許雯娜，張 煜

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049；2.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000）

基于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)的智能手機(jī)觸摸手勢(shì)工效學(xué)研究

許雯娜1，2，張 煜1

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049；2.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000）

為了提高觸摸手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率，針對(duì)智能手機(jī)觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)。首先，基于非理性用戶模型提出了觸摸手勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)因素框架；其次，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，收集新手用戶和經(jīng)驗(yàn)用戶在室內(nèi)靜坐、戶外行走和公交靜坐3種情境下的測(cè)試數(shù)據(jù)，得出基于使用情境修正的手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)，優(yōu)化了手機(jī)觸摸性能。研究表明，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中用戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和情緒警覺(jué)水平影響手機(jī)使用觸摸性能，需采用現(xiàn)場(chǎng)情境測(cè)試修正觸摸工效學(xué)參數(shù)，以提高手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率。

現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)；觸摸手勢(shì)；工效學(xué)

許雯娜，張 煜.基于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)的智能手機(jī)觸摸手勢(shì)工效學(xué)研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（2）：118-126.

XU Wenna，ZHANG Yu.Research on touch gesture ergonomics of smart phone based on field-evaluation［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（2）：118-126.

智能移動(dòng)設(shè)備的使用情境正在向“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何方式”的全新使用體驗(yàn)?zāi)Ｊ桨l(fā)展。而目前有關(guān)智能手機(jī)工效學(xué)的研究多基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)情境下的使用研究較為欠缺［1］。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試僅包含用戶室內(nèi)使用情境，忽略了用戶在不同現(xiàn)場(chǎng)情境下環(huán)境變化、心理變化、以及運(yùn)動(dòng)加速度變化對(duì)觸摸工效學(xué)的影響，不能夠涵蓋戶外典型用戶的使用情境。

觸摸手勢(shì)在移動(dòng)設(shè)備中日益廣泛的應(yīng)用使得移動(dòng)設(shè)備的人機(jī)交互變得更加自然直觀，研究智能手機(jī)觸摸手勢(shì)的工效學(xué)參數(shù)以提高手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率，對(duì)改善觸屏手機(jī)的可用性具有重要的意義。

因此，本研究通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室情境和現(xiàn)場(chǎng)情境下的手勢(shì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和研究，分析實(shí)驗(yàn)室情境和現(xiàn)場(chǎng)情境下工效學(xué)手勢(shì)參數(shù)的差異性，分析導(dǎo)致差異的原因，并提出各個(gè)情境下的最佳工效學(xué)參數(shù)，從而優(yōu)化手機(jī)的觸摸性能。

1 移動(dòng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)方法研究

1.1 現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的可用性評(píng)估多是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，基于移動(dòng)設(shè)備的特殊性，研究人員意識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)的重要性。KIM等指出，理想情況下，移動(dòng)應(yīng)用程序的可用性測(cè)試應(yīng)該仔細(xì)設(shè)計(jì)以覆蓋所有或大多數(shù)移動(dòng)環(huán)境下的可能情境。他們認(rèn)為技術(shù)環(huán)境、人體運(yùn)動(dòng)及干擾等因素是環(huán)境對(duì)可用性的影響［2］。KJELDSKOV等認(rèn)為移動(dòng)系統(tǒng)的可用性測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)（field-evaluation）是不可缺少的，他們根據(jù)人體的5種運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)了6種測(cè)試任務(wù)［3－5］，但僅考慮了人體運(yùn)動(dòng)是否需要集中注意力對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的影響，只測(cè)試了人行道上行走時(shí)的使用情境。而真實(shí)使用情境下的影響因素更為復(fù)雜。研究表明，移動(dòng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)存在以下難點(diǎn)：1）實(shí)際研究時(shí)難以抓準(zhǔn)關(guān)鍵使用情境；2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中難以沿用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法；3）現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集困難［6］。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境無(wú)法復(fù)制和模擬真實(shí)環(huán)境的多變性，無(wú)法再現(xiàn)用戶的真實(shí)使用心理等問(wèn)題。許多學(xué)者比較了移動(dòng)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)環(huán)境下可用性評(píng)估結(jié)果存在的差異性。例如，MACKAY等比較了移動(dòng)設(shè)備上滾動(dòng)的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在靜坐和行走時(shí)滾動(dòng)的性能發(fā)生變化［7］。KANE等發(fā)現(xiàn)點(diǎn)擊準(zhǔn)確率水平一定的前提下，行走或者靜止需要的按鍵的大小有明顯的差異，認(rèn)為行走時(shí)用戶需要更大的按鈕［8］。在上述實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是影響操作性能和準(zhǔn)確率的主要因素。HUMMEL等建立自動(dòng)獲取環(huán)境信息，發(fā)現(xiàn)環(huán)境干擾會(huì)減低用戶的操作性能［9］。KAIKKONEN等提出現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)存在以下問(wèn)題：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室可能存在更多的干擾和意外［10］。這些結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)無(wú)法被其他方法取代，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境客觀因素對(duì)用戶造成的干擾，包括光照、噪音、運(yùn)動(dòng)加速度、環(huán)境的溫度和濕度等，都應(yīng)作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情境因素框架中的一部分。而目前一些研究中所建立的情境因素結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單。

目前在移動(dòng)設(shè)備可用性評(píng)估方法上進(jìn)行了很多新的嘗試，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法的基礎(chǔ)上有較大突破?；诂F(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)與其他評(píng)估方法的結(jié)合，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的主要趨勢(shì)之一。但與此同時(shí)，移動(dòng)設(shè)備的可用性評(píng)估方法尚不成熟，需要進(jìn)一步探索提高其信度和效度。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)移動(dòng)測(cè)試因素結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)場(chǎng)情境復(fù)雜多變，因而需要完整的情境因素結(jié)構(gòu)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

本研究根據(jù)李樂(lè)山教授提出的非理性用戶模型，提出基于非理性用戶模型的移動(dòng)測(cè)試框架，如圖1所示。個(gè)人情境主要指用戶的行動(dòng)、認(rèn)知和非理性因素。行動(dòng)因素是指測(cè)試任務(wù)和其他任務(wù)的意圖、計(jì)劃、操作、評(píng)價(jià)過(guò)程以及相互的影響。如在手勢(shì)工效學(xué)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試任務(wù)是指用戶的單擊、雙擊等手勢(shì)。認(rèn)知包含感知、注意、思維、理解、表達(dá)、交流、語(yǔ)言、學(xué)習(xí)、記憶、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題［6］。移動(dòng)測(cè)試中，情境相關(guān)的認(rèn)知過(guò)程

圖1 基于非理性用戶模型的移動(dòng)測(cè)試框架Fig.1 A touch gesture test factors framework based on irrational user model

包括感知、注意?，F(xiàn)場(chǎng)情境用戶的心理特征差別很大［11］。本實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試任務(wù)是用戶進(jìn)行單擊、雙擊操作等，次要任務(wù)是用戶的行走運(yùn)動(dòng)，如戶外行走進(jìn)行測(cè)試，行走動(dòng)作由于連續(xù)的腿部運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是自動(dòng)化過(guò)程，但是行走過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的觀察占用了視覺(jué)資源，因此影響用戶認(rèn)知的注意力集中。環(huán)境變化可能導(dǎo)致用戶情緒變化。本研究將所測(cè)量的用戶所處物理情境中的加速度和運(yùn)動(dòng)加速度作為運(yùn)動(dòng)變化依據(jù)，其他物理情境因素——環(huán)境的溫度和濕度、光照、噪音作為隨機(jī)變量。社會(huì)情境因素，包括現(xiàn)場(chǎng)情境中多用戶之間交互和定位等問(wèn)題，由于本文測(cè)試任務(wù)為手勢(shì)工效學(xué)測(cè)定，因此對(duì)該變量進(jìn)行控制。

2 觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)研究

2.1 觸摸手勢(shì)的相關(guān)研究

已有研究重點(diǎn)針對(duì)觸屏手機(jī)的基本手勢(shì)操作，就目標(biāo)控件的尺寸、布局、激活范圍等參數(shù)對(duì)操作準(zhǔn)確度的影響等得到了一些研究結(jié)論。早期針對(duì)電阻屏，PARHI等針對(duì)點(diǎn)擊精確性提出按鍵元素尺寸的設(shè)計(jì)指南［12］。MORGAN提出了觸摸屏按鈕的最佳尺寸設(shè)計(jì)建議［13］。KARLSON等研究了移動(dòng)設(shè)備大小，交互的布局和手指移動(dòng)方向?qū)问帜粗覆僮黛`活性的影響［14］。YONG等研究了單手操作中點(diǎn)擊控件尺寸和布局對(duì)輸入精度的影響［15－16］。目前大多數(shù)手勢(shì)操作的工效學(xué)研究是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成的，是否與真實(shí)使用情境下的操作特性一致尚未得到充分的驗(yàn)證。因此，有必要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證不同使用情境下手勢(shì)參數(shù)是否存在差別。

2.2 觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)

在觸摸手勢(shì)中，點(diǎn)擊、長(zhǎng)按、拖拽、滑動(dòng)為基本手勢(shì)，并可細(xì)分為觸摸手勢(shì)元?jiǎng)幼鳌Ｓ|摸手勢(shì)元?jiǎng)幼魇侵笜?gòu)成觸摸手勢(shì)的不可再分的動(dòng)作。觸摸手勢(shì)實(shí)際上是元?jiǎng)幼鞯慕M合。對(duì)單擊、雙擊、長(zhǎng)按、滑動(dòng)4種手勢(shì)進(jìn)行動(dòng)作細(xì)分如圖2所示。

單個(gè)觸摸點(diǎn)的狀態(tài)主要由4個(gè)屬性構(gòu)成：觸摸點(diǎn)序號(hào)、觸摸接觸狀態(tài)、觸摸點(diǎn)坐標(biāo)和觸點(diǎn)狀態(tài)的時(shí)間參數(shù)。通過(guò)狀態(tài)和坐標(biāo)的變化可以形成4個(gè)基本元?jiǎng)幼?。張青提出，?duì)觸摸手勢(shì)性能進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需要測(cè)試單擊時(shí)手指在屏幕上的停留時(shí)間，單擊時(shí)手指在屏幕上的位移，雙擊時(shí)第1次點(diǎn)擊手指抬起到第2次點(diǎn)擊手指按下的時(shí)間，雙擊時(shí)第1次點(diǎn)擊手指抬起到第2次點(diǎn)擊手指按下時(shí)的位移，長(zhǎng)按時(shí)手指在屏幕上的停留時(shí)間，滑動(dòng)時(shí)手指移動(dòng)的位移，下限速度以及滑動(dòng)角度，并通過(guò)測(cè)試得到了各手勢(shì)閾值參考值。但是這些參數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，并未針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情境下的手勢(shì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和研究［17］。

本研究對(duì)手勢(shì)識(shí)別參數(shù)的定義如表1所示。定義按下和抬起之間的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為TA、距離為SA，2次按下元?jiǎng)幼髦g的時(shí)間間隔為TB、距離為SB。對(duì)4種系統(tǒng)手勢(shì)根據(jù)識(shí)別參數(shù)區(qū)分如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)手勢(shì)動(dòng)作分析Fig.2 Gesture analysis

表1 手勢(shì)識(shí)別參數(shù)Tab.1 Gesture recognition parameters

圖3 系統(tǒng)手勢(shì)識(shí)別示意圖Fig.3 System gesture recognition schematic

2.3 研究目的和針對(duì)問(wèn)題

本研究旨在通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)靜坐、戶外行走和公交靜坐3種情境下的測(cè)試，分析3種現(xiàn)場(chǎng)情境下手機(jī)工效學(xué)參數(shù)是否存在顯著性差異，給出各情境下的工效學(xué)參數(shù)建議值，以優(yōu)化手勢(shì)觸摸性能。并通過(guò)分析3種情境下加速度變化和皮電系數(shù)的差異，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和心理緊張程度是否是工效學(xué)參數(shù)的影響因素。

3 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

3.1 研究問(wèn)題

根據(jù)本研究的需要，提出3個(gè)研究問(wèn)題。1）不同情境下的觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)是否存在顯著性差異；2）現(xiàn)場(chǎng)情境下情緒警覺(jué)水平變化是否對(duì)點(diǎn)擊接觸時(shí)間造成影響；3）現(xiàn)場(chǎng)情境下加速度變化是否對(duì)觸摸手勢(shì)位移參數(shù)速度造成影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了基于Android 2.3.3平臺(tái)測(cè)試軟件，Java語(yǔ)言開發(fā)，集成開發(fā)環(huán)境是Eclipse，測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自定義的對(duì)象鏈表中，測(cè)試結(jié)束后導(dǎo)出.txt文件。設(shè)計(jì)了單擊實(shí)驗(yàn)、雙擊實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)按實(shí)驗(yàn)和滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以輔助確定觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)。以單擊實(shí)驗(yàn)為例，具體說(shuō)明。

1）因變量 單擊時(shí)手指在屏幕上停留的時(shí)間，即從手指接觸屏幕到離開屏幕的時(shí)間；手指從接觸屏幕到離開屏幕在X軸、Y軸上的位移偏移值。

2）自變量 自變量組合各出現(xiàn)3次，自變量包括使用情景（室內(nèi)靜坐、戶外行走、公交靜坐）、手持方式（右手拇指、左手拇指、雙手操作利手食指）、目標(biāo)控件尺寸（4，5，6，7，8，9，10，11 mm，共8種尺寸）、控件形狀（圓形和正方形）。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括預(yù)裝手勢(shì)觸摸工效學(xué)測(cè)試軟件的3部Android手機(jī)（相同型號(hào)），以及1部Affectiva Q Sensor腕式無(wú)線生理傳感器。Android手機(jī)的測(cè)試程序界面如圖4所示。Affectiva Q Sensor主要記錄被測(cè)用戶在完成操作任務(wù)時(shí)的皮膚導(dǎo)電率和運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)加速度。皮膚導(dǎo)電率作為反映用戶認(rèn)知負(fù)荷增加或體力消耗增加的指標(biāo)。

圖4 測(cè)試程序界面Fig.4 Test program interface

3.4 參與者

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了40名用戶，男女人數(shù)比例為1∶1。被測(cè)用戶均為西安交通大學(xué)學(xué)生，用戶年齡覆蓋18～29歲，年齡層次覆蓋了智能手機(jī)主要使用人群。其中21～25歲用戶比例最高，占到了72.5%。90%的被測(cè)用戶為右利手，新手用戶為6人，經(jīng)驗(yàn)用戶為34人。

3.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖5所示，讓用戶分別在室內(nèi)靜坐、戶外行走、公交靜坐3種情境下使用右手拇指、左手拇指和雙手操作利手食指進(jìn)行單擊、雙擊、長(zhǎng)按和滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

圖5 測(cè)試情境Fig.5 Test situation

1）室內(nèi)靜坐指坐在桌邊的椅子上，此為目前傳統(tǒng)的手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)測(cè)試情境；

2）戶外行走指人行道上行走，行走速度為用戶平時(shí)步行速度；

3）公交靜坐指在公交車上靜坐，選擇西安公交34路和K45路作為本文的公交車測(cè)試環(huán)境。

3種情境下單個(gè)用戶測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約為1 h 40 min。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讓用戶佩戴Affectiva Q Sensor傳感器，以收集用戶的生理指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)開始前進(jìn)行至少5 min的預(yù)熱，以保證傳感器數(shù)據(jù)上升到穩(wěn)定水平。預(yù)熱內(nèi)容包括介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和讓用戶填寫基本信息問(wèn)卷。

4 結(jié)果與討論

4.1 研究問(wèn)題一：實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)情境下的觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)是否存在顯著性差異

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行等距處理，方差齊次先驗(yàn)檢驗(yàn)，若總體數(shù)據(jù)方差齊次，即總體數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，因變量進(jìn)行單因素方差分析；若總體數(shù)據(jù)方差不齊次，即總體數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，因變量進(jìn)行Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)（其秩和統(tǒng)計(jì)量用kW表示）進(jìn)行測(cè)試分析，得到以下結(jié)果。

1）3種測(cè)試情境下，單擊和長(zhǎng)按的點(diǎn)擊持續(xù)時(shí)長(zhǎng)在0.05顯著性水平上均存在顯著差異（長(zhǎng)按持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，單右KW＝79.717，Sig.＝0.000，單左KW＝45.936，Sig.＝0.000，雙食KW＝103.833，Sig.＝0.000），因此認(rèn)為不同情境下長(zhǎng)按時(shí)間閾值T1存在顯著性差異。

2）3種測(cè)試情境下，雙擊時(shí)間閾值在0.05顯著性水平上均存在顯著差異（單右KW＝24.789，Sig.＝0.000，單左KW＝67.996，Sig.＝0.000，雙食KW＝16.913，Sig.＝0.000），差異性貢獻(xiàn)主要來(lái)自戶外行走與其他情境的對(duì)比。

3）3種測(cè)試情境下，按下時(shí)間閾值T3在0.05顯著性水平上均存在顯著差異（單右KW＝30.388，Sig.＝0.000，單左，KW＝12.676，Sig.＝0.002，雙食KW＝77.235，Sig.＝0.000），差異性貢獻(xiàn)主要來(lái)自戶外行走于其他情境的對(duì)比。

4）3種測(cè)試情境下，單擊位移距離在0.05顯著性水平上存在顯著性差異，雙手持機(jī)左手食指進(jìn)行長(zhǎng)按操作時(shí)，不同情境下位移距離在0.05顯著性水平上存在顯著性差異（X軸長(zhǎng)按位移距離，雙食KW＝548.171，Sig.＝0.000，Y軸長(zhǎng)按位移距離，雙食KW＝548.171，Sig.＝0.000）。

5）3種測(cè)試情境下，雙擊位移閾值S2在0.05顯著性水平上存在顯著性差異（X軸雙擊位移，單右KW＝31.552，Sig.＝0.000，單左KW＝42.919，Sig.＝0.000，雙食KW＝140.595，Sig.＝0.000；Y軸雙擊位移，單右F＝5.901，Sig.＝0.003，單左F＝3.005，Sig.＝0.050，雙食KW＝147.599，Sig＝0.000）。

通過(guò)上述分析可知，3種測(cè)試情境下觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)存在顯著性差異。整理各情境下的觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 修正后的工效學(xué)參數(shù)Tab.2 Revised ergonomics parameters

戶外行走和公交靜坐是本研究的現(xiàn)場(chǎng)情境，室內(nèi)靜坐為企業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的測(cè)試情境。實(shí)驗(yàn)室得到的參數(shù)運(yùn)用到戶外行走和公交靜坐情境中得出手勢(shì)識(shí)別率作為對(duì)照組，與通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)得到的各情境下的工效學(xué)參數(shù)的手勢(shì)識(shí)別率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)修正后的手勢(shì)參數(shù)，能夠提高單擊、長(zhǎng)按和雙擊的手勢(shì)識(shí)別率。對(duì)戶外行走和公交靜坐時(shí)使用雙擊手勢(shì)，修正后數(shù)據(jù)能夠分別提高5.5%和5.3%的準(zhǔn)確率。

4.2 研究問(wèn)題二：現(xiàn)場(chǎng)情境下情緒警覺(jué)水平變化是否對(duì)點(diǎn)擊接觸時(shí)間造成影響

圖6 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)手勢(shì)識(shí)別率對(duì)比Fig.6 Comparison of recognition rate between lab data and field datas

本研究中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加速度變化體現(xiàn)，加速度同時(shí)記錄在手機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)和Affectiva Q Sensor中。情緒警覺(jué)水平通過(guò)皮電水平反映，由Affectiva Q Sensor進(jìn)行記錄。通過(guò)對(duì)被測(cè)用戶3種情境下皮電水平進(jìn)行比較，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)不同情境下皮電水平存在差異。戶外行走時(shí)皮電水平上升，公交情境下皮電水平緩慢下降，室內(nèi)靜坐情境下皮電水平相對(duì)穩(wěn)定。

本次測(cè)試有16位用戶佩戴Affectiva Q Senor記錄了皮電數(shù)據(jù)，將皮電數(shù)據(jù)進(jìn)行間距為0.01的離散處理，總樣本量為6 318。對(duì)皮電水平和點(diǎn)擊觸摸時(shí)長(zhǎng)（手指按下和抬起之間的時(shí)長(zhǎng)）雙變量相關(guān)分析，如表3所示。

圖7 單個(gè)樣本3種情境下右手拇指單擊皮電水平比較Fig.7 Comparisons of EDA for right thumb tap in three contexts

表3 點(diǎn)擊觸摸時(shí)長(zhǎng)與皮電水平相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)系數(shù)）Tab.3 Correlation analysis of touch duration and EDA（Pearson′s correlation coefficient）

從表3可知不同皮電水平下總體數(shù)據(jù)在0.01的顯著性水平上存在顯著性差異，兩者存在弱相關(guān)關(guān)系。對(duì)不同手持方式操作時(shí)的點(diǎn)擊觸摸時(shí)長(zhǎng)和皮電水平進(jìn)行相關(guān)分析，單手操作時(shí)兩者的相關(guān)系數(shù)高于雙手操作。對(duì)總體觸摸時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行線性回歸分析，分析影響點(diǎn)擊觸摸時(shí)長(zhǎng)的因素。對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到F＝164.846（Sig.＝0.000），即各回歸系數(shù)不同時(shí)為0，可進(jìn)行建立線性模型，回歸分析結(jié)果如表4所示。

從表4可知，對(duì)于觸摸時(shí)長(zhǎng)影響相對(duì)較大的因子依次是手持方式、皮電水平和情境。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)觸摸時(shí)長(zhǎng)影響較弱。 皮電水平與觸摸時(shí)長(zhǎng)是負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是用戶情緒警覺(jué)性較高時(shí)，點(diǎn)擊時(shí)長(zhǎng)更短。因此，現(xiàn)場(chǎng)情境下情緒警覺(jué)水平變化對(duì)點(diǎn)擊接觸時(shí)間造成影響，是負(fù)弱相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為－0.114）。

表4 點(diǎn)擊觸摸時(shí)長(zhǎng)與皮電水平回歸分析結(jié)果Tab.4 Regression analysis of touch duration and EDA

4.3 研究問(wèn)題三：現(xiàn)場(chǎng)情境下加速度變化是否對(duì)觸摸手勢(shì)位移參數(shù)速度造成影響

4.3.1 加速度對(duì)滑動(dòng)位移閾值的影響分析

實(shí)驗(yàn)中記錄了用戶每次點(diǎn)擊時(shí)手機(jī)的瞬時(shí)加速度，本次單擊實(shí)驗(yàn)中加速度為0～15 m／s2，對(duì)加速度進(jìn)行間距為0.5的離散處理。對(duì)X軸偏移數(shù)據(jù)和Y軸偏移數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相對(duì)于X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度的多變量交叉分析，并選擇95百分位數(shù)為該加速度組合下的滑動(dòng)位移閾值。對(duì)得到的偏移閾值進(jìn)行相對(duì)于X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度的雙變量相關(guān)分析，得到各相關(guān)系數(shù)如表5所示。

表5 單擊拖拽位移與加速度相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)系數(shù)）Tab.5 Correlation analysis of touch slop and EDA（Pearson′s correlation coefficient）

根據(jù)表5可知，X軸滑動(dòng)位移閾值與Z軸加速度存在弱相關(guān)關(guān)系，Y軸滑動(dòng)位移閾值與Z軸加速度存在弱相關(guān)關(guān)系，并得到折線圖如圖8和圖9所示。

圖8 單擊實(shí)驗(yàn)X軸滑動(dòng)位移相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of touch slop in X-axis

圖9 單擊實(shí)驗(yàn)Y軸滑動(dòng)位移相關(guān)性分析Fig.9 Correlation analysis of touch slop in Y-axis

從圖8和圖9可知，滑動(dòng)位移閾值與手機(jī)瞬時(shí)加速度存在弱相關(guān)關(guān)系，即不同情境下加速度的差異是導(dǎo)致3種情境下單擊滑動(dòng)位移閾值差異的因素之一。還存在其他因素導(dǎo)致3種情境下滑動(dòng)位移閾值的差異。

4.3.2 雙擊位移研究

本次雙擊實(shí)驗(yàn)中加速度為0～15 m／s2，對(duì)加速度進(jìn)行間距為0.5的離散處理。對(duì)X軸雙擊位移數(shù)據(jù)和Y軸雙擊位移數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相對(duì)于X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度的多變量交叉分析，并選擇95百分位數(shù)作為該加速度組合下的雙擊位移閾值。對(duì)得到的雙擊位移閾值進(jìn)行相對(duì)于X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度的雙變量相關(guān)分析，得到各相關(guān)系數(shù)如表6所示。

表6 雙擊位移與加速度相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)系數(shù)）Tab.6 Correlation analysis of double tap slop and acceleration（Pearson＇s correlation coefficient）

根據(jù)表6可知，X軸雙擊位移閾值、Y軸雙擊位移閾值與Z軸加速度存在弱相關(guān)關(guān)系，并分析得到圖10和圖11。

圖10 雙擊實(shí)驗(yàn)X軸雙擊位移相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis of double touch slop in X-axis and acceleration in Z-axis in double tap test

圖11 雙擊實(shí)驗(yàn)Y軸雙擊位移相關(guān)性分析Fig.11 Correlation analysis of double touch slop in Y-axis and acceleration in Z-axis in double tap test

從圖10和圖11可知，雙擊位移閾值與手機(jī)瞬時(shí)加速度存在弱相關(guān)關(guān)系，即不同情境下加速度的差異是導(dǎo)致3種情境下雙擊位移閾值差異的因素之一。此外還存在其他因素導(dǎo)致3種情境下滑動(dòng)位移閾值的差異。

因此得到，現(xiàn)場(chǎng)情境下加速度變化對(duì)觸摸手勢(shì)位移閾值參數(shù)速度造成影響。Z軸加速度變化與位移閾值存在正向弱相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)智能手機(jī)觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)研究。基于非理性用戶模型，提出觸摸手勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)因素框架，認(rèn)為非理性因素中的情緒因素是現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)情境的因素。設(shè)計(jì)了手機(jī)觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)研究的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)新手用戶和經(jīng)驗(yàn)用戶進(jìn)行了室內(nèi)靜坐、戶外行走和公交靜坐3種不同情境下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)情境對(duì)手機(jī)操作工效學(xué)參數(shù)具有顯著影響，通過(guò)修正的手機(jī)觸摸手勢(shì)閾值參數(shù)提高手機(jī)識(shí)別準(zhǔn)確率，優(yōu)化手機(jī)觸摸操作性能。

1）3種情境下不同手持方式的工效學(xué)參數(shù)存在顯著性差別。通過(guò)3種使用情境下的手勢(shì)任務(wù)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)5個(gè)手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)中，長(zhǎng)按時(shí)間閾值T1、雙擊時(shí)間閾值T2、按下時(shí)間閾值T3、雙擊位移閾值S2均在3種使用情境下存在顯著性差別，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，提出室內(nèi)靜坐、戶外行走和公交靜坐3種情境下的建議工效學(xué)參數(shù)值（見表2）。

2）針對(duì)不同使用情境，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)測(cè)試修正的手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)能夠提高手勢(shì)的識(shí)別率。戶外行走和公交靜坐時(shí)使用雙擊手勢(shì)，修正后數(shù)據(jù)能夠分別提高5.5%和5.3%的準(zhǔn)確率。

3）現(xiàn)場(chǎng)情境中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和用戶情緒警覺(jué)水平影響觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)。針對(duì)研究問(wèn)題二和研究問(wèn)題三進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)用戶情緒警覺(jué)水平與點(diǎn)擊觸摸時(shí)長(zhǎng)存在負(fù)向弱相關(guān)關(guān)系，Z軸加速度變化與位移閾值存在正向弱相關(guān)關(guān)系。因而本研究認(rèn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和用戶情緒警覺(jué)水平會(huì)對(duì)觸摸手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。

4）環(huán)境加速度變化和用戶情緒是現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)情境因素框架的因素。本研究基于非理性用戶模型提出了現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)情境因素框架中需包含情緒因素，并驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和情緒警覺(jué)水平對(duì)手勢(shì)工效學(xué)參數(shù)的影響，對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和情緒因子的提出提供了數(shù)據(jù)證明。因此，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能排除這兩個(gè)因素對(duì)研究對(duì)象的影響。

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Research on touch gesture ergonomics of smart phone based on field-evaluation

XU Wenna1，2，ZHANG Yu1
（1.School of Mechanical Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an Shaanxi 710049，China；2.School of Mechanical Engineering，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong Sichuan 643000，China）

This paper aims to enhance the accuracy of touch gesture recognition by building a field-evaluation method for touch gesture ergonomics parameters of mobile phones.First，a touch gesture test factors framework is proposed based on irrational user model.Second，an field test experiment for touch gestures ergonomics factors is designed，in which field test data of novice users and experienced users in three different scenarios，sitting quietly indoors，walking outdoors and sitting quietly in a bus，are collected.The result shows that the state of motion and emotional alert level are factors affecting the gestures ergonomics.The parameters need to be optimized by field test to improve recognition accuracy.

field-evaluation；touch gesture；ergonomics

TP368.3

A

1008-1542（2014）02-0118-09

10.7535／hbkd.2014yx02002

2013-12-10；

2014-01-22；責(zé)任編輯：張 軍

國(guó)家自然科學(xué)基金（51205304）

許雯娜（1987-），女，四川自貢人，碩士，主要從事人機(jī)界面設(shè)計(jì)方面的研究。

張 煜講師。E-mail：zy＿xjtu＠163.com