三維觸控交互設(shè)計及人本性探討

王子凱 李拜天

摘? 要：三維觸控交互是在多點觸控交互技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型交互技術(shù)方法。根據(jù)三維觸控技術(shù)的交互特點，試圖探究三維觸控交互對多點觸摸交互帶來的益處以及交互中的應(yīng)用前景。結(jié)合已經(jīng)應(yīng)用在APP中的三維觸控交互方式，進行三維觸控交互設(shè)計的分析和框架建構(gòu)。三維觸控交互設(shè)計應(yīng)該以簡化用戶操作流程以及模擬現(xiàn)實交互方式為原則，從而可以為用戶帶來更便捷快速的交互體驗，同時以積極的交互反饋方式讓用戶真正達到直覺交互的目的。

關(guān)鍵詞：三維觸控;多點觸摸;交互設(shè)計; 移動設(shè)備;人本性

多點觸控交互技術(shù)已經(jīng)誕生了許多年，但這種交互技術(shù)是建立在二維觸控屏基礎(chǔ)上的。在引入了多點觸控交互技術(shù)后，人們的交互方式在一定程度上得到了改善，但在某種程度上產(chǎn)生了一些問題。如必須一直注視著屏幕，多點觸控屏并沒有傳統(tǒng)的按鍵鍵盤給手指以回饋，造成一定程度的誤操作，因此反而會降低用戶體驗感。近期，一些廠商開發(fā)出可以感應(yīng)手指壓感的觸控技術(shù)，在原有二維觸控交互的基礎(chǔ)上通過增加一個維度提高觸控屏交互的可用性。

一、三維觸控交互概述

（一）三維觸控交互的概念

三維觸控交互是在多點觸控交互技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型交互技術(shù)方法。它通過集成在觸控屏下的傳感器感知不同的壓感力度，同時結(jié)合多點觸控給用戶帶來新的交互體驗。目前的三維觸控交互技術(shù)應(yīng)用的范圍主要是在移動設(shè)備的多點觸摸屏上。

（二）三維觸控交互的特點

當(dāng)前在移動設(shè)備上的三維觸控應(yīng)用主要是為多點觸摸屏操作增加了一個控制維度。類似于桌面系統(tǒng)中的鼠標(biāo)右鍵功能，用戶能夠通過手指壓按就實現(xiàn)多層內(nèi)容的暫時顯示。提高了多點觸控的操作效率。雖然一般看來可能會被簡單理解為鼠標(biāo)右鍵功能，但是它能夠與二維觸摸屏手勢相配合，形成多種交互操控。與常規(guī)二維多點觸摸交互不同的是，在用戶對屏幕的壓按觸發(fā)了三維觸控交互時，設(shè)備上集成的振動組件會給用戶合適的振動反饋。這樣的反饋彌補了二維觸控操作時用戶無法及時判定操作是否成功的缺點。

二、三維觸控技術(shù)

（一）三維觸控技術(shù)

三維觸控技術(shù)由蘋果公司于2014年提出，并應(yīng)用在Apple watch以及MacBook上。當(dāng)時蘋果公司把這一技術(shù)稱作force touch。通過force touch，設(shè)備可以感知輕壓以及重壓的力度，并調(diào)出不同的對應(yīng)功能。同時對其重壓的操作進行反饋。

Apple watch由于體積小，可以交互的界面空間很有限。所以在交互時需要對現(xiàn)有的交互界面進行擴展。對按壓力度的感應(yīng)和反饋是操作多點觸摸屏?xí)r最直接的擴展。多點觸摸屏技術(shù)在誕生時就存在無法通過手指反饋用戶操作的問題，只是由于多點觸摸屏給用戶帶來的好處遠大于傳統(tǒng)物理按鍵，這個問題才沒有成為改進的重點。

MacBook搭載的觸控板已經(jīng)使用了多年，從早期配合物理按鍵的觸控板到整塊的多點觸控板，MacBook不僅在厚度尺寸控制上有了巨大進步，在筆記本電腦的人機交互上也得到了長足進步。最新版本的MacBook以及MacBook pro搭載的force touch觸控板無論用戶點按觸控板表面的哪個位置，都能得到靈敏且效果一致的點擊響應(yīng)。而且在操作觸控板的時候，用戶還會感受到其發(fā)出的觸覺振動，在屏幕上看到的內(nèi)容還可以通過觸覺感知。

2015年推出的iPhone 6s中，蘋果公司稱為新一代多點觸控技術(shù)的3D touch，則是三維觸控技術(shù)的正式全面應(yīng)用。3D touch支持更復(fù)雜的壓按感應(yīng)，它由集成在觸摸屏下的壓力感應(yīng)器與振動組件構(gòu)成（如圖1）。壓力傳感器會測量表層玻璃與背光源之間微小的距離變化，測量出的結(jié)果與觸動傳感器和加速度傳感器信號相結(jié)合，最終將這些信號轉(zhuǎn)換為捕捉壓按屏幕的不同力度傳給iPhone。同時，配合taptic引擎 ，iPhone能夠?qū)⒏蛹毼⒌恼駝臃答伝仞伣o用戶，讓用戶能夠及時準(zhǔn)確地對自己的壓力操控進行反饋認(rèn)知。從而達到更加自然高效的交互目標(biāo)。三維觸控交互從技術(shù)上說，不僅僅是集成了幾個傳感器這么簡單，而是運用軟件與硬件的整合機制創(chuàng)造了新的交互體驗。因為在對用戶壓按屏幕的識別過程中，軟件系統(tǒng)必須過濾掉一些非主動操作產(chǎn)生的屏幕壓按數(shù)據(jù)。推出這個交互的可能其實并非想象中那么簡單。

當(dāng)前，華為、中興、微軟等公司也研發(fā)了類似的技術(shù)，可以實現(xiàn)基本的壓力感應(yīng)。

（二）三維觸控技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前三維觸控技術(shù)主要是由iPhone的各項應(yīng)用為大家所關(guān)注。在iPhone上的主要應(yīng)用有以下幾種：

1.快捷操作

用戶在屏幕上用力按一個圖標(biāo)會彈出一層半透明菜單，里面包含了該應(yīng)用下的一些快捷操作，在郵件列表上用力按可以快速彈開窗口查看郵件。在郵件列表當(dāng)中，用力按郵件列表里的一條郵件就會顯示完整郵件內(nèi)容，松手就會關(guān)掉，而無需再使用左右滑動操作來實現(xiàn)打開和關(guān)閉操作（如圖2）。

除此之外，在蘋果公司出品的APP以及用戶使用度非常高的APP中，壓按都能夠結(jié)合快捷方式方便用戶的操作，為用戶越過部分層級界面創(chuàng)造了一個橋梁。比如：輕按電話的圖標(biāo)就可以查看最近聯(lián)系人;按壓相機桌面圖標(biāo)就可以彈出下拉菜單直接選擇快速自拍;按壓圖片庫可以快速瀏覽大圖;輕輕壓按彈出窗口預(yù)覽郵件內(nèi)容，增加拇指壓力時則可以全屏;在日程安排中輕輕用力按航班信息即可彈出窗口顯示航班信息。按住地圖圖標(biāo)即可彈出一些快速選項，Instagram中可以直接進入自己的時間流或者友鄰動態(tài)，在相機中可以通過輕按相機預(yù)覽拍的照片。加入這些快捷操作后，三維觸控大幅度提升了手機操作的效率。而且在iOS9中可以快速通過邊緣輕按調(diào)出后臺，這不僅僅提高了交互的效率，還為蘋果一直以來被人們聚焦的HOME鍵減輕了不少壓力，用戶再也不必一直擔(dān)心HOME鍵會勞損失效了。重要的一點是，被蘋果命名為Peek和Pop手勢被激活后，iPhone都會相應(yīng)地給用戶一個震動提示。這兩個手勢的操作反饋響應(yīng)時間可迅捷到10ms和15ms。

2.喚醒隱藏功能

在提升了相機的像素之后，iPhone還將相機與3D-Touch技術(shù)結(jié)合，在相機中增加拍攝動態(tài)圖片的功能選項，查看時只需要用一定力道向圖片按下去，圖片就會動起來（如圖3）。

3.增加操作的變化

在iOS9更新的備忘錄中，用戶可以利用3D touch在記事本中根據(jù)自己的需要繪制帶有輕重筆畫的內(nèi)容。這樣就大大增加了備忘錄的手寫記錄功能應(yīng)用的深度。用戶可以更自然地操作畫筆，就像在現(xiàn)實生活中一樣。

三、三維觸控交互設(shè)計原則探討

（一）三維觸控為移動設(shè)備交互帶來的好處

1.快捷的頁面層級切換和自然操作

蘋果第一代iPhone的電容觸摸屏改變了手機等小尺寸電子設(shè)備的交互形式，人們不再需要手寫筆來實現(xiàn)精準(zhǔn)點觸，而是更符合人體工學(xué)的滑動、點擊式觸摸，這顯然是一種進步。而隨著時間的推移，移動系統(tǒng)越來越復(fù)雜，由于移動設(shè)備屏幕尺寸有限，大部分的應(yīng)用程序界面都是獨占式的，這就給用戶使用多層次界面帶來的困難。用戶不得不在各種界面中切換，而且這種切換經(jīng)常無法確認(rèn)當(dāng)前頁面在整個界面中的層次。

3D Touch觸摸屏的出現(xiàn)，在很大程度上簡化了滑動翻頁的操作。通過加大按壓力度，在iPhone 6s上可以輕松地開啟二級菜單，松開后則無縫切換到此前的界面，這顯然是更加人性化、更加方便的。蘋果會在iOS 10、iOS 11上將3D Touch更好地融入到系統(tǒng)中，并且第三方軟件廠商也會逐漸利用這個特性，從而提升整個iOS生態(tài)系統(tǒng)的操作體驗。

2.直覺交互建立現(xiàn)實與虛擬的橋梁

在引入3D touch后，使蘋果出品的一些應(yīng)用軟件煥發(fā)了新的活力。如備忘錄中的速繪記事本中的壓力畫筆，還有GarageBand中的壓力感應(yīng)鋼琴。這些軟件通過三維觸控提升的功能不需要用戶進行任何學(xué)習(xí)過程，用戶只需要按現(xiàn)實生活中的操作方法，就可以得到接近現(xiàn)實生活的操作反饋。將人機交互與現(xiàn)實生活中的交互無縫連接，必然是交互設(shè)計的最高追求目標(biāo)。

（二）三維多點觸控交互設(shè)計需要考慮的問題

在引入三維觸控交互后，交互設(shè)計需要考慮以下幾個方面：簡化多點觸控的操作流程;以不同的反饋帶給用戶即時高效的體驗。

由于目前的三維觸控仍然是基于多點觸控屏，它帶來的z軸縱深的交互只停留在對壓力的感應(yīng)上，并不能夠完成像X軸和Y軸平面多點觸摸那樣進行廣度的交互設(shè)計創(chuàng)造。所以三維觸控的設(shè)計應(yīng)與其他交互方式相配合的設(shè)計方法，用于提高其他交互設(shè)計便利性、提升效率。

（三）三維觸控交互設(shè)計原則探討

三維觸控交互將多點觸摸交互帶入了三維時代。但是這只是一個開始，真正想要利用三維觸控幫助人們提高多點觸摸用戶體驗，仍需要靠廣大APP交互設(shè)計師及開發(fā)人員繼續(xù)深度挖掘它的潛力。三維觸控的交互設(shè)計應(yīng)該向以下幾個方面發(fā)展：

1.擴展二維觸控的功能，達到簡化操作流程的目的

三維觸控主要是為了解決多點觸摸交互時產(chǎn)生的幾個問題以及避免二維觸摸手勢的局限。

在二維多點觸控交互設(shè)計中，主要是拓展了用戶在平面上的維度，使得很多平面形象化的手勢得以運用在交互設(shè)計中。而三維觸控則又把這些交互方式的組合拓展到三維中，使得這些交互方式的組合以幾何數(shù)字增長了，這才是三維觸控交互的重點。

由于可以運用的可能性大大增加了，交互設(shè)計的方向就需要以用戶為中心來考慮三維觸控的交互應(yīng)用。當(dāng)前大部分運用三維觸控的方式是隱藏式的，所以三維觸控在學(xué)習(xí)成本上有所提高。當(dāng)人們最初接觸這種交互方式的時候，并不一定能夠很好地利用直覺來觸發(fā)三維觸控的操作。目前為止，三維觸控只是以輔助多點觸摸的各種手勢以及操作來實現(xiàn)的。等到三維觸控操作在一大部分用戶心中形成習(xí)慣之后，三維觸控才能進一步完成更多的任務(wù)，讓人們真正實現(xiàn)直覺交互，最大程度提高交互效率和體驗。

2.模擬現(xiàn)實行為交互設(shè)計的原則

三維觸控交互的另一個方向是模擬現(xiàn)實行為。在目前已經(jīng)有所應(yīng)用，比如鋼琴軟件，可以利用三維觸控的壓力感應(yīng)捕捉用戶點按鋼琴的輕重，從而在音調(diào)和音量上給予反饋。這樣就最大限度地模擬了人們在現(xiàn)實中彈奏鋼琴的情景，給用戶帶來全新的體驗。還有繪圖軟件也是這樣，捕捉用戶壓按屏幕的力度，就能夠操作虛擬畫筆進行繪圖筆畫的輕重力度的控制。

這種應(yīng)用還能夠直接運用在游戲中，比如當(dāng)前比較熱門的競速類游戲，對于賽車油門和剎車的控制——從電腦游戲開始就存在的弊端，應(yīng)用三維觸控的壓力感應(yīng)就可以完美解決。今后玩家只需要像現(xiàn)實中對油門和剎車的輕重控制就可以很好地操控競速類游戲，達到游戲操作和現(xiàn)實中操控一樣的體驗。

3.考慮特殊群體的交互設(shè)計應(yīng)用

由于智能移動終端的表現(xiàn)及功能的多樣性，不僅僅在個人娛樂、個人計算的領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，在醫(yī)療領(lǐng)域及康復(fù)領(lǐng)域也有著很大的應(yīng)用空間。使用智能移動終端的多媒體表現(xiàn)功能，三維觸控的壓力感應(yīng)可以用在中風(fēng)康復(fù)的訓(xùn)練中。病人可以通過壓按屏幕獲得多媒體聲光電多方面的反饋，從而進一步改善康復(fù)流程以及康復(fù)體驗。對于特殊人群的關(guān)注一直是高科技應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，這種類型的應(yīng)用同樣可以用在很多醫(yī)療和康復(fù)項目中。

（四）三維觸控當(dāng)前存在的問題

當(dāng)然，3D Touch也存在一些缺點，首先是復(fù)雜性。對于大部分人來說，滑動、點擊是最為直觀、容易理解的操作，這出于人類的本能。但在點擊中加入壓力感應(yīng)，就稍微復(fù)雜了。如果再將按壓力度分為三個層次、加入不同的UI，就顯得更為復(fù)雜。從某種角度來說，如果一款產(chǎn)品需要用戶費腦子去理解，那么在易用性方面就算不上成功。

其次，從人體生理學(xué)的角度來看，手指實現(xiàn)不同壓力顯然與運動神經(jīng)有關(guān)，如果長時間頻繁操作，可能會讓一些人感到不適。當(dāng)然，蘋果可以從軟件方面對壓力敏感級別進行微調(diào)，實現(xiàn)更舒適的體驗。

四、結(jié)語

隨著APP交互設(shè)計師和開發(fā)人員對三維觸控的不斷深入研究，三維觸控將會更多地被運用在APP交互中。用戶可以期待更好、更高效、更自然的交互方式，應(yīng)用于移動設(shè)備的APP中。更好地發(fā)揮三維觸控的優(yōu)勢，利用多種傳感器的共同協(xié)作效應(yīng)，使三維觸控交互設(shè)計在保證用戶操作可靠性的同時，向直覺交互、自然交互的方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]MESSNER C，WANKE M，WEIBEL C.Unconscious Person- nel Selection[J].Social Cognition，2011（6）：699-710.

[2]肖紅，郭歌.多感官人機交互界面的視覺設(shè)計原則[J].包裝工程，2012（8）：35-37.

[3]KARAPANOS E， ZIMMERMAN J，F(xiàn)ORLIZZI J，et al.User Experience Over Time：an Initial Framework[C].New York：In Proceedings of the 27th International Conference on Human Factors in Computing Systems，2009：729-738.

[4]習(xí)牧歌.HCI 敲開未來科技的門——智能人機交互技術(shù)引發(fā)的產(chǎn)業(yè)革新[J].中關(guān)村，2012（2）：92-96.

[5] RAND G，GREENE D，NOWAK A.Spontaneous Giving and Calculated Greed[J].Nature，2012（9）：427-430.

[6] Michael N. Fink J. Kumar V. Cooperative manipulation and transportation with aerial robots [J].Autonomous Robots，2011（1）：73-86.

[7]王林，蔣曉.反饋機制在移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].包裝工程，2013（16）：85-89.

[8]劉月林，李虹.基于概念隱喻理論的交互界面設(shè)計[J].包裝工程，2012（22）：17-19.

[9]曾麗霞，蔣曉，戴傳慶. 可穿戴設(shè)備中手勢交互的設(shè)計原則[J]. 包裝工程，2015（22）：135-138.

作者簡介：王子凱，碩士，上海理工大學(xué)出版印刷與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院動畫系副教授。

李拜天，碩士，上海理工大學(xué)出版印刷與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院動畫系助教。