登上《Science》！將 2D 影像列印成 3D，讓視障者離科學更近

實現 Data for All 的技術竟出現在千年以前。視障者想成為科學家，需要付出多少努力？身為視障者，只是想讀科學期刊，對化學家 Matthew Guberman-Pfeffer 來說都要克服一連串困難。

首先他得下載 PDF 轉成文字檔，再用閱讀器把句子讀出來。閱讀器有時候不認識科學術語，有時讀到一半去念廣告，有時把每個編號都讀出來，亂得讓人一頭霧水。但這些還不算大問題，對視障者來說，最大阻攔仍是圖片。

論文必有科學圖片，但視障者慣用的點字、轉語音等無法處理圖像，大大限制視障者學習科學的可能性。是時候讓科學更包容了，世界需要視障者和一般人都輕鬆可視化的高解析度數據格式。

四名視障學者與生物化學家 Bryan Shaw 團隊合作，開發出視障者「可讀」的簡單方法。四位作者出生或年幼就失明，克服層層障礙後成為科學家；Bryan Shaw 帶領研究，是為了幫助先天雙眼有腫瘤的兒子「看到」科學的模樣。

可視化方法是將圖像 3D 列印成可觸摸物件，利用 lithphane 效應讓可觸圖像以影片解析度發光。以這種方式列印的凝膠電泳圖、顯微圖、電子和質譜、教科書插圖等，全都可用摸的和看的「看到」，準確率 ≥ 79%（n＝360）。

朝花夕拾

Lithphane 其實不新奇，是稱為「透光浮雕」的傳統藝術。研究者用此方法是因 Lithphane 可同時以觸覺和視覺「看到」東西。

Lithphane 通常是薄薄半透明浮雕，材料是薄瓷或蠟，通常厚度小於 2 公釐。如下圖 A，Lithphane 在環境光或前照光下並不透明，但光從背後射來時（下圖 B 和 C），Lithphane 就會像數位圖片發光。光通過半透明材料散射，使較薄區域更亮，較厚區域較暗，形成可視化效果。薄薄浮雕便具備成為通用可視化數據形式的要素：既能讓視障者觸摸閱讀，也能讓普通人視覺觀看。

（Source：論文）

早在17 世紀歐洲就有這種藝術，甚至唐朝時就出現。Lithphane 雖然早已存在，但從來沒當成通用可視化數據形式。Bryan Shaw 發現 Lithphane 的經過也相當有趣：當時他和學生製作 3D 列印圖，Bryan Shaw 說：「如果我們把這些圖做得更薄，就能更快列印，且樹脂耗用更少。」

於是學生將圖片做得像洋芋片那麼薄。Bryan Shaw 拿一張圖舉到燈光下，發現不僅有 3D 立體效果，且透光後看上去就像平面圖。之後一週 Bryan Shaw 都以為和學生發明了新技術，之後才發現 Lithphane 千年前就出現了。許多科學都用新方式翻新舊技術，Bryan Shaw 團隊很高興能做到「朝花夕拾」。

對比實驗

他們用小型商用 3D 印表機製作 Lithophane，成本少於 5 千美元。研究團隊對比實驗，比較視障者、蒙眼者和視力正常者用觸覺和視覺「讀」Lithphane 的效果。一開始團隊使用生物學最常見的圖片：SDS─聚丙烯醯胺凝膠電泳。如果能讓視障者「看見」電泳圖，那學習科學的機會就大大提升。

▲ SDS─聚丙烯醯胺凝膠電泳對比實驗。（Source：論文）

受試對象分為三組，一組是 106 名（視力正常）蒙眼者與 5 名視障者，要求用觸覺解釋 Lithphane 數據。另一組沒有蒙眼、視力正常者（n＝106）要求用看的解釋 Lithphane 數據。

為了將 Lithphane 清晰度與原圖比較，第三組視力正常者要求看著螢幕解釋原始數位圖像（n＝143）。

用摸的「讀」電泳 Lithphane 時，視障者平均解釋準確率為 93.3%，視力正常者平均解釋準確率為 91.4%，蒙眼者平均解釋準確率為 59.1%。看著螢幕解讀數位圖像的準確率為 79.6%。

研究團隊又增加四種圖像（蝴蝶鱗片掃描電子顯微鏡圖、蛋白質質譜圖、鐵卟啉蛋白的紫外─可見（UV-vis）光譜、七鏈 β 摺疊蛋白二級結構圖）Lithphane 實驗。團隊最終得出，五種 Lithphane 平均解釋準確率為：視障者 96.7%，正常者視覺解釋 92.2%，蒙眼觸覺解釋為 79.8%，看著螢幕解讀數位圖像準確率 88.4%。

約 80% 問題，視障者觸覺準確度等於或優於直接看著圖解釋。結果表明，Lithphane 的確可當作通用、共用、無障礙的數據格式。

▲ Matthew Guberman-Pfeffer 用手指讀 Lithphane。（Source：Jason Guberman-Pfeffer / Science）

Data for All

找到 Lithphane 這種通用可視化方法後，團隊擴大思考，找到其他能將自定義 2D 圖像轉為觸覺物體的方法。他們發現另一種常見方法，即膨脹式技術（swell form technology），也稱為「瞬間圖片」。用專用紙（即膨脹紙）製作柔軟、泡沫狀可觸圖形，加熱後紙張微米級酒精顆粒會在用黑色墨水或墨粉列印的區域膨脹（彩色墨水不會凸起）。

▲ 黑色墨水部分會凸起的可觸圖案。

與 Lithphane 相比，膨脹技術優勢在比 3D 列印更快，缺點是精確度、解析度和可控性無法與 3D 列印相比。團隊也研究彩色數據可視化，如熱圖和 2D 彩色圖 Lithphane 可透過單調灰階製作。為了定量數據解釋，需將數位圖像轉換為立體顏色，如立方螺旋（cubehelix）。Cubehelix 是色盤生成演算法，生成色表轉換為灰階或替換色調後，強度變化不會受影響。

論文合著者 Mona Minkara 也是視障者，她興奮表示，這項研究徹底改變與學生的溝通方式，因視障學者可和正常人同時討論相同資訊。隨著類似研究不斷進步，數據普遍性將成為社會基礎，無障礙境界正是科學的最大意義。

幾位視障學者的就學經歷都遇到很多障礙，意識到視障者不被鼓勵學習科學，也一直排除在實驗室之外，但在科學面前，能力主義大可不必。

原子和分子小於 250 奈米，恰好是可見光的衍射極限，人類視覺也派不上用場，必須使用光譜學、顯微鏡，或培育出能衍射 X 射線（或中子、電子）的晶體才能看到。對視障者來說，為了探究科學為自己製作人工眼睛，才是真正平等。