單手交互中手持設(shè)備正面和背面手勢(shì)輸入的對(duì)比研究

楊求龍，涂華偉，吳新泉，趙蘊(yùn)龍，袁家斌

(南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106)

手勢(shì)是人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛使用的交流方式，例如手語就是基于手勢(shì)的交流語言。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和交互設(shè)備性能的提高，手勢(shì)早已被應(yīng)用到人機(jī)交互領(lǐng)域中。手勢(shì)交互有眾多優(yōu)點(diǎn)，如其中含有豐富的交互信息，又符合人的認(rèn)知習(xí)慣，能夠?qū)崿F(xiàn)人的認(rèn)知空間和計(jì)算機(jī)計(jì)算空間之間的平滑過渡[1]；輸入具有容錯(cuò)性、連續(xù)性、要求較低的視覺注意等特點(diǎn)[2]。

手持設(shè)備背面輸入是一種新穎的交互方式，用戶可以用手指在設(shè)備背面的輸入?yún)^(qū)域進(jìn)行操作。這種交互方式能夠帶來很多好處，例如手指不會(huì)遮擋操作目標(biāo)[3]，可以一定程度上防止肩窺攻擊(shoulder surfing attack)[4]等，因此引起了很多的研究關(guān)注。Behind Touch[5]和Blind Sight[6]在移動(dòng)手機(jī)的背面放置了一個(gè)12鍵的鍵盤，用于文字輸入。Hybrid Touch使用戶能夠通過安裝在PDA背部的觸屏平板，執(zhí)行拖拽手勢(shì)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作[7]。

本研究關(guān)注單手操作手持設(shè)備中，用戶使用食指在設(shè)備背后(圖1(b))進(jìn)行手勢(shì)輸入的表現(xiàn)。這種交互方式已經(jīng)有若干應(yīng)用的例子。例如，BAUDISCH et al[3]在很小的移動(dòng)設(shè)備上為了解決手指遮擋降低輸入精度問題通過從設(shè)備背面進(jìn)行手指手勢(shì)輸入來提高輸入精度；WIGDOR et al[8]引入一種“假透明”現(xiàn)象(pseudo-transparency)，讓用戶在背面依然可以實(shí)現(xiàn)精確的操作，而且還不會(huì)遮擋屏幕上的內(nèi)容；YANG et al[9]通過光標(biāo)輔助正面拇指和背面食指操作，增強(qiáng)我們的單手操作能力。WOBBROCK et al[10]研究了設(shè)備正面和背面點(diǎn)擊以及書寫字母的表現(xiàn)，但對(duì)手勢(shì)交互的研究沒有深入開展。

人機(jī)交互文獻(xiàn)缺乏關(guān)于背面手勢(shì)繪制效果和特點(diǎn)的基礎(chǔ)研究。一些待回答的問題包括：設(shè)備正面手勢(shì)輸入(圖1(a))與背面手勢(shì)輸入(圖1(b))表現(xiàn)的差別和相似在哪里？手勢(shì)復(fù)雜度或者手勢(shì)尺寸會(huì)影響它們的差別嗎？如果我們知道正面或者背面手勢(shì)輸入擅長某些類型的特征，那么未來的識(shí)別算法和手勢(shì)集合設(shè)計(jì)應(yīng)該充分利用這些知識(shí)?？傊斫庠O(shè)備正面和背面手勢(shì)輸入之間的定量差異能夠?yàn)檎婧捅趁娼缑娴牟顒e設(shè)計(jì)或者兩者界面的組合設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 單手正面手勢(shì)輸入和背面手勢(shì)輸入Fig.1 One handed gesture interaction on front of device and back-of-device

1 相關(guān)工作

本研究主要建立在如下4個(gè)方面：

1.1 觸控手勢(shì)交互

很多人機(jī)交互研究聚焦在觸控手勢(shì)界面上，例如BI et al[11]利用移動(dòng)設(shè)備的多點(diǎn)觸控特性，提出一種雙手手勢(shì)文本輸入系統(tǒng)；FUCCELLA et al[12]為觸摸屏設(shè)備設(shè)計(jì)了一種基于手勢(shì)的文本編輯技術(shù)；LI[13]為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)了一種基于手勢(shì)的數(shù)據(jù)搜索技術(shù)，如搜索聯(lián)系人和搜索應(yīng)用等；MORRIS et al[14]提出一種在單顯示屏上，多位用戶可以合作地利用手勢(shì)進(jìn)行交互的技術(shù)。以上研究證實(shí)觸控手勢(shì)交互是一種有效的人機(jī)交互方式。

1.2 手勢(shì)模型

手指手勢(shì)的復(fù)雜度會(huì)對(duì)手指的差異產(chǎn)生影響。如何測(cè)量和表征手勢(shì)復(fù)雜度是一個(gè)研究課題。簡單的測(cè)量，例如在一筆劃手勢(shì)中線段的長度或者數(shù)量[15]可作為復(fù)雜度指標(biāo)。一個(gè)更正式的模型，基于曲線、線段和角的模型計(jì)算手勢(shì)產(chǎn)生時(shí)間的CLC模型(curve line corner model)[16]是一個(gè)對(duì)手勢(shì)復(fù)雜度更嚴(yán)格的表征，使用CLC模型作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法。

1.3 背面手勢(shì)

若干學(xué)者提出把交互過程移動(dòng)到設(shè)備背面就可以減少遮擋。Behind Touch[5]和Blind Sight[6]在移動(dòng)手機(jī)的背面放置了一個(gè)12鍵的鍵盤。Hybrid Touch[7]使用戶能夠在安裝在PDA背部的觸屏平板上使用拖拽手勢(shì)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

BAUDISCH et al[3]通過引進(jìn)“假透明”(pseudo-transparency)技術(shù)大大提高了背面輸入的精度。YANG et al[9]通過光標(biāo)輔助正面拇指和背面食指操作，增強(qiáng)我們的單手操作能力。但是以上研究只使用了按壓等簡單的手勢(shì)，同時(shí)沒有對(duì)正面與背面手勢(shì)表現(xiàn)性能的差異性與相似性進(jìn)行研究[3]。

1.4 與手勢(shì)產(chǎn)生相關(guān)的因素

先前的研究表明，手勢(shì)的表現(xiàn)會(huì)受很多因素影響。如用戶群[17]，手勢(shì)反饋(視覺和聽覺反饋)[18]，人體工學(xué)因素(坐和行走)和注意力水平[19]，輸入?yún)^(qū)域的規(guī)模[20-21]，輸入方式[22]等等。這對(duì)于手持設(shè)備正面與背面手勢(shì)輸入的研究有許多值得借鑒的地方。

手指是在設(shè)備正面還是背面輸入手勢(shì)會(huì)影響手勢(shì)的產(chǎn)生效果。例如，在設(shè)備正面輸入時(shí)，拇指因其較胖而易于遮擋屏幕，也易于阻擋數(shù)字墨水的即時(shí)可視性，顯著延遲視覺反饋；而在背面輸入時(shí)，設(shè)備遮擋了食指，使得手指在尋找目標(biāo)時(shí)變得困難。此外，拇指和食指也因各自的特點(diǎn)影響著手勢(shì)的產(chǎn)生。例如和食指相比，拇指雖然較胖、較短，但是較為靈活，擅長繪制較復(fù)雜的手勢(shì)；拇指活動(dòng)區(qū)域有限，主要在設(shè)備下方而食指卻可以活動(dòng)在設(shè)備的上方。本文將探索這些因素在觸摸屏上是如何影響手勢(shì)輸入的性能。

2 手勢(shì)模板和特征的選取

2.1 手勢(shì)模板的選取

采用TU et al的論文[22]中使用的12種手勢(shì)作為模板?；谇€、線段和角的數(shù)目，根據(jù)手勢(shì)的復(fù)雜度水平，它們被分成3組，即簡單、中等和復(fù)雜，如表1所示。其中綠點(diǎn)表示一個(gè)手勢(shì)的起始點(diǎn)，箭頭表示結(jié)束點(diǎn)和手勢(shì)的方向。

表1 原型手勢(shì)分類Table 1 Prototype gestures categories

這些手勢(shì)的幾何特性有多種變化方式。手勢(shì)G1，G2，G5，G6，G9，G10是由角和直線(折線)組成的，而手勢(shì)G3，G4，G7，G8，G11，G12主要由角和曲線組成的。手勢(shì)G1，G3，G5，G7，G9，G11是閉合手勢(shì)，因?yàn)樗鼈兊钠瘘c(diǎn)和終點(diǎn)位置相同，而在手勢(shì)集合中其余的手勢(shì)是開放的手勢(shì)。

我們把這些手勢(shì)模板的尺寸(目標(biāo)手勢(shì)尺寸)設(shè)定為兩種。根據(jù)文獻(xiàn)[21]，邊界框尺寸1.5 cm×1.5 cm的長度被設(shè)定為實(shí)驗(yàn)的一個(gè)基準(zhǔn)，因?yàn)樾∮谶@個(gè)尺寸會(huì)對(duì)手指的輸入帶來極大的挑戰(zhàn)。為了評(píng)估手勢(shì)尺寸因素，還設(shè)置另一個(gè)尺寸(3.0 cm×3.0 cm)作為實(shí)驗(yàn)條件變量，該尺寸的選擇是基于TU et al[20]的研究，他們的研究表明一個(gè)比2.5 cm×2.5 cm大的輸入框可以支持快速和準(zhǔn)確的基于手指的手寫性能。

2.2 手勢(shì)特征的選取

手勢(shì)識(shí)別算法和技術(shù)的設(shè)計(jì)往往基于手勢(shì)特征[22-24]。例如，BLAGOJEVIC et al[23]對(duì)手勢(shì)的特征庫進(jìn)行了分類并通過屬性選擇算法來為手勢(shì)識(shí)別算法選擇好的特征。這些特征都可用作設(shè)備正反面手勢(shì)輸入差異的度量。

從文獻(xiàn)[22-24]中選取了5個(gè)特征用于本研究(繪制時(shí)間，尺寸比，閉合距離，形狀距離和指示角差)(參見表2).

基于RUBINE[24]的定義，這些手勢(shì)特征被分為兩類：代數(shù)特征和幾何特征(參見表2)。時(shí)間和尺寸比的計(jì)算通常不依賴于手勢(shì)的幾何形狀，所以他們定義為基礎(chǔ)度量。其他3個(gè)特征描述了幾何特征，為形狀度量。

表2 手勢(shì)特征分類Table 2 Feature categories

2.2.1 基礎(chǔ)度量

1) 繪制時(shí)間

基于RUBINE[24]術(shù)語，繪制時(shí)間定義為從筆或手指觸摸屏幕的時(shí)刻到筆或手指從屏幕抬起所持續(xù)的時(shí)間。這是一個(gè)筆劃性能基礎(chǔ)的測(cè)度。不同手指作為繪圖工具時(shí)由于靈巧的差異，這種測(cè)度可能會(huì)有差異。

2) 尺寸比

實(shí)驗(yàn)者繪制的手勢(shì)尺寸可能與顯示的目標(biāo)手勢(shì)恰好相同，也可能不同。存在這樣的可能性，他們會(huì)傾向于繪制一個(gè)尺寸比目標(biāo)手勢(shì)更大的手勢(shì)。為了測(cè)量這種可能的效果，計(jì)算了繪制手勢(shì)與目標(biāo)手勢(shì)之間的尺寸比作為尺寸測(cè)度的偏差。因此，它可以作為一個(gè)反映用戶在指定范圍內(nèi)繪制手勢(shì)能力的測(cè)度。目標(biāo)手勢(shì)尺寸(ST)和繪制手勢(shì)的尺寸(SR)被定義為包含手勢(shì)的邊界矩形框所占的面積(以cm2為單位)。相應(yīng)的目標(biāo)尺寸比(R)是這兩者的比(R=SR/ST).

2.2.2 形狀度量

1) 閉合手勢(shì)起點(diǎn)與終點(diǎn)的距離(閉合距離)。

與原型手勢(shì)G1，G3，G5，G7，G9，G11相對(duì)應(yīng)的繪制手勢(shì)的起點(diǎn)和終點(diǎn)在同一位置(參見表1)。為了反映繪制封閉手勢(shì)的能力，通過式(1)測(cè)量了起點(diǎn)p到終點(diǎn)q之間的歐氏距離d.通常正面拇指比背面食指有更大的劣勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)接近起點(diǎn)的時(shí)候，拇指可能會(huì)更嚴(yán)重地遮擋住起點(diǎn)。

(1)

2) 形狀距離(D).

形狀距離用來判斷手勢(shì)輸入的準(zhǔn)確度。基于$1手勢(shì)識(shí)別算法[25]，采用一種簡化的方式計(jì)算這個(gè)特征?？s放和平移后，繪制手勢(shì)U和目標(biāo)手勢(shì)V被重采樣成N(N=64)個(gè)均勻分隔的點(diǎn)。我們把這些由U(i)和V(i)(1≤i≤N)轉(zhuǎn)換的點(diǎn)分別記為U和V.D被定義為：

(2)

式中：d(U(i)，V(i))指的是點(diǎn)U(i)和點(diǎn)V(i)之間的歐氏距離。

我們期望背面食指比正面拇指能達(dá)到一個(gè)更準(zhǔn)確的性能，因?yàn)槭持概c屏幕之間的接觸面積更小，因此食指手勢(shì)應(yīng)該比拇指手勢(shì)有較小的D.

3) 繪制手勢(shì)與目標(biāo)手勢(shì)之間的指示角之差。

根據(jù)文獻(xiàn)[25]，指示角被定義為水平向右，從手勢(shì)的重心出發(fā)，與手勢(shì)的起點(diǎn)形成的向量所旋轉(zhuǎn)的角度θ(參見圖2).它指示了手勢(shì)的整體方向。我們計(jì)算了繪制手勢(shì)和相應(yīng)的目標(biāo)手勢(shì)之間的指示角差。

圖2 指示角θ的說明Fig.2 Illustration of indicative angle θ

3 實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)旨在探討手持設(shè)備正面屏幕(單手拇指方式)和背面屏幕(單手食指方式)手勢(shì)輸入的表現(xiàn)異同。

本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)如下的研究問題：

問題1：總體而言，背面食指手勢(shì)和正面拇指手勢(shì)的對(duì)比效果如何？若干因素會(huì)影響正面拇指和背面食指在繪制手勢(shì)的表現(xiàn)，例如兩者方式受設(shè)備的限制程度不同，背面食指輸入時(shí)有不被遮擋的優(yōu)勢(shì)等。這些因素如何綜合影響兩種輸入方式的表現(xiàn)有待調(diào)查。

問題2：手勢(shì)的復(fù)雜度對(duì)正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)之間的差異影響如何？相比于背面食指交互，正面拇指交互受屏幕的限制少，預(yù)期能比背面食指更好地繪制復(fù)雜的手勢(shì)，而在繪制簡單手勢(shì)的時(shí)候，兩種輸入方式表現(xiàn)類似。

問題3：目標(biāo)手勢(shì)的尺寸對(duì)正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)之間的差異會(huì)造成怎樣的影響？背面食指交互范圍更大一些，因此在繪制較大的手勢(shì)時(shí)，其表現(xiàn)應(yīng)該更好些，但在繪制尺寸較小的手勢(shì)時(shí)，兩種輸入方式的表現(xiàn)應(yīng)該類似。

問題4：用戶對(duì)正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)的主觀評(píng)價(jià)是什么？因?yàn)槟壳捌毡榇嬖诘挠|摸屏設(shè)備只有正面屏幕，用戶習(xí)慣單手操作時(shí)在屏幕正面用拇指進(jìn)行輸入。因此，用戶可能更喜歡正面拇指輸入方式。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了從設(shè)備背面進(jìn)行觸控手勢(shì)的輸入，我們將兩個(gè)智能設(shè)備背靠背地粘貼在一起，兩者的屏幕分別為正面和背面屏幕，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的搭建。兩個(gè)設(shè)備的通信通過藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

該研究是在華為C8813(白色)和華為C8813Q(黑色)智能手機(jī)上進(jìn)行的(圖3).華為C8813(白色)作為正面輸入設(shè)備，華為C8813Q(黑色)作為背面輸入設(shè)備。這兩種設(shè)備在硬件配置、性能和外觀上極其相似并且在尺寸上完全相同。屏幕尺寸是11.43 cm，其分辨率是480×854像素，從而產(chǎn)生0.117 mm的像素間距。這確保了正面和背面手勢(shì)輸入差別的測(cè)量是在同一設(shè)備條件下進(jìn)行的。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Experiment device

3.1.2 設(shè)備通信

前后兩個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)時(shí)的，即每當(dāng)用戶在背面屏幕繪制一個(gè)點(diǎn)，立即將這個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)傳給正面屏幕并在對(duì)應(yīng)的位置(1∶1的比例)繪制顯示。雖然設(shè)備的正面屏幕和背面屏幕是相互獨(dú)立的，我們通過藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)了在設(shè)備背面輸入、在正面實(shí)時(shí)顯示的效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)者

12名志愿者，十男兩女，從21到23歲，參加了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)者都用右手。他們中都有單手拇指操作觸摸屏設(shè)備正面屏幕3年以上的經(jīng)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)者都沒有單手食指操作觸摸屏設(shè)備背面屏幕的經(jīng)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和過程

類似TU et al[26]的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，目標(biāo)手勢(shì)呈現(xiàn)1.5 s后消失，實(shí)驗(yàn)者要求根據(jù)記憶在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正面或背面繪制手勢(shì)，輸入要求是以正常的寫入速度并盡可能保持繪制的手勢(shì)和目標(biāo)手勢(shì)一致。我們使用該任務(wù)的原因有兩個(gè)：第一，該任務(wù)在手勢(shì)研究中經(jīng)常被采用，具有一定的代表性(例如，TU et al[26]，ANDERSEN et al[18]，KURTENBACH et al[27])；第二，該任務(wù)模仿實(shí)際中在觸摸屏設(shè)備的交互行為，這通常是基于記憶的手勢(shì)輸入過程。

在進(jìn)行正面拇指手勢(shì)的輸入時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備正面屏幕既作為顯示區(qū)域也作為輸入?yún)^(qū)域。在實(shí)驗(yàn)過程中，目標(biāo)手勢(shì)在屏幕中間顯示1.5 s(圖4(a))，之后消失。實(shí)驗(yàn)者憑借自己的記憶，在屏幕上又好又快地繪制剛才看到的目標(biāo)手勢(shì)，屏幕上同時(shí)顯示繪制的軌跡(圖4(b)).當(dāng)實(shí)驗(yàn)者在背面進(jìn)行食指手勢(shì)輸入的時(shí)候(參見圖1(b))，目標(biāo)手勢(shì)在正面屏幕上顯示1.5 s，之后消失。最后實(shí)驗(yàn)者憑借自己的記憶在設(shè)備背面用食指繪制出剛才顯示的手勢(shì)，繪制的過程中輸入的手勢(shì)會(huì)在正面屏幕實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)地顯示出來。

圖4 實(shí)驗(yàn)界面Fig.4 Experiment Interfaces

實(shí)驗(yàn)分為練習(xí)階段和測(cè)試階段。在練習(xí)階段，實(shí)驗(yàn)者坐在椅子上，練習(xí)上述實(shí)驗(yàn)過程達(dá)到熟練程度。測(cè)試階段，每個(gè)實(shí)驗(yàn)者在正面屏幕用拇指和在背面用食指分別完成三組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)要繪制出12種具有2種尺寸的手勢(shì)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)者在正面屏幕和背面屏幕上的實(shí)驗(yàn)順序用拉低拉丁方進(jìn)行平衡。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程大約需要花費(fèi)每個(gè)實(shí)驗(yàn)者60 min的時(shí)間。采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總共包括：

12個(gè)實(shí)驗(yàn)者×2種輸入方式(拇指和食指)×3組實(shí)驗(yàn)×12種原型手勢(shì)×2種原型手勢(shì)尺寸=1 728條繪制軌跡。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)者填寫調(diào)查問卷(Likert量表)：根據(jù)速度和準(zhǔn)確度表達(dá)對(duì)兩種輸入方式的偏愛程度(7表示最喜歡，1表示最不喜歡)。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 學(xué)習(xí)效果分析

用重復(fù)測(cè)量方差分析法來分析表2中所列的手勢(shì)特征相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。首先進(jìn)行的是實(shí)驗(yàn)者的學(xué)習(xí)效果分析，因?yàn)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)者在兩種輸入方式下都做了3組實(shí)驗(yàn)，所以首先分析3組實(shí)驗(yàn)中的手勢(shì)繪制時(shí)間，分析從第幾組開始實(shí)驗(yàn)者的輸入達(dá)到了穩(wěn)定的水平。

對(duì)于正面拇指，第二組實(shí)驗(yàn)比第一組(p<0.05)有顯著較短的繪制時(shí)間，但是第二和第三組(p=1.00)之間的繪制時(shí)間無顯著差異。顯然，用拇指操作時(shí)，試驗(yàn)者從第二組就達(dá)到了穩(wěn)定的性能。另一方面，用食指操作時(shí)，試驗(yàn)者的表現(xiàn)從第一組試驗(yàn)時(shí)就開始穩(wěn)定了，即三組食指手勢(shì)輸入之間沒有顯著性差異。將拇指輸入的學(xué)習(xí)效果考慮在內(nèi)，在下面的分析中，將舍棄第一組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而只使用第二和第三組中的數(shù)據(jù)。

表3給出了特征的主效應(yīng)和它們的交互效應(yīng)的F統(tǒng)計(jì)及其p值，其中N/A指的是手勢(shì)的復(fù)雜度不能作為特征分析的獨(dú)立變量。對(duì)于每種輸入方式在不同復(fù)雜度和目標(biāo)手勢(shì)尺寸下，這些特征的平均值在表4中，其中N/A指的是手勢(shì)的復(fù)雜度不能作為交互效應(yīng)的獨(dú)立分析變量。

3.4.2 基礎(chǔ)度量

1) 繪制時(shí)間。手勢(shì)的輸入方式(正面拇指方式與背面食指方式)在繪制時(shí)間上有顯著的主效應(yīng)?？傮w而言，背面食指比正面拇指輸入要慢。正面拇指輸入的均值是1.76 s，背面食指輸入的是2.99 s.

其他自變量也影響了繪制時(shí)間。正如預(yù)期的那樣，手勢(shì)復(fù)雜度水平和目標(biāo)手勢(shì)尺寸對(duì)繪制時(shí)間都有顯著的主效應(yīng)。手勢(shì)的輸入方式和手勢(shì)復(fù)雜度之間(參見圖5(a))、手勢(shì)的輸入方式和目標(biāo)手勢(shì)尺寸之間(參見圖5(b))都有顯著的交互效應(yīng)，并且手勢(shì)的輸入方式和手勢(shì)復(fù)雜度之間的交互效應(yīng)更強(qiáng)一些。

表3 特征的主效應(yīng)和它們之間交互效應(yīng)的F統(tǒng)計(jì)及p值Table 3 F statistics and p value of features' main effect and interactions

表4 每種輸入方式在不同復(fù)雜度和目標(biāo)手勢(shì)尺寸下的特征的均值Table 4 Feature's mean value of each input method in different gesture complexity and size

圖5 繪制時(shí)間與不同的手勢(shì)復(fù)雜度、目標(biāo)手勢(shì)尺寸的交互效應(yīng)，誤差線表示95%的置信區(qū)間Fig.5 Interaction effect of drawing time and gesture complexity and target gesture size,error bars represents 0.95 confidence interval

2) 手勢(shì)尺寸比。手勢(shì)的輸入方式在尺寸比上有很強(qiáng)的主效應(yīng)。拇指和食指手勢(shì)輸入的尺寸比的均值分別是1.63和1.02.正面拇指繪制的手勢(shì)都會(huì)傾向于大一些，而背面食指繪制的手勢(shì)沒有明顯的傾向。尺寸比值強(qiáng)烈依賴于手勢(shì)的復(fù)雜性和目標(biāo)手勢(shì)尺寸。另外，手勢(shì)的輸入方式和手勢(shì)復(fù)雜度之間(參見圖6(a))，手勢(shì)的輸入方式和目標(biāo)手勢(shì)尺寸之間(參見圖6(b))都有顯著的交互效應(yīng)，并且手勢(shì)的輸入方式和手勢(shì)復(fù)雜度之間的交互效應(yīng)更強(qiáng)一些?？偟膩碚f，正面拇指傾向于繪制較大的并且復(fù)雜的手勢(shì)，而背面食指在繪制較小和較復(fù)雜的手勢(shì)時(shí)表現(xiàn)出一些優(yōu)勢(shì)。

圖6 手勢(shì)尺寸比與不同的手勢(shì)復(fù)雜度、目標(biāo)手勢(shì)尺寸的交互效應(yīng)，誤差線表示95%的置信區(qū)間Fig.6 Interaction effect of gesture size ratio and gesture complexity and target gesture size,error bars represents 0.95 confidence interval

3.4.2 形狀度量

1) 閉合手勢(shì)的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的距離(閉合距離)。手勢(shì)的輸入方式和目標(biāo)手勢(shì)尺寸在閉合手勢(shì)的距離上都沒有顯著的主效應(yīng)。手勢(shì)的輸入方式和目標(biāo)手勢(shì)尺寸在閉合手勢(shì)的距離上也沒有顯著的交互效應(yīng)。正面拇指輸入和背面食指輸入產(chǎn)生距離的均值分別是0.25 cm和0.24 cm.

2) 繪制手勢(shì)與目標(biāo)手勢(shì)的指示角差。手勢(shì)的輸入方式和目標(biāo)手勢(shì)尺寸在指示角差上沒有顯著的主效應(yīng)。正面拇指輸入和背面食指輸入產(chǎn)生的指示角差的均值分別是-4.38°和-3.58°.

3) 形狀距離。對(duì)于手勢(shì)的輸入方式，形狀距離有很強(qiáng)的主效應(yīng)。正面拇指輸入和背面食指輸入產(chǎn)生形狀距離的均值分別是0.20 cm和0.24 cm.形狀距離對(duì)手勢(shì)的復(fù)雜度和目標(biāo)手勢(shì)尺寸都很敏感。形狀距離測(cè)度隨手勢(shì)的復(fù)雜度增加而增加(參見圖7(a))，因?yàn)槔L制更復(fù)雜的手勢(shì)會(huì)降低精確度。此外，形狀距離隨著目標(biāo)手勢(shì)尺寸的增加而增加(參見圖7(b))。手勢(shì)的輸入方式和手勢(shì)復(fù)雜度沒有顯著的交互效應(yīng)，而與目標(biāo)手勢(shì)尺寸有顯著的交互效應(yīng)。

圖7 形狀距離與不同的手勢(shì)復(fù)雜度、目標(biāo)手勢(shì)尺寸的交互效應(yīng)，誤差線表示95%的置信區(qū)間Fig.7 Interaction effect of shape distance and gesture complexity and target gesture size,error bars represents 0.95 confidence interval

從形狀距離特征來看，拇指與食指都適合簡單的較小的手勢(shì)。

3.4.3 主觀評(píng)估

我們發(fā)現(xiàn)在速度上有明顯的主效應(yīng)(F1,11=16.18，p<0.01).拇指和食指的偏好均值分別是5.67和4.83.還發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確度沒有明顯的主效應(yīng)(F1,11=1，p=0.34).拇指和食指的偏好均值分別是5.83和5.75.用戶普遍認(rèn)為，拇指可以實(shí)現(xiàn)比食指手勢(shì)輸入更快的速度，而在輸入精度上沒有差別。

3.5 討論

針對(duì)實(shí)驗(yàn)開始前提出的問題作如下討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

問題1：正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)的對(duì)比效果如何？

結(jié)論1：背面食指手勢(shì)的表現(xiàn)總體上要比正面拇指手勢(shì)的表現(xiàn)差。如圖4和6所示，背面食指手勢(shì)輸入更慢，準(zhǔn)確性更差些。另一方面，正面拇指與背面食指在距離和角度差兩個(gè)特征上的差異并不明顯，甚至在尺寸比特征上，背面食指比正面拇指表現(xiàn)更好。因此，可以得出結(jié)論，雖然背面食指手勢(shì)總體表現(xiàn)不如正面拇指手勢(shì)，但在一些手勢(shì)特征細(xì)節(jié)，例如起點(diǎn)終點(diǎn)距離和角度差上具有相似的表現(xiàn)。

問題2：手勢(shì)的復(fù)雜度對(duì)正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)之間的差異影響如何？

結(jié)論2：手勢(shì)的復(fù)雜度強(qiáng)烈影響正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)之間的差異。正如表3中第三列所示，所有與復(fù)雜度相關(guān)的手勢(shì)特征對(duì)手勢(shì)復(fù)雜度都有很強(qiáng)的依賴性(p<0.01)。手勢(shì)的輸入方式和手勢(shì)復(fù)雜度之間在繪制時(shí)間(p<0.01)和尺寸比(p<0.01)上都有顯著的交互效應(yīng)。另外，隨著手勢(shì)復(fù)雜度的增加，拇指與食指之間繪制時(shí)間差逐漸增加(圖4(a)).隨著手勢(shì)復(fù)雜度的增加拇指與食指之間尺寸比的差異在逐漸增加(圖5(a)).總之，背面食指手勢(shì)集的設(shè)計(jì)不要太復(fù)雜。

問題3：目標(biāo)手勢(shì)的尺寸對(duì)正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)之間的差異會(huì)造成怎樣的影響？

結(jié)論3：目標(biāo)手勢(shì)的尺寸強(qiáng)烈影響正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)之間的差異。和手勢(shì)的復(fù)雜度相似，繪制時(shí)間、尺寸比和形狀距離三個(gè)特征對(duì)目標(biāo)手勢(shì)尺寸有很強(qiáng)的依賴性(p<0.01)。手勢(shì)的輸入方式和目標(biāo)手勢(shì)尺寸之間在繪制時(shí)間(p<0.05)、尺寸比(p<0.05)和形狀距離(p<0.01)上都有顯著的交互效應(yīng)。隨著目標(biāo)手勢(shì)尺寸的增加拇指與食指之間在繪制時(shí)間(圖4(b))和手勢(shì)尺寸比(圖5(b))上的差異逐漸減小，但正面拇指與背面食指之間形狀距離的差異在逐漸增加(圖6(b)).總之，背面食指手勢(shì)輸入不需要太大的區(qū)域。

問題4：實(shí)驗(yàn)者對(duì)正面拇指手勢(shì)和背面食指手勢(shì)的主觀評(píng)價(jià)是什么？

結(jié)論4：拇指比食指手勢(shì)輸入更快，而在準(zhǔn)確度上并沒有明顯差異。和背面食指輸入相比，實(shí)驗(yàn)者更喜歡正面拇指輸入。

4 總結(jié)

本文研究了單手手持設(shè)備交互中正面拇指手勢(shì)輸入與背面食指手勢(shì)輸入的異同。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析，我們主要得出以下結(jié)論：

1) 通過繪制時(shí)間和形狀距離特征的分析，正面拇指比背面食指輸入手勢(shì)要快而且準(zhǔn)確。但在某些特征細(xì)節(jié)上，例如閉合手勢(shì)起始點(diǎn)到終點(diǎn)的距離和指示角差特征，表現(xiàn)相當(dāng)，甚至在尺寸比特征上稍遜于食指的表現(xiàn)。

2) 手勢(shì)的輸入方式(正面拇指與背面食指輸入)與手勢(shì)復(fù)雜度在一些特征上有很強(qiáng)的交互效應(yīng)，例如繪制時(shí)間和尺寸比；與目標(biāo)手勢(shì)尺寸在一些特征上也有很強(qiáng)的交互效應(yīng)，例如繪制時(shí)間、尺寸比和形狀距離。背面食指手勢(shì)的設(shè)計(jì)不要太復(fù)雜，其所需的輸入?yún)^(qū)域也較小。

3) 實(shí)驗(yàn)者普遍認(rèn)為，設(shè)備正面拇指手勢(shì)比背面食指手勢(shì)輸入更快，但準(zhǔn)確度相當(dāng)，更喜歡手持設(shè)備的正面拇指輸入。

以上結(jié)論為手持設(shè)備的背面手勢(shì)交互提供了指導(dǎo)。本文也存在一些局限，例如本文研究的是坐姿條件下單手手持設(shè)備正面(單手拇指方式)與背面(單手食指方式)手勢(shì)輸入表現(xiàn)的異同，未來我們的研究可以擴(kuò)展到行走狀態(tài)下以及其他手持設(shè)備交互方式。另外，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，我們的實(shí)驗(yàn)參與人群都是青年人，未來的研究還可以擴(kuò)大到少年、中年和老年人上面。未來研究還可以針對(duì)不同設(shè)備大小進(jìn)行手持設(shè)備正面與背面手勢(shì)輸入的對(duì)比研究。

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