盲用无障碍触觉图学的框架性理论研究

孙 宇，李纯莲，李 璇

(长春大学 a. 特殊教育学院；b. 计算机科学技术学院，长春 130022)

众所周知，对明眼人来说，图纸是工程师的语言，而对盲人来说，触觉图学更有其重要的现实意义。比如，盲人学生要了解所在学校的具体结构，依靠导盲人、导盲犬，或者持杖自行探索，需较长时间，并且，这随盲生个体定向行走能力的不同而有所差异。但若有一张该校的触觉布局图，盲人很快就可以明晰它的整体结构。作为技术图纸，其最基本要素包括图形以及对它的标注，明眼人使用的视觉图学(普通的图学)和盲人使用的触觉图学都概莫能外。正因为图学的应用非常广泛，其国家技术标准的制定和实施是一个国家的基础工程。目前，普通图学的国家规范已经发展得十分完善，但国内外对触觉图学的研究还处于起步阶段，没有形成系统的、规范的技术标准。

一、问题的提出

图学要件包括图形和标注，而图形主要由各种基本技术图线构成，如实线、虚线、点划线等，标注则主要由文字构成。不过，对触觉图学来说，无论是构成图形的基本图线，还是构成图形标注的文字，它们都是由盲点按照一定的科学规律构造而成的。图纸是工程师用的技术语言，盲文是盲人用的书面语言，这两种语言在图纸的标注上就产生了交集。触觉图学的发展晚于盲文，了解盲文，对中国而言，尤其是了解汉语盲文，对研究触觉图学会起到抛砖引玉的作用，毕竟触觉图学和盲文的最基本单位都是那些凸起的、手指比较敏感的盲点。

总之，本研究具有如下特点：(1)有利于完善工程用盲字和无障碍触觉图形的设计思想，主要是从摸读心理学角度探索盲人认识工程用汉字、触觉图形的新途径。(2)项目中工程用盲字的设计思想及其应用，有利于盲人对相应汉字“形音义”的深刻理解。具体表现在触觉图学上，盲文版汉字可以对触觉图形进行有效的、准确的标注，而传统的“拼音盲文”(即现行的盲文)很难做到这一点。

二、国内外研究现状

本研究中提及的触觉图学中用到的盲文版汉字，是在遵循现行盲文特点的基础上设计的一种汉语盲字[1]；它的显著特点是在充分考虑盲人“识字”机理的前提下，实现了盲文和普通汉字的有机统一，从而适于触觉图形的标注。另外，有些学者为了解决汉语盲文中存在的大量同音字现象，还引进了语料库技术[2-3]，也有一定的参考价值。同样的，在国内，尽管对无障碍触觉图学作了一些探索，但关于触觉图形的盲人“识图”机理的研究却非常少。

在国外，与中国汉字联系最密切的是日本汉字。然而，日本与我国不同，日语盲文不只是假名有盲文形式，也有盲文版的日本汉字，所以日本盲人掌握日本汉字相对比较容易，其有益的经验值得借鉴[4-5]。不过，普通的日本汉字在表面上与中国汉字类似，但表现为盲文则有较大的差异。因为日语有音读、训读的区别，绝大多数日本汉字都是多音节(尤其是训读)，并且没有声调，而中国汉字是单音节，有声调的，所以从盲人的摸读心理学来说，盲人在认识日本汉字和中国汉字方面存在着很大差别。其中，文献[6]从视觉障碍学生的心理与教育角度介绍了日语盲文的可读性；文献[7-8]介绍了各种摸读方法(如单手摸读、双手交叉摸读等)对阅读日语盲文的影响；文献[9]介绍了神经网络算法在优化日语盲文分词中的进展情况。

在英美，盲教育和盲文相对比较成熟。英语盲文既有音标的盲文，也有其文字的盲文形式。在盲人认识英语文字以及触觉图形的研究方面，相关文献比汉语、日语要多很多，研究也比较透彻。这些文献对于了解盲人的“识图、识字”机理是很有益的。当前，视障学生摸读盲文的能力素质主要通过摸读速度、摸读准确性和文本理解三方面来评估。为了让盲人和视力受损的用户参与学习可视化概念，不仅要为他们提供文本，还要为他们提供图形。界面友好的触摸感知系统允许明眼人参与创建过程的每个阶段，这可以通过二维触觉显示器实现，盲人参与者能够独立操作图形对象并进行注释。因此，一个由视力良好的图形创作者和一个盲人搭档组成的团队可以创造出质量更好的触觉图形。空间模式识别对于构建信息丰富的图形至关重要，对这些认知技能的洞察可以为触觉图形制作和无障碍制图的当前实践提供信息。用户使用一些直观的策略手动探索触摸表面以与触觉数据交互，其中，触觉数据的复杂性和触觉渲染方法在一定程度上也会影响用户的触觉感知能力。

三、框架性研究方案

文章旨在研究盲人的“触觉识图”机理，以及“无障碍触觉图形”基本要素的框架性设计理论与应用，目的是使盲人尽可能像明眼人那样运用基本的技术图形，以及与明眼人合作开发无障碍设备。

(一)框架性研究内容

(1)从工程图学角度，依据盲人的触觉“识图”机理创造出基本技术图线相应的各种盲文点位组合，包括经典几何、机械制图和建筑制图中常用的技术图线。

(2)从计算语言学角度，基于盲人的触觉“识字”机理设计工程用汉字相应的盲文版形式。具体来说，首先是基础的工程用汉字，然后是不同专业领域的工程用汉字，从而为触觉图学的标注奠定基础。

(3)在研究无障碍触觉图学的过程中，优化神经网络算法、遗传算法的权值、阈值和适应值函数等，并在实践中不断完善这些算法，进而使该触觉图学规范更加符合盲人学习和使用的个性化需求。

(4)了解当前流行的无障碍图形应用软件，或者对现有的盲用读屏软件，如NVDA做一些二次开发，以辅助视觉残障人士无障碍地使用工程图形开发环境。

(二)框架性研究目标

总目标：基于工程图学的基本原理创造出工程用汉字的盲文版形式和规范化、标准化的盲文版技术图线，研究不同盲人群体的“识图”机理。具体目标：(1)基于盲人的“识图”机理，了解触觉思维的传导过程，创造出工程用汉字，以及基本技术图线和基本图形的盲文版形式。(2)研究出实用的遗传算法、神经网络等算法，用以解决盲人“识图”的个性化问题。(3)研究出简体字中工程用汉字、基本技术图线和图形的盲表的构建规律，研究出盲人“识图”软件的信息无障碍设计理论。

(三)拟解决的关键科学问题

触觉图学和视觉图学分属于不同的神经传输过程，在认知方面存在着很大的差异。目前，中国盲人(或视障者)由于在基础教育阶段学习现行盲文，他们学习汉语是直接从盲文分词开始的，对汉字的理解相当模糊，可以说，即使对接受过义务教育的盲人来说，在认识汉字方面也是“文盲”。至于触觉图形，盲人了解得就更少了。如果用上述盲文对触觉图形进行标注，存在的理解偏差也就可想而知了。我们应解决的关键科学问题如下：

(1)从工程图学角度，把明眼人识别的各种基本技术图线转换为盲人依靠触觉可以识别的线性点位标准组合。主要是通过计算机模拟，盲人摸读检验，以及制造一些无障碍设备来进行最终确定。对于不同的技术图线，在进行相应的触觉图学转换时，核心参数是确定每种技术图线所需盲文点的疏密程度、点距和点径等，但这些参数的选择必须以满足盲人摸读心理为前提。

(2)研究无障碍触觉图形的标注问题，尤其是其中的汉字标注，即把复杂结构的汉字转换为能与其唯一对应的、适合触摸的盲文。这包括：首先是借助大数据汉语语料库，以及构建合适的数学统计模型来探寻汉字各构成要素(即汉字的声韵调、偏旁部首)的分布规律。其次，按照一定的规则将这些汉字信息线性化为不同的盲符组合。例如，汉字偏旁部首的分布频率是极不均匀的。由于中国传统文化的影响，蕴含古代阴阳五行思想的偏旁部首 “日/月/木/火/土/金/水” 等几个偏旁在汉字中所占的比例就非常高。因此，对这一类的汉字偏旁，在设计对应的盲符时，触觉优先级也应该较高。事实上，对于一个熟练的盲文读者，食指的敏感程度高于其他手指，而指尖高于指腹。

(3)在计算机辅助研究图学标准时，改进神经网络、GA等算法，以优化触觉图学的技术规范。实践中，盲人“识图”具有个性化特点，因为盲人失明的年龄和原因不同，致使他们在认知能力方面存在很大差异，比如先天失明者、幼年失明者和30岁的中途失明者。通过不同盲人群体所“识图”的难易程度及数量来训练神经网络，最终获得各个失明群体能够认识的最大触觉图形子集(举例：先天失明者很难掌握一些较复杂的空间曲线，如工程图中用到的截交线、相贯线等)。由于这类算法在盲人“识图”中的研究还处于很原始的阶段，所以有必要对它们做进一步的完善。

四、框架性研究方法

传统的语言学属于人文社会学科，而图学又与工程学、计算机科学以及数学相关联。

(一)框架性技术路线

一是根据盲人凭借触觉、听觉辨识汉字和图形的特点，设计工程用汉字和基本技术图线的盲文版形式，它是研制触觉图学的基础工作。二是灵活借鉴国内外计算机盲用码表的研发经验，研发汉字与图形的盲表。三是研究设计信息无障碍插件，进行触觉图学的初步设计。四是通过软件设计和测试的多次循环往复，不断完善神经网络等算法，得到最优的无障碍触觉图学方案。下面是盲人专用的盲文和触觉图形的输入输出设备(如图1、图2所示)和工作流程(如图3所示)。

图1 智能盲文(点字)显示器

图2 盲用制图板

图3 工作流程图

(二)具体研究方法

1.线性化工程用汉字为触觉图学中的盲文

运用工程语言语料库技术，从中了解汉字的使用频率分布情况。在此基础上，关键技术首先是掌握每一类汉字(如金属元素与非金属元素)的偏旁部首、基本音节、声调的分布频率。首先，对于偏旁，主要关注汉字形旁的分布规律。因为盲文版汉字是一种线性结构，典型的盲字由四个盲符部件构成，即偏旁标志符(更准确地说，应该是含义标志符)、结构标志符、基本音节和声调标志符构成。其次，再逐次盲符化汉字的结构、音节(声韵调)信息。最后，从盲人触觉心理学角度，把汉字的形旁、结构以及声韵调信息赋给相应的盲方。实际上，一个盲字最多可以由四个盲方构成，按照 Unicode 码，那么四个盲符可以形成 256*256*256*256(将近43亿)种组合，而《新华字典》所收录的汉字也就一万三千多。可见，作为设计盲字的资源是极为丰富的。所以，必须优选出适合摸读的盲文点位组合来设计盲文版汉字，这主要通过统计方法和盲人的摸读实践相结合来获得，具体如图4所示。

图4 工程用汉字线性化流程图

2.关于触觉图学中基本图形的研究

对于一些基本的触觉图形(包括基本的技术图线)，有时候需要按照盲人的认知去分类。因此，让一些知识丰富的盲人来划分典型的触觉图形，然后以这些典型的触觉图形所对应的普通图形作为神经网络的输入，同时这些触觉图形作为神经网络的输出来训练该学习算法。待算法稳定以后，就可以用该神经网络算法生成的触觉图形快速地构建码表了。当然，典型图形的选择仍然可以从注明的图形库(如 AutoCAD 中包含的库)中获得，进而形成典型触觉图形的数据库。触觉图形盲表的研究流程如图5所示。

3.触觉图学中的盲人“识图”

在完成上面两个步骤以后，就可以进入触觉图形“识图”软件的实现阶段。不过，设计盲人“识图”软件，首先要考虑的是无障碍技术在“识图”软件中的应用，否则盲人难以使用该图形软件。也就是说，软件真正意义的信息无障碍一定是能够让盲人不依赖任何程度的视觉辅助，仅仅凭借听觉或者触摸就能了解和使用软件人机交互界面中的任意元素，就像明眼人使用它那样顺畅。然而，目前的盲用信息无障碍技术发展还不完善，尤其是图形、图像的盲用信息无障碍。原因在于，国家的信息无障碍标准未能全面、准确地贯彻执行，明眼人的软件工程师缺乏系统的盲用无障碍软件设计理论，而且盲人和明眼人也没有做到充分的信息融通。另外，还需在触觉图学“识图”软件中再次引进遗传算法、神经网络等自适应算法，用于区分不同盲人群体(先天、幼年和中途失明者)所能认知的最大触觉图形子集，算法的基本原理同步骤2。具体研究流程如图6所示。

图6 识图软件研究流程

五、结论

本质上，研究无障碍触觉图学标准和无障碍设备需要首先解决的是盲人和明眼人的沟通问题，因为盲人和明眼人看问题的角度是不一样的，必须寻找他们的共同交汇点，只有这样，才更便于实现盲人和明眼人在信息交互上的真正融合，图学方面自然也不例外。事实上，触觉图学不仅是一个科学问题，更重要的是，它可以为盲人群体的生活、工作和学习提供便利。

文章基于盲人“识图”机理提出了与图形、工程用汉字有机对应的触觉图学思想，即从工程图学、计算语言学角度线性化图形、汉字等信息，然后把它们转化为盲文的特定点位以供盲人摸读。该触觉图学不仅可以更方便地区分触觉图形中标注的不同汉字，使其更接近于普通汉字，而且也可以实现盲人对图形的准确理解。可以说，触觉图学有助于实现盲人同明眼人一样的“识图”权利。