基于激光雷達(dá)三維重建的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計改造研究

摘要：為了增強(qiáng)老年人居家養(yǎng)老生活空間的適老性，研究提出一種基于激光雷達(dá)的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng)，為養(yǎng)老空間設(shè)計改造提供建模輔助，并提出面向居家養(yǎng)老的室內(nèi)空間設(shè)計改造原則和策略。文章利用專家征詢法對設(shè)計效果進(jìn)行評價，設(shè)計改造策略的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益評分分別為86.77分、82.23分和80.62分，專家對設(shè)計的適老性、舒適性、便利性等指標(biāo)評價均較高。以激光雷達(dá)三維重建為基礎(chǔ)，設(shè)計改造居家養(yǎng)老的生活空間，能有效滿足老年人的多層次養(yǎng)老需求，對提升老年人居家養(yǎng)老生活質(zhì)量具有重要價值。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá);三維重建;居家養(yǎng)老;室內(nèi)設(shè)計

中圖分類號：TU241.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）17-0-04

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，社會人口結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出老齡化的趨勢，老齡人口占總?cè)丝诒壤^高[1]。我國家庭結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出小型化和少子化的特點(diǎn)，年輕人的養(yǎng)老負(fù)擔(dān)較重，社會養(yǎng)老壓力也在不斷增加。居家養(yǎng)老是現(xiàn)階段最常見的老年人養(yǎng)老模式，老年人更加適應(yīng)在熟悉的家庭環(huán)境下養(yǎng)老，保持原有的生活節(jié)奏和方式[2]。但是絕大多數(shù)家庭在進(jìn)行室內(nèi)裝修設(shè)計時，對老年人養(yǎng)老需求的考慮不足，導(dǎo)致家庭環(huán)境室內(nèi)設(shè)計存在適老化程度較低的問題，不利于老年人的居家養(yǎng)老生活[3-4]。因此，研究針對居家養(yǎng)老老年人，提出基于激光雷達(dá)的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng)，對居家養(yǎng)老空間進(jìn)行三維建模，并提出居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計改造策略。研究期望通過室內(nèi)設(shè)計改造的方式為居家養(yǎng)老老年人創(chuàng)造更好的生活環(huán)境，以促進(jìn)老年人居家養(yǎng)老生活質(zhì)量的提升。

1 基于激光雷達(dá)的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計

1.1 基于激光雷達(dá)的養(yǎng)老空間三維重建系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足居家養(yǎng)老老年人的生活需求，對老年人的居家環(huán)境進(jìn)行適老化設(shè)計改造，須首先對改造空間進(jìn)行三維建模，以便后續(xù)開展內(nèi)部空間設(shè)計工作，為設(shè)計規(guī)劃提供模型架構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)有室內(nèi)環(huán)境三維重建方法主要分為激光掃描和視覺測繪兩種。視覺測繪通常使用深度攝像機(jī)或雙目及多目攝像機(jī)獲取建筑內(nèi)部空間的深度信息，能采集到豐富的空間語義信息，但是視覺測繪技術(shù)存在動態(tài)性不足、計算負(fù)荷量大、累計誤差大等問題，并且對測量環(huán)境的光影條件要求較高[5]。激光掃描技術(shù)更為直接可靠，三維重建結(jié)果不受累計誤差的影響，因此研究通過激光雷達(dá)三維重建的方式，實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)老改造空間的測繪建模，利用激光雷達(dá)探測掃描室內(nèi)空間環(huán)境，并融合慣導(dǎo)三維重建系統(tǒng)，建立改造養(yǎng)老環(huán)境的三維空間模型。

圖1所示。三維重建系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩個模塊，其中上位機(jī)模塊為電腦終端，通過無線網(wǎng)絡(luò)與下位模塊通信，實(shí)現(xiàn)對激光掃描結(jié)果的顯示和儲存。下位機(jī)使用移動式小車搭載激光雷達(dá)測繪，移動小車配備Raspberry Pi“樹莓派”作為控制和運(yùn)算核心，并連接移動測速模塊、MPU6050芯片和RPLIDAR A2激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)測速反饋、移動控制和掃描測繪功能的集合。移動測速模塊利用安裝在車輪上的測速碼盤，實(shí)時測量與反饋小車的移動速度。MPU6050芯片則主要用于獲取小車位姿信息。RPLIDAR A2激光雷達(dá)使用三角測距法進(jìn)行激光測距采樣，雷達(dá)測量模塊保持勻速旋轉(zhuǎn)，由發(fā)射端發(fā)射調(diào)制好的紅外激光信號，再由接收端接收物體反射回來的紅外激光，通過雷達(dá)內(nèi)部傳感器的實(shí)時運(yùn)算，獲取測量物體與雷達(dá)的距離和角度信息，實(shí)現(xiàn)對空間信息的激光測繪。將激光雷達(dá)垂直安裝在移動小車上，每當(dāng)測量模塊完成一周旋轉(zhuǎn)，即可獲取一個空間垂直切面的點(diǎn)云信息。最終系統(tǒng)通過對多個空間垂直切面點(diǎn)云信息的疊加組合，形成測量空間的三維點(diǎn)云，完成對目標(biāo)空間環(huán)境的激光掃描三維重建。

基于激光雷達(dá)的室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸采用多線程并行的方式，多模塊的數(shù)據(jù)采集和解算均在同一時刻進(jìn)行，以保證最終三維重建結(jié)果的連貫性與準(zhǔn)確性。基于激光雷達(dá)的室內(nèi)空間三維重建系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖2所示。首先建立上位機(jī)與下位機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，再由Raspberry Pi連通各個模塊，完成系統(tǒng)初始化。通過對移動數(shù)據(jù)的融合解算測量系統(tǒng)的位姿信息，將激光雷達(dá)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與位姿信息相結(jié)合，獲得目標(biāo)空間的三維點(diǎn)云信息。移動數(shù)據(jù)融合方法如圖3所示，利用陀螺儀和加速度計測量整合測量模塊的位姿信息和位置信息，通過對陀螺儀的角速度進(jìn)行積分獲得位姿角，并使用加速度計獲取靜止?fàn)顟B(tài)下的位姿角信息。并且為了避免累計誤差的影響，采用卡爾曼濾波算法融合兩種位姿角數(shù)據(jù)，并整合融合后的位姿信息與線速度值，得到系統(tǒng)位置信息后，進(jìn)一步與位姿信息進(jìn)行互補(bǔ)濾波器融合，獲取系統(tǒng)的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)。

1.2 面向居家養(yǎng)老的室內(nèi)空間設(shè)計改造策略

隨著年齡的增長和身體機(jī)能的退化，老年人在室內(nèi)空間的停留時間越來越長，老年人對室內(nèi)空間環(huán)境設(shè)施的依賴程度和要求也逐漸提升[6]。因此，為了提升居家養(yǎng)老老年人的養(yǎng)老生活質(zhì)量，研究對老年人居家養(yǎng)老空間進(jìn)行分析，結(jié)合室內(nèi)空間的三維建模，提出居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計改造的原則和策略。

研究從居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計的安全性、方便性、健康性、心理性和發(fā)展性五個角度出發(fā)，設(shè)計規(guī)劃居家養(yǎng)老空間的室內(nèi)環(huán)境。老年人居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計改造原則如圖4所示。年齡的增長使老年人的身體行動能力和靈活性不斷降低，老年人對環(huán)境和突發(fā)情況的適應(yīng)能力也明顯低于年輕時期。因此需要增加居家養(yǎng)老空間的安全性設(shè)施，以安全性為前提，在衛(wèi)生間、臥室、廚房等危險易發(fā)區(qū)域增加報警裝置，在設(shè)計材料選用上多采用皮革等軟包材料，盡量使用圓角處理方式，以降低設(shè)計的風(fēng)險。老年人記憶能力和學(xué)習(xí)能力的衰退導(dǎo)致其對空間物質(zhì)的交互能力降低。在居家養(yǎng)老空間適老化改造的過程中，應(yīng)該充分考慮老年人的信息接收與交互的方便性，突出顯示開關(guān)、報警等重要裝置的位置，盡量簡化空間功能的使用流程，并貼合老年人的生活習(xí)慣。

從居家養(yǎng)老空間的健康性出發(fā)改造，須注意室內(nèi)環(huán)境設(shè)計與老年人身體健康的聯(lián)系。一方面保證室內(nèi)空間的良好采光和通風(fēng)，保持空氣流通，滿足老年人對陽光的需求。在設(shè)計材料使用上，也要注重材料的環(huán)保性和安全性，避免甲醛等有害物質(zhì)危害老年人的身體健康。另一方面，合理溫馨的室內(nèi)設(shè)計有助于提升老年人的心理體驗(yàn)，促進(jìn)老年人的心理健康發(fā)展。老年人的心理健康也是室內(nèi)設(shè)計改造的重要因素，設(shè)計過程中應(yīng)該通過設(shè)計手法的轉(zhuǎn)換，保證增加的助老輔助設(shè)施與空間環(huán)境協(xié)調(diào)，顧及老年人的自尊心和自主意識[7-8]。老年人的機(jī)能衰退是一個持續(xù)的過程，設(shè)計改造時要考慮未來老年人生活需求的動態(tài)變化，進(jìn)行預(yù)設(shè)性設(shè)計改造，避免二次改造。

可以從空間動線組織、色彩使用、智能融入等多個方面出發(fā)進(jìn)行適老化設(shè)計。一方面，老年人普遍存在行動能力減弱的問題，身體靈活性降低使老年人容易在轉(zhuǎn)身等過程中跌倒，因此設(shè)計改造需要增強(qiáng)老年人居住空間的動線流暢性，在考慮空間大小的情況下，使老年人在室內(nèi)的運(yùn)動軌跡形成連通的環(huán)形通路，加強(qiáng)各個功能空間的聯(lián)系，保證室內(nèi)空間區(qū)域之間的流線移動，降低危險發(fā)生的概率[9]。另一方面，居家養(yǎng)老空間的色彩使用也是設(shè)計改造重點(diǎn)關(guān)注的問題。室內(nèi)環(huán)境中，背景與裝飾元素的色彩搭配能起到調(diào)節(jié)空間觀感和氛圍的作用，直接影響老年人日常生活的心理感受。研究表明，老年人更喜愛艷麗的色彩搭配[10]。不同色彩的視覺認(rèn)知特性能對老年人的感官產(chǎn)生影響，在客廳等活動空間中可以使用更加明亮活潑的色系裝點(diǎn)，幫助老年人在輕快明亮的環(huán)境中保持良好的心理狀態(tài)。而書房則需要更加平和寧靜的色彩來搭配，通過色彩和空間的層次組合，幫助老年人舒緩心情，提升老年人的專注力。臥室作為休息空間，要以柔軟放松的色調(diào)設(shè)計，為老年人營造溫馨舒適的睡眠環(huán)境。為了提升老年人生活的便利程度，可以在居家養(yǎng)老環(huán)境中引入智能家居，以減輕老年人的基礎(chǔ)生活負(fù)擔(dān)。在空間的照明、溫度、聲音控制中引入智能控制技術(shù)，使用紅外感應(yīng)、語音控制等方式調(diào)節(jié)，并引入遠(yuǎn)程監(jiān)控與報警裝置，使子女能及時為老年人提供生活幫助。智能掃地機(jī)器人、洗碗機(jī)等智能家居設(shè)備也能減輕老年人的勞動負(fù)擔(dān)，幫助老年人維護(hù)室內(nèi)環(huán)境的整潔。

2 居家養(yǎng)老室內(nèi)設(shè)計效果分析

采用Delphi“應(yīng)用程序開發(fā)工具”專家征詢法對研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計改造策略進(jìn)行綜合效益評價，由5名室內(nèi)設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜摇?名養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域?qū)＜液?名三維建模領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行預(yù)調(diào)查和兩輪調(diào)查綜合評價。專家征詢的肯德爾協(xié)調(diào)系數(shù)如表1所示。

從表1中可以看出，13名專家征詢意見的肯德爾系數(shù)較高，專家征詢意見的一致性較高。專家對設(shè)計改造策略的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益評價采用100分制。若評估分?jǐn)?shù)低于35分，表明設(shè)計改造策略的效益評價表現(xiàn)較差;評估分?jǐn)?shù)在35～65分，表示綜合效益評價表現(xiàn)一般;評估分?jǐn)?shù)在66～85分，表示綜合效益評價表現(xiàn)良好;而當(dāng)評估分?jǐn)?shù)高于85分時，則表示綜合效益評價為優(yōu)秀。研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計改造策略的綜合效益專家評價結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，采用多個專家評分的方式對居家養(yǎng)老空間設(shè)計進(jìn)行綜合效益評分，其中經(jīng)濟(jì)效益的平均評分為82.23分，大部分專家評分在80分以上，只有4名專家的評分在80分以下，原因在于部分專家認(rèn)為采用激光雷達(dá)進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計會在技術(shù)上產(chǎn)生成本消耗。社會效益的平均評分為86.77分，且所有專家的評分均在80分以上，表明研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計產(chǎn)生的養(yǎng)老效果等社會效益較好。最后可以看出居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計的生態(tài)效益平均評分為80.62分，相較于經(jīng)濟(jì)效益與社會效益而言，該室內(nèi)空間設(shè)計的生態(tài)效益評分偏低，但是仍然達(dá)到了80分以上。收集設(shè)計與養(yǎng)老領(lǐng)域?qū)＜覍蛹茵B(yǎng)老室內(nèi)設(shè)計方案的綜合評價，評分標(biāo)準(zhǔn)采用0～5分制，如表2所示。

從表2中可以看出，在綜合評價中，以適老性、舒適性、便利性、智能性、全局整合性為評價指標(biāo)，所有設(shè)計專業(yè)專家在同一個評價指標(biāo)中的評分具有一致性。此外，從專家的評分結(jié)果中可以看出，專家對所有評價指標(biāo)的評分均在3分以上，表明專家對當(dāng)前的居家養(yǎng)老空間設(shè)計方案的綜合評價較高。

3 結(jié)語

隨著老齡化的不斷加劇，如何針對老年人群的居家養(yǎng)老進(jìn)行室內(nèi)空間設(shè)計是目前設(shè)計行業(yè)的重要話題。研究利用激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)三維重建，并以此提出從方便性、安全性、健康性、心理性、發(fā)展性入手設(shè)計適合老年人群居住的居家養(yǎng)老空間。最后對研究提出的居家養(yǎng)老空間設(shè)計方案進(jìn)行評價，設(shè)計方案的綜合效益評價中顯示，所有專家的評分都在80分以上。居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計的綜合評價中顯示，所有專家評分一致性較高，均認(rèn)為當(dāng)前方案具備較強(qiáng)的綜合性能。以上結(jié)果表明，研究提出的居家養(yǎng)老室內(nèi)空間設(shè)計改造策略能有效增強(qiáng)空間的適老性，對提升老年人的生活質(zhì)量具有重要意義。未來可以面向自理、介助等多個階段的老年人進(jìn)行針對性的設(shè)計，為提升老年人的生活質(zhì)量提供思路。

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作者簡介：呂瀟（2000—），女，山東濟(jì)南人，本科在讀，研究方向：室內(nèi)空間設(shè)計。