基于觸知覺認知的圖形浮凸設計的應用研究

張 璟（中國美術學院 上海設計學院，上海 201203）

長久以來，凸字（或稱點字）一直是視力障礙人群通過觸摸獲取信息的主要文字載體，也是幾乎唯一的盲人專用的文字形式。雖然盲文可以使視障人群較方便地進行閱讀和信息交流，但因其特殊的組織方式以及由此導致的編碼邏輯的局限性。故在不同國家，尤其是母語不同的國家，盲文的使用具有不相通的現象。如使用拉丁字母的國家往往將每個字母對應固定形式的盲文進行編碼轉換，并在此基礎上實現原單詞由單個字母拼寫組成的方式。而在中國則無法使用該方法，取而代之的則是用盲文來表示構成漢字拼音的聲母和韻母，進而通過表達發音來表示字詞。這就導致在中西方之間，盲文不可通用的情況。本課題的研究之初衷就在于，試圖從浮凸形式的幾何圖形的角度來探尋現行盲文系統以外的另一個可傳遞信息的、可被觸知覺捕捉的媒介形式，并且該形式具有跨國家和民族的通用性，不被母語所束縛。這對于基于通用設計理念的產品界面設計有著重要的參考意義。

通過筆者于本項目研究初期進行的關于視障人群對浮凸形式的幾何圖形的觸摸認知能力的實驗發現，該人群對浮凸的基本幾何圖形不存在觸摸認知的障礙問題，因為現行的盲校教育體系中包含了對形體和圖形的認知課程。對于圖形的呈現要求而言，幾何圖形的合理浮凸高度在0.6mm左右，并且輪廓須清晰完整。但在進一步的實驗中筆者也注意到，先天性視覺障礙或無視覺經驗的人群（弱視除外），在識別部分幾何圖形的過程中容易出現誤判現象。通過對這部分集合圖形的分析以及對實驗數據進行整理后則可以發現，容易造成誤判的圖形之間的形態相似性表現為以下幾點：①構成圖形的邊和角的數量相同，如正方形、長方形以及梯形均為4條邊和4個角組成；銳角三角形、鈍角三角形、直角三角形等則都是由三條邊和三個角構成等。②圖形特征相似且強烈，這方面除了以上所列舉過的圖形以外，還特別體現在正圓形和橢圓形上，它們均是由弧線構成的回轉式圖形，特點是不含有直線邊和角。以上是從實驗所使用的基本幾何圖形的形式特征方面來分析，而從視障群體的認知行為和認知心理的角度來分析則可以發現，對圖形的區別和誤判往往和對圖形特征的記憶性描述以及對被描述對象之間的形態關系的信息掌握有關。前者可以理解為是視障者在觸摸浮凸的幾何圖形時通過認知該圖形的形態特征后對該圖形所下的定義。比如正方形是具有4條邊的圖形，當然定義的內容也可以為：正方形是具有4個角的圖形。同理，直角三角形是有3個角的圖形；正圓形是光滑的/沒有角和直線的/由弧線構成的圖形。這些定義是圍繞幾何圖形的最基本特征而被建立的。但在對幾何圖形的進一步特征描述時，觸摸認知能力的不足就會體現出來。這種描述可以被認為是對于圖形基本要素的構成性特征信息的定義。具體而言，如對于四邊形圖形（正方形、梯形、長方形、平行四邊形等）的基礎特征描述是該圖形由4個角/邊組成。但進一步的則需要通過對這4個角/邊的相對位置關系以及尺度上的差異性特征來準確區別這些擁有相同基礎特征描述的圖形，這對于只通過觸知覺來感受的視障人群而言則很困難。同樣的，對于多邊形圖形的邊長的認知和區別也是較難準確掌握的（對于不同邊長之間相對差異的程度與通過觸知覺區分判斷之間的關系則還需進一步研究）。要注意的是，以上論述中所涉及到的內容恰恰是在認知和區分不同圖形的過程中所需要的最關鍵要素。在今天的基礎幾何學中對于基本幾何圖形的界定也多來自于對這些特征的量化判斷，比如正方形除了要滿足一般四邊形的條件外，還需要滿足四個角均為直角以及四條邊相等的條件。后兩者就是基于四邊形的基本圖形特征的前提下，對其邊和角的尺寸予以精確地描述后得到的結論。同理，三角形中的鈍角三角形、直角三角形以及銳角三角形則是通過對角度的描述而加以區分的，其中等邊三角形和等腰三角形則又要涉及到關于邊長的趨同性和差異性的描述問題。正圓形和橢圓形的區分，其關鍵則在于對于弧度的變化描述或者是直徑的變化描述。而以上的認知判斷對于無法宏觀地感知圖形內容的視障人群而言則具有較高的難度，因為觸知覺的信息獲得特征呈現出點式的和路徑式的，所以對于沒有受過相關訓練的視障者來說，他們所獲取的圖形信息是不完整的、碎片式的。這其中角度的感知是最為模糊和遲鈍的，故在本項目研究過程中的實驗數據上反映出了明顯的視障群體對于不同類型的三角形的區分能力的缺陷。但同時筆者也發現，在區分正方形/長方形類圖形與普通平行四邊形類圖形的時候，視障者可以表現出比較清晰和準確的認知判斷。但在此要說明的是，在實驗中所使用的普通平行四邊形的內銳角角度為45°。換言之，在角度的設計上要保持在怎樣的范圍內還尚需進一步通過實驗和研究來得到明確的結論。根據對實驗情況的記錄和觀察筆者認為，當銳角小于60°的情況下，視障者能較為順利地將其與直角進行準確地區分。且這一推斷如果成立，則對于梯形同正四邊形類圖形的區別也同樣適用。同理，對于鈍角來說，當角度大于120°時，該鈍角能被明顯與直角相區別。而在正圓形與橢圓形的區分問題上，目前還較難通過已有的實驗觀察來獲取直接的參考依據。但通過調整橢圓形的長軸與短軸的長度比例，或許能找到將其區別于正圓形的規律。

根據以上的論述，基于觸知覺對于基本幾何圖形浮凸的區別性認知可以獲得以下的規律來對相關的產品界面設計予以指導。首先是基于邊、角的數量所劃分出的不同圖形種類，如3邊/3角類、4邊/4角類、5邊/5角類、6邊/6角類以及0邊/0角類；其次是根據邊/半徑的長短差/長短比或者角度差來進一步區分出的圖形，如四邊形類圖形中的長方形與正方形、矩形與一般平行四邊形、梯形與以上諸圖形、三角形類圖形里的鈍角三角形與銳角三角形與直角三角形之間的區分、正圓形與橢圓形。這里需要說明的是，三角形中的等邊三角形作為銳角三角形的一種可以通過認知角度來同鈍角三角形和直角三角形加以區別，但要同其他的銳角三角形進行區別，目前還未有可能的有效方法。這是因為，它們之間的差別主要表現在前者的三條邊相等，后者三條邊不相等，但對于視障者來說，僅通過觸知覺來比較三條類似線條的長度有很高的難度。而同樣作為銳角三角形，它們的內角角度差也較小，故很難通過比較角度來判斷相同和相異的情況。另外要注意的是，對于多邊形圖形而言，可以通過不同數量的邊和角來互相進行區分，但當邊和角的數量超過6的時候將會出現區分難度的增加以及區分效率的降低。這是因為受到人的短時間記憶項目數量的限制而造成的。據此，站在通過觸知覺進行認知的角度來對浮凸形式的基本幾何圖形可以作如下的分級。首先是基于不同角和邊的數量區分出的一級圖形（包括圓形類、3—6邊/角類圖形）；其次是需要根據邊/半徑的長短差/長短比以及角度差進行進一步區分的圖形（包括正四邊形、長方形、梯形、一般平行四邊形類、非正多邊形（多于4邊/4角的）、銳角/直角/鈍角三角形等）；接著是在第二層次圖形類別中還需要進一步區分的圖形，如等邊三角形、等腰梯形、菱形等。（圖1）

綜上所述，利用基于觸知覺而設計的帶有浮凸效果的基本幾何圖形進行信息的傳遞是一種可行的能跨越視障群體與明眼群體之間障礙的產品界面設計方向。通過對視障群體進行有關浮凸形式的基本幾何圖形的觸摸認知能力的實驗和研究發現，圖形的基本構成元素：邊、角的數量是進行圖形認知判別的基本內容，并構成了視障人群對于基本集合圖形認識所需的基本定義。在此基礎上對于邊和角的幾何形態的量化特征及相互之間的幾何關系的描述則是進一步認知和區分幾何圖形的關鍵，同時這種通過觸知覺感知幾何圖形所傳遞的信息的方式，其難點也主要集中在這一層面上。故基于此，從設計的角度來說，可以將運用于觸知覺認知的浮凸形式的基本幾何圖形進行三個層級的劃分，從簡到難分別是以邊/角的數量判別圖形的第一層次，以邊/角的長度/角度來界定不同的幾何圖形的第二層次，以及在第二層次基礎上進一步細化區別的第三層次幾何圖形。這種劃分幾何圖形的作用則在于為不同認知能力或難度要求情況下的相關產品界面設計提供參考。要強調的是，本文所討論的是基本幾何圖形的觸知覺認知問題，對于更復雜的或者不規則的浮凸形式的圖形的認知問題以及在設計中的運用方法則還需通過進一步的研究來探索和實踐。此外還需強調的是，這種試圖擴展和跨越不同認知能力人群之間的信息承載媒介的設計研究，其真正地實現和普及離不開相關教育體系的助力和完善。且這類帶有通用設計精神的設計探索不僅是從功效的廣泛性角度出發和被評價，而是包含了對不同群體的人文關懷以及實現社會公平的責任。