董立巖,高 洋,李永麗,謝慶軍， 池俊成

(1. 吉林大學 計算機科學與技術(shù)學院,長春 130012；2. 東北師范大學 計算機科學與信息技術(shù)學院,長春 130117；3. 中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學院 機械工程系， 長春 130117)

隨著觸摸屏技術(shù)的發(fā)展,大觸摸屏已作為商業(yè)產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用. 盡管大觸摸屏可遠距離通過鼠標和鍵盤控制,但這種方式并不能發(fā)揮大屏幕可觸摸的特點[1].

與傳統(tǒng)臺式機或筆記本電腦不同,在大屏幕上操作時,圖標經(jīng)常會超出用戶可接觸的范圍. 用戶常要走到遠端目標前進行選擇操作,這種不便將導致用戶的生理疲憊及工作中斷. 為了解決該問題,人們提出了許多相關(guān)技術(shù),如使用激光棒做感應(yīng)的交互方式[2]及空中點擊和拇指啟動的選擇點擊方法[3],雖然射線監(jiān)測方法速度快但準確率并不好;氣泡雷達技術(shù)[4]允許用戶使用小平板電腦與大屏幕連接,操作者可使用平板電腦上的氣泡鼠標操作大屏幕的內(nèi)容;拼接技術(shù)[5]使用一系列手勢動作,將筆式設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)連接并將它們與大屏幕相連,用戶可以自由移動大屏幕上的目標,完成“扔、 拉”等操作. 文獻[6-7]研究表明,把用戶的眼動視線作為考慮因素將提高目標選擇的準確率,但僅限于單手交互.

在傳統(tǒng)的大屏幕交互技術(shù)中,有多種方法支持直接操控大觸摸屏,如手式選擇[2]和“吸塵器”技術(shù)[3]. “吸塵器”技術(shù)是在屏幕上顯示一個圓形圖標,用戶通過操作該圖標將遠端圖標“吸”過來;手式選擇技術(shù)通過畫出與遠端目標相同的圖形選擇目標. 但這些技術(shù)都較復雜,尤其針對目標選擇等基礎(chǔ)操作.

本文提出一種簡單易操作的選擇技術(shù)——移動界面. 該技術(shù)采用模擬自然動作“夠”的思想,用戶只需用手向待選目標滑動,操作界面即攜帶所有目標同時向用戶的相反方向移動,當待選目標移動至用戶手邊時,用戶即可點擊選擇.

1 移動界面技術(shù)

該技術(shù)基于模仿人類“夠”的動作,應(yīng)具有以下特點：1) 對最基本的選擇任務(wù),點擊顯然是最簡單直接的操作方式,當選擇遠距離目標時,該技術(shù)將作為直接點擊操作的擴展方式;2) 用戶首先將手向目標所在方向移動,當目標移動至用戶可觸及的位置時點擊目標,這兩步操作可流暢銜接;3) 在用戶向目標移動手時,如果移動方向錯誤,則用戶可實時改變手的移動方向,從而改變目標的移動方向. 該調(diào)整方式與人類“夠”的動作一致.

該技術(shù)通過移動方向、 移動速度、 啟動方法和撤銷方法等參數(shù)控制.

1.1 移動方向

界面移動方向設(shè)定為與手移動方向相反,當用戶改變手移動方向時,界面移動方向也相應(yīng)地改變. 因此,無論目標在何位置,用戶只需將手向待選擇的目標移動,其目標就會以更快的速度移動至用戶. 與傳統(tǒng)技術(shù)[8-9]控制方向的方法不同,用戶無需像“吸塵器”方法一樣操作桌面上的圖標或像手式選擇方法那樣重新啟動技術(shù),而是通過改變手移動方向?qū)崟r改變目標移動方向,如圖1所示.

1.2 移動速度

該技術(shù)設(shè)定界面的移動速度與手移動速度成正比,設(shè)該比值為α=Vinterface/Vhand. 因此,界面移動速度由手移動速度和α共同決定.α的設(shè)定: 一方面,界面移動速度要大于手移動速度,這樣才能保證用戶能接觸到較遠距離的目標;另一方面,如果界面移動速度太快會導致用戶無法及時反應(yīng). 為了選擇合適的比值,本文測試實驗的結(jié)果表明,用戶在α選取4∶1～8∶1時較穩(wěn)定. 假設(shè)用戶所能觸及的范圍長度為d,則用戶所能選擇到的目標距離范圍L滿足L=α×d,如圖2所示. 最后跟據(jù)大屏幕的硬件條件,大屏幕對角線長度和d的比值為4.2∶1,因此設(shè)定α=5,此時用戶可將大屏幕上最遠的目標移動至手邊.

AB和BC分別與DE和EF平行.圖1 手和目標的移動方向Fig.1 Moving direction of user’s hand and target

圖2 大觸摸屏上手的活動范圍d及 可選擇到的目標距離范圍α×dFig.2 Range of activities d and the area α×d where targets can be acquired

根據(jù)文獻[10],本文將該比值設(shè)為可多點觸摸調(diào)節(jié)的,即當用戶用更多手指時,該速度比也將變大,界面移動速度同時變大. 如當使用一個手指時,速度比為5∶1；當使用2根手指時,速度比增加到6∶1,以此類推.

1.3 啟動方法

與傳統(tǒng)技術(shù)[9]啟動方式類似,該技術(shù)同樣使用畫線的方式啟動. 當用戶在觸摸屏上畫線超過某一長度時,界面將開始移動. 鑒于對用戶可觸及范圍內(nèi)物體最好的選擇方式是點擊操作,該技術(shù)只有在用戶無法夠到目標時才啟動. 這里將畫線的長度設(shè)定為用戶觸及范圍的平均值與速度比α的商r,于是在該技術(shù)啟動的同時,潛在最近的(距離為d=α×r,見圖2)用戶不能接觸到的目標將會被移動至用戶手邊. 這里,用戶在不大幅彎腰的情況下所能夠到的距離為360 mm,因此啟動該技術(shù)時所畫線長度為72 mm.

1.4 撤銷方法

用戶在操作該技術(shù)的同時,也可能要取消移動界面的操作. 因此該技術(shù)設(shè)計了一種簡單的撤銷方法,用戶可通過雙擊沒有目標的背景區(qū)域?qū)⒉僮鹘缑婊謴? 一旦用戶執(zhí)行了該操作,界面及所有的目標都將回到該技術(shù)執(zhí)行前的位置.

2 評估實驗

為了評估滑動界面 (shiftalbe interface)技術(shù),本文將其與手式選擇(gesture select)技術(shù)和直接選擇(unaided direct picking)技術(shù)做對比實驗. 實驗中,手式選擇技術(shù)通過“$1 recognizer”[11]模式識別算法實現(xiàn).

2.1 實驗環(huán)境

選擇9名實驗者參加實驗,其中4名女性,全部為24～28歲， 所有實驗者均有鼠標操作經(jīng)驗,但沒有大觸摸屏操作經(jīng)驗. 實驗所用桌式大屏幕為PQ Labs多點觸摸屏,長1 328.4 mm,寬750.6 mm,像素為1 920×1 200. 實驗程序用C#語言編寫,運行環(huán)境為AMD Athlon X2處理器,2 Gb內(nèi)存.

2.2 實驗方法

實驗中考慮的自變量因素：技術(shù)類型(直接選擇、 收拾選擇、 移動界面),輸入方式(筆式輸入、 手式輸入),目標方向(左、 右),干擾目標數(shù)量(9個、 49個). 本文將輸入方式作為自變量是因為Tu等[12]指出手式輸入和筆式輸入有包括速度在內(nèi)很多不同的因素. 同時,3種技術(shù)在實驗中使用了3×3 拉丁方平衡實驗.

實驗過程中,實驗者首先點擊開始按鈕,然后目標將和干擾一起出現(xiàn)在屏幕上,開始按鈕用于控制用戶和目標間的距離. 屏幕中的目標將呈紅色,干擾呈綠色. 用戶選中目標后,一次任務(wù)才能結(jié)束,選擇的結(jié)果會在用戶每次完成操作時顯示,與文獻[9]相同,所有目標在每次任務(wù)的開始即可見.

實驗前,實驗者要做一組訓練實驗. 實驗者被要求快而準確地完成每次任務(wù),在做完每組實驗后休息10 min. 實驗后,實驗者將填一份調(diào)查表,其內(nèi)容為評估3種技術(shù)的速度、 準確率、 疲勞度、 易操作性、 易學性、 滿意度和渴望使用的程度. 用戶需要對每種技術(shù)的相關(guān)評估標準打分,1分最低,7分最高.

2.3 實驗結(jié)果

3種技術(shù)在不同參數(shù)下的選擇時間實驗結(jié)果如圖3所示. 其中對時間有決定性影響的因素包括：技術(shù)類型(F(2,16)=8.26,p<0.01)、 方向(F(1,8)=8.89,p=0.018)、 距離(F(1,8)=25.66,p=0.01)、 干擾數(shù)量(F(1,8)=41.75,p<0.001)、 技術(shù)×方向(F(2,16)=5.09,p=0.05)、 技術(shù)×干擾數(shù)量(F(2,16)=49.86,p<0.001). 滑動界面技術(shù)在所有條件下的時間均顯著優(yōu)于手式選擇技術(shù)和直接選擇技術(shù),而手式選擇技術(shù)和直接選擇技術(shù)并無明顯差異. 輸入方式對3種技術(shù)均無顯著影響. 方向?qū)瑒咏缑婧褪质竭x擇均無顯著影響,但對直接選擇有顯著影響(p=0.03). 手式選擇技術(shù)明顯受干擾數(shù)量的影響(p<0.001),當干擾數(shù)量從9增加到49時,其時間增加30%. 距離對3種技術(shù)都有顯著影響,從近距離到遠距離,滑動界面、 直接選擇和手式選擇3種技術(shù)耗時分別增加7.96%,8.5%和7.94%.

技術(shù)類型對錯誤率也有顯著影響(F(2,16)=7.56,p<0.01). 滑動界面、 直接選擇和手式選擇3種技術(shù)的平均錯誤率分別為0.001%,5.6%和0.2%. 干擾數(shù)量、 距離和方向?qū)﹀e誤率無顯著影響.

圖3 3種技術(shù)在輸入方式、 方向、 干擾數(shù)量和距離4個參數(shù)下的選擇時間Fig.3 Input implement,direction,distracter number or distance vs selection time of three technology

實驗者對技術(shù)類型間的評估存在明顯差異(F(2,16)=12.29,p<0.01). 對3種技術(shù)評價存在明顯差異的因素還包括疲勞程度(F(2,16)=8.03,p<0.005)和易操作性(F(2,16)=8.93,p<0.005). 其中滑動界面技術(shù)在疲勞程度、 易操作性、 滿意度和希望使用程度4個方面用戶最喜歡,而手式選擇技術(shù)在準確性和易操作性方面被排在最后.

2.4 實驗分析

由本文實驗結(jié)果可見,滑動界面技術(shù)相對其他兩種技術(shù)在時間上有明顯優(yōu)勢,其簡單易操作性是可快速實現(xiàn)選擇任務(wù)的原因. 在錯誤率上,滑動界面技術(shù)遠優(yōu)于手式選擇技術(shù),略差于直接選擇技術(shù). 但直接選擇技術(shù)需要用戶走到遠端目標的位置選擇,由此導致的物理疲勞和工作中斷都給選擇任務(wù)帶來很大操作負擔.

滑動界面技術(shù)最大的特點是模擬現(xiàn)實生活中的自然行為,簡單、 易操作. 但目前該技術(shù)只考慮了單選情況,對于目標多而分散的情況,該技術(shù)并沒有很好的解決方案. “吸塵器”技術(shù)和手式選擇技術(shù)的解決方案是將遠端目標壓縮或?qū)ζ涮砑訕颂?但無法保證用戶仍能清晰地看到目標而選擇.

綜上所述,本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種大觸摸屏上的遠端目標選擇技術(shù). 該技術(shù)的設(shè)計基于模擬人們生活中的自然動作,簡單、 易操作,并有較高的準確率. 該技術(shù)很好地解決了用戶選擇遠端目標時可能帶來的疲勞和工作中斷,并克服了傳統(tǒng)目標選擇技術(shù)為快速選擇而導致的操作復雜等缺點. 實驗結(jié)果表明,該技術(shù)既能幫助用戶快速選擇遠端目標又能保持較高的準確率,且其具有疲勞度低、 易操作等優(yōu)點.

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