汪海波　 薛澄岐　 朱玉婷　 牛亞峰

(1安徽工業(yè)大學(xué)設(shè)計學(xué)院, 馬鞍山 243032)(2東南大學(xué)機械工程學(xué)院, 南京 211189)

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多點觸控手勢在復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面中的應(yīng)用優(yōu)勢

汪海波1薛澄岐2朱玉婷2牛亞峰2

(1安徽工業(yè)大學(xué)設(shè)計學(xué)院, 馬鞍山 243032)(2東南大學(xué)機械工程學(xué)院, 南京 211189)

為將多點觸控手勢引入復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面,運用認(rèn)知設(shè)計和認(rèn)知評價對手勢應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了論證.分析了手勢交互改善大容量數(shù)字界面信息顯示和用戶自然交互行為的認(rèn)知機理,在設(shè)計綜合態(tài)勢管理系統(tǒng)手勢交互原型和手勢定義的基礎(chǔ)上,使用眼動追蹤技術(shù)和用戶體驗評價方法,進(jìn)行了鼠標(biāo)和手勢操作效率的對比測試.實驗結(jié)果表明:手勢操作的注視點數(shù)量、注視時間和操作時間3個眼動數(shù)據(jù)的平均值明顯小于鼠標(biāo)操作,且標(biāo)準(zhǔn)差較小;手勢操作失誤率為6%,略高于鼠標(biāo)操作;用戶選擇手勢操作傾向率高達(dá)86%.復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面中的手勢操作雖然具有非精確性,但與鼠標(biāo)操作相比,它在降低用戶認(rèn)知負(fù)荷、提升態(tài)勢感知、提高操作效率和用戶主觀滿意度上均具有明顯優(yōu)勢.

多點觸控手勢;復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面;交互設(shè)計;眼動追蹤技術(shù)

基于多點觸控的手勢交互(簡稱手勢交互)是自然用戶界面的一種交互方式,實現(xiàn)了人的手勢對計算機的直接操控,構(gòu)建了人機交互視覺、聽覺、觸覺的融合式體驗.圍繞人手指的觸摸性能[1]、多點觸控靈敏度[2-4]、多點觸摸輸入特性[5]等,手勢交互操作的可行性得到了論證.但手勢交互與用戶心智模型的匹配問題及其自身存在的局限性[6]不可回避.雙手指選擇技術(shù)和多點觸控桌面視覺跟蹤技術(shù)輔助[7]以及有效的上下文菜單設(shè)計[8]都有助于減少手勢交互操作失誤.手勢交互在電子地圖操作中應(yīng)用較多,用戶能快速實現(xiàn)平移、放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等地圖操作[9],手勢與視線、語音相結(jié)合的多通道交互技術(shù)能夠提高電子地圖的直接操控效率.近年來,手勢交互開始應(yīng)用于大型數(shù)字化天體仿真[10-11]、數(shù)字展覽和數(shù)字教育等領(lǐng)域.

本文以復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面人機交互的視角,從用戶認(rèn)知、信息處理和交互操作3個方面對手勢應(yīng)用的優(yōu)勢展開研究,并通過眼動追蹤實驗,對復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面特定任務(wù)中鼠標(biāo)操作和手勢操作的效率進(jìn)行了比較.

1　手勢交互優(yōu)勢分析

1.1復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面的用戶認(rèn)知

影響復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面用戶認(rèn)知過程的主要因素是界面信息和交互任務(wù).復(fù)雜系統(tǒng)原理深奧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且動態(tài)變化,導(dǎo)致界面信息密度大,窗口覆蓋頻繁,且界面信息層級結(jié)構(gòu)多、關(guān)聯(lián)性強;另一方面,界面操作任務(wù)流多樣,任務(wù)節(jié)點豐富,用戶需要同時對復(fù)雜系統(tǒng)的多個任務(wù)界面進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視和精準(zhǔn)操控,時間壓力大.

復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面的用戶認(rèn)知過程主要是“監(jiān)視—決策—控制”系統(tǒng)運行狀態(tài)的腦力活動.其中,對界面信息的感知、理解、思維和決策等用戶認(rèn)知過程需要消耗注意力和記憶等認(rèn)知資源,產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)荷;認(rèn)知過程的關(guān)鍵是態(tài)勢感知,即用戶對系統(tǒng)狀態(tài)及其所處環(huán)境持續(xù)地、有意識地、正確地分析和掌控,從而對系統(tǒng)決策提供支持和保障[12].復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面信息和任務(wù)具有復(fù)雜性和動態(tài)性特征,若交互設(shè)計不合理,容易產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)荷高和態(tài)勢感知低的雙重負(fù)面認(rèn)知結(jié)果,從而影響人-復(fù)雜系統(tǒng)的交互效率,并可能誘發(fā)交互事故.因此,降低認(rèn)知負(fù)荷和提高態(tài)勢感知是優(yōu)化復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面交互設(shè)計的核心要求.

1.2手勢交互優(yōu)勢

手勢交互在改變用戶操作模式的同時,也改變了界面信息組織結(jié)構(gòu)及其信息呈現(xiàn)方式.在復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面中使用與用戶心智模型相匹配的手勢交互,能使用戶操作更加靈活、快捷和有趣,且在降低用戶認(rèn)知負(fù)荷、提升用戶態(tài)勢感知、優(yōu)化界面信息呈現(xiàn)等方面具有優(yōu)勢.

1.2.1用戶認(rèn)知負(fù)荷的降低

復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面信息密度大,功能區(qū)塊多,任務(wù)操作頻繁.一方面,手勢交互能縮減界面工具欄、信息欄、狀態(tài)欄等空間,導(dǎo)致相應(yīng)的界面態(tài)勢變化主體和任務(wù)目標(biāo)點的顯示更加清晰,從而有助于吸引和聚焦用戶的注意力,減少視覺干擾和認(rèn)知資源浪費.另一方面,手勢交互時用戶只需關(guān)注刺激源,操作簡單、直接,而鼠標(biāo)操作時用戶注視對象為刺激源和鼠標(biāo)光標(biāo),操作過程至少包括感知刺激源、尋找目標(biāo)、移動定位光標(biāo)和點擊操作4個步驟,繁瑣的鼠標(biāo)操作過程既分散了用戶的注意力,也占用了用戶的認(rèn)知資源.因此,用戶在高時間壓力狀態(tài)下,手勢交互所具備的視覺干擾少和操作簡單直接的特征,能有效降低用戶認(rèn)知負(fù)荷,提高操作效率,有效地緩解用戶壓力和疲勞.

1.2.2用戶態(tài)勢感知的提升

復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面的信息組織主要為樹狀結(jié)構(gòu)(中心輻射結(jié)構(gòu)),它的節(jié)點和其他節(jié)點之間存在父子級關(guān)系,每個節(jié)點都有相應(yīng)的父節(jié)點.如圖1所示,在樹狀結(jié)構(gòu)層級交互操作中,如果遵循常規(guī)的鼠標(biāo)操作,不同父級節(jié)點之間的切換會出現(xiàn)操作路徑往返重合的情況,并且鼠標(biāo)切換要求用戶對信息層級架構(gòu)的邏輯關(guān)系進(jìn)行記憶,這需要占用用戶有限的工作記憶,加重了用戶的認(rèn)知負(fù)荷.而手勢交互在頁面切換和調(diào)整上極具優(yōu)勢,在界面導(dǎo)航和布局設(shè)計上更為靈活,傳統(tǒng)的樹狀信息結(jié)構(gòu)層級被優(yōu)先信息層級或重要關(guān)系層級模式所代替,實現(xiàn)了信息層級扁平化,用戶操作將從繁瑣的層級關(guān)系中解放出來.因此,手勢交互優(yōu)化了界面信息顯示結(jié)構(gòu),改變了信息切換模式,有助于用戶態(tài)勢感知的提升.

圖1　鼠標(biāo)和手勢層級操作對比

1.2.3界面信息呈現(xiàn)的優(yōu)化

對于復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面,全局信息概覽是用戶常見且極為重要的認(rèn)知任務(wù),這是因為用戶需要跳出大容量細(xì)節(jié)信息,觀察系統(tǒng)整體運行狀態(tài).但全局信息概覽必須和局部細(xì)節(jié)內(nèi)容在界面顯示上達(dá)到某種程度的平衡,以便同時向用戶呈現(xiàn)信息整體和細(xì)節(jié)內(nèi)容及兩者之間的變化關(guān)系,從而促進(jìn)用戶對系統(tǒng)整體態(tài)勢的掌控,幫助用戶決策.

在復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面中,Overview視圖和Detail視圖的位置、視點變換頻繁,交互和可視化控制多樣,傳統(tǒng)的鼠標(biāo)操作耗費時間,且操作復(fù)雜、繁瑣,容易引起用戶生理和心理疲勞;使用手勢操作則相對簡單、直接,易于實現(xiàn)Overview和Detail視圖的變換及可視化控制,特別是手勢隱喻和可視化結(jié)構(gòu)隱喻相吻合的情況下,手勢操作更直觀高效且更有趣,能有效降低用戶高時間壓力下的操作焦慮.

2　原型和手勢設(shè)計

手勢交互的數(shù)字界面原型設(shè)計見圖2.該原型模擬了一個以地圖信息處理為基礎(chǔ),融合即時通信、突發(fā)事件處理、數(shù)據(jù)采集等多功能的綜合態(tài)勢信息處理人機交互系統(tǒng).手勢操作的生理特征、瀏覽特征與鼠標(biāo)操作差別很大,反映在界面原型上主要表現(xiàn)為以下3個方面:① 手勢的多點觸控和組合設(shè)計能夠完成很多視圖控制和任務(wù)操作,因此界面原型上的按鈕和控件相對較少,電子地圖能夠擴(kuò)展至全屏,態(tài)勢信息清晰度高;② 少量按鈕和控件欄使用半透明懸浮布局,手勢操作能夠?qū)⑵淇焖訇P(guān)閉和移動,交互具有很好的實用性、靈活性和有趣性;③ 主導(dǎo)航和切換控件放置在屏幕的右側(cè)和下側(cè),這符合右手操作習(xí)慣,能有效減少操作遮擋,提高操作效率.

圖2　手勢交互的數(shù)字界面原型設(shè)計

界面原型中,地圖信息的縮放、移動、旋轉(zhuǎn)等視圖手勢操作相對簡單,與鼠標(biāo)控制相比較,在可用性和用戶體驗上優(yōu)勢明顯.對于其他任務(wù)操作,則需要基于人的行為來定義手勢設(shè)計,使手勢設(shè)計符合用戶的生理特征和認(rèn)知習(xí)慣,減少用戶的認(rèn)知成本.手勢設(shè)計的復(fù)雜程度取決于單雙手操作、手指個數(shù)、點按方式以及動作的移動屬性、力學(xué)屬性、反饋屬性、圖形屬性等多維變量的組合.

圖3為模擬數(shù)字界面原型中全局搜索、調(diào)暗界面亮度、目標(biāo)點屬性查看、多任務(wù)處理和分屏操作5項任務(wù)的手勢定義示意圖.全局搜索任務(wù)的鼠標(biāo)操作需要搜尋并點擊2次導(dǎo)航按鈕;該任務(wù)手勢操作可定義為1根手指從上向下滑動,界面彈出搜索窗口(見圖3(a)).調(diào)暗界面亮度任務(wù)的鼠標(biāo)操作需先尋找并點擊工具按鈕,再用鼠標(biāo)控制亮度調(diào)節(jié)滑竿;而手勢操作則可用2根手指在屏幕上垂直向下滑動,調(diào)亮則向上滑動,手指位移與亮度變化相關(guān)(見圖3(b)).目標(biāo)點屬性查看任務(wù)的鼠標(biāo)操作需先尋找并右鍵點擊目標(biāo)點,在彈出菜單中點擊二級菜單“目標(biāo)點屬性查看”;而手勢操作則可定義為雙指同時單擊目標(biāo)點,目標(biāo)點上方便懸浮其屬性信息,再次雙指單擊,則屬性信息消失(見圖3(c)).多任務(wù)處理的鼠標(biāo)操作同樣需要點擊2次導(dǎo)航按鈕;而手勢操作則可使用單手5指同時雙擊界面屏幕,所有任務(wù)頁面便會以三維遞進(jìn)的方式排列,單指單擊可實現(xiàn)當(dāng)前任務(wù)頁面的切換(見圖3(d)).分屏任務(wù)的鼠標(biāo)操作也是通過點擊2次導(dǎo)航按鈕實現(xiàn)的;其手勢操作則可定義為分別用雙手4指從界面兩側(cè)向中間滑動(見圖3(e)).

圖3　特定任務(wù)操作手勢設(shè)計示意圖

3　手勢和鼠標(biāo)操作效率比較實驗

3.1實驗材料

使用圖2所示的手勢交互數(shù)字界面原型.該原型中界面全局搜索、調(diào)暗界面亮度、目標(biāo)點屬性查看、多任務(wù)處理和分屏操作這5項任務(wù)都同時提供了手勢和鼠標(biāo)2種操作方式,要求被試分別使用這2種操作方式完成5項任務(wù).

3.2實驗設(shè)計

本實驗測試并比較了復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面鼠標(biāo)和手勢的操作效率.通過注視點數(shù)量、總注視時間、操作時間、操作失誤率和用戶選擇手勢操作傾向率5個指標(biāo)來對比這2種操作方式的用戶操作效率和用戶體驗,前3個指標(biāo)的數(shù)據(jù)通過眼動儀獲取,后2個指標(biāo)的數(shù)據(jù)通過人工記錄.其中,注視點數(shù)量反應(yīng)了用戶執(zhí)行任務(wù)需要付出的認(rèn)知努力;注視點數(shù)量越多表明用戶認(rèn)知負(fù)荷越大,搜索效率越低.總注視時間反應(yīng)了用戶提取界面信息的難易程度;總注視時間越長,說明提取信息的效率越低;操作時間體現(xiàn)了用戶完成任務(wù)的難易程度;操作時間越長,說明用戶完成任務(wù)的效率越低.操作失誤率反應(yīng)了用戶完成任務(wù)的精準(zhǔn)度.用戶選擇手勢操作傾向率體現(xiàn)了用戶對手勢操作方式的喜好程度.

3.3實驗設(shè)備與流程

本實驗使用TobiiX2-30組合式非接觸眼動追蹤儀,可使被試在自然狀態(tài)下參與試驗.被試為10名在校研究生(5名男生和5名女生),年齡為20～30歲,視力或矯正視力正常,無色盲或色弱,被試人員具備計算機使用經(jīng)驗,且經(jīng)過培訓(xùn)熟練掌握手勢操作.實驗使用的界面尺寸為1 024×768像素,在眼動儀液晶屏上以1∶1的比例顯示,鼠標(biāo)操作和手勢操作使用相同的界面原型,以避免干擾.

實驗流程主要分為任務(wù)講解、眼動儀校準(zhǔn)和被試任務(wù)操作3個階段.被試5項任務(wù)的順序隨機擬定,每項任務(wù)鼠標(biāo)操作和手勢操作的先后順序也隨機擬定.被試每次任務(wù)操作只有1次機會,在完成所有實驗任務(wù)后被試選擇每項任務(wù)的操作方式傾向.

3.4實驗結(jié)果與討論

如圖4(a)所示,使用鼠標(biāo)操作5項任務(wù),所有被試的平均注視點數(shù)量最少為10.50,最多為19.96,均值為13.28,標(biāo)準(zhǔn)差為4.26,不同任務(wù)差異較明顯;而采用手勢操作時,5項任務(wù)所有被試的平均注視點數(shù)目最少為3.22,最多為3.70,均值為3.47,標(biāo)準(zhǔn)差為1.32,不同任務(wù)間差異較小.因此,就注視點數(shù)量而言,手勢操作明顯小于鼠標(biāo)操作,且前者在不同操作任務(wù)之間差異不明顯.由圖4(b)和(c)可知,這2種操作方式在總注視時間和操作時間上的對比情況與注視點數(shù)量的規(guī)律相同.綜合這3個眼動數(shù)據(jù)可以得出,手勢操作效率高于鼠標(biāo)操作效率,且手勢操作在不同任務(wù)之間的眼動指標(biāo)上都表現(xiàn)出較小的差異,這應(yīng)該源于手勢組合方式的一致性.

(a) 注視點數(shù)量

(b) 總注視時間

(c) 操作時間

表1為鼠標(biāo)和手勢完成任務(wù)操作的失誤次數(shù)比較.本實驗對操作時間無限制,2種操作方式的失誤率都較低,分別為4%和6%,手勢操作略高,這符合手勢操作的非精確特征,手勢操作失誤常出現(xiàn)于精確點按、多指點按和雙手協(xié)同等較為復(fù)雜手勢,用戶對其熟悉程度相對較低.

表2為鼠標(biāo)和手勢的用戶傾向性選擇統(tǒng)計.由表可知,手勢操作在全局搜索和調(diào)暗界面亮度2個任務(wù)中用戶選擇傾向性占絕對優(yōu)勢,從均值上看,用戶選擇手勢操作傾向率高達(dá)86%.這反映出用戶喜歡記憶負(fù)擔(dān)小、操作直接的手勢交互,特別是傾向有隱喻關(guān)聯(lián)的直接滑動手勢.

表1　鼠標(biāo)和手勢操作的失誤次數(shù)統(tǒng)計

表2　鼠標(biāo)和手勢操作的用戶傾向性選擇統(tǒng)計

4　結(jié)語

手勢交互優(yōu)化了用戶操作的自然性,縮短了用戶操作路徑.對于復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面,它能有效改善大容量數(shù)字界面的信息呈現(xiàn)問題,易于實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面常用的視圖控制.在復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面中使用手勢交互,能有效降低用戶認(rèn)知負(fù)荷,提升態(tài)勢感知,提高操作效率,并能緩解高時間壓力狀態(tài)下的用戶疲勞.眼動實驗結(jié)果表明:手勢操作能改善用戶信息搜索效率,降低任務(wù)難度,相比于鼠標(biāo)操作,手勢操作優(yōu)勢明顯.

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Advantageofmulti-touchgestureapplicationindigitalinterfaceofcomplexsystem

WangHaibo1XueChengqi2ZhuYuting2NiuYafeng2

(1SchoolofDesign,AnhuiUniversityofTechnology,Ma’anshan243032,China) (2SchoolofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China)

Inordertointroducethemulti-touchgestureintothedigitalinterfaceofacomplexsystem,theadvantagesofgestureapplicationaredemonstratedbyusingcognitivedesignandcognitiveevaluation.Thecognitivemechanismthatgestureinteractioncanimprovetheinformationdisplayofthelargecapacitydigitalinterfaceandtheuser’snaturalinteractionbehaviorisanalyzed.Basedonthedesignoftheintegratedsituationmanagementsystemprototypeofgestureinteractionandthedefinitionofgesture,thecomparativeexperimentsfortheoperatingefficiencyofthemouseandgestureareconductedbytheeyetrackingtechnologyandtheuserexperienceevaluationmethod.Theexperimentalresultsshowthattheaverageeyemovementdataofthefixationpointnumber,thefixationtimeandtheoperationtimeofgestureinteractionisobviouslysmallerthanthatofthemouseoperation,anditsstandarddeviationissmall.Thefailurerateofthegestureoperationis6%,slightlyhigherthanthatofthemouseoperation.Thetendencyrateofuserselectinggesturesisupto86%.Althoughgestureinteractionisnotabsolutelypreciseinthedigitalinterfaceofthecomplexsystem,comparedwiththemouse,itexhibitssignificantadvantagesinreducingcognitiveload,enhancingsituationalawareness,andimprovingoperationefficiencyandusersubjectivesatisfaction.

multi-touchgesture;digitalinterfaceofcomplexsystem;interactivedesign;eyetrackingtechnology

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.018

2016-02-17.作者簡介: 汪海波( 1978—)，男，博士，副教授； 薛澄岐( 聯(lián)系人) ，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，ipd_xcq@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(71271053，71471037 )、安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃資助項目(2014021).

:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.018.

TP391

A

1001-0505(2016)05-1002-05

引用本文: 汪海波，薛澄岐,朱玉婷,等.多點觸控手勢在復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面中的應(yīng)用優(yōu)勢[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(5):1002-1006. < class="emphasis_italic">DOI