问说网 · 发表于 2014-09-13

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自然用户界面的基础研究(2)

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运动模型与刺激反应相容性

运动模型对分析、设计和评估用户与界面的交互能力有着重要的指导作用。研究者们在运动模型方面做了许多工作。1954年费兹对指点任务进行建模,通过实验得出了任务难度和运动时间的关系公式——费兹定律,从而能够直接指导界面设计。近年来,研究人员在运动建模方面也取得了一些成果,例如,约翰尼·鄂考特(Johnny Accot)和翟树民借鉴了费兹定律的思路,针对基于轨迹的交互(如笔交互等),通过大量实验总结出了Steeringlaw;曹翔和翟树民设计了CLC模型,用于对笔手势进行建模。

与费兹定律一样,基于香农信息论发展而来的希克-海曼定律(Hick-Hyman Law)没有得到学术界足够的关注。希克-海曼定律主要用于对交互中的选择-反应时间进行建模。但近年来,随着新型人机交互技术的不断涌现,基于该理论的刺激反应相容性(stimulus-response compatibility)逐步成为一个新的研究点。刺激反应相容性是指界面的可视刺激同用户运动反应的匹配程度。它对界面组件、交互技术的设计有着重要的指导作用。尤其对于倡导连续性交互的自然用户界面而言,相容的刺激-反应会显著提高界面的操作效率,反之则会大大降低。

基于刺激-反应相容性的交互状态呈现及手势技术

传统的人机交互有两个重要的问题限制了用户交互能力的提高。一是用户操作状态的自然呈现问题,即用户无法感知当前的自身交互状态:如传统的光标;二是系统交互状态的切换问题,即用户需要执行手动的交互任务,来选择内容输入和命令输入状态。为解决这两个问题,我们的研究思路是将笔尖动作与笔尾动作通道融合,基于刺激-反应相容性理论,探索对tilt等三维笔交互动作的可视化方法及其对交互过程的影响。基于此设计实现了tilt cursor,原理如图4所示。它可以根据笔的倾角和高度信息,动态调整光标的形状,从而实时反映用户的三维握笔状态。

在此基础上,通过分析笔倾斜运动的用户性能,提出了基于三维笔交互动作的无模式状态切换方法,并设计实现了一种新的命令选择组件—— TiltMenu,用于扩展笔式用户界面中的选择能力。它可以在用户用笔尖执行交互任务的过程中,同步产生一个新的输入通道,用于选择命令或参数。如图 5(a)所示,利用笔的倾角信息,Tilt Menu可以支持在自由勾画等连续交互任务中,将命令选择和直接操纵有机地结合,而不需要第二只手的参与。从图5(b)可以看出,Tilt Menu形如饼型菜单(piemenu),但二者的交互完全不同。饼型菜单是通过对选项的点击操作进行选择,而Tilt Menu是利用笔的倾斜信息进行选择。当笔的倾斜光标的末端接触到某个选项的边界时,则该选项被选中。

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通过与目前国际最新的主流交互技术进行多个可用性实验比较,得出相关的技术可显著提高用户在交互过程中的刺激-反应相容性,并可显著减少任务完成时间,降低错误率。交互自然性的关键在于如何结合认知心理学成果,理解并构建人与计算环境的交互控制机制和界面呈现模式。刺激-反应相容性理论的应用为自然用户界面的基础研究提供了一种新的思路。

传统文化的利用

随着计算技术的发展,普通用户同信息技术之间的鸿沟越来越明显,对中国、印度等发展中国家而言情况更加严重。ICT4D(Informationand Communication Technologiesfor Development),即研究利用信息技术来提高发展中国家的教育、文化、生活水平,这已经成为人机交互领域研究的热点。如何让不同种族和文化的儿童、老人等非计算机专业用户方便地利用信息技术,是需要研究的关键问题。在这里,我们引用唐纳德·诺曼有关人机交互的7个阶段的描述来阐述自然人机交互的本质。在这7个阶段中,人机交互往往受制于两个方面:Gulf of Execution和Gulf of Evaluation。自然交互正是通过利用用户日常生活中的既有知识和经验,来突破这两个制约。针对非计算机专业用户,尤其是发展中国家和地区的人们而言,更需如此。

基于传统文化的沉浸式自然交互

美国的加州大学伯克利分校和卡耐基梅隆大学的人机交互专家目前正在研究如何利用手机来帮助印度贫民窟的孩子学习英文,主要思路是在手机上设计相关的学习游戏,这些游戏则来源于印度儿童日常所玩的传统游戏。

与在手机上复制游戏不同,我们采用沉浸式自然交互的思路,利用中国的传统文化形式,将手机和其它计算设备融入其中。儿童在进行传统文化活动和游戏的同时,利用手写、语音、视觉、动作等多种交互通道进行学习和其他活动,并将传统文化中的关键元素和形式体现在交互技术和协作形式的设计中。这种方法利用儿童在日常活动中已经形成的经验和知识,大大提高了交互的自然性,减轻了认知负担,并且通过传统文化的形式可提高孩子们的学习和活动兴趣。

更为重要的是,将信息技术引入到传统的学习和文化活动中,带来了传统教学方式和活动方式在角色、活动规则、协作方式等方面的深刻变化。教学形式由被动的学习转换为主动的学习,孩子们通过争论、判断和自我纠正的迭代过程来学习知识。这种形式很难通过传统的课堂教学方式实现。

作为“面向发展中国家的移动和沉浸式识字研究”(Mobile and Immersive Learning for Literacyin Emerging Economic)的国内合作者,我们与美国的卡耐基梅隆大学、加州大学伯克利分校合作,利用手机等交互设备,针对发展中国家的教育问题展开研究。

通过已在北京、河南等多所全日制小学和打工子弟小学进行的实地研究,以及对上百名儿童进行的用户研究和可用性分析,我们发现相关的研究成果不仅可以增强儿童的创造性、学习和协作能力,还可以帮助孩子们获得同课堂学习一样的效果,成为课堂学习的有益补充。

结语

目前,针对自然用户界面的基础研究已经有了一些初步的成果,但从整体而言仍然处于起步阶段,没有形成相应的理论体系,也缺乏类似GOMS、费兹定律那样完善的用户界面模型和方法。例如,罗伯特·雅各布(Robert Jacob)教授所提出的基于现实的人机交互(reality-based interaction)力图归纳自然人机交互方式所具有的共性特征,但目前仍停留在概念阶段,有待进一步的分析和验证。著名的人机交互学者斯图尔特·卡德(StuartCard)在2009年的HCIC(Human Computer InteractionConsortium)上针对目前人机交互领域研究现状的一句评价:“Glass is half full”可成为本文的总结。未来亟待人机交互界的研究者在基础领域开展深入研究,并利用所产生的重要成果来指导自然用户界面的设计和评估,从而帮助自然用户界面的健康发展,为下一代用户界面的到来提供理论准备。

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