移动终端的虚拟按键触觉信息传输技术研究

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移动终端已经成为人们通过视觉和听觉交流信息的重要工具,并且许多设备取消了机械按钮,使用触摸屏作为交互界面。对于只能通过触觉感知外界的视听障碍者来说,使用移动终端获取信息存在诸多不便。多数终端设备通过调节执行器振动来呈现不同的触觉信息,增强用户体验,使移动终端交互更加多元化。但是目前移动终端能够实现的触觉效果仅作为部分交互操作的简单提示功能,不能表达终端上的各类信息,不能满足视听障碍人群使用,为此必须提升移动终端上触觉信号的呈现能力。在移动终端上通过虚拟按键产生的触觉信号传输符号、文本等信息的能力受到触觉反馈机制和人体生理物理学特性等多种因素限制,需要研究有效的触觉信号编码方式才能充分发挥设备的潜力,进而增强视听障碍者对移动终端的操控能力。目前,有关移动终端触觉信息的研究主要包括信息的触觉信号表征方法和移动终端的触觉反馈方法两部分内容,主要通过对振动电机、压电陶瓷等不同类型的触觉执行器产生的振动信号进行编码来实现。触觉表征方法以人体的触觉感知能力作为触觉信号参数选择依据,采用时间维度、空间维度或时空组合的触觉信号编码方式表示信息。现有的触觉表征方法的编码方式往往较为复杂,或者触觉编码信号的可识别度不高,或者信号的传输速率较慢。因此信息的触觉编码表征方法仍存在优化空间。移动终端触觉反馈方法通过终端内部的振动电机或外接反馈装置实现,前者简单且不增加终端的体积,但其潜力还需进一步挖掘。针对上述问题,本文采用电机振动方案研究适用于移动终端上传输文本、符号信息的触觉信号编码问题,设计编码方案并分析其性能,搭建了移动终端触觉传输装置并验证了其效果,为视听障碍人士通过虚拟按键操控移动终端的相关研究与应用开发提供参考,论文主要贡献如下:(1)分析振动信号在移动终端上传播过程,找出主导人体感知变化的信号参量,建立了振动信号时间长度与感知强度之间的映射关系。利用移动终端的虚拟按键交互界面控制振动电机输出触觉信号,测量用户对振动信号频率、时间长度和时间间隔参量的感知强度及差异程度,测试并分析电机振动的加速度数据,解释了感知强度阶段性变化产生的原因,应用心理物理学中韦伯-费希纳定律,结合用户感知实验数据拟合得到振动信号时间长度和时间间隔与感知强度之间的关系曲线。(2)将振动信号频率、时间长度和时间间隔参量引入信息的触觉信号表征,推导了触觉信号编码方案的容量、速率和识别率。根据振动信号的频率、时间长度、时间间隔参量表示两种码元信号,由香农公式根据触觉信号编码的码元种类、码元数量、码元信号时长和时间间隔得到编码信号的传输速率,根据触觉编码信号的检测概率计算编码方案的容量,利用高斯概率密度函数表示信号判定的概率分布,推导出编码信号识别率。(3)设计了等长和不等长两种编码方案,传输效率和用户识别率的实验结果分别为3.43比特和91%与3.83比特和98%。编码方案选用了时间长度为10ms、30ms、频率为100Hz和200Hz、时间间隔为100ms的振动信号组成两种码元信号,设计了可表示16个文本或符号信息的等长和不等长两种编码方案,根据用户的判定实验结果建立刺激—响应混淆矩阵得到有效识别的信号数量与信号总传输量的比值,再通过单个信号的识别率、精度与判定概率计算得到编码方案的传输效率和识别率。数据结论表明:不等长编码方案优于等长编码方案,两种编码方案均有良好的传输效率和识别率,信号识别率的理论计算值与实际测量值相差不大。
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