晃動條件下觸摸屏按鍵設(shè)計特征因素的可用性研究

陶達，張旭，蔡劍，劉雙，曲行達

(1.深圳大學 機電與控制工程學院人因工程研究所，深圳 518060； 2．中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院 艦船人因工程實驗室，北京 100081)

1 引言

近年來，隨著觸摸屏技術(shù)的迅速發(fā)展[1-3]，船舶、汽車、飛機等交通運輸工具上都裝備了觸摸屏設(shè)備[4]。這些交通運輸工具的一個重要特征是它們通常需要在晃動條件下運行。晃動條件下人體的生理反饋機制會與靜態(tài)條件有所不同[5]。長時間的晃動條件下，人體多會產(chǎn)生眩暈和不適感，其認知和運動能力都會有所減弱。另外，有研究表明，長期的晃動會對人的身體造成一定的傷害[6-7]。因此，晃動條件下的人機交互方式和績效會與一般靜態(tài)條件下不同[8-9]。

晃動條件是影響觸控操作績效的重要因素之一。Baldus 等人研究了人在運動越野的環(huán)境中使用3種輸入設(shè)備(鼠標、觸摸板和觸摸屏)執(zhí)行任務(wù)，哪一種輸入設(shè)備在運動的越野環(huán)境中具有最佳的可用性，他們的研究結(jié)果表明，鼠標和觸摸屏最適合這種環(huán)境[10]。Lin等人研究了晃動對電腦液晶顯示器視覺績效的影響，他們發(fā)現(xiàn)晃動頻率和幅度對反應(yīng)時間、正確率和視覺疲勞都有顯著影響[11]。Goode等人的研究也調(diào)查了車輛的越野運動對觸屏車載戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)可用性和工作負荷的影響。結(jié)果表明，運動條件的劇烈程度會顯著影響觸屏設(shè)備信息輸入任務(wù)的績效[8]。目前，研究人員對晃動條件下觸摸屏設(shè)備的人機交互操作的相關(guān)研究還十分匱乏，靜態(tài)條件下的觸屏任務(wù)在晃動條件下執(zhí)行時會有怎樣的效果，我們依然不夠清楚。

按鍵的大小和間距是觸摸屏按鍵最基本的特征因素，它們被前人廣泛研究[12-20]。Chen等人用一塊15英寸的觸摸屏模擬了ATM上的觸屏任務(wù)，對正常群體和有運動障礙的群體進行了關(guān)于按鍵特征的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)隨著按鍵大小的增大，對于兩類群體的操作績效有明顯的提升[21]。Tao等人也在一臺觸屏電腦上研究了觸摸屏按鍵特征(按鈕大小、按鈕間距、視覺反饋和按鈕形狀)對鍵盤輸入操作可用性的影響，他們發(fā)現(xiàn)按鍵的特征因素對鍵盤輸入操作的可用性有顯著影響[19]。Colle 等人研究了人站在售貨亭前使用觸摸屏時按鍵的大小和間距對觸摸屏數(shù)字鍵盤性能和用戶偏好的影響，他們的研究表明，按鍵的大小對操作績效有顯著影響，按鍵的尺寸越小，操作時間越長，錯誤率也越高；而按鍵間距對操作績效沒有影響[18]。而有相關(guān)的研究也表明，按鍵的間距對觸摸屏的操作績效沒有明顯的影響[22-23]。因此,按鍵間距對觸摸屏輸入性能的影響依然值得探討。雖然前人的許多研究探討了觸摸屏按鍵的大小和間距因素對操作績效的影響，但是他們并沒有在晃動條下對這些特征因素進行研究。并且，實際情況中如汽車、船舶等交通運輸工具上的觸摸屏按鍵操作是經(jīng)常需要在晃動條件下進行的。所以，研究晃動條件下按鍵的大小和間距因素依然顯得十分有意義。

按鍵的復雜度(如鍵盤按鍵的數(shù)量和組合程度)也是研究觸摸按鍵特性重要的因素之一，隨著按鍵復雜度的增加，意味著操作人員需要花費更多的時間和精力去完成任務(wù)，并且完成任務(wù)的正確率也可能會下降。現(xiàn)有關(guān)于按鍵復雜度的研究還比較缺乏，按鍵復雜度因素對觸屏按鍵任務(wù)績效的影響如何我們目前還不是很清楚。探討按鍵復雜度的目的是為了尋找設(shè)計最優(yōu)的虛擬鍵盤。這與前人對觸摸屏按鍵不同布局方式的研究方法十分類似[24-25]。而且，前人的許多研究都是探討在靜止條件下使用觸摸屏按鍵的性能，幾乎并沒有對晃動條件下的按鍵復雜度因素進行研究。

綜上所述,晃動條件下的觸屏按鍵特性是一個重要的研究方向。我們的研究模擬觸屏上日常使用的虛擬鍵盤(字母和數(shù)字)的輸入任務(wù)，通過對觸摸屏按鍵特性的輸入績效進行評估，為晃動條件下觸摸屏虛擬按鍵的設(shè)計找到一種最優(yōu)的設(shè)計方式。

2 研究方法

2.1 實驗設(shè)計與變量

研究采用4因子組內(nèi)設(shè)計方式，組內(nèi)因子包括晃動條件、按鍵大小、按鍵間距和按鍵復雜度。

2.1.1 自變量

實驗中的晃動條件分為3類：靜止、輕微晃動和中度晃動。輕微晃動和中度晃動的具體設(shè)置參數(shù)根據(jù)中國船舶工業(yè)總公司部規(guī)定的船艦設(shè)備環(huán)境實驗與工程導則設(shè)定[26](表1)，其中我們將橫搖、縱搖周期設(shè)為8 s、4 s，輕微晃動橫搖、縱搖幅度分別設(shè)為為6 mm、5 mm，中度晃動橫搖、縱搖幅度分別設(shè)為12 mm、10 mm，即中度晃動的幅度是輕微晃動幅度的兩倍。靜止狀態(tài)為實驗的對照組?？紤]到較高程度的晃動可能會引起受測者身體的不適，并使其無法執(zhí)行任何精確的任務(wù)[9]，一般采用較低程度的不舒適振動程度來進行實驗研究。因此，本研究中輕微和中度晃動中的加速度仍在ISO國際環(huán)境振動標準2631-1-1997中人體“稍微不舒服”狀態(tài)內(nèi)，適合進行涉及人員的晃動研究[27]。根據(jù)前人研究[18]，本研究按鍵大小因子分為4個水平，分別為10 mm、15 mm、20 mm和25 mm。按鍵間距因子分為2個水平，分別為1 mm、2 mm。按鍵復雜度因子分為4個水平，分別為2×2、3×3、4×4和5×5格按鍵的鍵盤。

表1 晃動平臺實驗量值

2.1.2 因變量

實驗測量的可用性指標包括客觀績效(任務(wù)完成時間和正確率)和主觀感知指標(感知任務(wù)難度)。任務(wù)完成時間指每一種輸入任務(wù)從界面出現(xiàn)到完成輸入操作的時間。正確率指每種輸入任務(wù)正確輸入的次數(shù)占任務(wù)總輸入次數(shù)的百分比。感知任務(wù)難度在每次任務(wù)完成后通過7分制量表(從1(非常簡單)到7(非常困難))測量。

2.2 受測者

24名在校大學生參與了此次研究。男女各12名，平均年齡為22.92歲(標準差1.89)。實驗的入選標準為具有正常(或矯正)視力，無色盲和色弱，無認知障礙，無暈船暈車等癥狀，能夠讀寫中文，具有正常肢體運動能力。

2.3 實驗材料和流程

實驗中采用一臺六自由度晃動實驗平臺模擬晃動條件?；蝿悠脚_三維空間的最大位移范圍為±225 mm，三個轉(zhuǎn)角自由度中，滾轉(zhuǎn)和偏航轉(zhuǎn)角最大范圍為±16°，俯仰轉(zhuǎn)角最大范圍為±20°。Dell觸屏電腦(23.8英寸；型號為P2418HT)用來呈現(xiàn)實驗界面。實驗界面程序由QT軟件開發(fā)。

在實驗開始前，我們讓符合實驗條件的受測者了解實驗?zāi)康暮土鞒?，填寫基本信息表格。然后，讓受測者坐上晃動實驗平臺，在晃動條件下適應(yīng)5 min，以確認無妨礙實驗進行的不適感。在正式實驗前，主試指導受測者進行適當?shù)木毩暼蝿?wù)。正式實驗中，受測者隨機選擇晃動順序。為了確保實驗遵循平衡對抗設(shè)計原則，三種晃動條件以相同比例的先后順序呈現(xiàn)給受測者。然后受測者按照界面指示盡快盡可能準確地完成實驗任務(wù)。實驗任務(wù)包括離散和連續(xù)輸入兩類任務(wù)。其中，離散任務(wù)指一次輸入單個字符，連續(xù)任務(wù)指一次輸入多個字符。兩類任務(wù)隨機出現(xiàn)。每種實驗條件下，每類任務(wù)都會出現(xiàn)兩次。每類任務(wù)完成后，會讓受測者對感知任務(wù)難度進行主觀問卷評價。受測者每完成一組晃動條件下的實驗休息5 min，然后再繼續(xù)下一種晃動條件下的實驗，直到受測者完成3種晃動條件下的所有實驗任務(wù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

重復測量的方差分析用來分析晃動條件、按鍵大小、按鍵間距和按鍵復雜度對績效指標和任務(wù)感知難度的影響。球形檢定用來判斷數(shù)據(jù)是否符合球形假設(shè)；若數(shù)據(jù)違反球形假設(shè)，則使用經(jīng)Greenhouse-Geisser校正的自由度和P值。數(shù)據(jù)通過SPSS 22軟件進行分析，顯著性水平為α=0.05。

3 實驗結(jié)果

3.1 離散任務(wù)

3.1.1 任務(wù)完成時間

方差分析表明(表2)，晃動條件和按鍵間距對任務(wù)完成時間無影響。按鍵復雜度對任務(wù)完成時間(F(1.809,39.8)=129.056,P<0.001)有顯著影響，隨著按鍵復雜度的增加，完成任務(wù)所需的時間越長。按鍵大小對任務(wù)完成時間F(3,66)=3.271,P=0.027)有顯著影響，按鍵越大，任務(wù)完成時間越短。晃動條件與按鍵大小對任務(wù)完成時間(圖1)、晃動條件與按鍵間距對任務(wù)完成時間無交互作用(圖2)。按鍵復雜度與按鍵間距對任務(wù)完成時間有交互作用(F(2.135,46.978)=6.929,P=0.002)(圖3)。在低按鍵復雜度時，兩種按鍵間距下的任務(wù)完成時間幾乎沒有差別；在高按鍵復雜度時，按鍵間距為1 mm時的任務(wù)完成時間比2 mm的更長。

圖1 離散任務(wù)下晃動與按鍵大小對完成時間的交互作用

圖2 離散任務(wù)下晃動與按鍵間距對完成時間的交互作用

圖3 離散任務(wù)下復雜度與間距對完成時間的交互作用

3.1.2 正確率

方差分析表明(表2)，晃動條件、按鍵大小、按鍵復雜度和按鍵間距對正確率都沒有顯著影響。晃動條件與按鍵大小、晃動條件與按鍵間距及按鍵復雜度與按鍵間距對正確率均不存在交互作用。

表2 離散輸入任務(wù)的任務(wù)完成時間和正確率

3.2 連續(xù)任務(wù)

3.2.1 任務(wù)完成時間

方差分析表明(表3)，晃動條件、按鍵間距對任務(wù)完成時間無影響；按鍵復雜度對任務(wù)完成時間F(3,66)=407.334,P<0.001)有顯著影響，按鍵復雜度越高，任務(wù)完成時間越長；按鍵大小對任務(wù)完成時間F(3,66)=4.272,P=0.008)有顯著影響，按鍵在15 mm處的任務(wù)完成時間最短。晃動條件與按鍵大小對任務(wù)完成時間(圖4)、晃動條件與按鍵間距(圖5)及按鍵復雜度與按鍵大小(圖6)對任務(wù)完成時間均不存在交互作用。

圖4 連續(xù)任務(wù)下晃動與按鍵大小對完成時間的交互作用

圖5 連續(xù)任務(wù)下晃動與按鍵間距對完成時間的交互作用

圖6 按鍵復雜度與按鍵大小對完成時間的交互作用

3.2.2 正確率

方差分析表明(表3)，晃動條件、按鍵間距和按鍵大小對正確率無顯著影響。按鍵復雜度對正確率F(3,66)=4.922,P=0.004)有顯著影響,按鍵復雜度越高，完成任務(wù)的正確率越低?；蝿訔l件與按鍵大小、晃動條件與按鍵間距及按鍵復雜度與按鍵間距對正確率均不存在交互作用。

3.3 感知任務(wù)難度

晃動條件對感知任務(wù)難度(F(2,44)=4.921,P=0.012)有顯著影響，隨著晃動程度的增加，受測者對任務(wù)的感知難度越高。按鍵大小對感知任務(wù)的難度有顯著影響(F(1.283,28.219)=7.432,P=0.007)，按鍵越大，受測者的感知任務(wù)難度越低；按鍵復雜度對感知任務(wù)難度(F(1.146,25.207)=24.948,P<0.001)有顯著影響，按鍵復雜度越高，受測者的感知任務(wù)難度越大；按鍵間距對感知任務(wù)難度沒有顯著影響?；蝿訔l件與按鍵大小、晃動條件與按鍵間距對任務(wù)完成時間及按鍵復雜度與按鍵大小對感知任務(wù)難度均不存在交互作用(圖7)。

圖7 按鍵復雜度與按鍵大小對感知任務(wù)難度的交互作用

表3 連續(xù)輸入任務(wù)的任務(wù)完成時間和正確率

4 討論

目前，雖然針對觸摸屏按鍵特征的相關(guān)研究較多[13,28-29]，但針對晃動條件下觸摸按鍵設(shè)計的研究卻很少。鑒于此，本研究探索了晃動條件下多種觸摸屏按鍵設(shè)計因素(按鍵復雜度、按鍵間距和按鍵大小)對人機交互操作可用性的影響。

實驗結(jié)果表明，輸入績效在實驗中的各種晃動條件下基本保持一致。晃動似乎并不會影響人的輸入績效。Lin等人的研究采用與我們的實驗類似的晃動條件，但是他們的研究表明，晃動對用戶的輸入設(shè)備(如鼠標、軌跡球和觸摸屏)操作績效有顯著影響[9]。對比我們的實驗，這似乎暗示晃動更傾向于影響不同肢體運動的操作(如利用各種輸入設(shè)備對信息進行選擇等)。Goode等人的研究也印證了這一推測,他們發(fā)現(xiàn)，晃動對觸摸屏上的信息提取操作(如閱讀坐標等)并無影響[8]。另外，我們發(fā)現(xiàn)，晃動對感知任務(wù)難度有顯著影響。這一結(jié)果與我們的預期一致。這表明，晃動會給受測者完成任務(wù)造成困難，晃動程度越大，受測者的感知任務(wù)難度越高，因而他們會需要調(diào)用更多的心理認知資源來應(yīng)對因晃動帶來的環(huán)境變化，從而保持穩(wěn)定的績效水平。

實驗采用四種不同大小的按鍵，實驗結(jié)果表明，按鍵大小對輸入績效和感知任務(wù)難度均有顯著影響。Tao等人研究按鍵大小(7.5 mm到27.5 mm以每5 mm遞增)對輸入設(shè)備操作績效影響，他們研究結(jié)果表明按鍵的大小對任務(wù)完成時間有顯著影響[19]。Kim等人的實驗也調(diào)查了觸摸屏按鍵大小對車載信息系統(tǒng)可用性和駕駛安全性的影響，他們發(fā)現(xiàn)隨著按鍵大小的增加，駕駛的安全性和可用性都有所增加，操作績效也會顯著提高[30]。我們的實驗也以5 mm為增量從10 mm到25 mm研究不同晃動條件下按鍵大小的特性，我們的研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[14,22,31-32]，這說明，晃動條件下，按鍵大小仍然是影響輸入操作績效的重要因素,并且,當按鍵大小為20 mm,觸摸屏具有最佳的輸入績效。

本實驗采用兩種按鍵間距，結(jié)果表明，按鍵間距對輸入績效和感知難度沒有顯著影響。這一結(jié)果與很多前人在靜態(tài)條件下的研究結(jié)論一致[17,18,20,22-33]。而我們的結(jié)果還進一步說明在晃動條件下，按鍵間距也不會引起觸摸屏輸入績效的變化。因而，按鍵間距可能并不是晃動條件下觸屏系統(tǒng)設(shè)計的重要因素。

本實驗采用4種不同的按鍵復雜度，按鍵復雜度對離散任務(wù)完成時間有顯著影響，但對正確率沒有影響；按鍵復雜度對連續(xù)任務(wù)完成時間和正確率均有顯著影響。同時，按鍵復雜度對感知任務(wù)難度也有顯著影響。隨著復雜度的增加，按鍵輸入時間變長，難度更大。這一結(jié)論與我們的預期一致，也與前人對觸摸屏按鍵不同布局方式的研究結(jié)果類似[24-25]。我們的結(jié)果表明，當按鍵復雜度從 3×3格增加到 4×4格時，任務(wù)績效(主要是完成時間)會顯著下降 。

我們的研究結(jié)果可以為晃動條件下觸摸屏虛擬鍵盤界面的設(shè)計提供一些指導建議。首先,晃動條件并不會影響觸摸屏的輸入績效，這說明靜止條件下的觸摸屏按鍵設(shè)計方案可以謹慎的應(yīng)用在晃動條件下。其次，當按鍵大小為20 mm,觸摸屏具有最佳的輸入績效，并且在按鍵大小超過20 mm時，觸摸屏的輸入績效幾乎不再有太大的變化，因此，晃動條件下的按鍵大小設(shè)計可以20 mm為參考值。第三，按鍵間距可能并不是晃動條件下觸摸屏界面設(shè)計的重要因素，在界面較為局限的情況下，刪除間距能節(jié)省屏幕空而不會使績效變差。最后，觸摸儀表按鍵個數(shù)(復雜度)增加會顯著降低操作績效，增加操作難度。在設(shè)計觸摸儀表按鍵時，應(yīng)控制單個區(qū)域的按鍵數(shù)以 3×3格(9個按鍵)為宜，現(xiàn)有的一些儀表格局也可通過重組或者重新設(shè)計來提高操作績效。

我們的研究也存在著一些不足。例如，我們的結(jié)論僅僅是在規(guī)律性的晃動實驗條件中得到的，真實的船舶晃動狀態(tài)可能更加復雜，實驗結(jié)果是否適用需要進一步確認。其次，我們選取的是無暈船暈車癥狀的受測者，實驗期間幾乎不會產(chǎn)生眩暈感；因而人體在眩暈狀態(tài)下的操作績效如何有待探索。另外，我們的研究結(jié)果局限在坐姿情境，站立姿勢下個體的行為方式可能與坐姿不同，實驗結(jié)果是否一致仍然需要進一步驗證。未來的研究可以針對具體任務(wù)在更加多樣化的晃動條件和操作姿勢下進行實驗，更加全面綜合地評估所提出的界面設(shè)計方案。

5 結(jié)論

本研究探究了晃動狀態(tài)和3種觸摸屏界面設(shè)計因素對觸摸輸入可用性的影響。研究表明，實驗晃動條件下用戶的輸入績效可以保持和靜止狀態(tài)一致。按鍵大小和按鍵復雜度仍然是影響晃動條件下觸摸屏輸入操作績效的重要因素，而按鍵間距并不會影響晃動條件下的觸摸輸入操作。實驗結(jié)果對晃動條件下觸摸屏按鍵的設(shè)計具有重要的參考意義。