振動(dòng)觸覺編碼的研究現(xiàn)狀

杜靜宜，黃志奇，陳東義，雷濤瑋

電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610000

人體表面（如皮膚）是一個(gè)巨大的觸覺感受器，我們依靠它與外界進(jìn)行形形色色的溝通. 盡管視覺在我們的日常生活中占據(jù)著不可撼動(dòng)的位置，但皮膚才是我們最大且最古老的感知器官. 一直以來，科學(xué)研究都低估了借助觸覺傳遞豐富信息的能力，這與觸覺的一些特殊的屬性有關(guān). 例如觸覺很少獨(dú)立于其他的感覺通道（如聽覺、視覺或嗅覺）而存在，因此觸覺常被作為其他感官的補(bǔ)充，但是觸覺相比于其他感官而言優(yōu)勢(shì)也相當(dāng)顯著，觸覺不僅可以實(shí)現(xiàn)全方位的感知，減輕試聽負(fù)擔(dān)，而且能夠有效感知一些很難被視覺或聽覺形式表達(dá)的更真實(shí)復(fù)雜的信息，和外界環(huán)境進(jìn)行一系列的交互互動(dòng). 觸覺指一種或多種接觸感覺，包括本體感受的反饋、人體主動(dòng)接觸觸覺以及基于各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)產(chǎn)生的被動(dòng)接觸感知. 觸覺感受器遍布人體皮膚，覆蓋率超過98%[1].

人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)微小的動(dòng)作如走路、吃飯等可能蘊(yùn)含皮膚感受器和大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜海量的觸覺信息加工，基于人體各部位感知分辨率的差異，由此催生了針對(duì)不同落點(diǎn)的可穿戴觸覺表達(dá)和再現(xiàn)裝置，這些裝置為不同場(chǎng)景的觸覺再現(xiàn)提供了豐富的實(shí)現(xiàn)手段.觸覺包括皮膚觸摸覺和肌肉運(yùn)動(dòng)力覺. 按照刺激模塊的工作原理，將觸覺刺激分為振動(dòng)觸覺、氣動(dòng)觸覺、電觸覺和功能性肌肉神經(jīng)刺激等類別，其中振動(dòng)觸覺是觸覺感知的最有效手段，因?yàn)檎駝?dòng)觸覺的裝置簡單小巧、響應(yīng)速度快、舒適度好，安全性高，可作用于人體各個(gè)部位的皮膚.

觸覺信息利用觸覺硬件系統(tǒng)和觸覺編碼向用戶傳遞單個(gè)振動(dòng)器的振動(dòng)或者刺激脈沖的組合.這些信息是由觸覺特征或參數(shù)組成，包括振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度、波形和持續(xù)時(shí)間，應(yīng)用于身體的不同部位.這些參數(shù)的組合可以用來創(chuàng)建節(jié)奏或者模式，并產(chǎn)生明顯不同的觸覺的“詞語”，稱為觸覺語言. 借助于觸覺交互設(shè)備，將觸覺語言編碼后呈現(xiàn)給使用者是觸覺表達(dá)技術(shù)研究的熱點(diǎn).針對(duì)一些特殊場(chǎng)景的需求，如盲人的方向?qū)Ш?、飛行員的高空方向信息提示、潛水員的水下作業(yè)、消防員的緊急救火等，基于振動(dòng)觸覺對(duì)信息進(jìn)行編碼及合理表達(dá)的研究與應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生. 本文從觸覺感受機(jī)理入手，探討不同參數(shù)的振動(dòng)觸覺的分辨率以及觸覺信息編碼手段，并對(duì)主流的振動(dòng)觸覺編碼方案及應(yīng)用進(jìn)行歸類研究.

1 振動(dòng)觸覺感知的基礎(chǔ)研究

1.1 觸覺感知機(jī)理

通常認(rèn)為，人體的觸覺感知如濕、壓、痛、癢、關(guān)節(jié)位置、肌肉感知、運(yùn)動(dòng)等是由多種觸覺感受器綜合作用的結(jié)果[2]，即特定種類的感受器對(duì)作用物體的特定屬性進(jìn)行分析時(shí)會(huì)受到該作用物體其他干擾屬性的影響，這些干擾屬性會(huì)接收來自其他皮膚感受器的編碼. 例如，對(duì)特定條件下特定時(shí)間內(nèi)的持續(xù)刺激，慢適應(yīng)受體如魯菲尼小體和麥克爾氏盤會(huì)配合做出反饋；對(duì)于刺激的開合和關(guān)閉（如皮膚變形），快適應(yīng)受體如麥斯納氏小體和帕西尼氏小體會(huì)配合做出反饋.人體的觸覺感受器主要包括四種，分別是魯菲尼(Ruffini)小體感受器、麥克爾氏(Merkel)盤感受器、麥斯納氏小體(Meissner)感受器和帕西尼氏(Pacinian)小體感受器. 它們各自分工又互相協(xié)作，這四種感受器的特性如下表1所示. 其中，Ruffini小體對(duì)皮膚變形做出反應(yīng)，變形程度和誘發(fā)的電位成正比，因此Ruffini小體對(duì)高頻振動(dòng)十分敏感，Meissner小體集中在四肢末端無毛發(fā)區(qū)域，特別是在手指尖等部位，它主要負(fù)責(zé)身體周圍的高敏感性偵察. 上述兩種感受器屬于快適應(yīng)受體，即對(duì)短時(shí)間的刺激擁有敏銳的反應(yīng).與之相對(duì)的Merkel盤和Pacinian小體屬于慢適應(yīng)受體，它們對(duì)于持續(xù)性刺激反應(yīng)良好，給人們提供形狀感和粗糙感. 按照觸覺刺激方式的不同，可將觸覺刺激分為振動(dòng)刺激[3]、壓力刺激[4]、電刺激[5]、熱刺激[6]、噴射刺激[7]等. 其中，振動(dòng)觸覺表達(dá)方法因其簡單實(shí)用、一致性好、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最有前途的一種觸覺表達(dá)方法.

表1 四種觸覺感受器的特性Table 1 Characteristics of four tactile receptors

要想設(shè)計(jì)良好的振動(dòng)觸覺編碼，實(shí)現(xiàn)高效實(shí)用的觸覺表達(dá)裝置，就要充分了解振動(dòng)觸覺的感知特性.人體的振動(dòng)觸覺感知不僅受到主觀、客觀特征因素的影響，還受到環(huán)境、心理等多重因素的影響，例如觸覺后效應(yīng)、觸覺錯(cuò)覺、觸覺躍遷等.

Kapper和Bergmann Tiest[8]認(rèn)為人所接觸的一切均會(huì)影響如何感知下一個(gè)物體. 觸覺后效應(yīng)指的是由于視聽觸或其他感知先前刺激的方式而引起的知覺變化.他們采用大小等分任務(wù)的方法測(cè)量觸覺大小后效，球體的體積范圍為2～14 cm3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，觸摸完較大的適應(yīng)球體之后的手認(rèn)為隨后觸摸的普通測(cè)試球體比實(shí)際情況更小，觸摸完較小的適應(yīng)球體之后的手認(rèn)為隨后觸摸的普通測(cè)試球體比實(shí)際情況更大，這兩種觸覺差異均為測(cè)試球體體積大小的24%，這一結(jié)論表明人手的觸覺大小后效是相當(dāng)大的，同時(shí)在習(xí)慣了適應(yīng)球體的大小之后，觸覺大小后效明顯強(qiáng)于未適應(yīng)球體大小的對(duì)照組實(shí)驗(yàn). 人體的觸覺感知是多維度的，故除了觸覺大小尺寸后效以外，還有觸覺溫度后效和觸覺曲率后效.目前國內(nèi)外針對(duì)觸覺后效的研究大多集中于大小尺寸研究，因?yàn)榇笮〕叽绲难芯扛菀妆涣炕?，且更容易在生產(chǎn)實(shí)踐中得到驗(yàn)證，例如醫(yī)生在手術(shù)中利用觸覺感知囊腫或者腫瘤的大小. 關(guān)于觸覺大小后效的產(chǎn)生原因，有研究表明觸覺大小后效與形狀密切相關(guān)[9]，測(cè)試物體和適應(yīng)物體的形狀越相近，觸覺大小后效越顯著，因此可將觸覺大小后效稱為觸覺大小?形狀后效. 影響觸覺感知的具體因素多樣，且引起人體觸覺感知的機(jī)制十分復(fù)雜，目前也沒有探究出影響因素和觸覺感知特性有明確的映射關(guān)系，觸覺感知和神經(jīng)生理學(xué)相關(guān)的理論還需進(jìn)一步的研究和探索.

1.2 振動(dòng)觸覺感知閾值

感知閾值指的是人體能感受到物體的刺激或刺激強(qiáng)度/數(shù)量變化的最小量，例如指尖的兩點(diǎn)閾值約為2.5 mm. 感知閾值的研究包括絕對(duì)閾值和差別閾值兩方面.絕對(duì)閾值指的是能恰好引起人心理感受的最小刺激量或者恰好引起人心理感覺消失的最大刺激量，絕對(duì)閾值強(qiáng)烈依賴于振動(dòng)頻率[10]，每個(gè)觸覺感知通道都有不同的與頻率相關(guān)的絕對(duì)閾值，閾值最小的通道決定該頻率的絕對(duì)閾值.當(dāng)某個(gè)刺激足夠強(qiáng)，強(qiáng)到可以刺激多個(gè)通道，所有這些通道都會(huì)做出反應(yīng)，并對(duì)感知做出貢獻(xiàn). 差別閾值亦稱最小可視差，指的是引起人差別感覺刺激的最小變化量. 前者是一個(gè)恒定值，不受外界因素的影響而有所改變，后者受振動(dòng)強(qiáng)度影響顯著，會(huì)隨振動(dòng)強(qiáng)度的增大而有所增加. 針對(duì)不同的感知閾值參數(shù)，感知閾值的主要研究集中在空間兩點(diǎn)閾值、時(shí)間閾值和強(qiáng)度閾值三個(gè)方面.德國物理學(xué)家心理物理學(xué)家費(fèi)希納提出三種方法來量化測(cè)量感知閾值，分別是最小變化法、恒定刺激法和平均誤差法.最小變化法指的是按照適當(dāng)?shù)淖兓窟f增或者遞減刺激序列，隨機(jī)選擇起點(diǎn)，直到被試感受到刺激為止，這一方法常用于測(cè)量差別閾值.恒定刺激法是以相同的次數(shù)呈現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)恒定的刺激，一般向被試呈現(xiàn)成對(duì)刺激，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激，一個(gè)比較刺激，讓被試判斷能否區(qū)分兩次刺激.目前針對(duì)人體振動(dòng)觸覺感知閾值的研究中，相關(guān)參數(shù)主要包括空間落點(diǎn)、振動(dòng)頻率、振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)時(shí)間.

（1）空間落點(diǎn)：身體不同部位的振動(dòng)觸覺敏感性各不相同，觸覺振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的選擇原則是在保證敏感度和操作可行性的前提下，盡可能地提高舒適度. 針對(duì)觸覺振動(dòng)空間落點(diǎn)的研究大多集中在敏感部位如手指、手腕處，或者次敏感部位如腰部、背部或腳踝處.不同的空間落點(diǎn)位置各有優(yōu)劣，手指、手腕處的振動(dòng)識(shí)別精度更高，但面積較小，背部、腰部的振動(dòng)面積更大，可以提供更大的陣列，卻具有較差的觸覺靈敏度.因此，針對(duì)性地選擇空間落點(diǎn)的位置可以有效提高振動(dòng)觸覺編碼信息的傳遞效率. 人體不同空間落點(diǎn)的觸覺差別閾限差異很大[11].

（2）振動(dòng)頻率：盡管人類可以聽到的頻率范圍為20～20000 Hz，但是人類的皮膚可以感受到的頻率范圍只在10 Hz到400 Hz之間[12]，其中人體最為敏感的頻率為250 Hz[13]. 研究表明，振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)頻率之間有著密不可分的關(guān)聯(lián)性，即使在振動(dòng)強(qiáng)度未發(fā)生變化的情況下，當(dāng)振動(dòng)頻率改變時(shí)，人體可以感知到的主觀振動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)隨之改變[13]. 盡管存在這種令人頭疼的關(guān)聯(lián)性，對(duì)振動(dòng)頻率的研究仍是有意義的，因?yàn)槿梭w對(duì)振動(dòng)頻率的變化十分敏銳，所以常常使用振動(dòng)頻率的變化來表達(dá)一些更細(xì)膩精密的觸覺信息.

（3）振動(dòng)強(qiáng)度：皮膚可以感知的振動(dòng)強(qiáng)度，即振動(dòng)的力量，是振動(dòng)觸覺的重要參數(shù). 關(guān)于振動(dòng)強(qiáng)度的設(shè)置，過低的振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致人體的感受器無法感知到具體的振動(dòng)，過高的振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)讓人產(chǎn)生疼痛[12].人手腕部能感知的適宜振動(dòng)強(qiáng)度范圍為0.80～2.00 N[14].除此以外，影響振動(dòng)強(qiáng)度的因素不僅僅是單個(gè)振子的振動(dòng)強(qiáng)度，還與同時(shí)振動(dòng)的振子數(shù)量有著顯著的相關(guān)性.在對(duì)作用在大腿上的振動(dòng)觸覺裝置的實(shí)驗(yàn)中，Cholewiak[15]發(fā)現(xiàn)，即使在每個(gè)振子振動(dòng)強(qiáng)度保持不變的前提下，隨著振動(dòng)振子的數(shù)量的遞增，被試感受到的振動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)隨之遞增，這與人體皮膚上某些特殊的感知特性有關(guān).

（4）振動(dòng)時(shí)間：振動(dòng)時(shí)間包括兩個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間參數(shù)，即振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和振動(dòng)間隔時(shí)間. 不同振動(dòng)間隔時(shí)間和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的組合反映了振動(dòng)的節(jié)奏快慢，而振動(dòng)的節(jié)奏極大地影響了人們接收振動(dòng)觸覺信息的效率，此外，不同振動(dòng)節(jié)奏的組合能傳遞更為豐富的語義信息.Gunther[16]的研究表明，刺激作用時(shí)間小于0.1 s時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺痛感，而隨著強(qiáng)度與時(shí)間的增加，振動(dòng)的刺痛感會(huì)減輕并產(chǎn)生平滑的觸覺感知. 在大多數(shù)的觸覺表達(dá)裝置中，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的范圍在80 ms到500 ms之間.人識(shí)別觸覺圖案的能力與振動(dòng)時(shí)間相關(guān)，研究表明，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間從80 ms增加到320 ms時(shí)，人的觸覺識(shí)別能力逐漸增強(qiáng)，若高于這一范圍，將會(huì)使被試者產(chǎn)生不適.

1.3 振動(dòng)信息編碼理論

振動(dòng)信息編碼是振動(dòng)觸覺表達(dá)裝置的理論基礎(chǔ)，振動(dòng)觸覺信息表達(dá)包括觸覺信息編碼和辨識(shí)兩個(gè)過程，人首先根據(jù)感知到的振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)時(shí)間和空間落點(diǎn)形成觸覺短時(shí)記憶，再將短時(shí)記憶整理成觸覺編碼，其次進(jìn)行觸覺表達(dá)的辨識(shí)過程，在大腦中比對(duì)固有的振動(dòng)信息編碼方案，將編碼解釋成可理解的信息，如字母、數(shù)字、文字等.因此振動(dòng)信息編碼包括兩方面的內(nèi)容，一方面是根據(jù)短時(shí)記憶容量和閾值實(shí)驗(yàn)探究合適的參數(shù)范圍，另一方面在探究到的參數(shù)范圍內(nèi)合理設(shè)置振動(dòng)信息編碼方案，之后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化編碼方案，實(shí)現(xiàn)人和觸覺表達(dá)裝置之間的高效便捷交互.振動(dòng)信息編碼的數(shù)字、字母表達(dá)常用的借鑒編碼是布萊葉盲文和莫爾斯電碼，在文獻(xiàn)[17]中，東南大學(xué)的郝飛提出了一種三角碼的方案來表達(dá)字母a～z，三角碼本質(zhì)是一種三進(jìn)制碼，三角碼的三個(gè)落點(diǎn)分別排列在三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處，感知定位清晰準(zhǔn)確，通過三次單點(diǎn)振動(dòng)（即3個(gè)三進(jìn)制數(shù)）表征字母a～z和數(shù)字0，通過兩次單點(diǎn)振動(dòng)(即2個(gè)三進(jìn)制數(shù))表征數(shù)字1～9. 這種編碼方式簡單且識(shí)別率高，識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別時(shí)間均優(yōu)于類布萊葉盲文和類莫爾斯編碼.

根據(jù)對(duì)三種編碼方案的橫縱向比較，可得振動(dòng)觸覺編碼設(shè)計(jì)的幾個(gè)原則：相容性原則、可靠辨識(shí)原則、簡單易記原則、適當(dāng)訓(xùn)練原則以及表達(dá)排序原則.在設(shè)計(jì)振動(dòng)強(qiáng)度編碼時(shí)應(yīng)盡量保證振感一致，盡可能使用先弱后強(qiáng)模式，慎用“弱?強(qiáng)?中”模式，在設(shè)計(jì)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間編碼時(shí)應(yīng)盡量壓縮時(shí)間，方波間隔振動(dòng)優(yōu)先和方波數(shù)量優(yōu)先原則，在設(shè)計(jì)空間落點(diǎn)編碼時(shí)應(yīng)盡量集中在同一部位或相鄰部位，先部分再整體，按照筆順次序依次振動(dòng).

2 振動(dòng)信息編碼的應(yīng)用

本節(jié)主要討論使用振動(dòng)觸覺對(duì)不同振動(dòng)信息的編碼方式. 按照振動(dòng)信息的種類，信息可分為方向方位信息，表情和圖案信息以及數(shù)字和字母信息. 針對(duì)方向方位的振動(dòng)編碼研究眾多，這是源于盲人導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)φ駝?dòng)觸覺的強(qiáng)烈需求.因此，本節(jié)按照方向信息和其他語義信息分別討論其特征及具體應(yīng)用.

2.1 面向方向?qū)Ш降恼駝?dòng)信息編碼

使用振動(dòng)信息編碼傳遞環(huán)境感知信息是目前最廣泛和流行的手段，因?yàn)榄h(huán)境感知信息簡單明確，區(qū)分度大，而振動(dòng)觸覺適于傳遞語義集小但語義間區(qū)分度大的信息.

振動(dòng)信息編碼在盲人導(dǎo)航領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.中國是全世界盲人最多的國家之一，眼部疾病在中國也是一個(gè)主要的公共衛(wèi)生問題.由國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站2014年公布的數(shù)據(jù)可知，截止2014年，中國約有盲人600萬～700萬，占世界盲人總數(shù)的18%，另有雙眼低視力患者1200萬. 基于數(shù)量龐大的盲人群體，為盲人提供一定程度的方向?qū)Ш叫畔?，是研究者迫切想解決的難題.目前，為盲人提供類似于視覺信息的主要方式有聽覺和觸覺兩方面. 盲人的聽覺感官十分靈敏，他們使用聽覺接收抽象的信息，助聽器就是借助盲人敏銳的聽覺為他們提供方向信息的有效手段，但是助聽器會(huì)屏蔽盲人對(duì)其他非方位聽覺信息的接收，因此涌現(xiàn)了更多借助于觸覺表達(dá)的振動(dòng)編碼方案.當(dāng)盲人在道路上行走時(shí)，通過不同振動(dòng)參數(shù)如空間落點(diǎn)、振動(dòng)頻率、振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)時(shí)間的組合編碼，可以向盲人提供豐富多樣的環(huán)境感知信息.

除此以外，國內(nèi)外的研究者還將振動(dòng)觸覺編碼應(yīng)用于駕駛導(dǎo)航和信息提示. 2018年，東南大學(xué)的楊懷寧等[18]設(shè)計(jì)了一套組合式振動(dòng)編碼為飛行員提供空間方位信息，飛行員對(duì)偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)角度兩種姿態(tài)信息的表達(dá)有需求. 其中偏轉(zhuǎn)方向分為俯仰和橫滾兩大類，可表達(dá)俯仰和橫滾的前后左右四個(gè)具體的偏轉(zhuǎn)方向. 偏轉(zhuǎn)角度為[0°,90°]，對(duì)低偏轉(zhuǎn)角范圍[0°,50°)內(nèi)的提示精度要求更高，為 5°，在 [50°,90°]范圍內(nèi)提示精度則為 10°.表中分別對(duì)飛行姿態(tài)的方位信息進(jìn)行單一參數(shù)模式的編碼和組合參數(shù)模式的編碼，組合參數(shù)包括振動(dòng)位置、振動(dòng)節(jié)奏和振動(dòng)次序，將這些參數(shù)進(jìn)行有序組合成5種組合模式.

研究人員針對(duì)5種組合編碼模式設(shè)計(jì)了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試指標(biāo)分別為學(xué)習(xí)難易度、認(rèn)知載荷和準(zhǔn)確率3個(gè)方面.被試每人接受240次振動(dòng)提示（其中包括個(gè)60個(gè)組合振動(dòng)編碼模式，為保證可靠性，每種振動(dòng)編碼模式重復(fù)4次），實(shí)驗(yàn)人員除了要記錄被試的測(cè)試結(jié)果，還要記錄被試從感知振動(dòng)到做出選擇的反應(yīng)時(shí)間. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PRM模式（振動(dòng)位置+振動(dòng)節(jié)奏+振動(dòng)次序）的學(xué)習(xí)時(shí)間為187 s，準(zhǔn)確率高達(dá)98%，相比于其他組合振動(dòng)模式，擁有更短的學(xué)習(xí)時(shí)間和更高的準(zhǔn)確率.PRM模式示意圖如圖1所示[18].

圖1 PRM模式示意圖Fig.1 PRM pattern

2.2 面向文字交互的振動(dòng)信息編碼

在觸覺文字編碼領(lǐng)域，主要的研究方法有莫爾斯碼和布萊葉盲文. Nila等[19]使用莫爾斯碼作為盲人間的交流通信手段，為盲人提供了一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái). 在文獻(xiàn)[20]中，研究人員研制了一個(gè)手持式振動(dòng)觸覺系統(tǒng)，其概念是利用手指的壓力，借助莫爾斯電碼將信息轉(zhuǎn)化為振動(dòng)，在文獻(xiàn)[21]中提出了一種使用三鍵鍵盤傳輸莫爾斯電碼的簡單而有效的方法，為聾啞人翻譯正常人的聲音提供了一個(gè)可行和有效的解決方案. 郝飛等[17]分別使用類莫爾斯碼、類布萊葉盲文以及三角碼的方法對(duì)文字信息進(jìn)行編碼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明類莫爾斯電碼的文字交互效果優(yōu)于類布萊葉盲文，這是因?yàn)槟獱査勾a和觸覺信息都擁有相同的被動(dòng)感知特性，同時(shí)說明觸覺信息編碼的關(guān)鍵是簡潔性和快速性.三角碼相較另兩種方法傳遞文字編碼信息的效果最佳，三種方法的正確率和反應(yīng)時(shí)的參數(shù)對(duì)比如圖2和圖3所示[17]，其中*代表相較于其他參數(shù)有顯著性差異，**代表有較顯著的差異，***代表有極顯著的差異.三角碼編碼規(guī)則簡單，由三個(gè)碼字分別對(duì)應(yīng)臍部、左肩和右肩三種空間落點(diǎn)，符合人體感知的客觀規(guī)律，使用三位碼可表征26個(gè)字母及數(shù)字0，使用二位碼可表征1～9數(shù)字.三角碼同時(shí)也符合人體的觸覺感知特性，相較莫爾斯碼更直觀和便于記憶，因此可作為面向文字交互的一種重要編碼方案.

圖2 類莫爾斯碼、類布萊葉碼和三角碼的正確率[17]Fig.2 Accuracy of Braile-like, More-like, and Triangle[17]

圖3 類莫爾斯碼、類布萊葉碼和三角碼的反應(yīng)時(shí)[17]Fig.3 Reaction time of Braile-like, More-like, and Triangle[17]

除此之外，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，觸覺再現(xiàn)技術(shù)利用觸覺信息編碼結(jié)合觸覺反饋可以輔助外科醫(yī)生做手術(shù)，有研究表明，配備了觸覺反饋傳感器的腹腔鏡抓握器顯著提高了外科手術(shù)醫(yī)師抓取控制的能力[22]，如圖4所示，當(dāng)使用腹腔鏡抓握器的抓握力不在安全區(qū)域時(shí)，集成在抓握手柄上的微型執(zhí)行器可為外科手術(shù)醫(yī)師提供增強(qiáng)的觸覺反饋，這一技術(shù)已逐漸由單手抓握轉(zhuǎn)向雙手抓握的科研探究中，并逐漸投入實(shí)際生產(chǎn).

圖4 腹腔鏡抓握器裝置Fig.4 Laparoscopic grippers

在教育領(lǐng)域，基于文字交互的振動(dòng)信息編碼應(yīng)用十分廣泛，褚少微和朱科穎[23]根據(jù)左右滑動(dòng)、向右滑動(dòng)、向下滑動(dòng)的方式編碼盲文，提出了一種利用觸覺反饋用指尖在手機(jī)屏幕上摸讀的方式傳遞觸覺信息.

在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，振動(dòng)信息編碼也有廣泛的應(yīng)用.利用振動(dòng)觸覺背心和振動(dòng)觸覺手套配合VR眼鏡，佩戴者可以體驗(yàn)到沉浸式的四維畫面，觸覺表達(dá)裝置作為第四維空間的承載者，更是推動(dòng)了觸覺信息編碼的深入研究. Heibeck等[24]的摩擦力感知觸覺背心，佩戴者可根據(jù)書中情節(jié)感受例如心跳、溫度和壓力變化等情緒變化.Israr和Poupurev[25]提出了一種觸覺筆刷算法，在椅子上放置4×3的振動(dòng)點(diǎn)陣，如圖5，利用觸覺錯(cuò)覺，通過組合振動(dòng)觸覺編碼的參數(shù)如振動(dòng)頻率、強(qiáng)度、方向等向使用者傳遞豐富的動(dòng)畫特效，如圖6，這一技術(shù)可用于游戲和體育，盲人輔助，駕駛和導(dǎo)航輔助，移動(dòng)計(jì)算等領(lǐng)域.

圖5 觸覺筆刷算法表達(dá)裝置Fig.5 Tactile apparatus

圖6 觸覺反饋示例Fig.6 Application: in-game footage and sensations

3 總結(jié)與展望

縱觀國內(nèi)外針對(duì)不同觸覺信息進(jìn)行的編碼方案，基于方向?qū)Ш降恼駝?dòng)信息編碼應(yīng)用明顯多于對(duì)文字信息的編碼研究.這與要傳遞的信息屬性有著直接關(guān)系，由于有關(guān)方向性的語義集擁有較強(qiáng)的簡潔性和較大的區(qū)分度，且基于方向?qū)Ш降男畔⒏N近人體觸覺的感知特性，人體的不同空間落點(diǎn)可以建立與方向方位信息一一映射的對(duì)應(yīng)關(guān)系. 但是由于方向信息本身的局限性，無法傳遞類似于文字那樣復(fù)雜的描述性信息.隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，越來越多的方位信息編碼裝置走向精密化，致力于為盲人或其他特殊群體提供更細(xì)膩、人性化的觸覺方位信息.

針對(duì)觸覺編碼的方案設(shè)計(jì)仍是一個(gè)新型領(lǐng)域.如何更好的將人體的感知特性與針對(duì)觸覺的信息編碼高效地結(jié)合起來，仍需進(jìn)一步的研究和探索.同時(shí)，在探索方位信息編碼表達(dá)的研究中，振動(dòng)觸覺的參數(shù)設(shè)置與信息編碼效率關(guān)系緊密，更好地組合這些參數(shù)信息，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的觸覺信息編碼，快速傳遞豐富的語義信息，成為振動(dòng)觸覺編碼領(lǐng)域研究的重中之重.

除此以外，振動(dòng)觸覺表達(dá)技術(shù)和觸覺再現(xiàn)技術(shù)也正在上升期，要想為這些觸覺表達(dá)和再現(xiàn)技術(shù)提供更完善貼切的振動(dòng)觸覺編碼，必須結(jié)合觸覺感知的特殊性，考慮觸覺織物的溫度、紋理、形狀等，實(shí)現(xiàn)豐富有層次的觸覺表達(dá)，制定擁有可移植性和高擴(kuò)展性的信息編碼，在提高信息的識(shí)別率的同時(shí)，兼顧舒適感.

目前國內(nèi)外振動(dòng)信息編碼的研究仍處于初步階段，人們對(duì)觸覺體驗(yàn)的高階追求以及特殊行業(yè)對(duì)觸覺編碼的迫切需求必然會(huì)推動(dòng)它迅速發(fā)展起來.