微軟人機(jī)交互技術(shù)

視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)，是人類感知世界最重要的五種途徑。其中與視覺(jué)、聽覺(jué)相關(guān)的各種影音產(chǎn)品，早已成為了現(xiàn)代人日常生活中不可或缺的部分。然而當(dāng)您的指尖每天在智能手機(jī)和平板電腦的屏幕上生硬地劃過(guò)時(shí)，有沒(méi)有想過(guò)這其實(shí)白白浪費(fèi)了上天賦予我們的靈敏觸覺(jué)？套用一句流行語(yǔ)：這實(shí)在是太不科學(xué)了。

慶幸的是，在科技研發(fā)人員的努力之下，這種暴殄天物的局面正在發(fā)生變化。通過(guò)微軟亞洲研究院在人機(jī)交互領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)，也許不用等上多久，我們就可以觸摸到一個(gè)更加真實(shí)的三維計(jì)算世界。下面就請(qǐng)大家走進(jìn)微軟亞洲研究院，一起感受指尖上的精彩。

Haptics：用觸覺(jué)感受立體世界

模擬真實(shí)觸覺(jué)的Haptics

通過(guò)硬件與軟件結(jié)合的觸覺(jué)反饋機(jī)制，Haptics技術(shù)可以為人體模擬真實(shí)觸覺(jué)體驗(yàn)。試想一下，如果我們將手指放在平板電腦或智能手機(jī)的屏幕上，就能感受到畫面中的物品逼真的材料質(zhì)地與紋理，那么這種體驗(yàn)該是多么的身臨其境和震撼人心。

從人體感受輸入的角度來(lái)看，Haptics技術(shù)大致可以分為刺激表皮和刺激肌肉中的感受器這兩大類別。譬如許多用戶已經(jīng)非常熟悉的手機(jī)“振動(dòng)”提示，就是一種表皮Haptics技術(shù)。但振動(dòng)只是Haptics領(lǐng)域很小的一部分，并且在按鍵反饋等許多應(yīng)用場(chǎng)景下的效果都不甚理想。而觸覺(jué)能夠感受到的東西，遠(yuǎn)比簡(jiǎn)單的振動(dòng)要多得多。針對(duì)Haptics這一嶄新的領(lǐng)域，微軟亞洲研究院的研究人員認(rèn)為如同紅、綠、藍(lán)是光的三原色一樣，粗糙度、粘滯度、柔軟度很可能是觸覺(jué)的三個(gè)基本維度，并分別針對(duì)這三個(gè)維度展開了深入研究。

現(xiàn)有的人機(jī)交互技術(shù)大都基于視覺(jué)設(shè)計(jì)，用戶可以操作觸摸屏但無(wú)法獲得差異性的觸覺(jué)反饋。這好比人一出生就戴著一副手套，雖然手沒(méi)有感覺(jué)，但只要眼睛能看到東西，也能完成許多事情。然而，如果用戶的手能夠在屏幕不同位置感知到差異，那么人機(jī)交互就會(huì)從此發(fā)生質(zhì)的改變，甚至于完全顛覆我們現(xiàn)有的生活習(xí)慣和方式。當(dāng)Haptics技術(shù)讓屏幕變成能夠讓用戶摸到、感受到不同反饋的時(shí)候，人們才會(huì)意識(shí)到：原來(lái)人機(jī)交互的用戶體驗(yàn)，遠(yuǎn)可以比現(xiàn)在做得更好。

然而要想從事Haptics領(lǐng)域的研究，往往需要跨越不同領(lǐng)域的技術(shù)，了解多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。譬如振動(dòng)反饋就不但要從電子工程和機(jī)械學(xué)角度知道如何有效利用電能、設(shè)計(jì)原件結(jié)構(gòu)，而且還要從心理學(xué)角度了解人體對(duì)哪些頻率的振動(dòng)最為敏感。不過(guò)對(duì)于興趣廣泛的研究者來(lái)說(shuō)，這也是從事該項(xiàng)工作的樂(lè)趣之一。

在玻璃表面感受紋理

在人們的傳統(tǒng)印象里，玻璃表面的觸感大都可以用“光滑如鏡”來(lái)形容。然而微軟的研究員們卻可以在同一塊玻璃表面，讓人感受到平滑和毛糙等不同的觸感甚至是紋理。這樣高端大氣上檔次的神奇“魔術(shù)”，又是通過(guò)什么樣的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的呢？

這種魔術(shù)的奧妙，就在于人的手指在撫摸不同質(zhì)地的物體時(shí)，能夠精準(zhǔn)感知其表面不同大小的摩擦力。因此如果能夠根據(jù)需要隨時(shí)改變物體表面的摩擦力，那么就會(huì)讓人產(chǎn)生觸摸不同紋理的感覺(jué)。

微軟研究人員為我們展示了在智能手機(jī)和Surface平板電腦上分別運(yùn)用不同原理產(chǎn)生變化的摩擦力。其中在手機(jī)上的超聲波振動(dòng)（Ultrasonic Vibration）采用了四塊會(huì)使整塊玻璃上下振動(dòng)的壓電片，其振動(dòng)頻率為23KHz，人既聽不見也看不見，但是用手在上面移動(dòng)時(shí)，手指和玻璃之間的空氣厚度會(huì)產(chǎn)生變化，空氣越厚，表面感覺(jué)越滑。當(dāng)屏幕上顯示不同物體圖案時(shí)，用手指劃過(guò)就能感受到其表面摩擦力的變化，尤其在圖案交界邊緣的地方更是明顯。這樣用戶通過(guò)手指的移動(dòng)，就可以實(shí)時(shí)體會(huì)到哪個(gè)地方比較毛糙、哪個(gè)地方比較平滑，由此對(duì)屏幕上的圖案形成感知。

而Surface采用的則是靜電原理，其玻璃與絕緣層之間有一層納米銦錫金屬氧化物涂層（ITO layer）。納米銦錫（ITO）是一種透明但可以導(dǎo)電的特殊金屬線，當(dāng)電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電層時(shí)，手指皮膚中將產(chǎn)生極性相反的感應(yīng)電荷。雖然其電場(chǎng)很弱，但是如果手指來(lái)回劃動(dòng)再根據(jù)手指位置改變信號(hào)，那么就能體會(huì)到手指與屏幕之間摩擦力的變化。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，由于電場(chǎng)力并不受其控制，所以就會(huì)產(chǎn)生屏幕摩擦系數(shù)正在變化的錯(cuò)覺(jué)，就像是在觸摸玻璃表面的不同紋理。

鍵盤上的觸覺(jué)反饋

如果說(shuō)觸摸屏是通過(guò)觸覺(jué)將信息傳遞給計(jì)算機(jī)，那么觸覺(jué)反饋（Haptic Feedback）技術(shù)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)把觸覺(jué)反饋給人。為什么我們需要觸覺(jué)反饋技術(shù)？因?yàn)樵谟杏|覺(jué)反饋的應(yīng)用環(huán)境下，人的手指能夠感覺(jué)到來(lái)自鍵盤等物件的反饋，甚至要比聽到聲音對(duì)打字更有幫助，更有利于提高用戶的打字速度和正確率。

舉例來(lái)說(shuō)，在超薄鍵盤上打字時(shí)，盡管用戶可以看到輸入內(nèi)容，但是由于手指感受不到反饋，容易導(dǎo)致輸入速度和正確率雙雙降低，所以很多人都覺(jué)得這類鍵盤不好用，不實(shí)用。然而如果鍵盤能夠?yàn)橛脩籼峁┯|覺(jué)反饋的話，那么這類問(wèn)題就能迎刃而解。

微軟亞洲研究院人機(jī)交互組采取的做法，是在PZT壓電片材料上面放一層金屬。在提供一個(gè)較大的電壓之后，壓電片會(huì)伸展變大，但是粘在壓電片下面的金屬也會(huì)對(duì)其形成約束，這樣的合力作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的彎曲。于是用戶打字的時(shí)候，指尖就會(huì)感覺(jué)像是在敲擊真實(shí)的按鍵。在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，擁有精確觸覺(jué)反饋的鍵盤無(wú)論是輸入速度還是正確率，都要明顯高出單純利用視覺(jué)反饋的鍵盤。

CHI 2014：人機(jī)交互的盛宴

跨越平臺(tái)和設(shè)備的交互

可穿戴設(shè)備相信是大家都非常感興趣的話題，如今研究可穿戴設(shè)備的學(xué)者越來(lái)越多，包括CHI 2014大會(huì)（人機(jī)交互領(lǐng)域首屈一指的國(guó)際年度盛會(huì)）上也出現(xiàn)了很多有趣的相關(guān)項(xiàng)目。比如通過(guò)穿戴式的設(shè)備，手表不僅能夠和用戶進(jìn)行交互，而且還可以跨平臺(tái)和不同設(shè)備進(jìn)行交互。

舉例來(lái)說(shuō)，帶有傳感器的手表和手機(jī)可以檢測(cè)彼此的位置，譬如檢測(cè)手機(jī)目前是在用戶的左手還是右手，相對(duì)位置又是怎樣，從而實(shí)現(xiàn)交互功能，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)式互動(dòng)效果。endprint

在移動(dòng)智能終端設(shè)備高度普及的今天，每一位用戶幾乎都同時(shí)擁有智能手機(jī)、平板電腦或是筆記本電腦等移動(dòng)平臺(tái)，另外還可能有智能手表、智能眼鏡等電子設(shè)備。那么如何在不同的平臺(tái)和設(shè)備之間進(jìn)行交互，就成為了人機(jī)交互領(lǐng)域研究人員密切關(guān)注的話題。因此如何實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨設(shè)備的交互，也是本屆CHI 2014大會(huì)上非常熱門的主題之一。

PPT制作演示的好幫手

“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力?！痹鯓油ㄟ^(guò)現(xiàn)代科技提升用戶的生產(chǎn)力和創(chuàng)造力，譬如提高藝術(shù)家的創(chuàng)造力等，也是當(dāng)前的熱門話題。在CHI 2014上，微軟亞洲研究院人機(jī)交互組發(fā)表了一些與演示工具相關(guān)的論文。其中的PitchPerfect項(xiàng)目就是為了幫助用戶更好地練習(xí)需要展示的PPT。

人們?cè)谥谱鱌PT時(shí)常常會(huì)添加注釋，以幫助演講者更好地闡述內(nèi)容。PitchPerfect也是運(yùn)用了同樣的原理，PitchPerfect使得用戶在制作PPT的同時(shí)， 為PPT中的每一個(gè)可視化元素添加文字注釋，標(biāo)識(shí)每個(gè)元素的講解順序，并記錄預(yù)期的講解時(shí)間。這樣在練習(xí)時(shí)，用戶可通過(guò)細(xì)分元素更好地了解、熟悉和管理整個(gè)演講內(nèi)容，同時(shí)讓練習(xí)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單。PitchPerfect還有錄音功能，演講者在練習(xí)時(shí)可以反復(fù)錄制，對(duì)演講進(jìn)行修改和優(yōu)化。

對(duì)于演講者來(lái)說(shuō)，熟悉PPT內(nèi)容和練習(xí)演講的過(guò)程往往非常痛苦。PitchPerfect可以優(yōu)化這一體驗(yàn)。研究結(jié)果也表明，借助PitchPerfect系統(tǒng)，用戶可以更有效、更豐富地闡述相關(guān)內(nèi)容，整體演講表現(xiàn)也有所提升。

微軟的另一個(gè)Turning Point項(xiàng)目，則是練習(xí)過(guò)程中需要用到的其他工具。通常在剛開始準(zhǔn)備PPT時(shí)，人們總是希望呈現(xiàn)很多圖片和文字，Turning Point可以幫助用戶以結(jié)構(gòu)化的方式組織和管理這些材料。用戶可以先添加準(zhǔn)備好的材料和圖片等多媒體內(nèi)容，然后在頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)討論如何將圖片和文字進(jìn)行分類分組，再根據(jù)內(nèi)容和應(yīng)用場(chǎng)景選擇預(yù)先設(shè)定的模板。在Turning Point的幫助下，用戶可以對(duì)整個(gè)演講內(nèi)容和情節(jié)有一個(gè)更好的設(shè)計(jì)。

手機(jī)沉迷問(wèn)題有治了

作為一位成年人，我要痛心疾首地說(shuō)：現(xiàn)在韓國(guó)青少年過(guò)度使用手機(jī)的問(wèn)題非常嚴(yán)峻，他們更喜歡用手機(jī)玩游戲、發(fā)信息，而不是跟朋友進(jìn)行面對(duì)面的交流。什么？你說(shuō)這種現(xiàn)象到處都是？好吧我承認(rèn)，這其實(shí)是一個(gè)世界性的難題。

為了解決這一難題，微軟亞洲研究院與韓國(guó)高等科技學(xué)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）的教授合作開展了針對(duì)青少年手機(jī)使用情況的科研項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)韓國(guó)學(xué)生進(jìn)行了觀察，研究學(xué)生使用手機(jī)的習(xí)慣以及對(duì)手機(jī)沉迷的程度。研究表明，沉迷手機(jī)的學(xué)生比普通人更頻繁地使用手機(jī)，甚至于整天在使用手機(jī)。理由是如果不經(jīng)常看手機(jī)會(huì)擔(dān)心錯(cuò)過(guò)一些訊息，比如朋友從Facebook或其他應(yīng)用上發(fā)來(lái)的通知等。該項(xiàng)目希望通過(guò)相關(guān)研究，能夠幫助這些青少年減少使用手機(jī)的時(shí)間，并且已經(jīng)取得了很好的效果。

由此我們可以看到，HCI人機(jī)交互領(lǐng)域的研究覆蓋面非常廣，包括硬件、軟件、應(yīng)用甚至涉及社會(huì)學(xué)和心理學(xué)等?？梢奌CI并不僅僅局限于IT技術(shù)，但不管其研究領(lǐng)域和形式有多大差異，最終目的都是為人類的工作和生活提供幫助，以及解決現(xiàn)有的社會(huì)問(wèn)題。

有吸引力的屏幕

在沒(méi)有觸覺(jué)反饋的手機(jī)或平板屏幕上操作，用戶有時(shí)難免會(huì)誤觸選項(xiàng)，而這有可能帶來(lái)無(wú)法挽回的損失。Vacuum Touch項(xiàng)目正是為了解決這一問(wèn)題而生。值得一提的是，該項(xiàng)目是由微軟亞洲研究院的研究員和實(shí)習(xí)生共同完成的。

在空氣泵、閥門組、微控制器、電容傳感器等元件的作用下，Vacuum Touch會(huì)在屏幕下面產(chǎn)生一定的空氣吸力，用戶手指在點(diǎn)擊屏幕相應(yīng)位置時(shí)會(huì)有被吸進(jìn)去的感覺(jué)，這也是一種觸覺(jué)反饋。在這樣的環(huán)境中，假設(shè)用戶想要?jiǎng)h除一個(gè)非常重要的文件，在彈出刪除確認(rèn)對(duì)話框時(shí)，選項(xiàng)“no”會(huì)對(duì)用戶手指有更大的吸引力，以防止出現(xiàn)誤刪。

張虹

微軟亞洲研究院高級(jí)研究員

人機(jī)交互組經(jīng)理

我們的雙手既能感受巖石的鋒利堅(jiān)硬，也能體會(huì)絲綢的飄逸輕柔，能分辨沙土的松散干燥，也能區(qū)別油水的濕潤(rùn)粘稠。敏感的觸覺(jué)讓我們能清楚知道書是否多翻過(guò)了一頁(yè)，即使在黑暗環(huán)境，我們也能只憑觸覺(jué)系好鞋帶，扣好襯衣紐扣，摸到鑰匙孔打開門鎖；然而在寒冷的冬日，當(dāng)雙手不再自如靈活，你也許體會(huì)過(guò)縱使有雙眼的幫助，仍無(wú)法做好這些事。

然而當(dāng)我們與“玻璃下的圖片”進(jìn)行交互時(shí)，其實(shí)是以視覺(jué)作為反饋的唯一方式，正如同將麻醉劑注入雙手，指尖對(duì)所有界面的觸覺(jué)感受都別無(wú)二致——在這樣的二維加視覺(jué)式的交互中，我們浪費(fèi)了造物主賦予的兩平米肌膚、兩百個(gè)關(guān)節(jié)與六百塊肌肉。而Haptics正是一門研究如何讓每個(gè)人的觸覺(jué)都能用于人機(jī)交互的前沿學(xué)科。

從鮮為人知的術(shù)語(yǔ)，到被寄予希望的未來(lái)技術(shù)，Haptics正逐漸走向我們的日常工作和生活。Amara法則說(shuō)，我們常常高估科技的短期影響力，而又低估其長(zhǎng)期影響力。在互聯(lián)網(wǎng)世界逐漸三維化，并越來(lái)越和現(xiàn)實(shí)世界水乳交融的過(guò)程里，人和機(jī)器的交互界面將不再受限于玻璃平面之下的二維世界法則，會(huì)變得跟現(xiàn)實(shí)世界一樣細(xì)膩豐富。要讓夢(mèng)想更快的實(shí)現(xiàn)，還有賴于研究者們更多的關(guān)注和科研突破。

從某種角度來(lái)說(shuō)，微軟的產(chǎn)品應(yīng)用有著很高的普及率，很多人都會(huì)去體驗(yàn)和使用。如果我們重新定義和設(shè)計(jì)了人機(jī)交互的界面以后，那么大家就再也不想回到?jīng)]有觸覺(jué)的時(shí)代了。這是我的一個(gè)理想。

Koji Yatani

微軟亞洲研究院副研究員

我是微軟亞洲研究院人機(jī)交互組的成員，我的研究主要致力于提升人機(jī)交互的體驗(yàn)和效率。人機(jī)交互強(qiáng)調(diào)人與計(jì)算機(jī)之間交互的關(guān)系，關(guān)注與人和計(jì)算機(jī)相關(guān)的方方面面。

CHI全稱為“ACM SIGCHI計(jì)算系統(tǒng)中的人因?qū)W會(huì)議（ACM SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems）”，是人機(jī)交互（Human-Computer Interaction，簡(jiǎn)稱HCI）領(lǐng)域內(nèi)首屈一指的國(guó)際盛會(huì)。每年約有3000多位學(xué)者從世界各地慕名而來(lái)。也就是說(shuō)，全世界的業(yè)界學(xué)者幾乎都會(huì)到場(chǎng)，這正是我們熱衷于參加CHI會(huì)議的重要原因之一。會(huì)上不僅有工業(yè)界的代表、學(xué)術(shù)界前沿的教授，還會(huì)吸引眾多非常有才華的學(xué)生。微軟亞洲研究院也致力于挖掘這些有才華的學(xué)生，與他們進(jìn)行一些溝通和合作。我也非常樂(lè)意與大家一同分享來(lái)自CHI 2014大會(huì)的精彩內(nèi)容。endprint