Echolocation of the blind - influence of signal type and source directionality on acoustic localization of obstacles
Echolokacja niewidomych - wpływ typu sygnału i kierunkowości źródła dźwięku na akustyczną lokalizację przeszkód
Project type: Research and development
Keywords: niewidomii echolokacja przetwarzanie sygnałów dźwięk lokalizacja technologie asystujące
Keywords (english): blind echolocation signal processing sound localization assistive technology
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 28/02/2020 - 27/01/2023
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: OPUS
Project manager: Paweł Strumiłło
Funding value: 470 400,00 PLN
Total project value: 470 400,00 PLN
Zjawisko echolokacji jest głównie kojarzone z zwierzętami takimi jak nietoperze czy delfiny, jednak mniej znanym faktem jest to, że mogą z niego korzystać ludzie i to nie tylko osoby niewidome. W praktyce dźwiękami najczęściej stosowanymi do echolokacji są kląsknięcia językiem o podniebienie, syczenie, klaskanie i naturalnie występujące dźwięki kroków lub uderzeń laską. Czasami używa się również mechanicznych klikerów z metalową blaszką lub drewnianych kastaniet. W projekcie przeprowadzono praktyczne badania porównujące jak różne typy dźwięków sprawdzają się jako źródło sygnału echolokacyjnego, porównano dziesięć specjalnie dobranych typów dźwięków. Pierwsze dwa, stanowiły pewien poziom odniesienia – były to dźwięki mechanicznego klikera oraz dowolny dźwięk wytwarzany przez samego uczestnika (osoby niewidome z doświadczeniem w echolokacji najczęściej wybierały kląsknięcia, a widzące klaskanie). Kolejne osiem typów dźwięków było odtwarzane z przenośnego głośnika zawieszonego na szyi uczestnika. Dźwięki obejmowały pięć syntezowanych dźwięków perkusyjnych o częstotliwościach od 1 do 5 kHz (zakres dźwięków dużego drewnianego ksylofonu), niebieski szum („ostry” szum o większej ilości wysokich częstotliwości), różowy szum („ciepły” szum o większej ilości niskich częstotliwości) oraz syntezowane kląsknięcie eksperta echolokatora. W testach wzięło udział 12 osób niewidomych i 14 osób widzących. Zadaniem uczestników badania było wykorzystanie echolokacji do określenia położenia (odległości i kierunku) ścianki z dobrze odbijającego dźwięki tworzywa. Testerzy dokonywali pierwszej próby zgadnięcia kierunku i odległości do ściany po wygenerowaniu pojedynczego dźwięku i posłuchaniu echa. Następnie, mieli możliwość dodatkowych powtórzeń sygnału dźwiękowego, aż poczuli się na tyle pewni, że mogli potwierdzić swoją odpowiedź lub zmienić ją. Dodatkowo, uczestnicy odpowiadali na pytanie, jak pewni są swojej odpowiedzi w skali od 1 do 5. Chociaż nasza percepcja z założenia ignoruje odbicia dźwięków z najbliższego otoczenia, to wyniki potwierdzają, że echolokacja jest prawdziwą i mierzalną umiejętnością, którą każdy człowiek może posiąść oraz że można ją rozwijać poprzez odpowiedni trening. Biorąc pod uwagę fakt, że często poważne wady wzroku to postępujące choroby, które ostatecznie prowadzą do całkowitej utraty tego zmysłu, może być korzystne rozpocząć trening echolokacji jak najszybciej. Zgodnie z oczekiwaniami, doświadczone osoby niewidome radziły sobie najlepiej, niezależnie od typu dźwięku, za to pewnym zaskoczeniem było, że osoby widzące radziły sobie porównywalnie z osobami niewidomymi, które posiadały jeszcze śladową światłoczułość. Ze zbadanych dźwięków, cztery okazały się w statystycznie istotnym stopniu lepsze od pozostałych: różowy i niebieski szum oraz dźwięki perkusyjne 3kHz i 4kHz. Prawdopodobnie jest to związane z dokładniejszym lokalizowaniem szerokopasmowych dźwięków i większą wrażliwością ludzkiego ucha w tym zakresie częstotliwości. W ramach tego samego projektu prowadzone są równolegle badania porównujące wyniki echolokacyjnych testów na żywo z testami z wykorzystaniem nagrań binauralnych. Ponadto skonstruowano „latarkę dźwiękową” – wysoce kierunkowy głośnik, który mógłby służyć jako urządzenie asystujące lub do wspomagania nauki echolokacji. Prototyp „latarki” składa się z panelu głośniczków ultradźwiękowych nadających zmodulowany sygnał niesłyszalny dla ludzkiego ucha. W momencie gdy fala ultradźwięków odbija się od dowolnej przeszkody zachodzi demodulacja i powstaje złudzenie, że dźwięk dochodzi z miejsca, gdzie trafiła wiązka ultradźwięków.
Human echolocation is a confirmed and relatively well-documented phenomenon which allows blind persons tolocalize obstacles or perceive layouts of their surroundings using reflected sounds. Recently anumber of studies have been devoted to analyzing the mechanism of echolocation and various factors affecting it, e.g. why some blind persons more easily become expert echolocators or how the mouth-clicks produced by expertsdiffer from the average person. Research hypothesis The main hypothesis of the proposed project is that there are sounds which are intrinsically better for perception of reflected echoes. Very recent research on the subject confirms that using speakers that play back mouth-clicks of expert echolocators improves the echolocation ability of untrained blind over their own mouth-clicks (Thaler 2016). One study has shown that noise bursts or trains can also be useful sources for echolocation (Schenkman2015). We hypothesize that other untested natural or artificial sounds exist that can be equally or potentially more useful for echolocation, especially if played back from a highly directional speaker. Psychoacoustic and acoustic analysis as well as signal processing algorithms can be used to design better sound sources for echolocation when compared to traditional mouth clicks. Research project methodology We aim to test anumber of sound types, both played back from speakers and from mechanical clickers and measuretheir influence on the correctness of localizingobstacles and walls. The methods will be similar to a recent study carried out by the authors concerning teachingecholocation using binaural sounds (GameInn POIR.01.02.00-00-0137/16), i.e. groups of at least 10 blind and 10 sighted participants will localize obstacles at different distances and angles in static and dynamic scenarios. Experiments will include localizing large walls at distances up to 5m and smaller boards at distances below 2m. In the dynamic tasks the participants will approach a wall without touching itor locate an obstacle to the side of a traveled path. Additionally, the study will test an approach with a highlydirectional parametric speaker used as a sound source, theoretically creating an “echo-flashlight”. Expected impact of the research project on the development of science The project may result in working out of efficient techniques aiding blind persons in developing their echolocation skills and possibly lead to establishing further guidelines for best sounds to use when teaching echolocation (Bereda 2012). Recent studies have shown that most people, even normally sighted, have latent echolocation abilities, which can be “activated” with proper exercise. We hypothesise, that highly directional speakers may be used as a simple and cheap form of electronic travel aid for the blind that could be used to train or enhance their own echolocation abilities.
Go back