Haptic技術在盲人空間認知和導航服務中應用研究進展*

馬建剛， 鄭江華

(1.新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆智慧城市與環境建模高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

視力受損者在地理環境中，判別方位需要依靠殘余視力和其他的感知器官[1,2]。視力缺失為盲人出行帶來了極大的認知阻礙[3]，致使盲人無法依靠視覺獲取周邊信息[4]，但是依靠其他感知器官獲取信息，有可能導致獲取的環境信息有所缺失。選擇適當的輔助工具，有助于盲人對環境的進一步感知。一般視力受損者會選擇導盲杖或者導盲犬來幫助探知周圍信息。但是導盲杖只限于對盲人半徑1m左右的地面探測，對于和盲人等高或者更遠處的障礙物則無法探測；導盲犬需要特殊訓練，而且訓練周期長，成本較高，不利于普及。為解決上述應用局限，基于Haptic技術加載多種傳感器的應用導航服務應運而生，眾多學者依據盲人的認知特點，用各種科技手段來實現對盲人的路徑誘導，幫助盲人實現功能康復。

Ricky Jacob等人結合Haptic技術考察行人的空間認知能力，采用震動反饋提示已成功引導行人到達目的地，基于Haptic應用移動定位服務(location-based service,LBS)在移動終端的測試結果表明：Haptic技術對行人的反饋是有效的選擇，使用不同的震動頻率和不同的震動模式可降低用戶對環境的認知壓力[5,6]。王冠生等人對2012年前基于Haptic與空間認知的盲人路徑誘導輔具進行了系統的闡述，總結出近年來盲人導航輔具朝著震動與多種傳感器集成、差異性震動的方向發展[7]。隨著定位技術與導航技術的飛速發展，2012年至今Haptic技術與空間認知以及與其他盲人路徑誘導技術集成應用研究方面均有了較大的進展，推動了盲人導航服務領域出現了新的變化，有必要對新進展進行歸納總結。

1 盲人地理空間認知

關于盲人空間認知的現有研究從心理學、生理學以及腦認知科學等角度解釋[8]。從地理學角度闡述盲人空間認知對尋徑、環境認知機理，對盲人認知地理環境有重要作用。尤其是基于Haptic的盲人的空間認知狀況，在嘈雜環境中對盲人路徑誘導有不可替代的輔助效果。因此，本文嘗試從地理學的角度對盲人的空間認知進行歸納總結。

王曉明等人結合心理學的研究成果，分別從地理知覺、地理表象、地理概念化、以及地理知識心理表征和地理空間推理五個方面進行了闡述，對地理空間認知從整體到局部，再從局部到整體的角度進行了闡釋[9]。魯學軍等人分析了多個空間認知模型，以自下而上的形式對地理空間認知模式進行了分析，總結出了地理空間的一般認知模式[10]。比較上述兩個地理空間的認知框架，后者更符合地理空間認知的一般過程。

地理空間有大尺度、中等尺度與小尺度之分[11]，與盲人切實相關的是中、小尺度的地理環境，即對空間格局中目標的位置、距離、方位的認知[12]。因此，本文僅討論中小尺度下的盲人地理空間認知。

1.1 盲人空間認知的表現形式及認知層次

空間認知的表現形式有3種，即感知空間、認知空間、符號空間[10]。這3種認知表現形式的空間尺度逐漸增加，所對應的空間認知層次也相應增加，如表1所示。基于盲人對環境的認知壓力和試驗的可操作性，大多研究采取對中小尺度的室內外環境測試盲人空間認知。

表1 盲人空間認知框架

在中、小尺度下的地理環境認知研究中，諶小猛等人探討了盲人在熟悉環境和陌生環境中的空間認知表現，認為先天性盲人對路徑模型的刻畫精度不高，但是采用有效的探路策略可提高認知水平，認知能力強的個體行走也更為有效，后天性盲人認知能力優于先天性盲人[8,19]。國外研究盲人和明眼人對地圖描述的精確度來探究盲人的空間認知，發現盲人和視力受損者對地圖的表述較明眼人更加精細，但是盲人對地理信息各物體間的信息編碼相互獨立，對地物之間的相對位置關系把握不夠[13]。即盲人無法將空間特征感知上升到空間對象認知的層次，缺乏有效的信息編碼手段。在空間對象認知層次，無法將現實世界中認知的地理事物形成具有相對拓撲關系的“心理地圖[20]”。

1.2 盲人空間認知的基本單位

空間認知的基本單位分為“空間特征”和“空間對象”，“空間特征”又分為“空間原始特征”和“空間功能特征”，空間原始特征是實體本身所帶有的屬性，空間功能特征是將空間實體抽象概念化后所具有的屬性。盲人對空間物體認知的概念局限于聽到、聞到或者感知到，而對物體所具有的紋理、顏色等實體特征可能會有認知上的障礙。空間功能特征對于特定為盲人設置的較易感知，然而現實中大多人造物體為視力正常的人所設定，對特殊群體使用造成了一定的困擾。"空間對象"是對空間實體的主觀理解[10]，是盲人對認知到的物體在腦海中形成的主觀圖像。

1.3 盲人空間認知采取的尋路策略

一般而言，明眼人會采取以自我為中心和以非自我為中心兩種策略[21]。前者的尋路策略采取行人與地物確定二者之間的相對位置關系，后者的尋路策略采取物體到物體的關系來確定地物的相對位置關系，在實際應用中二者通常會結合使用。研究發現，盲人一般采取以自我為中心的尋路策略[22]。

1.4 認知提示手段

語音提示[23，24]或者震動提示[25，26]方式為引導盲人行走比較常用的提示方式，以提高盲人的空間認知能力，引導盲人用戶理解空間信息[27]。震動方式的采用，為盲人在嘈雜環境或者語音提示受到阻礙時提供了一種可行的解決方案，設計的眾多盲人導航系統中，多個震動傳感器的使用為震動模式提供了多樣化的選擇。差異性震動方案是嘈雜環境中提示盲人的有效手段[7]。

綜上所述，空間認知體系是理論基礎，尋路策略是盲人在空間認知方面的具體實踐，語音和震動是提示手段。雖然對盲人空間認知從地理學、心理學以及認知神經科學等方面做出多角度的解釋，但是從地理學角度對盲人空間認知的研究到目前為止并沒有一個完整的理論體系。分析其原因，一方面，可能是研究者采取不同的實驗方案與實驗設計，得出的結果和結論有所差異[28]；另一方面，也有可能是社會對特殊群體的關注度較低。

2 基于Haptic的盲人導航服務

盲人導航服務包括路徑誘導與避障兩部分。GPS、紅外線(infrared)、超聲波(ultrasonic wave)、無線射頻識別(RFID)、雷達(radar)、藍牙( Bluetooth )以及超寬帶無線通信技術(UWB)等的應用，為盲人出行提供多樣化的選擇。從導航服務設計角度來說，一方面根據盲人的空間認知狀況考慮，另一方面從機器認知的角度設計。在實際應用中，雖然在技術上實現了提示盲人的作用，但是普及率較低，盲人出行依然面臨很大的認知壓力。本文總結近年基于Haptic的盲人導航服務方面的研究，分別從國內外研究進行了介紹，對其現狀以及發展趨勢進行了闡述及梳理。

2.1 研究現狀

2.1.1 國外研究現狀

Bourbakis N在2008年設計了一種機器視覺判別障礙物形狀的探測儀。儀器由微型電腦、3D攝像機、2D震動馬達陣列組成。其原理是3D攝像頭探測到障礙物后，由2D震動馬達陣列將探測到的障礙物以震動的形式告知盲人，未震動區域則對應實際環境中的無障礙物區域[29]。這種提示方式可將現實環境中3D物體提取為2D形狀，以震動陣列幫助盲人感知障礙物的形狀與所在位置，但是系統結構復雜，穿戴繁瑣，不易于推廣使用。

Mann S等人在2011年將6個震動馬達嵌入到頭盔中，用攝像機幫助盲人感知環境，該套系統的有效探測距離為0.3～6 m，并且距離障礙物越近，震動越強烈[30]。設備可檢測到障礙物的方位，但不可檢測障礙物大小，震動馬達集成于頭盔上，用戶體驗不友好。

Scheggi S等人在2014年設計了一種基于震動的遠距離盲人引導系統，由攝像機和一對震動傳感器組成，震動由人工遠程控制，震動周期為0.4 s，當需要提示盲人時，震動周期變為0.2 s[31]。該系統為持續震動模式，探測到障礙物后震動頻率變高，對于用戶來說容易產生認知疲勞，提示方式為人工監測，未實現自動化處理。

Mahmud N等人在2014年用3組超聲波探測儀和3個震動馬達設計了一種幫助盲人探障的導航系統。三組超聲波對應著3個震動馬達，當探測到距離障礙物50～70 cm時，震動馬達低速震動提醒；當距離障礙物30～50 cm時，震動馬達中速震動提醒；探測到距離障礙物小于30 cm時，震動馬達急速震動提醒[32]。也有人將3個超聲波傳感器集成到導盲杖上探測障礙物，在手柄處集成震動馬達，使用震動提示障礙物[33]。使用多個傳感器可準確判別障礙物的方位，采用差異性震動提示可告知盲人障礙物的距離，給盲人安全行走提供了保障。

Cosgu A等人在2014年設計了一種帶有8個震動馬達的腰帶的盲人引導系統，該8個震動馬達分別指示8個不同的方位，而且震動組合也較多，一個馬達震動時僅指示一個方位，如東、西、西北等，如果震動馬達相繼震動(跑馬燈式震動)，則指示盲人朝指定方位轉向[34]。多個震動馬達的組合提供了多種震動組合，集成在腰帶兼具實用性與隱蔽性，為盲人路徑誘導提供了更為精確的方向引導。馬達單點震動較易被接受，跑馬燈式震動給試驗者帶來不適的體驗。

2.1.2 國內研究現狀

趙銀平等人在2011年設計了一種盲人行走助手，超聲波傳感器和紅外傳感器結合使用，用單片機控制各傳感器，傳感器探測到障礙物或者凹洼處，行走助手以震動提示盲人，并加入夜間行走模式，在晚上盲人可打開LED燈，并用蜂鳴提示過路行人，保障盲人安全[35]。此設備集成了多種傳感器，加載夜間行走模式，從盲人角度和外部環境兩方面設計考慮，保護盲人出行安全。

王冠生等人在2012年基于Android平臺，采用智能手機，結合google地圖，采用差異性震動模式為盲人提供路徑誘導服務。在路口等關鍵節點采用不同的震動模式，指引盲人到達目的地[36]。但目前google地圖在國內已經無法使用，采用高精度地圖和差異性震動技術來為盲人提供路徑誘導服務，成為盲人最強烈的現實需求。

相關研究還包括對盲人行走中遇到水進行震動提示[37]，使用震動提示來幫助盲人尋物[38]，采用鞋墊前腳掌位置安裝震動器，并連接導航儀，幫助盲人實現路徑導航[39]，結合北斗定位系統，采用震動提示來為盲人提供障礙物報警功能[40]。對水跡的探測和尋物的功能，以震動提示為盲人提供了更加細致的服務需求；結合全球導航衛星系統(GNSS)提供路徑誘導，是盲人探測外界陌生環境的必要條件，差異性震動對障礙物和路徑誘導的提示，更為盲人在語音提示受到干擾時，提供了更為多樣的反饋選擇。

2.2 基于Haptic的盲人導航服務的特征與發展趨勢

1)集成化。導航器具設計時，單個傳感器往往無法滿足盲人對實際環境高精度與實時的反饋要求。因此，多個傳感器的使用可提高對環境探測的范圍。功能單一的傳感器只能對環境中某類特定的物體有效，所以根據盲人以及導航器具的功能需求，加載多種傳感器，可多方位為盲人提供障礙物探測與路徑誘導服務。

2)震動提示。上述的盲人導航服務均采用震動作為輔助提示手段，當遇到障礙物時以震動的形式提示盲人，雖有采用差異化的震動提示，但是對震動提示的時間長短、震動強度，沒有結合盲人的心理認知狀況具體分析。

3)定位精度。現有導航系統的定位精度達到了亞米級，定位誤差在10 m左右。但是對盲人來說，定位授時時間較長，而且定位誤差滿足不了盲人對高精度定位的需求。超寬帶定位技術(UWB)的出現解決了盲人對高精度定位的現實需求，該技術的定位精度可達10～20 cm，并且可實時定位，對定位的響應速度也滿足盲人對高精度定位與實時定位的要求，已有學者引用該技術對盲人進行室內定位與路徑導航[41，42]。高精度定位的出現不僅滿足特殊人群的需求，也可能是未來定位導航的發展趨勢之一。

4) 微地圖/精細地圖的應用。地圖內容主要由數學要素、地理要素、整飾要素組成。盲人對地圖的使用除數學要素這個隱形要素外，對地理要素的感知、對整飾要素的信息獲取均不可見，為盲人使用地圖造成很大困擾。近幾年對室內地圖、地鐵站等微地圖的研究也有較大發展，但是與盲人的實際需求仍有較大的差距。盲人在實際環境中行走，需要對以自身為中心的地理環境有精準的描述。因此，對微地理環境的建模，豐富精細地圖對盲人的引導功能，具有重要意義。3D 地理信息系統(geographic information system,GIS)的出現為實現上述功能實現提供了可能，在實際應用中，3D GIS主要應用在應急響應[43]、交通管理[44]、礦產資源調查[45]等方面，對盲人路徑誘導的微地圖/精細地圖的應用仍有發展空間。

近年來技術的進步與發展，采用了多種手段提高盲人空間認知水平。從起初測試盲人導航系統的可用性、有效性向著可靠性、穩定性等方面發展；基于觸覺和聽覺的提示方式也從單通道向著多通道的模式發展；在系統設計中，不單單依靠硬件設施，還加入了路徑規劃和優化算法，系統更加的智能化、集成化；盲人導航系統的功能不再是單一的導航或者避障，而是將針對盲人面臨現實困難的多種解決辦法融入到同一個系統中，兼具實用性與人性化。

2.3 面臨的挑戰

近些年來，基于Haptic的盲人導航服務雖然發展速度較快，但是真正普及使用的少之又少，其原因是一些科學問題依然亟待解決。

1) 環境實時檢測。盡管設計了許多針對路徑導航的功能，并且加入了障礙物探測的功能，但是并沒有加入實際環境中，諸如人流、車流等環境動態變化突發狀況的預警機制。面對外界環境的突發狀況，現有的導航系統并不能給出更好的解決方案。

2) 認知疲勞。語音和震動對人體的持續刺激會產生認知疲勞，也會導致認知能力的下降。需要解決盲人長期使用語音或者震動提示方式感到疲勞的問題。

3) 盲人空間認知研究。導航系統設計的目的為尋徑和避障，而對盲人空間格局的認知機理，到目前為止研究成果雖多，但是沒有形成完整的理論體系，因此，針對盲人的導航系統在功能方面大多只側重于導航與避障。

4) 盲人與地理環境的交互。盲人認識地理環境，獲取地理環境格局的能力，以及地理環境對盲人空間認知的反饋，對盲人的出行有至關重要的作用。幫助盲人快速高效認識地理環境，地理環境中各要素呈現給盲人，可有效減少盲人走彎路，偏離路線等情況的出現。

3 結束語

本文從盲人空間認知的研究現狀、以及基于Haptic盲人導航服務的應用進行了闡述和總結。基于Haptic的盲人導航服務向著多種技術手段融合應用和功能多樣化的方向發展；震動提示從單個單模式向著多組多模式的方向發展；從粗略地圖導航向著精細地圖導航的方向發展。到目前為止，關于盲人的空間認知，路徑誘導中對盲人偏離路徑的容忍程度仍需討論；對震動提示，只是作為一種提示手段，對差異性震動提示仍未做深入研究；路徑導航中，在距離路口什么位置提示，何時提示仍然值得探討。

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