文摘

我们引入认知系统、室内导航系统为盲人和视力受损。认知可以提高生活质量和健康的视力受损的社区通过启用独立生活。使用认知,盲人用户将独立访问公共卫生设施如诊所、医院和健康中心。获得卫生保健设施是至关重要的对于这个人口由于多个健康状况,他们的脸如糖尿病及其并发症。认知系统试验和24个盲人和视力受损的用户在一个多层建筑显示认知系统有效性为这些用户提供适当的导航指令。我们系统的独特性在于它是负担得起的,它的设计遵循取向和灵活性原则。我们希望认知将成为标准部署在所有室内公共场所,尤其是在医疗和健康设施。

1。介绍

世界卫生组织(2010)报告说,在全球所有年龄段的视障的人数估计有2.85亿,其中3900万是盲人1]。根据2004年全国健康调查的数据,有6100万美国人被认为是高危严重的视力丧失,如果他们有糖尿病,有视力问题,或65岁以上的2]。根据美国糖尿病协会糖尿病是导致失明的人年龄在20 - 74。估计每年有12000到24000人失去视力,因为糖尿病(3]。资深政府估计,到2020年,将有超过100万个退伍军人和明显的视觉缺陷和法律失明。此外,约13%的疏散受伤的军人在伊拉克和阿富汗遭受严重眼损伤的一种或另一种4]。

盲人和视障遇到严重的问题在一个独立的生活因为他们减少环境的感知。新环境构成巨大的挑战来感知周围环境不寻求别人的帮助。目前培训项目对于盲人和视障人要求他们记住大量的信息众多的兴趣点(即。、大学、购物中心、总线终端等)导致增加个人的挫折。普遍接受的是无能的自由和独立会阻碍个人的完全整合到社会(5]。失明,像其他障碍,影响一个人的机动性和生活质量(6),尤其是当视力丧失发生在成年后的后期一生与视觉功能(7,8]。

盲人和视力受损的用户遇到严重的健康问题,尤其是他们的视力损害是由于糖尿病(3]。除了失明,糖尿病有许多与之相关的健康问题例如骨感染、神经损伤和肾功能衰竭。等健康相关问题要求他们经常使用医院和公共卫生服务。不幸的是,尽管目前禁止使用他们和其他人以同样的条件。卫生保健机构似乎很少关注盲人的访问需求在设计的物理环境。现代医院越来越大而复杂的组织中,在这小似乎注意wayfinding盲人在这些复杂的环境中,大多数是不可能单独谈判。

已经有研究为盲人和视力受损的用户提供导航信息分别在室内和室外(9- - - - - -20.]。虽然大多数的这些系统覆盖范围广泛的功能,终端设备是复杂的和昂贵的,这些研究工作方向和流动性(运营管理)系统设计的核心原则。此外,唯一的研究,测试了一个室内导航系统与盲人和视力受损的用户(只有三个用户)在(19]。最近,谷歌地图6.0宣布他们将增加室内导航在零售和运输环境(21]。它有一个可视的界面,包括说明地图找到了商场和机场。它提供了用户大致位置(使用WiFi和细胞和GPS技术)和没有导航功能。自发现用户的系统设计,地图和用户位置不准确。以防谷歌将改善他们的定位以及地图表示将提供访问这些信息我们将能够在我们的系统集成。此外,我们认为这些发展是非常积极的认知系统由于盲人社区将开始习惯于谷歌室内技术和愿意采取认知系统提供负担得起的,准确的,和O&M-based导航指令。此外,通过使用Google数据我们可以将大空间集成到我们的系统,如机场和交通环境。目前,开发者只能覆盖数据到谷歌地图,但不能获得他们的数据库,信息需要开发一个室内导航系统为盲人和视力受损。

在本文中,我们引入了认知系统,可增强感知的室内环境使用被动无线电频率识别(RFID)标签部署环境中,一个专门设计的手持单元和智能手机的用户,和认知服务器生成和商店建筑信息和RFID标签部署。当用户,装有认知手套和一个智能手机,进入一个多层建筑配备认知系统,他/她的目的地扫描亭位于建筑入口。认知系统指导用户选择他/她的目的地使用地标(如房间,电梯等)。认知不同于其他系统在以下几方面:(1)用户进行定制的手持单元与小的外形和android手机,(2)系统构建的各项原则之上,和(3)这是第一室内导航系统测试了24个盲人和视障科目(其他系统与三视障用户测试或测试与蒙上眼睛的用户)。

本文组织如下。认知系统架构是在下一节介绍。一个示例场景提出了部分3,部分4描述了认知试验。部分5总结了纸。

2。系统架构

认知系统架构在[简要介绍22)由以下系统组件:环境、认知手套和Android客户端和服务器(参见图认知1)。

2.1。环境

2.1.1。R-Tags

无源RFID标签(R-tags)部署在环境战略位置在1.2米高度由《美国残疾人法案》(ADA)的指导方针。这些指导原则还要求标识包括高对比度提高了1.6厘米,5厘米之间的信件和压花盲文23]。R-tags也嵌入在亭位于特定的兴趣点入口/出口等建筑,电梯,和紧急出口。粒度是选择这种技术背后的主要原因。2 - 3厘米的距离需要从R-tag传输数据到读者。其他原因选择这些R-tags他们的成本,他们不需要任何电源。在每个R-tag我们把房间号码的字体和盲文。

2.1.2。亭

亭的连接用户的意图可以传达到系统。亭位于建筑物的关键点如入口/出口,电梯,每层和紧急出口。如图2亭包含R-tags表示地面数字和/或地点(房间、卫生间用M和W和紧急出口用X)。通过激活特定R-tag用户隐式地请求导航指令来达到这个目标(具体的地板或特定的房间号码)。

2.2。认知手套和Android客户端

2.2.1。认知手套

如图3手套允许用户免费使用他的手以及扫描R-tag的能力。用户请求将首先确定R-tag(通过使用他的手指通过R-tag上的浮雕字母或盲文,或者如果用户低视力功能,用户可以通过高对比度大字体)直观地识别表示选择的目的地。R-tag决定后,用户把他的手掌放在R-tag的顶部。手套沟通中选择目的地R-tag使用蓝牙技术基于android系统的智能手机。

我们认知手套系统封闭在一个重量训练手套包括(见图4)Arduino单片机、射频识别阅读器天线,蓝牙芯片,一组按钮,扬声器,可充电电池和电力监管机构。Arduino单片机用于跟踪所有的事件发生在认知用户之间的交互戴手套和环境。扫描R-tag, RFID阅读器发送R-tag Arduino单片机数据。蓝牙芯片用于单片机和Android智能手机之间交换数据。认知上的按键手套为用户提供不同的选项与认知系统进行交互。每个按钮都有一个独特的纹理,可以通过联系确定。的按钮代表不同的功能等(1)帮助按钮(H):用于回程回亭。(2)回放/倒带键(右):用于重复之前的指令,以防用户忘记它们。(3)指令按钮(我):在一组指令破碎容易记住的步骤。用户遵循一组指令后,他将按指令按钮下的指令集。

2.2.2。android软件

认知的组件软件在安卓智能手机中实现如下。(1)蓝牙模块:此模块负责交换数据(例如,R-tag扫描和按钮按下)Android智能手机和认知之间的手套。(2)认知应用程序:这个应用程序各种事件之间的区别,也就是说,R-tag扫描活动,帮助按钮按下事件,重播按钮按下事件,指令按钮按下的事件。R-tag扫描事件并帮助按钮按下事件,惟一标识符的R-tag发送到认知通过WiFi连接服务器。当地其他事件处理,输出转换为音频形式使用语音引擎。(3)无线网络模块:无线模块负责Android智能手机和认知之间建立wi - fi连接服务器。导航指令接收从认知服务器wi - fi连接,然后转换成音频形式使用语音引擎。(4)从文本到语音引擎:认知系统旨在帮助盲人或视力受损,系统与用户交互的音频格式。Android智能手机提供了一个内置的语音引擎,把从服务器接收到文本导航信息转换成音频格式。

我们调查了功耗的认知手套和Android手机运行认知应用程序。

2.2.3。认知手套功耗

手套在5 V平均消耗335 mA。当前设计的手套不优化节省功耗。Arduino、蓝牙模块,和被动RFID模块不利用他们的低功率休息状态,不断地在主动模式下运行。手套使用1000 mAh锂离子电池,并将去年平均1小时45分钟的连续使用。

2.2.4。Android手机功耗

使用Android操作系统的手机电池实用工具在三星Droid手机充电,我们收集的统计能力的使用屏幕,移动通信、蓝牙、无线和其他应用程序。

在三个独立的日子里智能手机作为个人电话(移动电话、浏览、电子邮件),和一个小时白天使用认知系统。我们开始与一个完全充电电池的实验统计数据几乎一旦电池完全放电。平均超过三天,我们获得以下统计能耗的比例。(1)白天活动(94%):屏幕50%,细胞通讯6%,Gmail 3%,浏览器3%,其他应用程序和操作系统进程32%。(2)认知活动(6%):应用2%,WiFi和蓝牙只打开认知消耗4%。

我们得出这样的结论:认知应用程序和相关的通信活动的能耗(WiFi和蓝牙)是最小的相对于其他智能手机的用法。

2.3。认知的对象服务器

认知服务器架构如图5。整个建筑布局构造使用量子GIS(地理信息系统)。地板布局node-link结构(shapefile)每个节点代表一个房间。一旦node-link结构(shapefile)准备好了,这是映射到Postgres数据库。每条线路node-link结构与属性表的表格描述整个设置。这个属性用于生成表Postgres数据库表的一个特定的地板上。导航模块制定导航指令后的最短路径路由Postgres数据库。它访问node_info数据库获取信息中每一个节点的最短路径的路线。导航指令给用户以下形式:例如“请向左转,然后沿着右边墙4门,然后你将达到你的目的地。”

3所示。示例场景

在本节中,我们介绍一个示例场景解释的事件流。

约翰是一个新生主修计算机系统工程。他由运营管理培训讲师在认知系统的使用。他呆在宿舍伟达公关,希望他的导师会面,讨论他需要的课程。他的导师的办公室在三楼(房间号312)诺尔斯工程建筑(见图6)。他所说的校园残疾服务范的诺尔斯工程建筑。约翰有一个甘蔗以及认知手套和一个基于android系统的手机。假设约翰知道目的地的房间号码和目的地楼层数。这是约翰的旅程。(1)指定的下车点:每一个校园建筑都有指定的下车点。校园残疾服务范滴约翰在指定入口点(东部退出在图6(一))。一旦他到达东部退出,他走向凉亭位于东部出口。(2)亭在入口处:kiosk在东出口包括R-tags在1楼每个房间和一个R-tag其他楼层。约翰发现R-tag表示三楼使用他的手指,然后用手掌扫描R-tag。他得到以下方向达到电梯在1楼:“你的目的地是在3号楼,到达你的目的地,请向右转,继续沿左墙,直到你达到一个开放,进入这个开口。一旦你到达那里,请扫描卡位于门路线:(东部退出> 102房间> >电梯107房间)。(3)亭在1楼电梯约翰:一旦到达电梯亭,他将扫描R-tag属于三楼。这里他会得到音频指令通知他,他已经达到了电梯,他应该继续使用这个电梯三楼(目的地)。约翰被下面的说明:“你已经达到了1号楼的电梯,请使用电梯进入3号楼。当你退出在3号楼电梯,转身面对电梯,亭将位于左边的电梯门。”(4)亭在三楼电梯:约翰到达三楼使用后电梯(见图6 (b)),他将退出电梯,转身面对电梯门,找到另一个亭左边的电梯门。在这里,约翰必须激活R-tag代表他的目的地的房间号码,312。一旦他扫描所需的目的地与认知R-tag手套,约翰得到以下方向到达他的目的地的房间号码(312):“目的地是312房间,到达你的目的地,请向左转,然后沿着右边墙3门,一旦你到达那里,扫描卡在门口309房间。”路线:电梯> C > 309房间309 B > > 312房间。(5)任何R-tag领导向目的地:如果约翰扫描任何R-tag在地板上他将给定的方向目标选定在亭子里。例如,如果约翰扫描R-tag在306房间,他会得到下面的说明:“请向右转,继续沿左墙,直到你已经达到第三口,进入这个开放,你将达到312房间。”(6)回程:约翰和他的导师会议结束后,他想要获得返回指令。他按下认知手套上的帮助按钮。这将给他以下方向达到电梯三楼:“你的目的地是电梯。到达你的目的地,请把你的门,开始你的回程。请向对面墙上。在用户按下的指令按钮下面的说明:请向右转,继续沿左墙,直到你到达电梯。一旦你达到电梯,请扫描卡属于你的下一个目的地。”(7)亭在三楼电梯:一旦他到达亭,他将扫描R-tag对应于1楼。约翰被下面的说明:“你已经达到3号楼的电梯,请使用电梯进入1号楼。当你退出在1号楼电梯,转身面对电梯,亭将位于左边的电梯门。”(8)亭在1楼电梯:达到电梯的楼1号后,约翰将扫描亭上的出境卡。他扫描这张卡,他会得到下面的说明:“你的目的地出口门,到达你的目的地,请转身继续向对面墙上。在用户按下的指令按钮之后他得到以下指示:请向左转,然后沿着右边墙直到你到达1日开放。一旦你到达那里,请继续沿墙走1门,你就会到达安全出口门。总是扫描卡位于亭右边的出口门在退出前地板1号。”(9)亭在东部出口:约翰到达亭位于东部出口,他扫描出境卡,传达给系统,他想离开大楼。他下面的说明:“你有到达安全出口门在1号楼,请打开出口门,直走出去。”

提到很重要,以防用户丢失他/她可以扫描任何R-tag和获取导航指令选择的目的地。

4所示。认知试验

简要介绍在认知结果24]。在本节中,我们提供了一个详细的概述我们的试验包括实验设计和定量和定性评价。

我们进行了两次试验的IRB批准阶段。在第一阶段,10对象提供反馈易于操纵周围建筑物使用认知系统。这第一轮测试的反馈导致硬件(加强),改进方式的变化进行了试验(我们采用一对一的试验与组试验),和交付的变化导航指令。第二阶段的试验是20主题进行的。

4.1。第一阶段试验

以下4.4.1。人口

我们有一个不同的主题人口报道在表1。所有10个用户收到的各项培训在出现视力障碍或失明。

4.1.2。方法

五10受试者分为两组。这些团体到达在分开的日子里进行试验之后三个阶段:定位、测试和评估(见图7)。每个阶段的细节在以下提供认知试验。

阶段1:定位
给两个主题方向会话。花了45分钟,由一个运营管理老师。介绍了在这个阶段受试者认知。首先,我们介绍了认知硬件:认知手套,亭,R-tags。认知系统功能提出了研究对象通过一个系统设置在一个测试区域。模拟minitrial是通过要求主题浏览许多目的地使用认知系统在测试区域。在任何时候可以停止和运营管理老师寻求帮助。

第二阶段:测试
同时在测试阶段两个受试者。每个主题在一个不同的入口,输入被要求导航到八个目的地在不同的楼层。在我们还包括回程目的地计数。每个主题的场景是描绘在图8。有一个测试学监每个主题以及额外的助理,录像带试验(受试者的同意)。测试学监将决定目的地所需的主题建筑物内。天天p记录的时间到达每个目的地。也有“passerbyers”将随机行走在整个大楼。通常的做法是,一个视力受损的人寻求帮助与周围的环境。如果主题是无法找到目的地使用认知的对象,他们可以依靠“路人”来引导他们或提供口头指示到达目的地。测试普氏会记录这发生在测试形式。

阶段3:评估
每个试验录像(主体同意)。录像带是用于评估系统性能定量措施如下所述。

阶段3.1:定量评价。我们使用下面的定量指标。

NEI:导航效率指数被定义为的长度之间的比率实际路径旅行和的长度认知路径(推测是最佳)。

ACU:精度之间的比率被定义为目的地的数量达成的主题和目的地的总数由试验确定。

第一阶段的平均NEI是0.70。

ACU平均是0.93。7的10个主题,ACU = 1。两个主题找不到一个8目的地由于认知系统的失败。一个主题找不到三个八个目的地和寻求帮助。

阶段3.2:定性评估。每个主题被问到以下定性问题他们的经验与认知系统。(我)易于试验:这是多么简单试验对你成功完成吗?(2)自我的信心水平:自信是你如何审判开始的时候,你能成功地完成这项任务吗?(3)最困难的部分任务:任务最困难的部分是什么?(iv)简单的任务的一部分:此任务的最简单的部分是什么?(v)这个任务可以在人群中做了什么?(vi)花了多长时间去学习如何使用?(七)容易被认知的对象如何使用?(八)喜欢/不喜欢的认知。

结果分析趋势识别系统内的强和弱点以及确定进一步的改进建议。70%的受试者认为认知试验很容易完成,和90%的受试者进入审判在收到后感到自信的取向。40%的主题表达困难的一部分方向过于模糊,麻烦了解合成的声音。30%的受试者认为认知可能是有用的在大厅里,但后来发现,受试者没有意识到耳机或耳机可以穿(在试验期间大声认知是通过设备的扬声器)。70%的受试者说花了不到10分钟学习设备。60%的受试者认为认知是易于使用。提到的40%使用认知困难抱怨手套上的按键。

应该注意的是,在第一阶段,有4的受试者也报道说,他们觉得设备(即。、认知手套)是不舒服和/或没有看到自己个人的价值系统。4年龄(从24 - 55)和教育水平;3人是男性,他们均匀分成部分的完全失明,和所有用户只有甘蔗。这些课程没有换取二期试验。

一期和二期之间更改试验如下;(1)我们加固的认知软件和硬件(有许多技术在第一阶段试验失败,我们纠正)。(2)主题和员工参与者的反馈后,我们决定进行一个一组试验的试验。我们意识到方向应该采取更多的时间,应该是个性化的主题。这是一个预期的结论,因为在实践中,由于不同的各项指令提供一对一的每个盲人和视障人的学习能力。

4.2。二期试验

4.2.1。准备人口

我们有一个不同的主题人口20盲人和视障人士的报道在表2。六个科目从第一阶段回来。

4.2.2。方法

每一个试验之后三个阶段:定位、测试和评估。所有阶段进行一对一的主题和测试管理员。

阶段1:定位
这个阶段类似于取向阶段第一阶段试验的重要差异,进行一对一的和没有时间限制。这个阶段花了10至75分钟。

第二阶段:测试
每个实验对象被要求浏览到十目的地建筑物内(相同序列的目的地是呈现给每个主题)。目的地(房间、电梯、卫生间、紧急出口,构建出口)是位于第一和第三层的一个典型的教学楼(见图9)。测试管理员对用户目的地,一次;后,下一个目的地是当前成功到达目的地。在这个阶段测试管理员不援助主体与任何导航任务。然而,如果这个主题的安全被破坏,试验管理员干预代表幸福的主题。如果主题是无法找到一个目的地,在环境中他们可以向任何人寻求帮助;然而这是记录为认知系统的失败。

阶段3:评估
每个试验录像(主体的同意)。录像带是用于评估系统性能定量措施,NEI ACU前面定义。

3.1阶段:定量评价。NEI平均为0.90(在第一阶段试验平均NEI是0.70)。调查人员把这个视为非常高效的导航指令。19日的20个用户达到10个目的地(ACU = 1)。所有这些用户先前收到的各项指令在某个时候爆发以来他们的视力损害和失明。没有收到的各项指令的一个用户无法使用充分认知程度。

数据10 ()和10 (b)描述平均NEI与年代子路径(子路径路径的一部分主题从来源到目的地)对于部分视觉和盲目的用户,分别。正如所料,部分视觉表现的更好(即用户。,有更高的NEI)因为他们使用视觉线索。注意,在图10对于一些NEI子路径大于1。这是由于这一事实认知导航指令按照墙上虽然用户部分视力可以走捷径(并不总是落后于墙)。NEI分布如图11。

3.2阶段:定性评估。每个主题被问到一系列定性问题他们的经验与认知系统(见问题在第一阶段描述)。结果分析趋势识别系统中的弱点,以及确定进一步的改进建议。

在第二阶段,满意度报告所有的科目。提到认知系统直观的90%,85%的人说,它提供了独立,他们会使用它。从第二阶段,我们发现女性更系统的自我报告的使用困难。那些至少有一个大学学位更易于使用。

用户提出以下改进。(1)方向需要包括接近或在英尺/步骤(5%的用户)。(2)改变说明那些有导盲犬从狗的用户(86%)。(3)提供选项来调整导航指示用户preferences-adjust声音节奏——(60%的用户)。(4)允许缩写方向应该提到左/右(15%的用户)。(5)只使用智能手机(无额外的硬件如认知手套)。

5。结论和未来的工作

认知系统设计、实现、部署,并成功测试包括以下优点:(1)系统设计和导航指令合并的各项原则和ADA指南,(2)系统是负担得起的用户和业主,和(3)系统是可伸缩的任何大小的建筑。

当部署在医疗和健康设置如诊所、医院、健身中心、认知将使独立访问这些设施。因此,认知将显著改善的生活质量和健康的视力受损的社区。

由于之前我们提供的试验计划以下增强认知。(1)我们计划更换手套由一个NFC启用智能手机和智能手机。大多数当前的基于android系统的智能手机包括一个NFC读者,因此认知手套不是必需的。我们需要设计Android智能手机的用户界面,易访问性特征和允许视觉自由操作。(2)一旦谷歌将打开室内api,我们将在我们的系统集成。(3)我们计划有一个选项的认知系统,适用于智能手机,而不需要网络连接认知服务器。用户可以下载认知导航方向之前访问一个特定的建筑。此选项将使我们能够使用认知没有网络覆盖的区域。此外,这个选项也会减少使用蜂窝数据可能减少手机账单。(4)修改导航指令如下。(1)方向将包括邻近或将脚/步骤。(2)包括指令对于那些有导盲犬。(3)提供选项来调整声音的速度。(4)允许缩写方向应该提到左/右。

确认

这个项目的部分支持由以下资助:由于从美国国家科学基金会和1 - 1003743一下R21 EY018231-01A1从美国国家眼科研究所/国家卫生研究院。内容是完全的责任作者,不一定代表美国国家科学基金会的官方观点,国家眼科研究所和美国国立卫生研究院。