·1264 工程科学学报，第43卷.第9期 和振动频率之间有着密不可分的关联性，即使在 动信息编码方案，之后根据实验数据优化编码方 振动强度未发生变化的情况下，当振动频率改变 案，实现人和触觉表达装置之间的高效便捷交互 时，人体可以感知到的主观振动强度也会随之改 振动信息编码的数字、字母表达常用的借鉴编码 变]尽管存在这种令人头疼的关联性，对振动频 是布莱叶盲文和莫尔斯电码，在文献[17刀中，东南 率的研究仍是有意义的，因为人体对振动频率的 大学的郝飞提出了一种三角码的方案来表达字母 变化十分敏锐，所以常常使用振动频率的变化来 a~z,三角码本质是一种三进制码，三角码的三个 表达一些更细腻精密的触觉信息 落点分别排列在三角形的三个顶点处，感知定位 (3)振动强度：皮肤可以感知的振动强度，即 清晰准确，通过三次单点振动（即3个三进制数） 振动的力量，是振动触觉的重要参数.关于振动强 表征字母a~z和数字0，通过两次单点振动（即 度的设置，过低的振动强度会导致人体的感受器 2个三进制数)表征数字1~9.这种编码方式简单 无法感知到具体的振动，过高的振动强度会让人 且识别率高，识别准确率和识别时间均优于类布 产生疼痛.人手腕部能感知的适宜振动强度范 莱叶盲文和类莫尔斯编码 围为0.80~2.00N除此以外，影响振动强度的 根据对三种编码方案的横纵向比较，可得振 因素不仅仅是单个振子的振动强度，还与同时振 动触觉编码设计的几个原则：相容性原则、可靠辨 动的振子数量有着显著的相关性.在对作用在大 识原则、简单易记原则、适当训练原则以及表达 腿上的振动触觉装置的实验中，Cholewiak!s发 排序原则.在设计振动强度编码时应尽量保证振 现，即使在每个振子振动强度保持不变的前提下， 感一致，尽可能使用先弱后强模式，慎用“弱- 随着振动振子的数量的递增，被试感受到的振动 强-中”模式，在设计振动持续时间编码时应尽量 强度也会随之递增，这与人体皮肤上某些特殊的 压缩时间，方波间隔振动优先和方波数量优先原 感知特性有关 则，在设计空间落点编码时应尽量集中在同一部 (4)振动时间：振动时间包括两个关键的时间 位或相邻部位，先部分再整体，按照笔顺次序依次 参数，即振动持续时间和振动间隔时间.不同振动 振动 间隔时间和振动持续时间的组合反映了振动的节 2振动信息编码的应用 奏快慢，而振动的节奏极大地影响了人们接收振 动触觉信息的效率，此外，不同振动节奏的组合能 本节主要讨论使用振动触觉对不同振动信息 传递更为丰富的语义信息.Gunther1的研究表 的编码方式.按照振动信息的种类，信息可分为方 明，刺激作用时间小于01s时会产生刺痛感，而随 向方位信息，表情和图案信息以及数字和字母信 着强度与时间的增加，振动的刺痛感会减轻并产 息.针对方向方位的振动编码研究众多，这是源于 生平滑的触觉感知.在大多数的触觉表达装置中， 盲人导航领域对振动触觉的强烈需求.因此，本节 振动持续时间的范围在80ms到500ms之间.人 按照方向信息和其他语义信息分别讨论其特征及 识别触觉图案的能力与振动时间相关，研究表明， 具体应用 振动持续时间从80ms增加到320ms时，人的触 2.1面向方向导航的振动信息编码 觉识别能力逐渐增强，若高于这一范围，将会使被 使用振动信息编码传递环境感知信息是目前 试者产生不适 最广泛和流行的手段，因为环境感知信息简单明 1.3振动信息编码理论 确，区分度大，而振动触觉适于传递语义集小但语 振动信息编码是振动触觉表达装置的理论基 义间区分度大的信息 础，振动触觉信息表达包括触觉信息编码和辨识 振动信息编码在盲人导航领域有着广泛的应 两个过程，人首先根据感知到的振动强度、振动时 用.中国是全世界盲人最多的国家之一，眼部疾病 间和空间落点形成触觉短时记忆，再将短时记忆 在中国也是一个主要的公共卫生问题.由国家统 整理成触觉编码，其次进行触觉表达的辨识过程， 计局网站2014年公布的数据可知，截止2014年， 在大脑中比对固有的振动信息编码方案，将编码 中国约有盲人600万~700万，占世界盲人总数的 解释成可理解的信息，如字母、数字、文字等.因 18%,另有双眼低视力患者1200万.基于数量庞大 此振动信息编码包括两方面的内容，一方面是根 的盲人群体，为盲人提供一定程度的方向导航信 据短时记忆容量和阈值实验探究合适的参数范 息，是研究者迫切想解决的难题.目前，为盲人提 围，另一方面在探究到的参数范围内合理设置振 供类似于视觉信息的主要方式有听觉和触觉两方和振动频率之间有着密不可分的关联性，即使在 振动强度未发生变化的情况下，当振动频率改变 时，人体可以感知到的主观振动强度也会随之改 变[13] . 尽管存在这种令人头疼的关联性，对振动频 率的研究仍是有意义的，因为人体对振动频率的 变化十分敏锐，所以常常使用振动频率的变化来 表达一些更细腻精密的触觉信息. （3）振动强度：皮肤可以感知的振动强度，即 振动的力量，是振动触觉的重要参数. 关于振动强 度的设置，过低的振动强度会导致人体的感受器 无法感知到具体的振动，过高的振动强度会让人 产生疼痛[12] . 人手腕部能感知的适宜振动强度范 围为 0.80～2.00 N[14] . 除此以外，影响振动强度的 因素不仅仅是单个振子的振动强度，还与同时振 动的振子数量有着显著的相关性. 在对作用在大 腿上的振动触觉装置的实验中 ，Cholewiak[15] 发 现，即使在每个振子振动强度保持不变的前提下， 随着振动振子的数量的递增，被试感受到的振动 强度也会随之递增，这与人体皮肤上某些特殊的 感知特性有关. （4）振动时间：振动时间包括两个关键的时间 参数，即振动持续时间和振动间隔时间. 不同振动 间隔时间和振动持续时间的组合反映了振动的节 奏快慢，而振动的节奏极大地影响了人们接收振 动触觉信息的效率，此外，不同振动节奏的组合能 传递更为丰富的语义信息. Gunther[16] 的研究表 明，刺激作用时间小于 0.1 s 时会产生刺痛感，而随 着强度与时间的增加，振动的刺痛感会减轻并产 生平滑的触觉感知. 在大多数的触觉表达装置中， 振动持续时间的范围在 80 ms 到 500 ms 之间. 人 识别触觉图案的能力与振动时间相关，研究表明， 振动持续时间从 80 ms 增加到 320 ms 时，人的触 觉识别能力逐渐增强，若高于这一范围，将会使被 试者产生不适. 1.3    振动信息编码理论 振动信息编码是振动触觉表达装置的理论基 础，振动触觉信息表达包括触觉信息编码和辨识 两个过程，人首先根据感知到的振动强度、振动时 间和空间落点形成触觉短时记忆，再将短时记忆 整理成触觉编码，其次进行触觉表达的辨识过程， 在大脑中比对固有的振动信息编码方案，将编码 解释成可理解的信息，如字母、数字、文字等. 因 此振动信息编码包括两方面的内容，一方面是根 据短时记忆容量和阈值实验探究合适的参数范 围，另一方面在探究到的参数范围内合理设置振 动信息编码方案，之后根据实验数据优化编码方 案，实现人和触觉表达装置之间的高效便捷交互. 振动信息编码的数字、字母表达常用的借鉴编码 是布莱叶盲文和莫尔斯电码，在文献 [17] 中，东南 大学的郝飞提出了一种三角码的方案来表达字母 a～z，三角码本质是一种三进制码，三角码的三个 落点分别排列在三角形的三个顶点处，感知定位 清晰准确，通过三次单点振动（即 3 个三进制数） 表征字母 a～z 和数字 0，通过两次单点振动 (即 2 个三进制数) 表征数字 1～9. 这种编码方式简单 且识别率高，识别准确率和识别时间均优于类布 莱叶盲文和类莫尔斯编码. 根据对三种编码方案的横纵向比较，可得振 动触觉编码设计的几个原则：相容性原则、可靠辨 识原则、简单易记原则、适当训练原则以及表达 排序原则. 在设计振动强度编码时应尽量保证振 感一致 ，尽可能使用先弱后强模式 ，慎用“弱− 强−中”模式，在设计振动持续时间编码时应尽量 压缩时间，方波间隔振动优先和方波数量优先原 则，在设计空间落点编码时应尽量集中在同一部 位或相邻部位，先部分再整体，按照笔顺次序依次 振动. 2    振动信息编码的应用 本节主要讨论使用振动触觉对不同振动信息 的编码方式. 按照振动信息的种类，信息可分为方 向方位信息，表情和图案信息以及数字和字母信 息. 针对方向方位的振动编码研究众多，这是源于 盲人导航领域对振动触觉的强烈需求. 因此，本节 按照方向信息和其他语义信息分别讨论其特征及 具体应用. 2.1    面向方向导航的振动信息编码 使用振动信息编码传递环境感知信息是目前 最广泛和流行的手段，因为环境感知信息简单明 确，区分度大，而振动触觉适于传递语义集小但语 义间区分度大的信息. 振动信息编码在盲人导航领域有着广泛的应 用. 中国是全世界盲人最多的国家之一，眼部疾病 在中国也是一个主要的公共卫生问题. 由国家统 计局网站 2014 年公布的数据可知，截止 2014 年 ， 中国约有盲人 600 万～700 万，占世界盲人总数的 18%，另有双眼低视力患者 1200 万. 基于数量庞大 的盲人群体，为盲人提供一定程度的方向导航信 息，是研究者迫切想解决的难题. 目前，为盲人提 供类似于视觉信息的主要方式有听觉和触觉两方 · 1264 · 工程科学学报，第 43 卷，第 9 期