將2D圖像打印成3D可觸 盲人離科學(xué)更近一步

來源：雷鋒網(wǎng)

一位視障人士想要成為科學(xué)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(xué)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(zhuǎn)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(shí)候不認(rèn)識科學(xué)術(shù)語，有時(shí)會句子讀到一半念廣告，有時(shí)會把每個(gè)編號都讀出來，數(shù)據(jù)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(xué)圖像，但視障人士慣用的盲文、轉(zhuǎn)語音等接收數(shù)據(jù)方式無法處理圖像，這大大限制了他們學(xué)習(xí)科學(xué)的可能性。是時(shí)候讓科學(xué)變得更包容，更可得了，這個(gè)世界需要一種可以被視障人士和一般人都輕松可視化的高分辨率數(shù)據(jù)格式。

于是四位視障學(xué)者與生物化學(xué)家 Bryan Shaw 團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)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(xué)家的極少數(shù)人；而 Bryan Shaw 帶頭這項(xiàng)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(xué)的樣子。

這項(xiàng)研究提出的可視化方法是將圖像3D打印為可觸圖像，利用 lithphane 效應(yīng)讓可觸圖像以視頻分辨率發(fā)光。以這種方式打印出的凝膠電泳圖、顯微圖、電子和質(zhì)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(zhǔn)確率≥79% (n = 360)。

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朝花夕拾

該研究中使用的 lithphane，其實(shí)并不新奇，這是一種被稱作“透光浮雕”的傳統(tǒng)藝術(shù)方式。研究者們嘗試此方法，是因?yàn)?lithphane 可以同時(shí)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，通常厚度小于 2 mm。參考下圖A，Lithphane 在環(huán)境光或前照光下并不透明。但當(dāng)光從背后射來時(shí)（如下圖B和C），Lithphane 就會像數(shù)字圖像一樣發(fā)光。




光通過半透明材料的散射，使得較薄的區(qū)域看起來更亮，而較厚的區(qū)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(shù)據(jù)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(shí)早在17 世紀(jì)，歐洲就已經(jīng)有這種藝術(shù)，lithphane 甚至在唐朝時(shí)候就在中國出現(xiàn)了。lithphane雖然早已存在，但從來沒有被當(dāng)成過一種通用的可視化數(shù)據(jù)形式。

而 Bryan Shaw 發(fā)現(xiàn) lithphane 的經(jīng)歷也相當(dāng)有趣：當(dāng)時(shí)他和一個(gè)學(xué)生正在制作 3D 打印圖。Bryan Shaw說，“如果我們把這些圖做得更薄，就可以打印得更快，而且用的樹脂也更少?！?br />
于是學(xué)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(fā)現(xiàn)那張圖不僅有3D的凹凸效果，而且透光后看上去就像一張照片。

那之后的一個(gè)禮拜，Bryan Shaw 都以為自己和學(xué)生發(fā)明了一種新技術(shù)，然后才慢慢發(fā)現(xiàn) lithphane 在 1000 多年前就被發(fā)明了。眼下許多科學(xué)都在用新方式去使用舊技術(shù)，Bryan Shaw 的團(tuán)隊(duì)很高興能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的「朝花夕拾」。

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對比實(shí)驗(yàn)

在研究中，學(xué)者們使用小型商用 3D 打印機(jī)來制作 Lithophane，成本小于5000 美元。研究團(tuán)隊(duì)做了對比實(shí)驗(yàn)，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(tuán)隊(duì)使用了生物化學(xué)中最常見的圖像：SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳。如果能讓視障人士“看見”電泳圖，那他們學(xué)習(xí)生命科學(xué)的機(jī)會就會大大提升。



SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳-對比實(shí)驗(yàn)

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(shù)據(jù)。

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(jìn)行比較，第三組視力正常的對象被要求使用視力來解釋計(jì)算機(jī)屏幕上的原始數(shù)字圖像（n = 143）。





從上圖可以看出，在“閱讀”電泳的 Lithphane 形式時(shí)，眼盲對象的平均解釋準(zhǔn)確率為93.3%，視力正常對象的平均解釋準(zhǔn)確率為91.4%，蒙眼對象的平均解釋準(zhǔn)確率為59.1%。通過視力在計(jì)算機(jī)屏幕上解讀數(shù)字圖像的準(zhǔn)確率為 79.6%。

研究團(tuán)隊(duì)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(zhì)質(zhì)譜圖、鐵卟啉蛋白的紫外-可見（UV-vis）光譜、七鏈β折疊蛋白二級結(jié)構(gòu)圖）的 Lithphane 形式并組織對比實(shí)驗(yàn)。

團(tuán)隊(duì)最終得出，5種 圖像 Lithphane 的平均解釋準(zhǔn)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(jì)算機(jī)屏幕上解讀數(shù)字圖像的準(zhǔn)確率為 88.4%。

針對約 80% 的問題，眼盲對象的觸覺準(zhǔn)確度等于或優(yōu)于直接的視覺解釋。這個(gè)結(jié)果表明， Lithphane 的確可以作為一種通用、共享、無障礙的數(shù)據(jù)格式。



Matthew Guberman-Pfeffer 用手指“閱讀” lithphane

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Data for All

找到了 Lithphane 這種通用可視化方法后，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)散思路，尋找了其他能將自定義 2D 圖像轉(zhuǎn)換為觸覺形式的方法。他們發(fā)現(xiàn)了另一種常見的方法，即膨脹形式技術(shù)（swell form technology），也稱為“瞬間圖片”技術(shù)。

在這種技術(shù)中，專用紙（即“膨脹紙”）被用來制作柔軟、泡沫狀的可觸圖形。加熱時(shí)，紙張中的微米級酒精顆粒會在已用黑色墨水或墨粉打印的區(qū)域中引起膨脹（彩色墨水不凸起）。



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(shù)的主要優(yōu)勢在于比 3D 打印更快，而缺點(diǎn)是在精度、分辨率和可控性上無法與3D打印相比。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也在研究彩色數(shù)據(jù)的可視化。例如，熱圖和 2D 彩色圖的 Lithphane 可以通過投射單調(diào)灰度來制作。為了能做到定量數(shù)據(jù)解釋，需要將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為灰度或替換色調(diào)后，其強(qiáng)度的變化不會有影響。

該研究合著者M(jìn)ona Minkara也是一位視障科學(xué)家，她興奮地表示，這項(xiàng)研究可以徹底改變她與學(xué)生的溝通方式，因?yàn)橐曊蠈W(xué)者可以和健康人士同時(shí)討論相同的信息了。隨著類似研究的不斷豐富，數(shù)據(jù)的普遍可訪問性將成為社會基礎(chǔ)，這種無障礙的境界正是科學(xué)的最大意義。

在這幾位視障學(xué)者的就學(xué)經(jīng)歷中，他們都遇到過很多障礙，并意識到盲人是不鼓勵(lì)學(xué)習(xí)科學(xué)的，也一直被排除在實(shí)驗(yàn)室之外。但在科學(xué)面前，這種能力主義其實(shí)大可不必——

原子和分子小于 250 nm，恰好是可見光的衍射極限。面對這種尺度的科學(xué)，人類的視覺也派不上用場，必須使用光譜學(xué)、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(jìn)行研究。而對于視障人士來說，為了深探科學(xué)而為自己制作人工眼睛，這才是科學(xué)帶來的平等。