全球视力受损患者共有2.53亿，包括3600万全盲患者。在互联网时代，盲人通过触觉对图形图像的认知需求越来越强烈。本书首先从理论角度研究触觉，然后通过盲人用户研究和实验分析，探索盲人的触觉认知特点和影响触觉认知的关键因素。之后本书从设计角度建立理论框架，探索了盲人的触觉认知及交互体验的设计理论与方法，并以此设计开发了触觉图形显示器。该设备能渲染盲文和图形信息，可以作为教育资源广泛应用于学校、公共场所及盲人家庭。

第1章引言〖1〗1.1选 题 背 景〖*1〗1.1.1信息时代，盲人面临的困难根据世界卫生组织(WHO)在2017年的普查数据，全球视力受损患者共有2.53亿，包括3600万全盲患者。World Health Organization. Global Data on Visual Impairments 2010\[M\]. 2012.大多数盲人生活在发展中国家，教育资源非常有限。

研究表明，人的大脑每天通过五种主要感官接收外部信息。它们的比例分别为: 味觉1%、触觉1.5%、嗅觉3.5%、听觉11%，以及视觉83%。U.S. Department of Labor. Presenting Effective Presentations with Visual Aids\[R\]. OSHA Office of Training and Education. 1996.由此可见，视觉信息在人们的日常生活、交流与学习中极为重要。因此视力受损患者在日常学习、工作和生活上都存在诸多不便。通常来说，他们使用听觉作为信息获取的重要通道，比如通过语言对话、收听收音机等方式。近年来随着电脑、手机等智能终端的普及，文字转语音（text to speech）文字转语音（text to speech, TTS）: 利用计算机技术，识别虚拟的文字信息，并通过计算机朗读文字。它是人机对话的一部分，让机器人能说话。、语音合成（speech synthesis）语音合成（speech synthesis）: 将计算机自己产生的或外部输入的文字信息转变为可以听得懂的、流利的汉语口语输出的技术。等技术可以帮助盲人“听到”文字内容。除听觉外，触觉也是盲人获取信息的重要方式，包括从最基本的对物体的触摸感知，到用手指阅读布莱尔盲文（Braille）图书、纸质的触觉图形图像等材料。触觉和听觉是视觉受损人群获取信息最重要的两种方式。

然而，随着信息时代的到来，尤其是近几十年来互联网的快速发展，数字信息量呈指数爆炸形势，比如互联网上的大量图片、视频甚至虚拟现实（virtual reality）虚拟现实（virtual reality，VR）: 是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是: 综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境称为虚拟环境\[176\]。、增强现实（augmented reality）增强现实（augmented reality，AR）: 是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术于1990年提出。随着随身电子产品CPU运算能力的提升，预期增强现实的用途将会越来越广\[177\]。等视觉信息，且绝大多数信息依靠计算机的电子显示屏呈现。信息时代带来的海量数字信息加重了人们对视觉通道的依赖。而盲人由于视力受损，无法有效获取这些主流的数字信息，对他们的学习、工作和生活造成了很大的障碍。

特别是随着高新技术的日新月异，盲人可能受到更多的挑战。因为盲人朋友对身边生活的常用物品尚可理解和使用，但对没有出现在生活周边的尖端的科技和产品，他们仅能靠抽象的文字语言了解，对具体的样子和形状没有概念，无法直观地理解。盲人和明眼人对主流信息的获取差异，造成盲人群体的知识学习和对高新技术的掌握濒临难以跟上时代步伐的危险。

在国内，新中国成立后，政府大力支持发展残疾人事业，从教育、工作和日常生活上给予关照和帮助。在教育产业上，我国有专门针对盲人群体的小学、中学进行基础教育，比如北京市盲人学校；另外一些大学、高校也开设特殊教育学院接纳盲人学生，比如北京联合大学特殊教育学院等。但尽管如此，我国还是发展中国家，许多无障碍设施和残疾人的相关制度还有待完善。盲人由于视力受损，很多时候无法像健全人一样获得平等的教育机会和工作机会。如何帮助盲人学习获取更多有用的知识，如何让他们和健全人一样享受科技发展带来的便捷，跟上世界的发展潮流，一直都是世界范围内极具价值的研究方向。

1.1.2触觉交互——盲人的重大需求

人自古以来就会利用触觉感受物质与自然，触觉是人作为生物体的本能感觉。亚里士多德在《论灵魂》和《感官与感觉》中，把感觉分为五种: 视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉，并认为，“没有触觉就不可能有其他的感觉”、“触觉是动物所唯一必备的感觉”亚里士多德. 亚里士多德全集\[M\]. 苗力田，主编. 北京:  中国人民大学出版社,2016.。触摸在我们日常生活中无处不在，如抚、按、摸、点、捏、压、划、拽、抓、拉、吻、亲等接触性的动作行为，能以最直接的方式感知周围事物。从我们呱呱坠地的那一刻起，便开始用触觉去感受世界。触觉是人类认知最早、最基本的途径，帮助人们在成长的过程中逐步建立对世界的理解和认知。

因此，在盲人用户的信息获取和交互时，相比于听觉的抽象语言文字信息，触觉的实体信息具有更直观、更具象的特点。在面对具象的信息或概念时，采用触觉的方式触摸三维模型或二维的触觉图像是知识学习非常有效的方法。事实上目前在盲人学校中，对图形图像和三维空间的知识教学，也通常采用实体模型和纸质触觉图像等方法，利用触觉的实体认知进行具象的知识学习。

实体模型是实物按一定大小比例缩小的模型复刻版，多用于一些基础的概念学习。但因为其制作过程相对复杂，在盲人学校中实体模型的资源较少，盲人学生使用更多的是纸质的触觉图像。

触觉图形图像是利用材质的凹凸高度、纹理等触觉特点，在二维平面上显示的图形图像，通常由热敏、塑胶印刷、热塑和Tiger盲点打印等方式制作，如图1.1所示。

图1.1盲人纸质触觉辅助教具举例

左： 热敏纸； 中： Tiger打印； 右： 塑胶印刷

目前，这类纸质的触觉图像大多用于盲校的教科书和考试卷中，作为文字的配图和数学、几何学习之用。然而，这些静态的纸质触觉图像在使用上存在诸多不便。它们作为学习用具极易损坏，成本高昂，大量的纸质图像非常笨重且不易保存。最重要的是，在当今互联网时代，以纸质承载方式存在的静态图像无法帮助盲人用户理解动态的图形图像信息，不能交互。

有鉴于此，从20世纪开始，相关的业界和研究机构着手探索针对盲人用户的动态图形图像显示方式，比如触觉图形显示器。它的主要功能是通过实时的表面形变，动态地渲染触觉图像。由于涉及动态的实体形变，这给触觉图形显示器的结构设计和制造增加了极大的难度，目前一些原型设备的售价非常昂贵，比如德国MetecAG公司的Display 7200（见图1.2）METECAG. Hyperbraille Display 7200 Users Manual\[M\]. Stuttgart:  METECAG, 2014.，在2016年价格为5万欧元，而且其功能性、易用性和整体的交互体验都有待提高，因此也没有在市场上真正有效地推广使用。

图1.2Display 7200触觉图形显示器

虽然目前既有的触觉图形显示器原型研究还没有达到盲人用户的要求，但基于盲人用户理解图形图像的重大需求，它仍然代表着利用触觉通道进行图形图像认知和交互，以及互联网信息学习的未来方向。这也是目前多家学术机构和产业界的研究重点。

1.1.3多样化的人机交互界面

自从人类开始使用石头、木棍，并制作斧子、轮子等工具时，便开始思考人与外界环境及生产工具的交流方式。18世纪中叶，工业革命开创了机器生产的时代，机器设备解放了简单的人工劳动，显著提升了生产力。与此同时，机器也越来越多地进入人类的生产与生活。随着第二、第三次工业革命的开展，生产力进一步提高，1946年美国研制出第一台电子计算机保罗·莱文森．软利器: 信息革命的自然历史与未来\[M\]．何道宽，译．上海:  复旦大学出版社,2011:  732.，打开了人类进入信息时代之门。机器除了机械属性，又加入了电子属性和计算属性，变成了更庞大的系统。因此，如何使机器更友好地为人服务，满足人的需求，逐渐从问题变成了学科。

1959年美国人沙克尔从人在操纵计算机时如何能减轻疲劳出发，发表了关于计算机控制台设计的人机工程学的论文B. Shackel. Ergonomics for a computer\[J\]. Design, 120(1959):  3639.B. Shackel. A Note on Panel Layout for Numbers of Identical Items\[J\]. Ergonomics, 2(1959):  247251.，从此开创了探寻人与机器交流方式的新学科，即人机交互(humancomputerinteraction)。

用户在使用计算机的过程中，信息流不断地从计算机端和用户端交互往来。复杂庞大的信息量需要以设计的方式整理，并有效地传递，此为信息设计孙皓琼. 图形对话: 什么是信息设计\[M\]. 北京: 清华大学出版社，2011.。在计算机科学初期，设计和开发人员对软硬件产品的可用性或“用户友好性”关注甚少。然而，随着越来越多的用户期望设备易用，终于把研究者的注意力聚焦到可用性（usability）Jakob Nielsen. Usability Inspection Methods\[C\]//Proceedings of CHI94 Conference Companion on Human Factors in Computing Systems. 1994:  413414.上。可用性的提升，正是因为科技和信息设计的进步。

经过几十年的发展和演变，计算机和广义的机器在功能上突飞猛进，复杂度越来越高，因此给使用者也带来了更高的要求。相应地，为了克服用户使用及操作机器的问题，通过信息设计，人机交互领域在交互界面上和交互通道上也有了显著的更新和迭代。在界面上，从最早的单独命令识别的命令行界面（CLI）CLI: Command Line Interface，命令行界面，早期电子计算机的交互方式，比如微软的Dos操作系统。，到目前最常用的图形用户界面（GUI）GUI: Graphics User Interface，图形用户界面，比如微软的Windows操作系统、苹果的MacOS等。，以及虚拟现实、增强现实等虚实融合的界面；在交互通道上，从基础的视觉命令文字，到高分辨率图形界面，以及融入触觉、听觉等多通道的交互方式。Bolt RA. “Putthatthere”:  Voice and Gesture at the Graphics Interface\[M\]. California:  Life Time Learning Press, 1984.这些界面、通道上的演进是为了实现人能更好地利用机器，并完成人设定的任务，同时耗费使用者最少的精力和成本。

21世纪又是移动互联网的时代，自从2007年苹果公司发布iPhone以来，智能手机普及率快速上升。伴随着无线通信的发展，以及3G、4G无线网络的覆盖，移动终端的处理能力和信息的传输能力都有质的提升。在移动智能终端，人机交互又呈现了新的特点和方式。用户需要随时随地获取实时信息，且可能同时进行多个任务。复杂的人机交互需求推动着业界和本领域的研究机构的探索，人机交互的发展正在迈向多样化的新时代，寻求更智能、高效、自然的人—机—环境的交互体验。我国的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将人机交互列为国家重大战略需求的关键技术中华人民共和国科学技术部. 国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）\[OL\]. http://www.most.gov.cn/kjgh/.，《麦肯锡2013年报告》也提到，人机交互在2025年将对全球经济产生13.3万~28.2万亿美元的影响麦肯锡. 2013年中国电子零售业革命报告\[OL\]. http://www.199it.com/archives/116657.html.。

然而在一般用户的日常生活中，我们只利用了有限的感官通道进行输入输出，并获取信息: 视觉屏幕作为主要的信息获取方式，键盘、鼠标和触摸屏作为控制通道。其中，键盘鼠标只给用户提供了机械的回弹和移动属性，而触摸屏则只有玻璃屏幕的触感和有限的震动反馈。我们在进行信息获取和交换的过程中，没有充分利用触觉和实体的交互。

正因为此，目前针对实体交互界面、多感官、多通道交互界面的研究一直是学术界的前沿领域。比如针对触觉的研究，引入力/触觉反馈机制，使用户不仅能看见虚拟对象，还可以触摸到它的几何性状和物理特征，从而使虚拟的交互更加真实和易于理解。赵沁平. 虚拟现实综述\[J\]. 中国科学（F辑:  信息科学），2009，39(1):  246.

总之，多样化的人机交互界面能充分利用人的多个感官通道，在增加沉浸感、实现更自然的交互的同时，也为某种感官受损的用户提供了其他途径的交互方式，从而实现通用设计、无障碍设计。这是未来交互界面的设计方向。

……

目录

第1章引言

1.1选题背景

1.1.1信息时代，盲人面临的困难

1.1.2触觉交互——盲人的重大需求

1.1.3多样化的人机交互界面

1.1.4人机交互中的设计驱动

1.2研究内容

1.2.1问题的提出

1.2.2关键术语的界定

1.3研究意义与创新点

1.3.1研究意义

1.3.2创新点

1.4文献综述

1.4.1信息源与文献检索

1.4.2国内文献综述

1.4.3国外文献综述

1.5研究方法及本书结构

1.5.1研究方法

1.5.2本书结构

第2章触觉交互设计的理论基础和研究路径

2.1触觉的生理解析

2.1.1皮肤的触觉感受器

2.1.2温度感受器

2.1.3痛觉感受器

2.1.4肌肉及关节感受器

2.1.5人体表皮的触觉敏感度分布

2.2触觉的情感解析

2.2.1触觉的情感表达

2.2.2触觉情感的多感官传达

2.3触觉的心理解析

2.3.1心理物理学概述

2.3.2触觉心理物理学实验及结论

2.4触觉引入信息交互设计

2.5交互界面演进与多通道交互趋势

2.5.1信息设计驱动的自然交互

2.5.2信息交互设计的多通道趋势

2.5.3实体用户界面TUI的触觉需求

2.6触觉交互设计的研究路径

2.6.1用户群体

2.6.2触觉体验

2.6.3交互范式

2.7本章小结

第3章盲人的触觉认知与交互设计

3.1盲人用户研究及触觉交互可用性

3.1.1盲人群体数量统计

3.1.2信息时代下的盲人群体

3.1.3信息时代下盲人认知与交互现状调查

3.2盲人触觉辅助设备及其交互

3.2.1盲文及实物模型

3.2.2“TVSS”触视觉替代系统

3.2.3“Optacon”视触觉转换器

3.2.4电脑外设触觉辅助设备

3.2.5触觉图形显示器

3.3盲人的触觉认知

3.3.1盲人的触觉认知概述

3.3.2fMRI实验: 盲人与明眼人的脑差异

3.3.3触觉图形图像认知: 三维转二维的认知映射

3.3.4触觉带宽显著小于视觉

3.4触觉图形图像认知实验规划

3.5实验3.1:  不同图像尺寸的认知实验

3.5.1实验目的

3.5.2实验设计与方法

3.5.3实验结果、分析与结论

3.6实验3.2:  静态图像/动态图像的认知实验

3.6.1实验目的

3.6.2实验设计与方法

3.6.3实验结果、分析与结论

3.7图像的主动/被动认知交互方式与触听觉多通道认知

3.7.1图像的多通道认知设计

3.7.2图像的主动/被动认知设计

3.7.3实验3.3:  图像的主动/被动认知交互方式与

触听觉多通道认知方式

3.7.4实验3.3的结果、分析与结论

3.8文献研究及设计建议的提出

3.9本章小结

第4章盲人触觉交互的用户体验

4.1用户体验概述

4.2触觉体验

4.2.1何谓触觉体验

4.2.2触觉体验的特征

4.2.3触觉体验的本质

4.3盲人用户触觉交互体验的特征和影响因素

4.3.1从盲人的触觉认知到交互体验

4.3.2皮肤感觉与本体运动知觉

4.3.3力的输出与力反馈量度

4.3.4触觉认知窗口

4.3.5触觉的主动/被动认知

4.3.6多通道认知

4.4本章小结第5章基于盲人用户体验的触觉交互设计理论与方法

5.1设计原则

5.1.1符合盲人用户的具身认知

5.1.2合理使用隐喻

5.1.3动态示能与动态限制的统一

5.1.4成本控制

5.2设计目标: 信息无障碍

5.3设计要素

5.3.1信息时间和空间

5.3.2产品功能与数字内容

5.3.3信息架构与交互逻辑

5.3.4产品造型和用户界面

5.4设计方法

5.4.1以盲人用户为中心

5.4.2以自然交互为方式

5.4.3以内容意义为根本

5.4.4以信息转化为导向

5.5本章小结

第6章盲人触觉图形显示器设计实践

6.1盲人“上网读图”现状与需求

6.2以用户为中心的场景和功能设计

6.2.1应用场景设计

6.2.2功能设计

6.3信息架构与交互设计

6.3.1图像生成设计

6.3.2触觉交互设计

6.4显示终端的硬件设计与开发

6.5本章小结结论参考文献后记