摘 要：【目的】探究不同光標(biāo)控制設(shè)備和目標(biāo)方向?qū)χ更c(diǎn)績(jī)效的影響，旨在提高人機(jī)交互效率?！痉椒ā炕贗SO 9241-9國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)多目標(biāo)方向指點(diǎn)任務(wù)，邀請(qǐng)30名被試參與實(shí)驗(yàn)，獲取被試使用普通鼠標(biāo)、拇指式軌跡球、嵌入式滾球鼠標(biāo)的反應(yīng)時(shí)、正確率和主觀(guān)評(píng)分。【結(jié)果】使用三種光標(biāo)控制設(shè)備的正確率無(wú)顯著差異，反應(yīng)時(shí)存在顯著差異；目標(biāo)方向?qū)φ_率無(wú)顯著影響，對(duì)嵌入式滾球鼠標(biāo)反應(yīng)時(shí)有顯著影響?！窘Y(jié)論】①在進(jìn)行交互界面圖標(biāo)位置設(shè)計(jì)時(shí)，使用拇指式軌跡球交互優(yōu)先考慮水平向左方向（180°）；使用嵌入式滾球鼠標(biāo)時(shí)，優(yōu)先考慮垂直向下方向（270°）。②在用戶(hù)疲勞度方面，拇指式軌跡球的使用最為輕松。③在進(jìn)行簡(jiǎn)單人機(jī)交互任務(wù)時(shí)，使用普通鼠標(biāo)優(yōu)于拇指式軌跡球和嵌入式滾球鼠標(biāo)。

關(guān)鍵詞：光標(biāo)控制設(shè)備；目標(biāo)方向；指點(diǎn)績(jī)效；ISO 9241-9；人機(jī)交互

中圖分類(lèi)號(hào)：X914；R135；C976.2 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）12-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.002

Impact of Cursor Control Devices and Target Orientation on Pointing Performance

LEI Yuqian " "ZHENG Yanfang " "XIANG Lu " LI Zhaoxin " ZHANG Zijing

（School of Safety amp; Management "Engineering， Hunan Institute of Technology，Hengyang "421102，China）

Abstract：[Purposes] This paper investigates the effects of different cursor control devices and target directions on pointing performance， aiming to improve the efficiency of human-computer interaction. [Methods] Based on ISO 9241-9， we invited 30 subjects to participate in the experiment， and obtained the reaction time， correctness rate， and subjective scores of the subjects using a normal mouse， a thumb trackball， and an embedded rolling ball mouse. [Findings] There was no significant difference in the correct rate of pointing when using the three cursor control devices， and there was a significant difference in reaction time. The target direction had no significant effect on the correct rate but a significant effect on the response time of the embedded ball mouse. [Conclusions] ①When designing the icon position of the interaction interface， the horizontal leftward direction （180°） is prioritized when using the thumb trackball interaction; the vertical downward direction （270°） is prioritized when using the embedded rollerball mouse. ② In terms of user fatigue， the thumb-based trackball is the easiest to use. ③When performing simple human-computer interaction tasks， the use of an ordinary mouse is superior to the thumb trackball and the embedded ball mouse.

Keywords：cursor control devices; target orientation;pointing performance; ISO 9241-9;human-computer interaction

0 引言

鼠標(biāo)作為圖形用戶(hù)界面最常用的指點(diǎn)輸入裝置，是人機(jī)交互的重要載體。在一些特殊環(huán)境，如船舶、潛艇等界面人機(jī)交互任務(wù)中，普通鼠標(biāo)可能難以勝任，于是拇指式軌跡球，嵌入式滾球鼠標(biāo)則成為可以考慮采用的指點(diǎn)裝置［1］。

目前，大多數(shù)研究主要集中在觸屏、普通鼠標(biāo)、拇指式軌跡球、觸控板和視線(xiàn)指點(diǎn)等對(duì)指點(diǎn)績(jī)效的影響，而嵌入式滾球鼠標(biāo)的影響還屬未知。例如，Card等和張彤以鼠標(biāo)為研究對(duì)象，對(duì)其指點(diǎn)績(jī)效展開(kāi)研究［2-7］。鄭彎彎［8］以觸摸屏為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，探討了指點(diǎn)績(jī)效的影響 。Thomas［9］對(duì)雙桿操作系統(tǒng)、觸控板、觸摸屏和軌跡球的指點(diǎn)績(jī)效進(jìn)行了比較?？荡貉嗟龋?0］對(duì)觸屏、鼠標(biāo)、觸控板和視線(xiàn)指點(diǎn)的指點(diǎn)操作時(shí)間展開(kāi)了研究。王春慧等［11］研究了鼠標(biāo)、雙通道眼手交互界面輸入模式、觸摸板和注視交互界面輸入模式這四種交互界面輸入模式的指點(diǎn)績(jī)效 。Chen等［12］ 的研究評(píng)估了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí) 、鼠標(biāo)和觸屏的指點(diǎn)任務(wù)操作績(jī)效。Jones 等［13］評(píng)估了在指點(diǎn)任務(wù)中使用遙控指點(diǎn)和鼠標(biāo)的情況。而光標(biāo)控制設(shè)備作為影響指點(diǎn)績(jī)效的主要因素，對(duì)其展開(kāi)進(jìn)一步的研究尤為重要。

目標(biāo)方向也是影響指點(diǎn)績(jī)效的因素之一，但現(xiàn)有研究中研究結(jié)果并不一致。比如，Card等［2］和Kotani等［6］研究發(fā)現(xiàn)目標(biāo)方向不存在主效應(yīng)。但是，Boritz等［14］研究發(fā)現(xiàn)水平向右方向的移動(dòng)速度比垂直向下方向更快。Mackenzie等［15］研究發(fā)現(xiàn)右上方向的運(yùn)動(dòng)速度明顯慢于水平向右和垂直向上方向?；诖?，本研究關(guān)注光標(biāo)控制設(shè)備和目標(biāo)方向?qū)χ更c(diǎn)績(jī)效的影響，基于任務(wù)反應(yīng)時(shí)和正確率指標(biāo)對(duì)指點(diǎn)裝置的效能進(jìn)行評(píng)估，并結(jié)合被試的主觀(guān)感受進(jìn)行比較分析，以期為用戶(hù)合理選擇光標(biāo)控制設(shè)備等方面提供理論支持。

1 方法

1.1 被試

試驗(yàn)招募30名本科在校生（男15名，女15名），被試平均年齡為21.2±1.2歲，無(wú)色盲色弱，身心健康，手部操作正常，慣用手為右手。

1.2 儀器設(shè)備

①E-prime3.0，編制試驗(yàn)程序，呈現(xiàn)試驗(yàn)任務(wù)。

②戴爾DESKTOP-NFMFBKA筆記本電腦（分辨率：1920*1080），呈現(xiàn)試驗(yàn)界面。

③光標(biāo)控制設(shè)備：英非克M6P鼠標(biāo)、羅技M575鼠標(biāo)軌跡球、研龍HS050嵌入式滾球鼠標(biāo)，具體如圖1所示。

④EV錄屏軟件，錄制試驗(yàn)過(guò)程，用于確認(rèn)被試按鍵位置。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用3×8兩因素被試內(nèi)設(shè)計(jì)。自變量為光標(biāo)控制設(shè)備（普通鼠標(biāo)、拇指式軌跡球、嵌入式滾球鼠標(biāo)）和目標(biāo)方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°）。因變量為正確率、反應(yīng)時(shí)和主觀(guān)評(píng)分控制。變量的設(shè)置：目標(biāo)大小48像素［16］、目標(biāo)距離600像素［17］。本研究基于ISO 9241-9國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)多目標(biāo)方向指點(diǎn)任務(wù)和用戶(hù)調(diào)查問(wèn)卷［18］。試驗(yàn)過(guò)程中，被試依次點(diǎn)擊黑色實(shí)心圓與灰色實(shí)心圓，構(gòu)成一個(gè)試次，灰色實(shí)心圓隨機(jī)出現(xiàn)在圓周的8個(gè)不同位置方向上。 指點(diǎn)任務(wù)界面示意如圖2所示。

1.4 試驗(yàn)流程

被試坐在試驗(yàn)桌前，身體正對(duì)電腦屏幕，距離60 cm左右。練習(xí)階段，被試練習(xí)16個(gè)試次以熟悉實(shí)驗(yàn)任務(wù)且達(dá)到 80%以上的正確率。練習(xí)結(jié)束后，被試需要在正式實(shí)驗(yàn)中完成 40 個(gè)試次的指點(diǎn)任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)束后，第一時(shí)間要求被試填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷，并保存被試數(shù)據(jù)。

問(wèn)卷，并保存被試數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用E-Prime中的數(shù)據(jù)合并模塊E-Merge整合試驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)，使用重復(fù)測(cè)量方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS19.0進(jìn)行分析，顯著性水平為 0.05。

2 結(jié)果

2.1 光標(biāo)控制設(shè)備對(duì)指點(diǎn)績(jī)效的影響

光標(biāo)控制設(shè)備反應(yīng)時(shí)之間存在顯著差異，plt;0.001。成對(duì)比較的結(jié)果表明，普通鼠標(biāo)指點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)顯著小于其他兩種條件，plt;0.01；拇指式軌跡球指點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)顯著小于嵌入式滾球鼠標(biāo)，plt;0.01。對(duì)于正確率，不同交互方式之間均無(wú)顯著差異，pgt;0.05。

2.2 目標(biāo)方向?qū)鈽?biāo)控制設(shè)備指點(diǎn)績(jī)效的影響

對(duì)于正確率，8種目標(biāo)方向在三種設(shè)備下的主效應(yīng)均不顯著，pgt;0.05。對(duì)于反應(yīng)時(shí)，在普通鼠標(biāo)指點(diǎn)任務(wù)下，不同方向下的主效應(yīng)不顯著，pgt;0.05；在拇指式軌跡球指點(diǎn)任務(wù)下，不同方向下的主效應(yīng)不顯著，pgt;0.05；在嵌入式滾球鼠標(biāo)指點(diǎn)任務(wù)下，不同方向下的主效應(yīng)顯著，plt;0.05。

目標(biāo)方向在不同光標(biāo)控制設(shè)備下的反應(yīng)時(shí)見(jiàn)表1，拇指式軌跡球和嵌入式滾球鼠標(biāo)反應(yīng)時(shí)兩兩比較結(jié)果見(jiàn)表2。由表1和表2可知，對(duì)于拇指式軌跡球，45°和225°方向反應(yīng)時(shí)顯著反應(yīng)時(shí)大于180°。對(duì)于嵌入式滾球鼠標(biāo)，0°方向反應(yīng)時(shí)顯著小于135°和225°； 45°方向反應(yīng)時(shí)顯著小于135°和225°，但顯著大于270°；90°方向反應(yīng)時(shí)顯著小于135°和225°；135°方向反應(yīng)時(shí)除與225°不顯著外，均顯著大于其他方向； 180°方向反應(yīng)時(shí)顯著小于135°和225°，顯著大于270°；225°方向反應(yīng)時(shí)除與135°無(wú)顯著差異外，均顯著大于其他方向；270°方向反應(yīng)時(shí)除與0°和90°無(wú)顯著差異外，均顯著小于其他方向；315°方向反應(yīng)時(shí)顯著小于135°和225°，顯著大于270°。

2.3 問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果分析

普通鼠標(biāo)、嵌入式滾球鼠標(biāo)和拇指式軌跡球的Cronbach's Alpha 系數(shù)分別為0.71、0.707和0.659，在信度檢驗(yàn)中，0.6～0.8表示信度較好［19］。三種鼠標(biāo)的KMO值分別為0.705、0.770、0.657，均大于0.5。因此，本試驗(yàn)調(diào)查問(wèn)卷的信度和效度狀況良好。

不同維度下主觀(guān)評(píng)分雷達(dá)圖如圖3所示。除了問(wèn)題4是分值越高評(píng)價(jià)結(jié)果越好，其余問(wèn)題則相反。總體使用感受為普通鼠標(biāo)最好，拇指式軌跡球次之，嵌入式滾球鼠標(biāo)最差。但在用戶(hù)疲勞度方面，拇指式軌跡球的使用最為輕松。

3 討論

本研究基于反應(yīng)時(shí)、正確率和主觀(guān)評(píng)分發(fā)現(xiàn)，光標(biāo)控制設(shè)備和目標(biāo)方向?qū)φ_率均無(wú)顯著影響。通過(guò)分析可知，可能是由于在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)置時(shí)間壓力，使被試有足夠的時(shí)間作出反應(yīng)，從而導(dǎo)致正確率差異不明顯。而三種設(shè)備反應(yīng)時(shí)之間存在的顯著差異為普通鼠標(biāo)lt;拇指式軌跡球lt;嵌入式滾球鼠標(biāo)。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)方向?qū)ζ胀ㄊ髽?biāo)反應(yīng)時(shí)無(wú)顯著影響，與Lee［20］研究得出的結(jié)論不一致。導(dǎo)致差異的原因可能為：①目前普通鼠標(biāo)在人體工學(xué)設(shè)計(jì)上已經(jīng)更加符合人的生理特性，靈敏度高。②被試為青年群體，對(duì)普通鼠標(biāo)的使用較頻繁，熟練程度高。拇指式軌跡球水平向左方向運(yùn)動(dòng)快于左對(duì)角線(xiàn)方向（45°和225°），這與Yau［21］研究結(jié)論相一致。綜上可以得出：水平向右（0°）和垂直方向（90°和270°）運(yùn)動(dòng)速度最快；水平向左、右上和右下方向次之；左上和左下最差。

基于正確率和反應(yīng)時(shí)繪制目標(biāo)方向二維散點(diǎn)圖。反應(yīng)時(shí)越低、正確率越高，代表該目標(biāo)方向指點(diǎn)績(jī)效越好，即為最佳位置。普通鼠標(biāo)目標(biāo)方向無(wú)差異，無(wú)須考慮，只考慮拇指式軌跡球和嵌入式滾球鼠標(biāo)下的目標(biāo)方向指點(diǎn)績(jī)效，如圖4和圖5所示。

由圖4、圖5可知，對(duì)于拇指式軌跡球，水平向左方向（180°）下指點(diǎn)績(jī)效最優(yōu)，對(duì)于嵌入式滾球鼠標(biāo)，垂直向下（270°）指點(diǎn)績(jī)效最優(yōu)；拇指式軌跡球和嵌入式滾球鼠標(biāo)，左下（225°）方向的指點(diǎn)績(jī)效最差，其原因是受到生物力學(xué)的影響。被試在向225°方向移動(dòng)時(shí)，手指滑動(dòng)滾球?yàn)槟娣较?，從而產(chǎn)生一定阻力。

最后，從舒適度、疲勞度、可用性等維度對(duì)光標(biāo)控制設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)總體使用感受為普通鼠標(biāo)最好，拇指式軌跡球次之，嵌入式滾球鼠標(biāo)最差。但在用戶(hù)疲勞度方面，拇指式軌跡球的使用最為輕松，這與王碧英［22］得出的結(jié)論是一致的。

4 結(jié)論

①綜合正確率和反應(yīng)時(shí)，使用拇指式軌跡球交互可以?xún)?yōu)先考慮水平向左方向（180°）；使用嵌入式滾球鼠標(biāo)進(jìn)行交互時(shí)，優(yōu)先考慮垂直向下方向（270°）。

②在用戶(hù)疲勞度方面，拇指式軌跡球的使用最為輕松。因此，對(duì)于需要頻繁操作界面的作業(yè)人員，可以考慮使用拇指式軌跡球以減輕疲勞，提高人機(jī)交互效率。

③普通鼠標(biāo)指點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)顯著小于其他兩種條件。因此，在進(jìn)行簡(jiǎn)單人機(jī)交互任務(wù)時(shí)，普通鼠標(biāo)的指點(diǎn)績(jī)效高于拇指式軌跡球和嵌入式滾球鼠標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］張彤， 王碧英， 鄭錫寧. 一種特殊的計(jì)算機(jī)指點(diǎn)裝置追蹤球的操作活動(dòng)研究［J］. 應(yīng)用心理學(xué)， 2004， 10（4）：54-58.

［2］CARD S， ENGLISH W， BURR B. Evaluation of Mouse， Rate-Controlled Isometric Joystick， Step Keys， and Text Keys for Text Selection on a CRT［J］. Ergonomics， 1978， 21（8）：601-613.

［3］WHISENAND T G， EMURIAN H H. Effects of angle of approach on cursor movement with a mouse： Consideration of Fitts’ Law［J］. Computers in Human Behavior， 1996， 12（3）：481-495.

［4］WHISENAND TG，EMURIAN H H. Analysis of cursor movements with a mouse［J］.Comput Human Behav，1999，15（1）：85-103.

［5］ICHIKAWA H， HOMMA M， UMEMURA M. An experimental evaluation of input devicesfor pointing work［J］. International Journal of Production Economics， 1999， 60：235-240.

［6］KOTANI K， HORII K. A fundamental study on pointing force applied to the mouse in relation to approaching angles and the index of difficulty［J］. International Journal of Industrial Ergonomics， 2001， 28（3）：189-195.

［7］張彤， 楊文虎， 鄭錫寧. 圖形用戶(hù)界面環(huán)境中的鼠標(biāo)操作活動(dòng)分析［J］. 應(yīng)用心理學(xué)， 2003， 9（3）： 14-19，13.

［8］鄭彎彎.基于費(fèi)茲定律的不同初末位置的非定向點(diǎn)擊任務(wù)績(jī)效研究［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2019.

［9］ THOMAS P R. Performance， characteristics， and error rates of cursor control devices for aircraft cockpit interaction［J］. International Journal of Human - Computer Studies，2018，109（47）：41-53.

［10］康春燕，李志昊，張紹堯，等.目標(biāo)大小目標(biāo)距離及交互方式對(duì)指點(diǎn)績(jī)效的影響［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2020，33（2）：112-119.

［11］王春慧，黃子允，田雨，等.交互界面輸入模式對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)績(jī)效的影響［J］.人類(lèi)工效學(xué)，2022，28（5）：1-6.

［12］CHEN J，Or C.Assessing the use of immersive virtual reality， mouse and touchscreen in pointing and dragging-and-dropping tasks among young， middle-aged and older adults［J］. Applied Ergonomics， 2017，65：437-448.

［13］JONES K S ， MCINTYRE T J ， HARRIS D J. Leap Motion- and Mouse-Based Target Selection： Productivity， uyrceived Comfort and Fatigue， User Preference， and Perceived Usability［J］. International Journal of Human-Computer Interaction， 2019（194）：1-10.

［14］BORITZ J，BOOTH K S，COWAN W B. Fitts’ Law studies of directional mouse movement［C］. Graphics Interface， 1991： 216-223.

［15］MACKENZIE I S， BUXTON W. Extending Fitts’ law to two-dimensional tasks［C］. Proc Chi92 Conference on Human Factors in Computing Systems. 1992：219-226.

［16］游俐斐. 基于機(jī)器視覺(jué)手勢(shì)控制的交互精度研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

［17］王玥. 費(fèi)茲原理在非接觸式機(jī)器視覺(jué)手勢(shì)交互中的擴(kuò)展性研究［D］. 廣州：華南理工大學(xué)，2014.

［18］IS0 9241-9，Ergonomic Requirements for Office Work with Visual Display Terminals（VDTs）-Par9：Requirements for Non-keyboard Input Devices［S］.International Organization for Standardization，2000.

［19］何佳媛，易燦南，周淑儀，等.基于問(wèn)卷調(diào)查的破拆作業(yè)人員肌肉骨骼疾患研究［J］.人類(lèi)工效學(xué)，2021，27（3）：1-7.

［20］LEE B，BANG H. A kinematic analysis of directional effects on mouse control［J］. Ergonomics，2013，56（11）.1754-1765.

［21］YAU Y J ，CHAO C J ， FENG W Y，et al. The effects of platform motion and target orientation on the performance of trackball manipulation［J］. Ergonomics， 2011， 54（8）：745-754.

［22］王碧英. 計(jì)算機(jī)指點(diǎn)裝置的操作可控性和穩(wěn)定性分析［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.