的触摸图像。斯坦福大学SIU A F[5]等人基于计算机辅助设计开发了适用于视力障碍者混合编程的2.5D 触觉显示器，可以使盲人用户参与到3D 模型设计中，并通过3D 打印技术将模型转化为实物。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的研究团队[6]使用带有触觉传感器的机械臂采集了对200 种物体的触摸超过12 000 次的触觉信息，其中包括常见的家庭用品、工具和纺织物等，并建立了“触觉-视觉”对应图像。现今，对于触觉图形显示器的开发已经满足基础的图形识别、信息实时传输和显示以及人机交互需求。触觉图形显示器如Graille、Sheet-type braille displays、novel BrailleDis 9000 pin-Matrix 等基于盲文模块设计的矩阵器件都可以关联计算机设备与人类进行交互并提供信息。然而，现有的交互数据只能实现文字阅读和图形显示等特定环境下的交互，还不具备在复杂环境中的实时识别和触觉交互能力。创建广泛的、高质量的触觉图像，仍是研究者所面临的挑战。并且，高额的研发和生产成本使得用户人群无法负担。

3 触觉图形设计

触觉图形又称触觉图或盲图，由点、线、面、盲文标注和色彩5 部分组成，是专门为视力障碍者设计的可触摸识别的三维凹凸符号。盲文采用3×2共6 个凸点为基本结构，是最常见的触觉图形。2021 年5 月，中国国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布国家标准《触摸图形设计及图例》（GB/T 40142—2021），在日常生活、数学学科和物理学科等方面给予资料参考，指明了触摸图形的组成要素，触摸图形设计的原则、要求及校对方法。单一的点状触摸图形无法表达复杂信息。在复杂图形的设计中，触摸图形的形状和空间关系十分重要。尤其是转译大型的艺术作品，相比于单一物品的表达需要更大的空间，也意味着更高的成本。随着三维打印技术的进步，低成本的原型设计和三维模型制作给触摸图形的设计带了更好的机会。在计算机辅助设计和交互技术的帮助下，触觉图形的设计可以通过更便捷的方式进行调整与反馈。

国际通用的布莱叶盲文包含256 个字符，应用要求保持2.5 mm 的点间距以保证盲人用户能够清晰地识读。国家标准《中国盲文》（GB/T 15720—2008）对盲符和盲文手写板的尺寸参数制定了规范，其中要求盲符的点径为1.0 ～1.6 mm，点高为0.2 ～0.5 mm，点距为2.2 ～2.8 mm。此规定自2008 年起沿用至今。

4 参数化设计与3D 打印

参数化设计可以利用计算机辅助设计软件实现对设计图形的快捷更改。目前在工程设计中使用的AutoCAD、Rhino 等软件都是基于参数化设计原理实现对图形的计算和显示。触觉图形的点、线、面等基本元素在形态设计上有一定的规律性，通过参数化设计软件可以实现对图形的快速建模和修改。AutoCAD 和Rhino 软件还可以连接3D 打印设备，以便在设计开发阶段实现多样的、高相似的实验样品。

本文设计了适用于触觉图形显示器的触摸图形的基本形态，并利用参数化设计方法对触觉图形的基本形态设计了42 个变形；邀请了30 名受试者对42 个变形进行触摸感知实验，筛选出最适宜的基本形态参数。

5 触觉图形参数化设计和感知实验

5.1 触觉图形的参数化设计

本实验中的触觉图形参照《中国盲文》（GB/T 15720—2008）中图形的设计规范和人机工学手指尺寸参数进行设计。触觉图形的基本形态一般为旋转曲面，旋转曲面由母线绕中心轴旋转而成，如图1所示。

图1 触觉图形基本形态

本实验设置两种旋转曲面的母线，限制点径范围为10 ～14 mm、点高2 ～14 mm，共组成42 个实验模型，如图2 所示。其中，模型组A 为母线顶点切线水平平行的图形，模型组B 为抛物线图形。

图2 触觉图形实验模型

5.2 感知实验

感知实验邀请了来自吉林动画学院的30 名本科生，年龄在18 ～25 岁，且手指没有明显的畸形和严重外伤，食指和中指的指纹完整。实验前，所有受试者被要求用酒精擦拭惯用的食指和中指。在实验过程中，所有受试者被要求闭眼进行感知实验。在不同的测量实验中，手指与平面所构成的角度变化范围一般在20 ～75°，本实验设计手指与触摸图形的接触角度大致保持为30°，要求受试者在触摸过程中保持角度不变。受试者轮流在不同实验条件下选择出最适宜条件的对象。具体包括以下实验条件。

（1）食指按压舒适实验。用食指对模型进行按压，选择感到最舒适的模型。手指不能来回滑动。

（2）食指滑动舒适实验。用食指来回滑动，选择感到最舒适的模型。

（3）视觉舒适实验。睁开眼睛，选择看起来最舒适的模型。

（4）食指刺激实验。用食指对模型进行按压，选择感到最刺激的模型。手指不能来回滑动。

（5）中指按压舒适实验。用中指对模型进行按压，选择感到最舒适的模型。手指不能来回滑动。

（6）中指滑动舒适实验。用中指来回滑动，选择感到最舒适的模型。

5.3 实验结果与分析

在感知实验中，上述每组实验均进行210 次，为实验筛选提供了充足的样本数据。图3 展示了食指按压舒适实验的样本被选频次（10 次以上），其中模型组B 中点径为2 mm 的B1、B8和B15号样本均被高频选择，而模型组A 中高频被选对象集中在点高8 mm 和点高10 mm 的样本中，点高12 mm 和14 mm 的样本也被较高频次选择。结果表明，在实验条件下，当旋转曲面表面顶点尖锐时，点高越小，触觉图形的触摸舒适度越高；当旋转曲面表面顶点为平滑状时，触感的舒适指向点高较高的图形。图4 展示了食指滑动舒适实验的样本被选频次（10 次以上），其中B1、B13、B15号样本均来源于模型组B，它们的点高与点径并无关联关系；仅12 号样本来源于模型组A。

图3 食指按压舒适实验样本被选频次（10 次以上）

图4 食指滑动舒适实验样本被选频次（10 次以上）

图5展示了视觉舒适实验的样本被选频次（10 次以上）。其中，B15、B17和A19号样本点径均为14 mm；A12和A14号样本点径均为12 mm；A12和A19号样本点径均为10 mm。在食指刺激实验中，模型组A 中被选样品更偏向于点高较小的范围，其中A1、A3、A10、A16号样品的点径均≤6 mm。在模型组B 中，B4、B6、B7、B11和B14号样品被高频选择，点径均≥8 mm。

图5 视觉舒适实验样本被选频次（10 次以上）

在中指按压舒适实验中，实验组A 中的被选样本点高范围在8 ～14 mm，而实验组B 中的被选样本之间的参数无直接关联关系。在中指滑动舒适实验中，其中B1、B8、B13、B15和B16样本均来自表面较为尖锐的实验组B。

综合上述6 个实验的样本被选频次，B15号样本在其中5 个实验中被最高频次选择，总被选频次为75 次，其点高为2 mm、点径为14 mm；B1号样本在4 个实验中被次高频次选择，总被选频次为50 次，其点高为2 mm、点径为10 mm。

6 结语

本文以触觉图形为研究对象，通过对触觉图形的参数化设计和感知实验，探索了适用于触觉图形显示器的基础图形的适配参数，并通过实验测定选择出一个较为合理的样本模型。但触觉图形的组合与显示是多样化的，在实际的图形显示器工作中是多个样本协同合作。在无障碍信息图形相关领域，对于触觉图形的组合与显示和多个样本作用的感知，是本研究的拓展方向。