視障新知

登上Science!將 2D 圖像列印成 3D 可觸,盲人離科學更近一步

作者 王玥 / 編輯 陳彩嫻

撰文時間:2022/8/20
  一位視障人士想要成為科學家,需要付出多少努力?
  
  作為視障人士,僅僅是閱讀期刊文章,對化學家 Matthew Guberman-Pfeffer 來說都意味著要克服一系列困難:
  
  首先,他得下載 PDF 轉換成文本,再用閱讀器把文中句子大聲朗讀出來。閱讀器有時候不認識科學術語,有時會句子讀到一半念廣告,有時會把每個編號都讀出來,數據亂得讓人一頭霧水。
  
  這些都還不算大問題,對盲人來說,最大的攔路虎仍然是圖像。
  
  論文里少不了科學圖像,但視障人士慣用的盲文、轉語音等接收數據方式無法處理圖像,這大大限制了他們學習科學的可能性。是時候讓科學變得更包容,更可得了,這個世界需要一種可以被視障人士和一般人都輕鬆可視化的高解析度數據格式。
  
  於是四位視障學者與生物化學家 Bryan Shaw 團隊合作,開發出了一種讓盲人「閱讀」的簡單方法。這四位作者自出生或幼年就失明,是克服了視覺障礙成為科學家的極少數人;而 Bryan Shaw 帶頭這項研究,則是為了幫助自己先天雙眼患有腫瘤的兒子「看到」科學的樣子。
  
  這項研究提出的可視化方法是將圖像3D列印為可觸圖像,利用 lithphane 效應讓可觸圖像以視頻解析度發光。以這種方式列印出的凝膠電泳圖、顯微圖、電子和質譜、教科書插圖等圖像,全都可以通過觸摸和視力兩種方式「看到」,準確率大於等於79% (n = 360)。
  
  1 朝花夕拾
  該研究中使用的 lithphane,其實並不新奇,這是一種被稱作「透光浮雕」的傳統藝術方式。研究者們嘗試此方法,是因為 lithphane 可以同時用觸摸和視力兩種方式「看到」。
  
  Lithphane 通常是一塊薄薄的、半透明的浮雕,材料是薄瓷或蠟,通常厚度小於 2 mm。參考下圖A,Lithphane 在環境光或前照光下並不透明。但當光從背後射來時(如下圖B和C),Lithphane 就會像數字圖像一樣發光。
  
  光通過半透明材料的散射,使得較薄的區域看起來更亮,而較厚的區域看起來相對暗,因此形成了一種可視化效果。
  
  就這樣,一塊薄薄的浮雕便具備了成為通用可視化數據形式的要素:既能讓視障人士觸摸閱讀,也能讓普通人通過視覺觀看。
  
  其實早在17 世紀,歐洲就已經有這種藝術,lithphane 甚至在唐朝時候就在中國出現了。lithphane雖然早已存在,但從來沒有被當成過一種通用的可視化數據形式。
  
  而 Bryan Shaw 發現 lithphane 的經歷也相當有趣:當時他和一個學生正在製作 3D 列印圖。Bryan Shaw說,「如果我們把這些圖做得更薄,就可以列印得更快,而且用的樹脂也更少。」
  
  於是學生便將圖片做得像薯片一樣薄。Bryan Shaw 拿了一張圖將其舉到燈光下,他發現那張圖不僅有3D的凹凸效果,而且透光後看上去就像一張照片。
  
  那之後的一個禮拜,Bryan Shaw 都以為自己和學生髮明了一種新技術,然後才慢慢發現 lithphane 在 1000 多年前就被發明了。眼下許多科學都在用新方式去使用舊技術,Bryan Shaw 的團隊很高興能夠實現這樣的「朝花夕拾」。
  
  2 對比實驗
  在研究中,學者們使用小型商用 3D 印表機來製作 Lithophane,成本小於5000 美元。研究團隊做了對比實驗,比較視障對象、蒙眼對象和視力正常對象分別通過觸覺和視力來「閱讀」 Lithphane 的效果。
  
  一開始研究團隊使用了生物化學中最常見的圖像:SDS-聚丙烯醯胺凝膠電泳。如果能讓視障人士「看見」電泳圖,那他們學習生命科學的機會就會大大提升。
  
  圖註:SDS-聚丙烯醯胺凝膠電泳-對比實驗
  
  受試對象分為三組,一組是106 名(有視力的)蒙眼對象與 5 名眼盲對象,他們被要求用觸覺來解釋 Lithphane 上的數據。
  
  而另一組沒有被蒙住眼睛的、視力正常的對象(n= 106) 被要求用視力解釋 Lithphane。
  
  為了將 Lithphane 的清晰度與原圖像進行比較,第三組視力正常的對象被要求使用視力來解釋計算機螢幕上的原始數字圖像(n = 143)。
  
  從上圖可以看出,在「閱讀」電泳的 Lithphane 形式時,眼盲對象的平均解釋準確率為93.3%,視力正常對象的平均解釋準確率為91.4%,蒙眼對象的平均解釋準確率為59.1%。通過視力在計算機螢幕上解讀數字圖像的準確率為 79.6%。
  
  研究團隊又增加了其他4種圖像(蝴蝶鱗片掃描電子顯微鏡圖、蛋白質質譜圖、鐵卜林蛋白的紫外-可見(UV-vis)光譜、七鏈β摺疊蛋白二級結構圖)的 Lithphane 形式並組織對比實驗。
  
  團隊最終得出,5種 圖像 Lithphane 的平均解釋準確率為:眼盲對象為 96.7%,視力正常對象的視覺解釋為 92.2%,蒙眼觸覺解釋為 79.8%。通過視力在計算機螢幕上解讀數字圖像的準確率為 88.4%。
  
  針對約 80% 的問題,眼盲對象的觸覺準確度等於或優於直接的視覺解釋。這個結果表明, Lithphane 的確可以作為一種通用、共享、無障礙的數據格式。
  
  圖註:Matthew Guberman-Pfeffer 用手指「閱讀」 lithphane
  
  3 Data for All
  找到了 Lithphane 這種通用可視化方法後,該研究團隊發散思路,尋找了其他能將自定義 2D 圖像轉換為觸覺形式的方法。他們發現了另一種常見的方法,即膨脹形式技術(swell form technology),也稱為「瞬間圖片」技術。
  
  在這種技術中,專用紙(即「膨脹紙」)被用來製作柔軟、泡沫狀的可觸圖形。加熱時,紙張中的微米級酒精顆粒會在已用黑色墨水或墨粉列印的區域中引起膨脹(彩色墨水不凸起)。
  
  圖註:黑色墨水部分凸起的可觸圖案
  
  與 Lithphane 方法相比,膨脹形式技術的主要優勢在於比 3D 列印更快,而缺點是在精度、解析度和可控性上無法與3D列印相比。
  
  同時,團隊也在研究彩色數據的可視化。例如,熱圖和 2D 彩色圖的 Lithphane 可以通過投射單調灰度來製作。為了能做到定量數據解釋,需要將數字圖像轉換為顏色空間,比如「立方螺旋(cubehelix)」。
  
  Cubehelix是一種色盤生成算法,其生成的色表在轉換為灰度或替換色調後,其強度的變化不會有影響。
  
  該研究合著者Mona Minkara也是一位視障科學家,她興奮地表示,這項研究可以徹底改變她與學生的溝通方式,因為視障學者可以和健康人士同時討論相同的信息了。隨著類似研究的不斷豐富,數據的普遍可訪問性將成為社會基礎,這種無障礙的境界正是科學的最大意義。
  
  在這幾位視障學者的就學經歷中,他們都遇到過很多障礙,並意識到盲人是不鼓勵學習科學的,也一直被排除在實驗室之外。但在科學面前,這種能力主義其實大可不必--
  
  原子和分子小於 250 nm,恰好是可見光的衍射極限。面對這種尺度的科學,人類的視覺也派不上用場,必須使用光譜學、顯微鏡,或者培育出能夠衍射 X 射線(或中子、電子)的晶體來進行研究。而對於視障人士來說,為了深探科學而為自己製作人工眼睛,這才是科學帶來的平等。
  
  參考連結:
  
  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2640
  
  https://www.science.org/content/article/how-3d-printing-could-help-blind-researchers-see-data
摘錄:實現 Data for All 的技術竟出現在千年以前。
本文出處:ASMESTANDARDSONLINE(參考網址)
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