方芳 FANG Fang武漢理工大學，武漢 430070（Wuhan University of Technology，430070 Wuhan）

13基于移動設(shè)備中的交互性手勢設(shè)計探考

方芳 FANG Fang
武漢理工大學，武漢 430070（Wuhan University of Technology，430070 Wuhan）

移動智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得當今的科技進入了一個全新的交互時代。設(shè)備的使用者及軟件數(shù)量都以令人驚嘆的速度增長著。手勢交互的操作特性使得這種交互方式成為移動設(shè)備中人機交互的主流模式和未來的發(fā)展方向?；诖?，一方面針對現(xiàn)有主流移動設(shè)備手勢交互方式進行社會調(diào)查，探討并建立用戶特定手勢和含義的映射關(guān)系；另一方面則從用戶出發(fā)，研究用戶的意圖，考察不同環(huán)境、平臺下用戶手勢操作的關(guān)聯(lián)性，從而設(shè)計出更加高效、便捷的用戶手勢操作方式，使智能移動設(shè)備能夠充分發(fā)揮其使用價值，更好地為用戶服務(wù)。

手持移動設(shè)備；用戶操作；人機交互；手勢識別

一、引言

伴隨著文明的發(fā)展，電子科技的水平也在不斷提高，人機交互技術(shù)儼然成了一個新的關(guān)注點，因為它給人們的生活境況帶來了大的改變。該項技術(shù)的載體即移動設(shè)備的廣泛應(yīng)用同樣使得當今的科技產(chǎn)品進入一個全新的信息交互時代。傳統(tǒng)的交互方式主要是鍵盤、觸摸等，而手勢交互更加直觀便捷、表意豐富，能夠更好地在設(shè)備與用戶之間搭建一座橋梁，傳遞使用者的意圖。人與機器之間的交互方式更加自然，同時機器設(shè)備也將更為準確地進行識別、理解并執(zhí)行用戶想要表達的意圖。由此可見，手勢識別這種方式的運用已然成為當今人機交互中便捷性、自然性的重要體現(xiàn)。

二、手勢與移動設(shè)備的結(jié)合

1.手勢的定義

一直以來，人類借助于手勢進行溝通和交流。人們常常不用多加思考，應(yīng)用身體語言就可以主動地向他人表達想要傳遞的思想。長久以來由于人類對手勢交流的重視創(chuàng)造出了大量通行、易懂的語義，這些語義就是信息。換言之，一些信息是可以通過手勢語言給予準確表達的。

2.移動設(shè)備的手勢功能

作為日常生活中形影不離的工具，移動設(shè)備為人類的生活帶來了極大的便捷。將手勢操作運用在移動設(shè)備中，設(shè)計出天然的交互操作方式，成了交互設(shè)計的重要目標。手需要運用何種方式進行卓有成效的操作也就成了一個重要的研究內(nèi)容，于是就有必要重點思考和探討目前已有的問題并予以回答。

移動應(yīng)用中手勢說明的自然交互性尤為重要。通常情況下，一個移動設(shè)備的應(yīng)用要呈現(xiàn)出相當多的信息，然而由于屏幕的限制，這些數(shù)據(jù)必須存放在不同級別關(guān)系的界面之中。例如，用戶通過左右滑動的方式呼出菜單、用“下拉”的方式刷新頁面以及“長按”來編輯數(shù)據(jù)。手勢的運用使界面伸展擴大，使用者也能夠一次性地瀏覽到大量的數(shù)據(jù)信息。這就是說移動設(shè)備手勢操作的設(shè)計必須滿足這些特性，并且應(yīng)該提高其便捷性與高效性，才能成為符合用戶操作需要的手勢。

三、用戶操作手勢與移動設(shè)備的交互性連接

1.手勢交互應(yīng)用的特性

科技的進步使人類可以自由地穿行在虛擬與現(xiàn)實場景之中，無論身處哪種環(huán)境，人們都能依賴于最自然、最熟悉的方式與世界溝通。這樣的行為促使設(shè)計師在手勢交互的使用上，設(shè)計出更符合人類操作習慣的交互設(shè)計。移動設(shè)備在與用戶交互的過程中重點使用了手勢，這種交互方式與人類自身所熟悉的身體語言相似，所以用戶能夠在最短的時間內(nèi)掌握操作方式。用戶長久以來在日常生活中所積累的經(jīng)驗和技能能夠在此極好地得到應(yīng)用，大大提高了用戶使用的舒適度，同時也降低了操作難度。這樣，用戶就沒有必要從頭學起，操作也可以更加順手、便捷。

2.交互性手勢語義分類

按照不同的語義對手勢進行分類是手勢操作識別設(shè)計中的重要內(nèi)容。有以下三種手勢分類方式。

（1）符號型手勢、模式型手勢、模仿型手勢、圖標型手勢、指示型手勢以及強調(diào)型手勢。符號型手勢指的是用手指的動作代表一種通用符號；模型式手勢經(jīng)常表示一些情感，如聳肩、攤開手表示不知道等；模仿型手勢常被用來模仿人們使用、操縱某個物體，如模仿操縱汽車的方向盤等；指示型手勢就是用手指指向一個物體，或者指向物體的位置抑或運動方向等；強調(diào)型手勢主要是在人們說話的時候具有輔助的作用［1］。

（2）手勢和無意識動作。手勢有兩種，即操作型手勢和通信型手勢。操作型手勢表示在某種環(huán)境中對某些物體的操作，通信型手勢就是將手勢作為交流的工具，就像手語一樣；通信型手勢又可以分為動作手勢和符號手勢。符號手勢與第一種分類方法中的符號型手勢一樣，用來表示一種事先約定的意思，可以區(qū)分為指代型符號和模式型符號兩種形式；動作手勢則包含模仿型動作和指示型動作，這與上一種分類方式中的模仿型手勢和指示型手勢是相一致的［2］。

（3）二維手勢和三維手勢。二維手勢通常發(fā)生在移動設(shè)備的交互界面上，而三維手勢則經(jīng)常出現(xiàn)在脫離交互界面的整個三維立體空間之中。二維手勢被普遍應(yīng)用于與手持移動設(shè)備關(guān)聯(lián)的交互技術(shù)之中，而三維手勢目前主要應(yīng)用于更為復雜的人機交互系統(tǒng)之中［3］。

四、移動設(shè)備平臺中手勢交互技術(shù)的新發(fā)展

1.三維手勢輸入技術(shù)——Leap Motion體感控制器

近年來，國內(nèi)外科學家對計算機中基于手勢識別的三維手勢交互輸入技術(shù)進行了認真研究。目前計算機三維手勢輸入主要有收據(jù)手套和基于電腦視覺兩種方式。

（1）數(shù)據(jù)手套。基于數(shù)據(jù)手套的手勢輸入，是根據(jù)戴在手上的具有位置跟蹤器的數(shù)據(jù)手套獲取信息，然后利用光纖直接測量手指的彎曲和手的位置以實現(xiàn)的手勢輸入［4］。

（2）電腦視覺?；陔娔X視覺的手勢輸入是采用攝像機捕捉手勢圖像，再利用計算機視覺技術(shù)對捕獲到的圖像進行分析，提取手勢圖像特征，從而實現(xiàn)手勢輸入［5］。這種方法較少限制用戶手的運動，與此同時，用戶還可以觀看到自己所捕獲的圖像。

Leap motion通過兩個攝像頭以捕捉經(jīng)過紅外線 LED 照亮的手部影像，經(jīng)三角測量并計算出在空間中的相對位置，以此來連接電腦，其最大特點是用手勢輸入取代了傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標輸入。Leap Motion的識別范圍大致為設(shè)備頂部以上 25毫米至 600 毫米處，識別空間基本上是一個倒置的四棱錐體。在這個空間之中理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的精度為 0.01 毫米，目標則是手指的動作識別，延遲大約在 5-10 毫秒內(nèi)［6］。

作為一款三維手勢輸入的概念產(chǎn)品，leap motion依然存在著一些缺點，如用戶長時間手臂懸空操作的勞累問題，以及懸空手勢輸入的精準度問題等，因此需要使用更多的時間進行優(yōu)化。當科技發(fā)展到一定水平，Leap Motion這種三維空間手勢交互方式一定會成為人機交互的最新工具（見圖1）。

圖1　Leap Motion體感控制器

2.智能可穿戴設(shè)備中的手勢問題

可穿戴設(shè)備的工作原理基于穿戴式傳感器的識別系統(tǒng)，一般是利用數(shù)據(jù)手套或是固定在手臂上的動作傳感器來獲取手勢數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)手套可以直接采集到所需要的運動數(shù)據(jù)、手型以及手指、手臂彎曲角度等方面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)手套的優(yōu)點是采集到的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，信號處理簡單；缺點則是設(shè)備復雜而費用昂貴，實用性比較低。而基于加速度、地磁和陀螺儀等動作傳感器不受外部條件的限制，可以在惡劣的條件下和較大的空間范圍內(nèi)實施手勢操作識別［7］。

探討、研究可穿戴設(shè)備的手勢識別有著重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。理論上，手勢識別涉及人機交互、模式識別等多個領(lǐng)域，這項技術(shù)的應(yīng)用能極大豐富人機交互方法的理論基礎(chǔ)；實際應(yīng)用上，大量基于傳感器這種識別方式的移動設(shè)備的開發(fā)也改變了人們的生活質(zhì)量，給日常生活帶來了極大的便捷。

［］［］

五、小結(jié)

隨著日常生活節(jié)奏的不斷加快，人們需要在忙碌之中快速處理眾多信息，由此手持移動設(shè)備的交互便捷顯得尤為重要。手勢交互的重點就是要強調(diào)更自然更直觀的綜合性手勢操作。用戶能夠迅速理解并熟練掌握各種操作方式并使用自如，高效率地利用產(chǎn)品，以求最快的實現(xiàn)用戶使用的目的。

手勢操作有著豐富而有趣味的交互方式，它的應(yīng)用使用戶不再受設(shè)備的諸多限制，操作者能夠在方便和高效的情況下完成各項操作，同時也能為用戶提供新鮮而有刺激的經(jīng)歷。手勢的應(yīng)用十分廣泛，這都需要交互設(shè)計師具有相當大的知識儲備以及設(shè)身處地的從用戶的角度出發(fā)，只有這樣才能真正地為用戶做出有益的設(shè)計。

［1］Wexelblat.A feature-based approach to continuous-gesture analysis［D］.SM Thesis，MIT Program in Media Arts and Sciences，1994:113-114.

［2］Pavlovic I，Sharma R，Huang T S.Visual interpretation of hand gestures for humancomputer interaction: A review［C］.IEEE Trans on PAMI，1997:23-25.

［3］王元，高羽.帶你了解世界最先進的手勢識別技術(shù)［EB/OL］.（2015-02-27）［2015-03-18］. http://www.leiphone.com/news/201502/ QM7LdSN874dWXFLo.html.

［4］韓雙煥.筆式用戶界面中手勢的可用性設(shè)計和識別研究［D］.北京:中國科學院研究生院（軟件研究所），2005:56-57.

［5］王悅，岳瑋寧，王衡，董士海.手持移動計算機中多通道的交互［J］.軟件學報，2005（01）:60.

［6］周韶宏.交互革命：人與機器該怎樣交流［EB/ OL］.（2014-11-05）［2015-03-18］.http://www. ifanr.com/466339.

［7］楊經(jīng)緯.基于可穿戴傳感器的手勢識別［D］.杭州：浙江工業(yè)大學，2012:31-32.

Research on Interactive Gesture in Mobile Devices Design

Wide use of mobile intelligent devices has turned today's society into a new era of interaction. The number of application users and devices are increasing in an amazing pace. Operational characteristics of the gesture interaction make this interaction become the mainstream model of mobile devices in human-computer interaction and future trends. In this paper, on the one hand we like to investigate and study currently mainstream mobile devices interactive gestures explore and establish the mapping between user-specifi c gestures and their meanings. On the other hand, our research starting from the user, to know their intention, to explore different environments, relevance under the platform of user gestures, to design more effi cient and convenient user gestures, which allows the smart mobile devices into full play its value and better services for users.

mobile device；user operation；human-computer interaction；gesture recognition

J02

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.03.013（0080-03）

2016-04-19

方芳，武漢理工大學藝術(shù)與設(shè)計學院碩士生。