董立岩,高 洋,李永丽,谢庆军， 池俊成

(1. 吉林大学 计算机科学与技术学院,长春 130012；2. 东北师范大学 计算机科学与信息技术学院,长春 130117；3. 中国人民解放军装甲兵技术学院 机械工程系， 长春 130117)

随着触摸屏技术的发展,大触摸屏已作为商业产品得到广泛应用. 尽管大触摸屏可远距离通过鼠标和键盘控制,但这种方式并不能发挥大屏幕可触摸的特点[1].

与传统台式机或笔记本电脑不同,在大屏幕上操作时,图标经常会超出用户可接触的范围. 用户常要走到远端目标前进行选择操作,这种不便将导致用户的生理疲惫及工作中断. 为了解决该问题,人们提出了许多相关技术,如使用激光棒做感应的交互方式[2]及空中点击和拇指启动的选择点击方法[3],虽然射线监测方法速度快但准确率并不好;气泡雷达技术[4]允许用户使用小平板电脑与大屏幕连接,操作者可使用平板电脑上的气泡鼠标操作大屏幕的内容;拼接技术[5]使用一系列手势动作,将笔式设备建立网络连接并将它们与大屏幕相连,用户可以自由移动大屏幕上的目标,完成“扔、 拉”等操作. 文献[6-7]研究表明,把用户的眼动视线作为考虑因素将提高目标选择的准确率,但仅限于单手交互.

在传统的大屏幕交互技术中,有多种方法支持直接操控大触摸屏,如手式选择[2]和“吸尘器”技术[3]. “吸尘器”技术是在屏幕上显示一个圆形图标,用户通过操作该图标将远端图标“吸”过来;手式选择技术通过画出与远端目标相同的图形选择目标. 但这些技术都较复杂,尤其针对目标选择等基础操作.

本文提出一种简单易操作的选择技术——移动界面. 该技术采用模拟自然动作“够”的思想,用户只需用手向待选目标滑动,操作界面即携带所有目标同时向用户的相反方向移动,当待选目标移动至用户手边时,用户即可点击选择.

1 移动界面技术

该技术基于模仿人类“够”的动作,应具有以下特点：1) 对最基本的选择任务,点击显然是最简单直接的操作方式,当选择远距离目标时,该技术将作为直接点击操作的扩展方式;2) 用户首先将手向目标所在方向移动,当目标移动至用户可触及的位置时点击目标,这两步操作可流畅衔接;3) 在用户向目标移动手时,如果移动方向错误,则用户可实时改变手的移动方向,从而改变目标的移动方向. 该调整方式与人类“够”的动作一致.

该技术通过移动方向、 移动速度、 启动方法和撤销方法等参数控制.

1.1 移动方向

界面移动方向设定为与手移动方向相反,当用户改变手移动方向时,界面移动方向也相应地改变. 因此,无论目标在何位置,用户只需将手向待选择的目标移动,其目标就会以更快的速度移动至用户. 与传统技术[8-9]控制方向的方法不同,用户无需像“吸尘器”方法一样操作桌面上的图标或像手式选择方法那样重新启动技术,而是通过改变手移动方向实时改变目标移动方向,如图1所示.

1.2 移动速度

该技术设定界面的移动速度与手移动速度成正比,设该比值为α=Vinterface/Vhand. 因此,界面移动速度由手移动速度和α共同决定.α的设定: 一方面,界面移动速度要大于手移动速度,这样才能保证用户能接触到较远距离的目标;另一方面,如果界面移动速度太快会导致用户无法及时反应. 为了选择合适的比值,本文测试实验的结果表明,用户在α选取4∶1～8∶1时较稳定. 假设用户所能触及的范围长度为d,则用户所能选择到的目标距离范围L满足L=α×d,如图2所示. 最后跟据大屏幕的硬件条件,大屏幕对角线长度和d的比值为4.2∶1,因此设定α=5,此时用户可将大屏幕上最远的目标移动至手边.

AB和BC分别与DE和EF平行.图1 手和目标的移动方向Fig.1 Moving direction of user’s hand and target

图2 大触摸屏上手的活动范围d及 可选择到的目标距离范围α×dFig.2 Range of activities d and the area α×d where targets can be acquired

根据文献[10],本文将该比值设为可多点触摸调节的,即当用户用更多手指时,该速度比也将变大,界面移动速度同时变大. 如当使用一个手指时,速度比为5∶1；当使用2根手指时,速度比增加到6∶1,以此类推.

1.3 启动方法

与传统技术[9]启动方式类似,该技术同样使用画线的方式启动. 当用户在触摸屏上画线超过某一长度时,界面将开始移动. 鉴于对用户可触及范围内物体最好的选择方式是点击操作,该技术只有在用户无法够到目标时才启动. 这里将画线的长度设定为用户触及范围的平均值与速度比α的商r,于是在该技术启动的同时,潜在最近的(距离为d=α×r,见图2)用户不能接触到的目标将会被移动至用户手边. 这里,用户在不大幅弯腰的情况下所能够到的距离为360 mm,因此启动该技术时所画线长度为72 mm.

1.4 撤销方法

用户在操作该技术的同时,也可能要取消移动界面的操作. 因此该技术设计了一种简单的撤销方法,用户可通过双击没有目标的背景区域将操作界面恢复. 一旦用户执行了该操作,界面及所有的目标都将回到该技术执行前的位置.

2 评估实验

为了评估滑动界面 (shiftalbe interface)技术,本文将其与手式选择(gesture select)技术和直接选择(unaided direct picking)技术做对比实验. 实验中,手式选择技术通过“$1 recognizer”[11]模式识别算法实现.

2.1 实验环境

选择9名实验者参加实验,其中4名女性,全部为24～28岁， 所有实验者均有鼠标操作经验,但没有大触摸屏操作经验. 实验所用桌式大屏幕为PQ Labs多点触摸屏,长1 328.4 mm,宽750.6 mm,像素为1 920×1 200. 实验程序用C#语言编写,运行环境为AMD Athlon X2处理器,2 Gb内存.

2.2 实验方法

实验中考虑的自变量因素：技术类型(直接选择、 收拾选择、 移动界面),输入方式(笔式输入、 手式输入),目标方向(左、 右),干扰目标数量(9个、 49个). 本文将输入方式作为自变量是因为Tu等[12]指出手式输入和笔式输入有包括速度在内很多不同的因素. 同时,3种技术在实验中使用了3×3 拉丁方平衡实验.

实验过程中,实验者首先点击开始按钮,然后目标将和干扰一起出现在屏幕上,开始按钮用于控制用户和目标间的距离. 屏幕中的目标将呈红色,干扰呈绿色. 用户选中目标后,一次任务才能结束,选择的结果会在用户每次完成操作时显示,与文献[9]相同,所有目标在每次任务的开始即可见.

实验前,实验者要做一组训练实验. 实验者被要求快而准确地完成每次任务,在做完每组实验后休息10 min. 实验后,实验者将填一份调查表,其内容为评估3种技术的速度、 准确率、 疲劳度、 易操作性、 易学性、 满意度和渴望使用的程度. 用户需要对每种技术的相关评估标准打分,1分最低,7分最高.

2.3 实验结果

3种技术在不同参数下的选择时间实验结果如图3所示. 其中对时间有决定性影响的因素包括：技术类型(F(2,16)=8.26,p<0.01)、 方向(F(1,8)=8.89,p=0.018)、 距离(F(1,8)=25.66,p=0.01)、 干扰数量(F(1,8)=41.75,p<0.001)、 技术×方向(F(2,16)=5.09,p=0.05)、 技术×干扰数量(F(2,16)=49.86,p<0.001). 滑动界面技术在所有条件下的时间均显著优于手式选择技术和直接选择技术,而手式选择技术和直接选择技术并无明显差异. 输入方式对3种技术均无显著影响. 方向对滑动界面和手式选择均无显著影响,但对直接选择有显著影响(p=0.03). 手式选择技术明显受干扰数量的影响(p<0.001),当干扰数量从9增加到49时,其时间增加30%. 距离对3种技术都有显著影响,从近距离到远距离,滑动界面、 直接选择和手式选择3种技术耗时分别增加7.96%,8.5%和7.94%.

技术类型对错误率也有显著影响(F(2,16)=7.56,p<0.01). 滑动界面、 直接选择和手式选择3种技术的平均错误率分别为0.001%,5.6%和0.2%. 干扰数量、 距离和方向对错误率无显著影响.

图3 3种技术在输入方式、 方向、 干扰数量和距离4个参数下的选择时间Fig.3 Input implement,direction,distracter number or distance vs selection time of three technology

实验者对技术类型间的评估存在明显差异(F(2,16)=12.29,p<0.01). 对3种技术评价存在明显差异的因素还包括疲劳程度(F(2,16)=8.03,p<0.005)和易操作性(F(2,16)=8.93,p<0.005). 其中滑动界面技术在疲劳程度、 易操作性、 满意度和希望使用程度4个方面用户最喜欢,而手式选择技术在准确性和易操作性方面被排在最后.

2.4 实验分析

由本文实验结果可见,滑动界面技术相对其他两种技术在时间上有明显优势,其简单易操作性是可快速实现选择任务的原因. 在错误率上,滑动界面技术远优于手式选择技术,略差于直接选择技术. 但直接选择技术需要用户走到远端目标的位置选择,由此导致的物理疲劳和工作中断都给选择任务带来很大操作负担.

滑动界面技术最大的特点是模拟现实生活中的自然行为,简单、 易操作. 但目前该技术只考虑了单选情况,对于目标多而分散的情况,该技术并没有很好的解决方案. “吸尘器”技术和手式选择技术的解决方案是将远端目标压缩或对其添加标号,但无法保证用户仍能清晰地看到目标而选择.

综上所述,本文设计并实现了一种大触摸屏上的远端目标选择技术. 该技术的设计基于模拟人们生活中的自然动作,简单、 易操作,并有较高的准确率. 该技术很好地解决了用户选择远端目标时可能带来的疲劳和工作中断,并克服了传统目标选择技术为快速选择而导致的操作复杂等缺点. 实验结果表明,该技术既能帮助用户快速选择远端目标又能保持较高的准确率,且其具有疲劳度低、 易操作等优点.

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