以穿戴式裝置輔助視障者外出行走之研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學研究所 Department of Computer Science Nation Chengchi University. 碩士論文. 立. 治政Master’s Thesis 大. ‧ 國. 學 ‧. 以穿戴式裝置輔助視障者外出行走之研究. Nat. sit. y. Designing an Outdoor Navigation Service. al. er. io. with a Wearable Guiding Device. n. v i n for The Visually Users C h Impaired Smartphone engchi U 指導教授：余能豪. 研究生：王奕方. 中華民國一○六年一月 January 2016.

(2) 以穿戴式裝置輔助視障者外出行走之研究 Designing an Outdoor Navigation Service with a Wearable Guiding Device for the Visually Impaired Smartphone Users. 研究生：王奕方. Student：I-FANG, WANG. 指導教授：余能豪. Advisor：NEN-HAO, YU. 資訊科學研究所. 學. ‧ 國. 立. 政治大國立政治大學碩士論文. ‧. A Thesis. College of Science. al. er. io. Nation Chengchi University. sit. Nat. y. Submitted to Department of Computer Science. n. in partial Fulfillment of the Requirements. Ch. i n U. for the Degree of. e n Master gchi In. Computer Science. 中華民國一○六年一月. January 2016. v.

(3) 摘要根據統計，視覺障礙者之外出人口有逐年增長的趨勢，隨著步行需求的提高，友善的道路環境與適當的輔具工具是必要的。然而，無障礙引導設施無一定的規範且缺乏管理，因此造成視障者行走時危機重重。另一方面，視障者在外行走時須依賴定向行動訓練所學，運用視覺之外的感知來探索環境，除了使用白手杖維持平衡或藉由導盲犬引路之外，隨著智慧型手機的普及，行動裝置亦成為獲得行路資訊的重要管道。雖然市面上已有許多導航應用服務，但大多為明眼人所設計，不僅無法提供視障者所需要的近身指引，其操作與訊息提示也與視障者習慣不相符。. 政治大本研究透過脈絡訪查、隨身觀察等質化研究方法進行使用者經驗研究，探討視障者於立. ‧ 國. 學. 室外步行時的需求與面臨的問題。針對解決過馬路面向與直走於無追跡物區域等問題，本. 研究提出一藍芽穿戴式裝置 GuidePin，由視障者佩戴於胸前並與智慧型手機連線，當行經. ‧. 佈建有 Beacon 的場域時，即可透過融入定向行動概念的提示訊息建構空間認知，搭配邏輯清楚的裝置操作策略，即時獲取近身資訊與修正提示並完成行走。經過迭代的原型設計. Nat. sit. y. 與實際場域測試，本研究設計之導航服務可引導視障者外出行走、增加環境的掌握度，讓. n. al. er. io. 視障者更自信且獨立地行走於城市中。. Ch. engchi. i n U. v. 關鍵字：藍芽穿戴裝置、視覺障礙者輔助應用、定向行動能力、戶外步行導航、iBeacon 微定位導航、使用者經驗設計. i.

(4) Abstract Today, we can freely travel to unfamiliar places and enjoy the convenience of navigation features on mobile devices. However most of the current apps are presented via visually-oriented interfaces, depriving visually impaired smartphone users of the benefit of this technology. Statistics shows that the visually impaired need to go out as frequently as those having sight, yet this tremendous demand for independence and mobility remains unsolved. Therefore, we present a new system called BlindNavi that integrates knowledge obtained from O&M training and the micro-location information of iBeacon to provide a point-to-point outdoor navigation system for the visually impaired. In order to free hands from holding smart phones while about town, we. 政治大 and provide the user’s current heading. Herein, we describe our iterative design process including 立 designed a GuidePin that can be wore on the front of the user’s attire to control their smartphone. lessons learned through qualitative research methods including contextual inquiry, shadowing,. ‧ 國. 學. interviews with experts, and a discussion of our findings from the deployment of the app on test routes. Finally, the visually impaired are able to move about in the public domain independently. ‧. with greater ease and confidence.. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. Keywords: Visually Impaired, Mobile Navigation, Wearable Device, Accessibility, User Experience Design, iBeacon. ii.

(5) 目錄第 1 章、緒論 ......................................................................................................................... 1 1.1 研究背景與動機 .......................................................................................................... 1 1.2 使用者前期研究 .......................................................................................................... 3 1.2.1 研究背景 ............................................................................................................... 3. 政治大. 1.2.2 訪談結果整理 ....................................................................................................... 4. 立. 1.3 研究目標 ...................................................................................................................... 9. ‧ 國. 學. 1.4 研究方法與架構 ........................................................................................................ 10. ‧. 1.4.1 研究方法 ............................................................................................................. 10. sit. y. Nat. io. n. al. er. 1.4.2 研究架構圖 ......................................................................................................... 11. Ch. i n U. v. 第 2 章、文獻探討與初步研究 ........................................................................................... 12. engchi. 2.1 視障者背景與定向行動能力 .................................................................................... 12 2.1.1 視覺障礙者基本介紹 ......................................................................................... 12 2.1.2 定向與行動能力（Orientation and Mobility, O&M） ...................................... 14 2.2 無障礙設施與台灣道路狀況 .................................................................................... 16. iii.

(6) 2.2.1 無障礙引導及輔助設施 ..................................................................................... 16 2.2.2 台灣道路環境現況-以台北市為例 .................................................................... 18 2.3 現有導航技術與服務 ................................................................................................ 19 2.3.1 觸覺回饋 ............................................................................................................. 19 2.3.2 聽覺回饋 ............................................................................................................. 21. 政治大. 2.3.3 定位技術 ............................................................................................................. 23. 立. 2.3.4 iBeacon 低功耗藍牙技術 .................................................................................... 24. ‧ 國. 學. 2.4 小結 ............................................................................................................................ 27. ‧. 第 3 章、系統與服務流程設計 ........................................................................................... 29. sit. y. Nat. io. n. al. er. 3.1 開發工具介紹 ............................................................................................................ 30. Ch. i n U. v. 3.2 GuidePin 之原型設計 ................................................................................................. 31. engchi. 3.2.1 電子羅盤的原理與校正 ..................................................................................... 31 3.2.2 傾斜修正 ............................................................................................................. 33 3.2.3 裝置外型設計 ..................................................................................................... 37 3.3 APP 功能與運作設計 ................................................................................................. 38. iv.

(7) 3.3.1 APP 介面與功能 .................................................................................................. 38 3.3.2 資料庫設計 ......................................................................................................... 39 3.4 語音內容設計 ............................................................................................................ 40 3.4.1 使用者研究 ......................................................................................................... 40 3.4.2 實驗簡介 ............................................................................................................. 41. 政治大. 3.4.3 實驗結果 ............................................................................................................. 45. 立. 3.5 小結 ............................................................................................................................ 47. ‧ 國. 學. 第 4 章、系統評估 ............................................................................................................... 49. ‧. 4.1 第一次原型測試 ........................................................................................................ 49. sit. y. Nat. io. n. al. er. 4.1.1 測試目的 ............................................................................................................. 49. Ch. i n U. v. 4.1.2 測試流程與規劃 ................................................................................................. 50. engchi. 4.1.3 測試對象 ............................................................................................................. 51 4.1.4 測試結果與修正 ................................................................................................. 52 4.2 第二次原型測試 ........................................................................................................ 59 4.2.1 測試目的 ............................................................................................................. 59. v.

(8) 4.2.2 測試流程與規劃 ................................................................................................. 60 4.2.3 測試對象 ............................................................................................................. 64 4.2.4 測試結果 ............................................................................................................. 65 4.3 小結 ............................................................................................................................ 67 第 5 章、結論 ....................................................................................................................... 69. 政治大. 5.1 研究貢獻與結論 ........................................................................................................ 69. 立. 5.2 研究限制 .................................................................................................................... 71. ‧ 國. 學. 5.2.1 硬體限制 ............................................................................................................. 71. ‧. 5.2.2 路口環境限制 ..................................................................................................... 72. sit. y. Nat. io. n. al. er. 5.3 未來展望 .................................................................................................................... 73. Ch. i n U. v. 5.3.1 客製化設定與介面設計 ..................................................................................... 73. engchi. 5.3.2 擴充資料庫與協同管理 ..................................................................................... 74 5.3.3 建立示範場域 ..................................................................................................... 74 參考文獻 ................................................................................................................................. 75. vi.

(9) 圖目錄圖 1 台北捷運站視障引導總人數統計資料................................................................................ 1 圖 2 視障者透過語音報讀系統操作手機.................................................................................... 2 圖 3 視障者外出前後的三個階段................................................................................................ 3 圖 4 行走至路口準備過馬路圖.................................................................................................... 7. 政治大. 圖 5 受訪者行經地面特殊材質圖................................................................................................ 7. 立. 圖 6 單純倚靠杖法行走於空曠區域............................................................................................ 8. ‧ 國. 學. 圖 7 該受訪者有行走時有攜帶手機之習慣................................................................................ 8. ‧. 圖 8 受訪者表示可隔著外套操作手機........................................................................................ 9. sit. y. Nat. n. al. er. io. 圖 9 研究架構與流程.................................................................................................................. 11. Ch. i n U. v. 圖 10 Navi'Rando 視障登山計畫................................................................................................ 16. engchi. 圖 11 有聲號誌 ............................................................................................................................ 17 圖 12 GoBraille 系統結合點字機與智慧型手機 ....................................................................... 19 圖 13 Dot 點字智慧型手錶........................................................................................................ 20 圖 14 使用者穿戴附有震動器的腰帶....................................................................................... 20. vii.

(10) 圖 15 視障者使用 Trekker Breeze+上路 .................................................................................... 21 圖 16 微軟專案之使用骨傳導耳機............................................................................................ 22 圖 17 以電腦視覺的方法判斷斑馬線........................................................................................ 23 圖 18 利用鑲嵌在地板上的 RFID 標籤引導 ............................................................................ 24 圖 19 BlindSquare 軟體介面與應用情境.................................................................................. 25. 政治大. 圖 20 NavCog 使用情境 ............................................................................................................. 25. 立. 圖 21 BlindNavi APP ................................................................................................................... 26. ‧ 國. 學. 圖 22 現有服務與研究之整理.................................................................................................... 27. ‧. 圖 23 本研究設計之導航服務具備要素................................................................................... 29. sit. y. Nat. io. n. al. er. 圖 24 開發環境運作關係圖........................................................................................................ 30. Ch. i n U. v. 圖 25 指南針校正畫面，左為 iPhone，右為 Android 系統 .................................................... 31. engchi. 圖 26 HMC5883L 出廠校正 ....................................................................................................... 32 圖 27 羅盤傾斜情況................................................................................................................... 33 圖 28 電子羅盤傾角修正流程.................................................................................................... 34 圖 29 系統加入卡爾曼濾波器示意圖........................................................................................ 36. viii.

(11) 圖 30 以 iPhone 內建指南針測試 .............................................................................................. 37 圖 31 使用 iPhine 與 GuidePin 之比較 ...................................................................................... 37 圖 32 GuidePin 裝置圖 ............................................................................................................... 38 圖 33 APP 介面與功能介紹 ....................................................................................................... 39 圖 34 測試畫面圖........................................................................................................................ 41. 政治大. 圖 35 為路口 Beacon 提示圖...................................................................................................... 43. 立. 圖 36 以手杖探索周圍圖............................................................................................................ 43. ‧ 國. 學. 圖 37 使用者碰到號誌燈後說出「按下」................................................................................ 44. ‧. 圖 38 依照指示面向九點鐘方向................................................................................................ 44. sit. y. Nat. io. n. al. er. 圖 39 再移動並確認自己與號誌燈的相對位置....................................................................... 44. Ch. i n U. v. 圖 40 使用者碰到號誌燈後說出「按下」............................................................................... 45. engchi. 圖 41 聽到音效即停止................................................................................................................ 45 圖 42 探索到號誌燈後，收到以身體左側靠號誌燈的指示.................................................... 48 圖 43 面向正確後會給予「方向正確，請準備過馬路」指示................................................ 48 圖 44 第一次實驗場域圖............................................................................................................ 51. ix.

(12) 圖 45 受測者找尋 GuidePin 按鈕 .............................................................................................. 54 圖 46 視障者找尋參考物方向示意............................................................................................ 57 圖 47 GuidePin 傾斜的情況 ....................................................................................................... 58 圖 48 外殼設計............................................................................................................................ 58 圖 49 播放器模擬號誌燈音效與音效波形圖............................................................................ 59. 政治大. 圖 50 受測者隨身攜帶之裝置.................................................................................................... 62. 立. 圖 51 於空曠區域測試直線行走情形........................................................................................ 62. ‧ 國. 學. 圖 52 實驗之馬路場域................................................................................................................ 63. ‧. 圖 53 實驗之路口場域................................................................................................................ 63. sit. y. Nat. io. n. al. er. 圖 54 測試後進行深度訪談........................................................................................................ 65. Ch. i n U. v. 圖 55 過馬路之調整行為與行走軌跡........................................................................................ 67. engchi. 圖 56 四線道馬路，可於紅箭頭處佈點加強提示.................................................................... 68 圖 57 人體影響訊號穩定度（來源：Apple 官方技術說明文件） ......................................... 72 圖 58 違停車影響通行................................................................................................................ 73. x.

(13) 表目錄表 1 受訪者背景資料.................................................................................................................... 4 表 2 訪談結果之路程線索與記憶方法........................................................................................ 5 表 3 訪談結果之問題與困擾........................................................................................................ 6 表 4 身心障礙者之分級與鑑定標準.......................................................................................... 13. 政治大. 表 5 Beacon 所攜帶之訊息_以路口號誌燈為例....................................................................... 40. 立. 表 6 受測者資料.......................................................................................................................... 41. ‧ 國. 學. 表 7 兩種調整方法與碰到參考物後之圖片示意（以直行並左轉過馬路為例）.................. 43. ‧. 表 8 提示語實驗結果.................................................................................................................. 46. sit. y. Nat. n. al. er. io. 表 9 繞柱法改良版...................................................................................................................... 47. Ch. i n U. v. 表 10 實驗流程............................................................................................................................ 50. engchi. 表 11 受試者資料 ........................................................................................................................ 52 表 12 引導動作之分解與提示語-原版 ...................................................................................... 53 表 13 引導動作之分解與提示語-修正版 .................................................................................. 53 表 14 按鈕策略之修改前後比較表............................................................................................ 55. xi.

(14) 表 15 GuidePin 運作流程與邏輯判斷流程表 ........................................................................... 56 表 16 第二次實驗流程................................................................................................................ 61 表 17 第二次實驗之受測者資料................................................................................................ 64. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. xii. i n U. v.

(15) 第1章、緒論 1.1 研究背景與動機根據衛生福利部統計至 2016 年第二季，台灣的身心障礙者人數約 115 萬人，其中視覺障礙者約 6.5 萬人，佔身心障礙者總數的 6%。另一項由台北捷運公司視障引導人數統計資料顯示，自開放視障旅客預約專人引導服務以來人數逐年遞增如圖 1，由此可. 治政前後或轉乘間步行，顯示視障者外出時有步行的高需求（張龍生, 2003）。大立. 發現視障者外出人口增加的趨勢。除了搭乘大眾交通運輸工具之外，視障者亦須在乘車. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 1 台北捷運站視障引導總人數統計資料（來源：台北捷運公司）然而，台灣室外無障礙引導設施的現況有待改善，較常見的導盲磚與有聲號誌缺乏維護，路面引導設施無明確規範與疏於管理，可見現有道路環境對視障者十分不友善。個人輔具方面，視障者以白手杖輔助行動為基本配備，極少數視障者搭配導盲犬行動，在受過定向行動訓練（O&M）的前提下，視障者可倚賴白手杖維持平衡並探索環境，進而培養獨立外出的能力。其他實體輔具如觸摸式地圖、錄音筆與智慧導盲杖等，皆有攜帶不便、操作模式與行走習慣不相符和即時性不足等問題，難以給予視障者實際的幫助。. 1.

(16) 近年來智慧型手機普及，視障者可透過手機上的語音報讀系統如 VoiceOver、 TalkBack 等軟體來探索手機介面上的資訊（如圖 2），智慧型手機亦逐漸成為視障者最易取得資訊的管道。在室外導航方面，相關的導航服務 APP 也應運而生，一般常見的導航多使用 GPS 定位技術，相較於明眼人可透過視覺感知環境並建立空間感與方向概念，視障者須透過聽覺及觸覺的輔助來取得近身資訊，如哪一側的人行道、路口的實際位置或出車口等特殊地標，此類資訊是利用 GPS 來導航的 Google map 或 Apple map 無法有效提供的，使得現有導航服務 APP 對視障者的幫助相當有限。另一項新興的 iBeacon 技術，利用低功耗藍芽傳輸，精準度可至五公尺以內，因此可用來彌補 GPS 定位不精確的. 政治大者當下周遭的環境資訊，進一步以點到點的線性移動方式抵達目的地。立. 區域，當相應的 APP 進入設定的範圍便會接受到訊號，若應用在室外導航則可提供視障. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2 視障者透過語音報讀系統操作手機經本研究團隊訪談發現，完整的行路體驗包含三大部分，依時間順序可分為上路前、行走中與結束行走，圖 3 為此三個階段視障者相應的行動，其中包含在多款工具與輔助設施之間的切換，例如利用電腦事先查詢路線資訊或是致電詢問他人，接著將路線以純文字的格式傳至雲端記事本，上路時再打開收聽。結束行走後，視障者有整理上路經驗的需求，以利下一次行走，或是透過社群軟體，分享行路資訊給朋友。檢視此過程可發現，為了記憶路程資訊，視障者必須經過大量的事前準備以確認行走資訊，以免迷路或遭遇無法詢問路人的情況而造成更大的心理壓力。需要多次拜訪的地點如學校、工作地點和視障者協會等，則須透過申請定向服務與多次的行走，以幫助自身累積經驗並建立 2.

(17) 心理地圖，也因此視障者在缺乏線索或是較複雜的路段需耗費許多心力與時間。總結以上，如何減少視障者記憶負擔又可有效引導至目的地是個待解決的問題，本研究將以此背景進行使用者需求研究，進而提出可行的設計與服務。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. sit. n. al. er. io. 1.2 使用者前期研究. 圖 3 視障者外出前後的三個階段. 1.2.1 研究背景. Ch. engchi. i n U. v. 為了解視障者的步行習慣與面臨問題，本研究邀請了 12 位視障者，平均年齡落在 22 至 26 歲區間如表 1，受訪者皆學習過定向行動訓練並有獨自外出的經驗，超過半數的受訪者因上班上課的需求外出頻率高，每位受訪者皆會使用 VoiceOver 功能，其中僅有一位受訪者使用 Android 系統，其餘皆使用 iPhone。所有受訪者中僅有一位受訪者表示會邊走邊使用手機導航。此前期研究主要針對視障者過行走習慣與過馬路之策略進行深度訪談，接著跟隨（Shadowing）視障者步行一段路程，觀察其和場域的互動與行走的情況，總時間約 50 分鐘。. 3.

(18) 表 1 受訪者背景資料 No.. 性別. 年齡. 視力狀況. 職業. A1. 女. 19-24. 後天全盲. 大學生. A2. 男. 25-30. 全盲. 公部門資訊人員. A3. 女. 19-24. 後天全盲，有微弱光覺. 大學生. A4. 女. 19-24. 先天全盲. 英文老師. A5. 男. 19-24. 先天全盲. 大學生. A6. 女. A7. 男. A8. 男. A9. 女. A10. 女. A11. 男. A12. 男. 政弱視治大立19-24 後天全盲. 大學生. 全盲，微弱光覺. 19-24. 先天全盲. 19-24. 先天全盲. 31-36. 後天全盲. 25-30. 先天全盲. n 1.2.2 訪談結果整理. y. sit. 視障點字樂譜剛畢業之大學生按摩師盲電老師. er. io. al. 盲電老師. ‧. Nat. 31-36. 大學生. 學. ‧ 國. 19-24. Ch. engchi. i n U. v. 訪談進行段落與內容如下： 1.. 基本資料：個資、視力狀況、使用手機習慣（導航相關 APP）、定向行動訓練之學習狀況等。. 2.. 外出相關：外出頻率、描述最近一次申請定向服務的內容、定向師建議的提示與個人的習慣，並口述記憶中的一段路線。. 3.. 面臨問題：描述外出行走時的困擾與危險經驗、如何應應與如何尋求協助。. 4.

(19) 下方兩表將節錄受訪內容之重點逐字稿，經歸納可分為兩大主題：行走經驗與面臨問題。行走經驗主要為路程線索與記憶方法如表 2，半數以上受訪者在一年內有申請過定向服務，對路程的描述包含了定向師給予的提示與自我解讀。其中有許多追跡線索如號誌燈、機車圍欄、花台、水溝蓋、人行道邊緣等，由此可見空間中易辨識的參考物不僅是視障者行動中的重要引導，更有助於路程的記憶。. 表 2 訪談結果之路程線索與記憶方法問題：路程描述與定向師給予之引導受訪者. 重點摘要. 立. 政治大. ‧ 國. A1. 學. 「（家裡到捷運站）會經過兩小一大共三個路口...其中過大路口去回程找的線索不一樣，去程的時候因為人行道的邊緣是弧形，我會去找號誌燈，. ‧. 回程的時候我常找不到位置，所以定向老師教我找附近水溝蓋，如果有敲到凸起物的質感就表示到了，我就會站在上面等。」. y. Nat. al. er. 中途轉乘一次，下車再走約八分鐘。...其中有一段六線道的馬路，為了走. io. A7. sit. 「（家裡到學校）要走約七百公尺到公車站，搭公車到捷運站轉搭捷運，. n. 在斑馬線上，定向師有教我可用手杖滑出斑馬線的位置，這段路我可以這. Ch. 麼做，但不是每段路都可以。」. engchi. i n U. v. 「幾個禮拜前剛申請過定向服務，這段路比較多直線，有兩個有號誌路口， A10. 兩個無號誌路口...會把路上的花盆、號誌燈當參考物，我知道那是號誌燈，從敲起來的聲音可以判斷...。」（台中火車站到新時代購物中心）「第一次定向師帶我走，會提醒我例如. A12. 有 M 型鐵（擋車用）、路燈哪些近，還有說可以認飲料店，但飲料店不一定都有開...我會特別記轉彎的標記物，其他店家聽過一次大概有印象就可以了。」. 5.

(20) 接著是行路中遭遇的問題，多數受訪者皆表示過馬路與未預期的障礙物是最困擾的，其中缺乏線索或是追跡物的路段，因為經常出錯，所以除非是必須經過的路段否則會盡量避免。從下表 3 的口述內容可發現痛點多發生在行經空曠地區與過馬路的經驗中，可發現此狀況目前缺乏適當的輔助工具，多數視障者表示最直接的解決方式為詢問路人，但無法期望任何時刻皆順利找到詢問對象。. 表 3 訪談結果之問題與困擾問題：行路問題與面臨困擾. 立. 重點摘要. ‧ 國. 學. 受訪者. 政治大. （行經廣場）「你知道直線穿越就可以到，但就是很難走，因為常常會偏，所以還要去熟悉廣場邊邊有什麼，才知道走偏了要怎麼辦。還有更恐怖的. ‧. A7. 是路的兩側沒有邊界，尤其兩邊都是田很可怕，走歪就危險了...」. y. Nat. n. al. er. 有時候為了躲避方向就會歪掉，自己修回來很難，這時候就只好問人...我. io. A1. sit. 「去實習要經過市民廣場，那裡通常都很多人，總是有很多小孩跑來跑去，. v. 也常常錯過要轉彎的地方，因為那裡沒有其他追跡的線索。」. Ch. engchi. i n U. 「過馬路最怕走歪走到分隔島！常常以為到了才發現不是，都會被嚇到。」 A3. 「學校附近有個放射狀多路口，有時候面向錯方向會走錯，有一次以為是敦化南路就過了，走了很久後問人居然是基隆路！那邊因為沒車聲也不是直線所以很常走錯...」. A11. 「經過一些車少的路段很難用聲音估自己跟車道的距離，遇過最危險的情況是過馬路走偏走到橋上...」「我不太會走直線，特別是沒有追跡物的地方，因為害怕未知的東西所以. A9. 常走歪...據定向老師說手杖（幅度）打大一點、打在兩腳中間有幫助，但我也不確定這樣有沒有用...」. 6.

(21) . 實際上路觀察（Shadowing）. 前期使用者研究的另一部分為跟隨視障者上路，由於受訪地點皆選為受訪者熟悉之區域，因此由受訪者選定一地點開始行走，研究人員跟隨在後並在行走過程中側拍與錄影紀錄，並於暫停行走時詢問前面動作的心理感受與認知。雖然每段路程的型態不同，但依然可透過貼身觀察了解視障者的行走習慣與利用環境線索的情形，如圖 4 至圖 6 分別為路口、路面追跡線索與空曠區域的觀察紀錄。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 4 行走至路口準備過馬路，以手杖探索到路燈確認站位. Ch. engchi. i n U. v. 圖 5 行經地面特殊材質，受訪者表示有助於記憶並確認路線正確. 7.

(22) 政治大圖 6 單純倚靠杖法行走於空曠區域立. ‧ 國. 學. 在操作手機部分，多數受訪者並不習慣在行走時持手機，受訪者中僅有一位有邊聽訊息的習慣（如圖 7），當有訊息要聆聽時，受訪者會減速或暫停行走。語音內容為報讀. ‧. 周圍店家名稱，受訪者表示有助於確認行走的方向是否與正確，但隨身觀察人員發現到，. sit. y. Nat. 在行走約一百公尺的路程中，就有四、五次落差較大的報讀。另外有受訪者分享到若有. io. al. n. 受訪者示範如圖 8。. er. 特殊情況需要導航時也會使用，但為求行走安全，會將手機放在口袋中隔著衣服操作，. Ch. engchi. i n U. v. 圖 7 該受訪者有行走時有攜帶手機之習慣. 8.

(23) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 1.3 研究目標. 學. 圖 8 受訪者表示可隔著外套操作手機. y. Nat. 透過使用者前期研究，可瞭解視障者因背景與視覺記憶不同，對空間環境有不同的. io. sit. 解讀與認知，然而藉由定向行動訓練，可幫助其培養方向與方便的概念並獨立的行動。. n. al. er. 但另一方面，由於現實道路狀況相當複雜，縱使有引導設施與輔助工具，視障者仍在外. i n U. v. 出行走時遭遇許多困難與限制。根據訪談與上路觀察結果，可歸納出兩大問題：穿越馬. Ch. engchi. 路的面向與直線行走，上述問題的關鍵在於環境與裝置未能提供足夠的引導資訊。因此本研究將專注於解決視障者室外步行時所面臨的問題，欲從現有無障礙輔助設施有限的幫助中，尋找可透過科技與設計解決問題的切入點，並透過深度使用者研究了解視障者的行走需求，給予視障者於室外行走適當的輔助。以下為本研究欲探討目標： . 深入了解視障者室外行走之情境與面臨問題，特別是無障礙設施與現有服務無法提供協助與較複雜的路段。. . 設計一穿戴式裝置，藉由取得使用者面向資訊提供導航訊息，並提供操作策略與設計相應的語音內容。. . 設計一 APP 原型以整合 ibeacon 與穿戴裝置，建立架構化的導航機制。 9.

(24) 1.4 研究方法與架構 1.4.1 研究方法. 本研究以質化研究為主進行使用者經驗研究（User Experience Research），採設計思考（Design Thinking）的思維看待問題。以使用者中心為出發點，藉由脈絡訪查（Contextual Inquiry）、隨身觀察（Shadowing）等方式進行需求分析，進一步發現使用者的需求，透過迭代的原型設計（Prototyping）與實驗以檢視設計成果。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 10. i n U. v.

(25) 1.4.2 研究架構圖. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. 圖 9 研究架構與流程. 11. v.

(26) 第2章、文獻探討與初步研究本章可分為三個段落，首先為視障者之背景認識，並了解定向行動能力的養成與重要性，接著為室外無障礙環境的輔助設施與現況，第三部份為視障導航的相關研究與服務，透過上述資料分析現有服務的缺口，確立本研究的設計問題與系統開發方向。. 2.1 視障者背景與定向行動能力 2.1.1 視覺障礙者基本介紹. 視覺障礙之定義. 立. 學. ‧ 國. . 政治大. 自 2012 年起，台灣身心障礙鑑定及需求評估新制採取世界衛生組織（WHO）所頒. ‧. 布的「國際健康功能與身心障礙分類系統」（International Classification of Functioning, Disability and Health, 以下簡稱 ICF）。將身心障礙分類改為 ICF 八大系統，其中視覺障. y. Nat. n. al. er. io. sit. 礙屬於第二類-眼、耳及相關構造與感官功能及疼痛，表 4 為障礙程度之等級差異。. Ch. engchi. 12. i n U. v.

(27) 表 4 身心障礙者之分級與鑑定標準等級. 障礙程度 1.兩眼視力優眼在 0.1（含）至 0.2 者（含）者。. 輕度. 2.兩眼視野各為 20 度以內者。 3.優眼自動視野計中心 30 度程式檢查，平均缺損大於 10DB（不含）者。 4.單眼全盲（無光覺）而另眼視力在 0.2（含）至 0.4（含）者。 1. 兩眼視力優眼在 0.1（不含）以下者。. 中度. 2. 優眼自動視野計中心 30 度程式檢查，平均缺損大於 15DB（不含）者。. 政治大. 3. 單眼全盲（無光覺）而另眼視力 0.2 以下（不含）者。. 立. 2. 優眼自動視野計中心 30 度程式檢查，平均缺損大於 20DB（不含）者。. ‧. ‧ 國. 學. 重度. 1. 兩眼視力優眼在 0.01（不含）以下者。. 依照「法定視覺障礙」的定義，視覺障礙並非僅指「完全看不到」，而是包含仍有殘. y. Nat. 存視覺的「低視能」，以及僅剩光感或完全無光感的「全盲」。根據上述定義，本研究皆. n. al. er. io. . sit. 以全盲視覺障礙者為主要目標族群。視覺障礙者之背景差異. Ch. engchi. i n U. v. 以視障者背景而言，先天視障者觸覺表現較為穩定，且能整合較多資訊，但由聽覺建立空間圖像的能力較差，空間組織呈平面化，並以路徑作為訊息的串聯；而後天視障則因為有過去的視覺經驗輔助，因此相較於先天視障，更容易藉由聽覺來建立與整合零散的空間資訊，以視覺記憶形成三度空間的形象組織概念（Cattaneo, 2008、黃敬凱, 2007、顏杏砡, 1992）。然而，在空間中找路對視覺障礙者來說是一件相當困難的事，它牽涉了多重的感官運作和複雜的訊息處理。蘇怡帆（2012）以視障者在台北市空間中移動的經驗為例，視障者以身體其他感官捕捉空間訊息，因此認知空間的方式具有強烈的個人風格，根據個. 13.

(28) 體差異與知覺發展不同，訊息的處理形式既細節也豐富多，同一條路線，不同的視障者可能會採取不同的理解或學習方式。總體而言，視障者能依賴學習與移動習慣來形成自我的空間認知，以完整接收與感受空間訊息。另一方面，因缺乏視覺經驗與背景差異，使得視障者不易形成明確的心理地圖，因此，視障者應加強定向行動訓練以學習如何利用聽覺、觸覺等其他感知覺獲得認識環境所需的資訊，並有能力根據所獲得的資訊來建立心理地圖，作為獨立行走和使用環境的根據。 2.1.2 定向與行動能力（Orientation and Mobility, O&M）. 政治大. Jacobson（1993）定義定向與行動能力為教導視覺障礙者行走的概念與技能，使視. 立. 障者能在任何環境下安全、有效且優雅的行走。其技能包括了定向和行動兩個項目：. ‧ 國. 學. . 定向-指視覺障礙者在其空間環境中，利用個人存有的感官來判斷自己所在位. . ‧. 置，關係到感知覺的訓練與心理地圖的建置。. 行動-指的是個人能輕易移動的能力，包含了視障的獨走技能、白手杖的杖法或. y. Nat. er. io. sit. 由明眼人引導的人導法等方法。. al. v i n Ch Trusty 和 Richard（2000）概念，將定向行動能力分為七大主軸，包括：感覺訓練、概念 engchi U n. 特殊需求課程大綱（2004，教育部）中的「定向行動」領域裡參考了 Griffin-Shirley、. 發展、行動技能、定向系統、求助技能、安全議題及社區資源與大眾運輸系統等，此課. 程只保留與定向行動最直接且密切的手杖使用。由上述可知定向與行動能力能幫助視障者在空間中移動，並在過程中能組織收集到的訊息。要安全而獨立的抵達目的地，除了要在移動中隨時確認自己在空間環境中的位置之外，也須判斷與其他物的關係並形成認知，因此需經歷一段長時間的學習。萬明美（2001）於視覺障礙教育一書中整理了定向能力需培養的技巧，其中提到轉彎與羅盤方位的概念（turns and compass directions），指的是正確的轉彎須把握轉彎的角度和轉彎的方向，由較確定的角度開始練習（如 90 度、180 度）再做小角度的變化。而. 14.

(29) 直線的概念（linear concepts）須同時建立，並應練習偏離路線的調整。另外提到與行走有關的環境概念並整理了 Hill、Jacobson 等數人的研究得到以下重點：. 1.. 路標與線索（landmarks and clues）：環境中任何熟悉的物體、聲音、氣味、溫度或觸覺經驗，經有其獨特的特性可協助視障者確定位置與方向。路標通常是固定的點，而線索則是游離的或缺乏一致性的。. 2.. 邊界線（shoreline）: 任何可作為引導線的一條延攬線。. 3.. 社區圖形的概念：將基本幾何圖形的概念應用的社區環境，如圓環、方形的街. 5.. 治政大交通工具：包括個人交通工具、大眾運輸工具及其路線。立交通號誌與交通規則：觸覺、有聲號誌可作為定向的參考。. 6.. 公共建築及設施：如醫院、郵局、警察局等。. 7.. 社區的型態：如住宅區、商業區等，及房屋、圍籬、盆栽、草邊緣等。. 8.. 馬路的概念：如單行道、雙線車道、交叉路口、人行道、輪椅斜坡道、停車位. 學 ‧. y. sit. 9.. Nat. 等。. 編碼系統（numbering system）：包括室外（街道、房屋門牌）及室內（房間、. io. er. 4.. ‧ 國. 區、垂直的十字路口等。. 樓層）之編碼與代號。. n. al. Ch. i n U. v. 10. 地圖概念：包含實際地圖的認識與心理地圖的構圖。. engchi. 11. 自我熟識過程（self-familiarzation process）：在不熟悉或新的環境裡，需要面對三個問題：a.我需要哪些資訊、b.我要怎麼取得與 c.我如何利用。上述定向與行動能力訓練項目，亦是本研究目標族群所需具備的外出基本能力。然而外出步行除了個人認知的訓練之外，使用的輔助裝置也須符合行走習慣。為了專注於路況，視障者除了持白手杖（或導盲犬）之外，另一手儘量不持握任何物品以免干擾判斷與影響平衡感（Hanlu, 2014），然而現有導航 APP 須持手機並維持平放的操作習慣與視障者於室外步行時相抵觸。法國 Navi'Rando 視障者登山計畫（2015）利用胸前背帶的方式固定手機如圖 10，此方式可確保手機維持同一方向，但胸前背帶造成的束縛感較大且穿戴不易，若要操作仍必須拿出手機。 15.

(30) 政治大. 立. 圖 10 Navi'Rando 視障登山計畫（來源：https://goo.gl/XsvOKF）. ‧ 國. 學. 2.2 無障礙設施與台灣道路狀況. ‧. 2.2.1 無障礙引導及輔助設施. sit. y. Nat. io. er. 無障礙引導設施需與定向行動能力的內涵必須互相配合，才能達成有效的引導。營建署於 2016 最新修訂之建築物無障礙設施設計規範提到，引導設施目的為引導行動不. n. al. Ch. i n U. v. 便者之行進方向或協助其界定通路、位置與注意前行路況。對視覺障礙者而言，欲達到. engchi. 引導功能則須藉由觸覺、語音、邊界線或其他相關設施輔助，其中觸覺與聽覺是最立即且直接的方式。觸覺方面，除了以足部分辨地面材質不同之外，手部亦可透過點字設施或觸覺地圖獲取資訊。而聽覺上則主要透過語音報讀系統與音效提示，以下簡介室外常見的引導與輔助設施。 . 邊界線. 在利用邊界線當作線索部分，內政部建築研究所於「視障者空間認知與無障礙環境」提到導盲設施主要包含整齊邊界線及警示帶，其中整齊邊界線規定如下:. 16.

(31) 1.. 無障礙通路之一側或兩側應具備足供視障者依循前進之整齊邊界線。. 2.. 整齊邊界線宜採直線與直角設計，避免不易察覺的弧度，並保持完整與連續性。. 3.. 利用地面鋪材提供整齊邊界線時，其顏色、材質、觸感或敲擊聲必須與相鄰地面呈現明顯差異或對比，以供視障者辨識引導前進。. . 有聲號誌. 視障者在穿越馬路時，多半利用個人學習的定向能力判斷位置與方向，然而在穿越馬路時，正確且清楚有聲號誌（如圖 11）可給予視障者引導。依據<有聲號誌設備規格. 政治大. 及施工特定規範>，其內容包含了南北向導引聲、東西向導引聲、行人專用時相導引聲. 立. 與定位。為了讓視障者辨別通行時機，有聲號誌按鈕上方正面建議加設點字標字牌，告. ‧ 國. 學. 知音效意義與按壓開關以啟動有聲號誌，亦可由視障者隨身攜帶的自動觸發配備啟動，此部分於訪談中有使用者表示，目前該類有聲號誌設計的路段稀少，加上可自動觸發號. ‧. 誌的手杖過重，因此平常不會使用。以上資料可得知國內針對視障引導設施有許多考量. y. Nat. 與規範，然而現實場域較複雜且有較多限制，接著將以實際情況為例，了解視障者面臨. n. er. io. al. sit. 的問題與釐清設計的可切入點。. Ch. engchi. i n U. 圖 11 有聲號誌. 17. v.

(32) 2.2.2 台灣道路環境現況-以台北市為例. 根據內政部統計資料顯示，台北市與新北市於 2015 年第二季視障者人數合計近 1.4 萬人，約佔台灣總視障人口的四分之一，大台北地區便捷的大眾運輸系統讓更多視障者願意走出門，因此本研究的觀察與實驗場域也將以台北市為例，以下針對道路情況與視障者實際感受整理相關文獻。黃耀榮（2012）為驗證引導設施的成效，以台北市人行道為例進行測試，挑選具有定向行動能力的視障者於六處場域行走，比較自由行走與告知引導設施之行走結果，觀. 政治大. 察到人行道所運用之花台、路緣石、粗糙與變化材質，可識別性高，為有效之地面引導. 立. 設施。另一方面，不連續的引導設施與頻繁轉換辨識物會降低行走速度與增加心理壓力。. ‧ 國. 學. 在穿越馬路的部分，兵界力（2000）針對台北市政府所設置盲人音響號誌做現況調查，視障者在穿越街道所考量的因素為「行人號誌情形」、「轉彎車輛」及「穿越道長度」；同. ‧. 時受訪之視障者僅有四成使用過盲人音響號誌，當時在台北市亦僅有三成的盲人音響號. sit. y. Nat. 誌能正常運作，抽測甚至發現語音提示不統一的情形。. n. al. er. io. 內政部建築研究所的報告中提到行人穿越道的設置是為保護行人之通行，但對於視. i n U. v. 障者而言，並不容易找到行穿越道設置之位置及拿捏寬度，因此無法確實的保障視障者. Ch. engchi. 的行走安全。加上台灣尚未針對行人穿越道設置提供視障者安全通行之無障礙設施，且時常可以看見劃設錯誤（非垂直）的行人穿越道。經由上述整理可知現今雖有許多為視障者服務的設施，但使用成效卻不如預期。蘇怡帆（2012）提到視障者遭遇的困難包括有聲號誌、導盲引導設施、點字系統等導盲設備的破碎化與節點不連續，都讓視障者走在回家、工作、上學的路徑，即使身處熟悉的空間中仍得保持戒備，因此如何加強視障者外出行走的輔助工具是一項重要的課題。. 18.

(33) 2.3 現有導航技術與服務現有為視障者設計的導航服務多以觸覺和聽覺提示為主要回饋方法，引導方式又可分為導航與報位。本節將討論常見的導航技術與相關服務，摘要不同的應用情境與使用行為，進一步發現其中可延伸的方向。 2.3.1 觸覺回饋. 在環境吵雜的情境下，觸覺回饋是一種有效提供訊息的分式，又可分為文字回饋與. 政治大. 震動回饋。為了讓視障者接收到導航資訊，裝置需使用點字（braille）呈現，點字是專為. 立. 盲人設計的一種摸讀系統，將不同的點字記號賦予不同的意義，以代替明眼社會的普通. ‧ 國. 學. 文字（台中啟明學校）。Shiri（2011）提出 GoBraille 系統如圖 12，其結合點字系統與智慧型手機中的 GPS 定位功能，可提供視障者周遭的路口、地址、即時的公車資訊與非視. ‧. 覺化地標的資訊，並透過可攜式點字機輸出內容。受測者偏好點字觸覺回饋方式因為其. y. Nat. 隱私性高且可快速識讀，但缺點為不便攜帶，高單價的點字機亦讓許多視障者外出使用. n. al. Ch. engchi. er. io. 貼上標籤而顯得格格不入（Shinohara, 2011）。. sit. 時有更多顧慮。另外社會觀感也會影響視障者選擇輔具的意願，使用者因某些裝置而被. i n U. v. 圖 12 GoBraille 系統結合點字機與智慧型手機（來源：https://goo.gl/LgIuvO）為了解決傳統點字機攜帶不便與成本過高的問題，南韓新創公司 Dot InCorporation 於 2015 年發表了一款點字智慧型手錶 Dot（Dot Braille Smartwatch），可於錶面顯示四個點字如圖 13，使用者可調整展示字符的速度。除了顯示時間、震動提示外，亦可透過藍. 19.

(34) 牙連結智慧型手機以接收導航資訊，此穿戴式設計將於 2016 年底上市，將帶給視障者更多隨身輔具的選擇。. 政治大圖 13 Dot 點字智慧型手錶（來源：https://goo.gl/LfI4xy）立. 另一種觸覺提示為震動回饋，由於可被辨別的型態較少，因此能提供的提示較精簡. ‧ 國. 學. 且有限。Wilko（2008）提出了附有震動器的腰帶如圖 14，搭配 PDA 接收 GPS 定位資訊後以震動的方式指引方向與提示路線偏差，研究中發現受測者可辨別現在方向與偏離. ‧. 15 度的差異，可作為方向提示研究之參考，上述受測環境為較單純無干擾地區。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 14 使用者穿戴附有震動器的腰帶（來源：Wilko 之研究）. 20.

(35) 2.3.2 聽覺回饋. 與聽覺回饋相比，觸覺回饋受限於硬體裝置的型態，加上後天視覺障礙者較不熟悉點字，因此多倚靠聽覺接收訊息。HumanWare 公司推出的 Trekker Breeze+為手持式語音 GPS 導航機如圖 15，視障者可透過簡易的按鈕控制裝置報讀導航訊息如方位、街道名稱、與十字路口距離和附近店家等，若要行經空曠地區則可透過裝置上的按鈕鍵入字母來自訂地標，再由系統報讀方位與距離以幫助使用者抵達目的地。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. Nat. sit. y. 圖 15 視障者使用 Trekker Breeze+上路（來源：https://goo.gl/QVcSLq）. n. al. er. io. 若在戶外行走且透過聽覺接收訊息時須隨時注意環境，微軟（Microsoft）開發一項. i n U. v. 穿戴式骨聲傳導耳機，由於透過骨頭傳導，因此不會影響使用者聆聽周圍環境的聲音。. Ch. engchi. 其參與之專案 Cities Unlocked，除了以 GPS 導航之外，亦藉由環境中佈置的藍芽發射器（MiBeacons beacons）輔助行走。透過在視障者耳邊打造 3D 音景協助視障者修正方向，例如讓音效從左聲道發出讓視障者知道方向過於左偏，當調整回正確方向時則可感受到音效來自正前方，並用持續的馬蹄聲（clip-clops）提示可繼續向前，當聽到掉落的椰子聲音效時則代表經過了正確的信標（indicator）。使用者表示音效的豐富性可視化了環境，跟隨指引讓他可更自信地踏出每一步。. 21.

(36) 政治大圖 16 微軟專案之使用骨傳導耳機（來源：https://goo.gl/RBlnM5）立. ‧ 國. 學. 除此之外，語音訊息的內容與架構亦是聽覺回饋中重要的一環。Gaunet（2005）定義了導航系統需注意的要素，包含了語意的組成、環境敘述和提示時機，意指訊息因以. ‧. 口語敘述形式表現，提示環境中對幫助導航的地標如街道名稱、人行道與十字路口等，上述內容需在適當的時機提示，才能精確且有效率的引導，例如在距離路口 5-10 公尺前. y. Nat. sit. 即語音提醒，讓視障者有心理預期以準備相應的行動。Nicolau（2009）則整理出導航之. er. io. 語音訊息應具備的五項元素，分別為：. al. n. v i n Ch 當下動作：如轉彎、直行、進入或離開等動詞。 engchi U.   . 方向：有些動作需有方向指引才有意義，例如轉向需左轉或右轉。可行走的邊側（Side）：需明確告知視障者道路上哪一側可行走，包含可追跡的參考點或是避免危險物。. . 時間/距離：參考物（reference point）與自身位置的關係會在移動過程中改變，影響因子為時間或距離因此需而影響相對關係的描述，例如「經過那扇門後再右轉」。. . 物件：場域中的物件可作為參考提示，如圍牆、門或階梯等。. 22.

(37) 2.3.3 定位技術. 由前述研究與案例可發現多數服務使用衛星定位技術（GPS）導航，然而衛星系統精准度無法給予足夠環境的資訊（Blasch, 1995），GPS 定位造成的誤差無法給予視障者精準的近距離環境提示，需輔以其他技術補充環境資訊，如 Ahmetovic（2015）以電腦視覺的方式分析衛星回傳的圖資（圖 17），判斷出斑馬線等行人穿越道的確切位置，該研究希望加強現有地圖服務的擴充功能，幫助視障者了解道路資訊以提高外出行走的安全性。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. n. al. er. io. 圖 17 以電腦視覺的方法判斷斑馬線（來源：Ahmetovic 之研究）. i n U. v. 短距離傳輸如 RFID、NFC 與藍牙等技術則有較穩固的優點，亦可彌補 GPS 的誤差。. Ch. engchi. Michitaka（2003）在場域中佈建網路相機和地板上嵌入的 RFID 標籤，讓聽視障者經過該區域時可透過 RFID 標籤讀取器接收導航訊息如圖 18。但因 RFID 與 NFC 感測範圍與距離較小，對視障者而言，除非有明確的導引否則不易操作。. 23.

(38) 政治大. 立. ‧ 國. 學. 圖 18 利用鑲嵌在地板上的 RFID 標籤引導（來源：Michitaka 之研究） 2.3.4 iBeacon 低功耗藍牙技術. ‧ sit. y. Nat. 由 Apple 提出的 iBeacon 低功耗藍牙（BLE）技術作為定位選擇，技術發佈之初期多為商業廣告用途，可透過推播訊息得知最新優惠資訊。手機軟體可根據特定的識別碼. io. n. al. er. （UUID）來推送特定的通知給使用者，當 iOS 裝置偵測到 iBeacon 訊號，會根據 RSSI. Ch. i n U. v. （Received Signal Strength Indication）強弱推估範圍並換算成以公尺為單位的距離，強. engchi. 度越強（接近 0）代表接收端越靠近發射端，訊號也越穩定。 BlindSquare （如圖 19）為一款為視障者設計的 GPS 導航軟體，它使用 FourSquare 和 Open Street Maps 的地圖資訊和環境資訊，使用者可語音搜尋最近咖啡廳，隨後軟體會根據演算法找到相關度最高的內容並予以語音瀏覽提示。BlindSquare 於 2015 年加入 iBeacon 技術，採用加拿大公司 U-R Able 的低功耗藍牙傳輸器，並選擇大學校園為示範場地佈建了 18 顆 Beacons，讓視障生透過 iOS7 以上的裝置得知地標的位置。. 24.

(39) 政治大圖 19 BlindSquare 軟體介面與應用情境（來源：http://blindsquare.com/）立. ‧ 國. 學. 由 IBM 與卡內基美隆大學合作的專案 NavCog（如圖 20）亦使用 ibeacon 技術提供環境資訊，經過校內與戶外的實驗測試，確認報位有一定的精準度。除了透過地標給予. ‧. 提示之外，iBeacon 技術可應用於大眾運輸系統，如羅馬尼亞政府於 2015 年在公車及電車上安裝 Beacons，使用者可透過 APP 預先規劃要搭乘的班次，當該班車接近使用者便. Nat. n. al. er. io. sit. y. 會給予通知，該班車也會同時響起蜂鳴音以利視障者確認。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 20 NavCog 使用情境（來源：https://goo.gl/oPrL8k）. 25.

(40) 隨著 iBeacon 技術逐漸成熟，許多應用以此技術特性設計導航與報位相關服務，並以該地區之道路環境和語系進行探討與研究，因此並不一定適用於台灣。國內研究以林禕瑩（2015）與陳萱恩（2016）透過質性研究詳細分析視障者需求，從出門前的準備、到上路中的訊息提示與行走後的資料整理分享，完整涵蓋了視障者外出行走流程，並歸納出四大功能並提出 BlindNavi APP 導航服務（如圖 21），並提出佈點策略、導航訊息架構與介面設計建議，本研究將基於上述發現與成果，探討其中仍存在的難題。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. er. io. al. sit. 圖 21 BlindNavi APP. Ch. engchi. 26. i n U. v.

(41) 2.4 小結本章透過文獻整理了解視障者的定向行動能力與限制，並列舉出台灣無障礙環境的缺乏有效輔助的現況，接著比較現有服務與相關研究，藉由探討不同的回饋與引導方法歸納出設計方向。下圖 22 為本章提及服務與研究之整理，並列出各個階段視障者主要面臨的問題，透過此圖表可發現多數設計著重在行走中且多能提供方向指引，但若要讓系統精準取得使用者方向需水平持穩裝置，因此不符合視障者行走慣。使用短距離傳輸如 iBeacon 可取得近身資訊，但在過馬路的問題上則無明確的引導與解法，此議題在前. 政治大. 期訪談中有多數視障者表達出困擾，將列為本研究專注探討的項目之一。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 22 現有服務與研究之整理. 27.

(42) 根據上述發現歸納所得的設計方向與結論： . 導航過程與提示語中須搭配定向行動訓練的概念，因此本設計之目標族群須受過定向行動能力訓練，並有外出行走的經驗。. . 提供之輔具須符合視障者現有行走習慣，除了裝置輕便易取得之外，操作上的便利性、降低記憶負擔與回饋是否適當皆為視障者評估輔助工具的重要考量。. . 現實道路場域十分複雜，須針對不同的道路狀況給予相對應的提示。本研究將以有號誌路口為實驗場域，. 政治大. 綜合以上，本研究之設計將以視障者為中心以達到易用性（Usability），並利用現有. 立. 環境之設施提供提供視障者可辨識與易解讀的空間資訊，以協助視障者獨自行動並提升. ‧. ‧ 國. 學. io. sit. y. Nat. n. al. er. 導航體驗。. Ch. engchi. 28. i n U. v.

(43) 第3章、系統與服務流程設計根據文獻整理與前期使用者訪談與研究，本研究針對路口與無追跡物路段的直線行走提出一導航設計，其包含三個部分如圖 23，分別為： . GuidePin：別於胸前之藍芽穿戴式裝置，可取得使用者面向角度，協助視障者調整過馬路的面向與直線行走時偏向修正. . APP：與 GuidePin 配對，並於上路中接收 Beacon 訊號以提供導航訊息. . Beacon：低功耗藍牙發射器，安裝在路口號誌燈等參考點. 立. 政治大. 本章將介紹系統運行原理與設計過程，包含軟硬體規劃和語音內容設計，過程中使. ‧ 國. 學. 用 Wizard of OZ 的方式模擬使用情境，透過使用者的回饋修正設計，本章末將記錄前測與訪談結果，作為後續評估與測試的基礎。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 23 本研究設計之導航服務具備要素. 29.

(44) 3.1 開發工具介紹由前期的使用者訪談可發現，視覺障礙族群偏好使用 iPhone 智慧型手機，透過 iOS 系統內建的語音輔助功能 VoiceOver，可搭配特定的手勢在螢幕上點擊或滑動來操作，讓視障者能聽到手機上的每個動作，雙連視障關懷基金會更提出了「捐出二手 iPhone 計畫」，希望視障者族群能有更好的工具以提高生活的便利性。因此，本研究以 iOS 8.0 以上之系統作為開發環境，使用 Swift 為程式語言製作原型 APP，以串連其他裝置提供導航服務。. 治政為了提供視障者準確的導航資訊，本研究使用由大Punch Through 公司所生產，一款立 Arduino 相容的微型控制器-LightBlue Bean，搭配由 Honeywell 公司出的三維電子羅盤傳 ‧ 國. 學. 感器 HMC5883L 來得知視障者的面向。LightBlue Bean 開發版有 8 個數位 I/O 腳位，其中兩腳位可以做為類比訊號輸入，附有內建的 RGB LED、溫度計與加速度計（Bosch. ‧. Sensortec 公司出產之 BMA250）。LightBlue Bean 使用 BLE（Bluetooth Low Energy, 低. sit. y. Nat. 功耗藍牙技術）作為連線方式，為了使用 Arduino 為開發環境，須先設定好驅動程式並. io. er. 裝好 Bean Loader，開發過程中亦需使用 Bean Loader 來與 LightBlue Bean 連接並燒錄程式，本研究除了從監控器監看資料之外，同時輔以 Processing 將結果視覺化以幫助修正，. n. al. Ch. i n U. v. 交互關係如圖 24。另外根據不同的路口狀況，將使用 Beacon 提供導航資訊，本研究將. engchi. 使用 Apple 所提供之 iBeacon API 於開發 APP 中。. 圖 24 開發環境運作關係圖. 30.

(45) 3.2 GuidePin 之原型設計 3.2.1 電子羅盤的原理與校正. 為了提供使用者正確的導航資訊，須優先取得使用者的面向（heading）資料，再進一步根據環境給予提示。然而，多數智慧型手機皆有內建的電子羅盤，其由三維磁阻感測器、雙軸傾角感測器和微型控制器（MCU）構成，三維磁阻感測器用來測量地球磁場，傾角感測器是在磁力儀非水平狀態時進行補償；MCU 處理磁力儀和傾角感測器的信號. 治政大 iOS 為例，可使用內建的「指電流中電子的偏向來算得電壓變化的數據而得知方向。以立南針」取得磁北或正北，APP 開啟畫面如圖 25 左，須先傾斜手機並將畫面中的紅球掃. 以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償（台灣 wiki）。三維電子羅盤應用了 Hall Effect，以造成. ‧ 國. 學. 過白色圓框以完成校正動作，其目的為得到磁感量的最大值與最小值後，即可找出圓心的偏移量並以軟體做修正，測量值組成的空間幾何結構實際上是一個圓球，因此所有的. ‧. 採樣點都落在這個球的表面上，理論同 8 字校正法（圖 25 右）。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 25 指南針校正畫面，左為 iPhone，右為 Android 系統本研究設計之 GuidePin 使用磁阻傳感器 HMC5883L，可以透過 I2C 介面讀出三軸的原始磁場強度值（gauss）再轉化為角度，其特點為帶有高分辨率的 HMC118X 系列磁 31.

(46) 阻傳感器，並附帶 Honeywell 專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在 1°~2°的 12 位模數轉換器。這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點，其測量範圍從毫高斯到 8 高斯，為低磁場傳感器中靈敏度最高和可靠性最好的傳感器（Honeywell 官方文件）。在使用傳感器之前須對出廠元件做磁場校正，透過 Processing 將數據圖形化，可發現偏移和比例誤差會得到一個偏離中心的橢圓球，因此要先確定校正係數，也就是將此橢圓修訂呈圓球形並接近原點，其步驟如下：. 政治大. 1.. 將傳感器在空間中穩定旋轉，得出 XYZ 的最大與最小值。. 2.. 用 -（最大值+最小值）/ 2 算各軸偏移，也就是原點相對於橢球心的偏移. 3.. 因只需要方向，可以令點 x 軸的比例係數 x_gain 為 1. 4.. Y 的比例係數，y_gain = x_gain *（Y_MAX-y_min）/（x_max-x_min）. 立. ‧ 國. 學. ‧. z 的比例係數意同，z_gain = x_gain *（z_max-z_min）/（x_max-x_min）. sit. y. Nat. 其中 x_gain 可把 XYZ 的單位校正為 1 以方便計算。. n. al. er. io. 本研究共使用三組傳感器，皆經過在上述方法與算式校正，圖 26 為其中一組傳感. i n U. v. 器之雙軸修正過程。（1）校正前，偏離圓心且為橢圓（2）修正偏量至正中心（3）調整為正圓完成校正。. Ch. engchi. 圖 26 HMC5883L 出廠校正. 32.

(47) 3.2.2 傾斜修正. 1.. 靜止狀態之修正. 三維電子羅盤通常會搭配加速度計（G sensor）一起使用，主要可利用加速度計所測得的物體傾角，來補償電子羅盤的數值，本研究將使用 GuidePin 內建之加速計感測器 -BMA250。在水平的情況下，下列式（3）讀取 X 與 Y 軸的輸出並帶入 arcTan（Y/X）便可得方向角，若有傾斜角度的變異數則必須先通過三軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式（1）與（2）計算出 Pitch 和 Roll。Pitch（Φ）定義為 x 軸. 政治大. 和水平面的夾角；Roll（θ）定義為 y 軸和水平面的夾角，如圖 27 所示方向皆為正方向。. 立. 運算流程如圖 28，當 MCU 接收到加速度計與電子羅盤的輸出後，透過公式算出方向角. ‧ 國. 學. 度並作補償。公式如下（1）~（3）式。. ‧. (1) 𝑋𝐻 = 𝑋 ∗ sin 𝜑 + 𝑌 ∗ sin 𝜃 ∗ sin 𝜑 − 𝑍 ∗ cos 𝜃 ∗ sin 𝜑. Nat. 𝑌. er. io. sit. y. (2) 𝑌𝐻 = 𝑌 ∗ cos 𝜃 + 𝑍 ∗ sin 𝜃. (3) Azimuth = arc tan 𝑋𝐻. n. al. 𝐻. Ch. engchi. i n U. 圖 27 羅盤傾斜情況. 33. v.

(48) 圖 28 電子羅盤傾角修正流程 2.. 行走狀態之修正. 政治大 GuidePin 透過上述計算加入加速度補償後可有效減少因傾斜而產生的影響，然而若立. ‧ 國. 學. 要將感應器套用在人的移動上，則須考慮因行走帶來的晃動、任意方向的變動或是環境的干擾皆有可能帶來雜訊，此時可使用卡爾曼濾波器（Kalman Filter）來處理突波問題。. ‧. 卡爾曼濾波器是一種資料處理的演算法（optimal recursive data processing algorithm），可從前一個結果計算預測現在的最佳結果及下一個結果，最常應用在慣性導航系統中，例. y. Nat. . er. al. 被建模的系統是線性的（Linear Stochastic Difference equation）. v i n Ch 影響測量的雜訊屬於白雜訊（White Gaussian Noise） engchi U 雜訊本質上是高斯分佈的（Gaussian Distribution） n. . io. . sit. 如車體運行的軌跡或四軸飛行器的平衡等，有三項重要假設：. 本研究則是利用簡化的卡爾曼濾波器來校正加速度的值（如圖 29），其內容摘要如下步驟： (1) 假設現在的系統狀態是 k，首先利用上一個狀態最優的結果預測下一個狀態，其中 A 和 B 是系統參數，U（k）是 k 時刻對系統的控制量。 X（k|k-1）=A X（k-1|k-1）+B U（k） ……….. （1）. 34.

(49) (2) 此時系統結果已更新，但對應於 X（k|k-1）的斜方差（covariance）還沒更新。其中 P（k|k-1）是 X（k|k-1）對應的斜方差，P（k-1|k-1）是 X（k-1|k-1）對應的斜方差，A’表示 A 的轉置矩陣，Q 是系統過程的斜方差。 P（k|k-1）=A P（k-1|k-1） A’+Q ……… （2） (3) 計算卡爾曼增益 Kg（Kalman Gain），H 是測量系統的參數，R 為測量雜訊的斜方差。. 政治大. Kg（k）= P（k|k-1） H’ / （H P（k|k-1） H’ + R） ……… （3）. 立. (4) 更新狀態（k）的最優化估算值 X（k|k），Z（k）是 k 時刻的測量值。. ‧ 國. 學. X（k|k）= X（k|k-1）+Kg（k）（Z（k）-H X（k|k-1）） ……… （4）. ‧ sit. y. Nat. (5) 更新 k 狀態下 X（k|k）的斜方差。. er. io. P（k|k）=（I-Kg（k） H）P（k|k-1） ……… （5）. al. n. v i n Ch 如此將 covariance 遞迴下去就可以一直計算出現在的最佳結果，而且只需要從上一 engchi U. 個保存的結果推算，本研究利用簡化卡爾曼濾波器的方法來處理雜訊，可看成在同一個系統下建模，因此令當下與跟前一時刻的加速度值相同且沒有控制量，經模擬得出測量. 產生的雜訊斜方差 R=1e-5 與處理過程產生雜訊的斜方差 Q = 1e-7，代入上述算式並於 Arduino 開發環境執行以完成卡爾曼濾波器濾波方法。. 35.

(50) 圖 29 系統加入卡爾曼濾波器示意圖. 政治大機掛置胸前如圖 30、配戴運動臂套與使用 GuidePin 之資料，並利用 iOS 提供給之沙盒立為了比較與使用智慧型手機取值的結果，在不手持裝置的前提下，本研究比較了手. ‧ 國. 學. （sandbox）取得 iPhone 本機端資料。其中使用運動臂套因行走時的手部自然擺動會造成數據發生過大的波動，因此不採用此種方法。如圖 31 為同時使用 GuidePin 與 iPhone. ‧. 走一段直線並轉彎的數據圖，可看出 GuidePin（藍）較 iPhone（紅）穩定，圖中的高峰轉折發生在轉彎時，可發現 iPhone 反應較快約 1.5 秒，而 GuidePin 因加入濾波效果反. y. Nat. sit. 應較慢，但數值變化程度緩和有助於給予使用者微調方向時的提示，故後續實驗皆採用. al. n. 轉向之速度。. er. io. GuidePin，並針對步行速度與採樣頻率（sample rate ）做調整，以符合視障者之行走與. Ch. engchi. 36. i n U. v.

(51) 政治大圖 30 以 iPhone 內建指南針測試立 ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 31 使用 iPhine 與 GuidePin 之比較. 3.2.3 裝置外型設計. 為使 GuidePin 放置於身體不輕易晃動卻又能表現出面向處，本研究嘗試掛頸處、腰間與胸前，發現置中於胸口是較佳的位置。設計之第一版原型使用 LightBlue Bean 公司外包裝之海綿，並固定在名片夾上如圖 32，名片夾附有鋸齒夾可固定於領口。此原型設. 37.

(52) 計以簡便為考量，按鈕採用明顯凸起款式並固定於同一側，方便視障者於行走中以觸覺摸索如圖 32。. 政治大. 立圖 32 GuidePin 裝置圖. ‧ 國. 學. 3.3 APP 功能與運作設計. ‧. 3.3.1 APP 介面與功能. sit. y. Nat. io. er. iPhone 在此導航機制中扮演資料處理的角色，透過藍芽接收 GuidePin 與 Beacon 的. al. 訊號，經由與資料庫比對與運算後，將導航訊息提供給使用者。本研究優先專注於導航. n. v i n 機制與語音內容是否適當，因此在 C hAPP 介面端皆由研究人員控制，使用者只須控制按鈕 engchi U 與聆聽導航訊息。如圖 33 為 APP 之介面與功能簡介，為了監控與修正數值，介面上將所有的狀態都印出，以便開發人員即時得知系統運作情形，例如連線狀態可得知是否與 GuidePin 連線，文字筐可印出 Beacon 訊號強度、羅盤取得之面向角度和資料庫對應訊. 息等。針對不同的情況，亦設計了開關切換已進行交叉測試，例如比較手機與 GuidePin. 38.

(53) 的感測器精準度，濾波器加入前後的效果比較。除此之外，為了在場域中更有效的建立行路資訊，資料庫亦可透過雲端寫入，只需重新連線即可更新資料。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. al. 3.3.2 資料庫設計. sit. y. Nat. 圖 33 APP 介面與功能介紹. Ch. engchi. i n U. v. 針對不同的道路環境，系統需給予相對應的導航提示。根據本研究的策略設計，系統除了自動推播外，會根據環境條件不同給予引導，例如建議調整至號誌燈在左或右側、建議的過馬路面向。表 5 為佈建在路口的 Beacon 搭載的訊息量，除了基本的編號 “id” 之外，還有建議的面向角度 “degree'，系統將判斷在此角度正負十五度的範圍內為直行。後兩者皆為文字訊息，“navi_info”為進入可收訊範圍內即收到之導航訊息，若靠近路口，則會先要求找尋參考點（範例為號誌燈）並按下按鈕開啟引導，此時便會報讀“passing” 的內容並且以“degree”記錄的值為目的協助調整面向。另一方面，若該 Beacon 非佈點於. 39.

(54) 路口，沒有“passing”內容，其“degree”會是建議直行的方向，一樣可透過按鈕開啟引導，有助於使用者行走於無追跡物的路段上。. 表 5 Beacon 所攜帶之訊息_以路口號誌燈為例項目. 範例. 說明. id. 01. 此為 Beacon 的編號，方便記錄與區分. 60. 單位為度數，範圍為 0~359。為該路口之建. degree. navi_info. 議面向或是於直線路段的方向治政大 Beacon 訊號範圍內（一公「請在周圍搜尋號誌燈，此訊息為一進入立碰到後按下胸針聆聽指尺內）的自動推播訊息. 學. ‧ 國. 示」. 「請以身體左側靠號誌此訊息專為路口參考點而設計，共兩筆。須. ‧. passing. 燈，想前繞行誌路口，聽觸發按鈕才可聽到訊息，按下按鈕的同時亦. y. Nat. 指示修正」、「方向正確，開始讀取使用者面向，待正確後. n. 3.4.1 使用者研究. al. er. io 3.4 語音內容設計. sit. 請準備過馬路」. Ch. engchi. i n U. v. 為設計有號誌燈之路口提示語，針對語音內容的邏輯與表述單獨進行研究，邀請五位視障者參與實驗，資料如表 6。受測者皆受過定向行動訓練且有獨立外出經驗，每位使用者皆使用 iPhone 手機。實驗過程將使用 Wizard of Oz 的方式模擬有號誌的路口報位情況，並以場域中容易取得的物件作為路口參考物如圖 34。. 40.