晃动条件下触摸屏按键设计特征因素的可用性研究

陶达，张旭，蔡剑，刘双，曲行达

(1.深圳大学 机电与控制工程学院人因工程研究所，深圳 518060； 2．中国船舶工业综合技术经济研究院 舰船人因工程实验室，北京 100081)

1 引言

近年来，随着触摸屏技术的迅速发展[1-3]，船舶、汽车、飞机等交通运输工具上都装备了触摸屏设备[4]。这些交通运输工具的一个重要特征是它们通常需要在晃动条件下运行。晃动条件下人体的生理反馈机制会与静态条件有所不同[5]。长时间的晃动条件下，人体多会产生眩晕和不适感，其认知和运动能力都会有所减弱。另外，有研究表明，长期的晃动会对人的身体造成一定的伤害[6-7]。因此，晃动条件下的人机交互方式和绩效会与一般静态条件下不同[8-9]。

晃动条件是影响触控操作绩效的重要因素之一。Baldus 等人研究了人在运动越野的环境中使用3种输入设备(鼠标、触摸板和触摸屏)执行任务，哪一种输入设备在运动的越野环境中具有最佳的可用性，他们的研究结果表明，鼠标和触摸屏最适合这种环境[10]。Lin等人研究了晃动对电脑液晶显示器视觉绩效的影响，他们发现晃动频率和幅度对反应时间、正确率和视觉疲劳都有显著影响[11]。Goode等人的研究也调查了车辆的越野运动对触屏车载战斗管理系统可用性和工作负荷的影响。结果表明，运动条件的剧烈程度会显著影响触屏设备信息输入任务的绩效[8]。目前，研究人员对晃动条件下触摸屏设备的人机交互操作的相关研究还十分匮乏，静态条件下的触屏任务在晃动条件下执行时会有怎样的效果，我们依然不够清楚。

按键的大小和间距是触摸屏按键最基本的特征因素，它们被前人广泛研究[12-20]。Chen等人用一块15英寸的触摸屏模拟了ATM上的触屏任务，对正常群体和有运动障碍的群体进行了关于按键特征的相关研究，发现随着按键大小的增大，对于两类群体的操作绩效有明显的提升[21]。Tao等人也在一台触屏电脑上研究了触摸屏按键特征(按钮大小、按钮间距、视觉反馈和按钮形状)对键盘输入操作可用性的影响，他们发现按键的特征因素对键盘输入操作的可用性有显著影响[19]。Colle 等人研究了人站在售货亭前使用触摸屏时按键的大小和间距对触摸屏数字键盘性能和用户偏好的影响，他们的研究表明，按键的大小对操作绩效有显著影响，按键的尺寸越小，操作时间越长，错误率也越高；而按键间距对操作绩效没有影响[18]。而有相关的研究也表明，按键的间距对触摸屏的操作绩效没有明显的影响[22-23]。因此,按键间距对触摸屏输入性能的影响依然值得探讨。虽然前人的许多研究探讨了触摸屏按键的大小和间距因素对操作绩效的影响，但是他们并没有在晃动条下对这些特征因素进行研究。并且，实际情况中如汽车、船舶等交通运输工具上的触摸屏按键操作是经常需要在晃动条件下进行的。所以，研究晃动条件下按键的大小和间距因素依然显得十分有意义。

按键的复杂度(如键盘按键的数量和组合程度)也是研究触摸按键特性重要的因素之一，随着按键复杂度的增加，意味着操作人员需要花费更多的时间和精力去完成任务，并且完成任务的正确率也可能会下降。现有关于按键复杂度的研究还比较缺乏，按键复杂度因素对触屏按键任务绩效的影响如何我们目前还不是很清楚。探讨按键复杂度的目的是为了寻找设计最优的虚拟键盘。这与前人对触摸屏按键不同布局方式的研究方法十分类似[24-25]。而且，前人的许多研究都是探讨在静止条件下使用触摸屏按键的性能，几乎并没有对晃动条件下的按键复杂度因素进行研究。

综上所述,晃动条件下的触屏按键特性是一个重要的研究方向。我们的研究模拟触屏上日常使用的虚拟键盘(字母和数字)的输入任务，通过对触摸屏按键特性的输入绩效进行评估，为晃动条件下触摸屏虚拟按键的设计找到一种最优的设计方式。

2 研究方法

2.1 实验设计与变量

研究采用4因子组内设计方式，组内因子包括晃动条件、按键大小、按键间距和按键复杂度。

2.1.1 自变量

实验中的晃动条件分为3类：静止、轻微晃动和中度晃动。轻微晃动和中度晃动的具体设置参数根据中国船舶工业总公司部规定的船舰设备环境实验与工程导则设定[26](表1)，其中我们将横摇、纵摇周期设为8 s、4 s，轻微晃动横摇、纵摇幅度分别设为为6 mm、5 mm，中度晃动横摇、纵摇幅度分别设为12 mm、10 mm，即中度晃动的幅度是轻微晃动幅度的两倍。静止状态为实验的对照组。考虑到较高程度的晃动可能会引起受测者身体的不适，并使其无法执行任何精确的任务[9]，一般采用较低程度的不舒适振动程度来进行实验研究。因此，本研究中轻微和中度晃动中的加速度仍在ISO国际环境振动标准2631-1-1997中人体“稍微不舒服”状态内，适合进行涉及人员的晃动研究[27]。根据前人研究[18]，本研究按键大小因子分为4个水平，分别为10 mm、15 mm、20 mm和25 mm。按键间距因子分为2个水平，分别为1 mm、2 mm。按键复杂度因子分为4个水平，分别为2×2、3×3、4×4和5×5格按键的键盘。

表1 晃动平台实验量值

2.1.2 因变量

实验测量的可用性指标包括客观绩效(任务完成时间和正确率)和主观感知指标(感知任务难度)。任务完成时间指每一种输入任务从界面出现到完成输入操作的时间。正确率指每种输入任务正确输入的次数占任务总输入次数的百分比。感知任务难度在每次任务完成后通过7分制量表(从1(非常简单)到7(非常困难))测量。

2.2 受测者

24名在校大学生参与了此次研究。男女各12名，平均年龄为22.92岁(标准差1.89)。实验的入选标准为具有正常(或矫正)视力，无色盲和色弱，无认知障碍，无晕船晕车等症状，能够读写中文，具有正常肢体运动能力。

2.3 实验材料和流程

实验中采用一台六自由度晃动实验平台模拟晃动条件。晃动平台三维空间的最大位移范围为±225 mm，三个转角自由度中，滚转和偏航转角最大范围为±16°，俯仰转角最大范围为±20°。Dell触屏电脑(23.8英寸；型号为P2418HT)用来呈现实验界面。实验界面程序由QT软件开发。

在实验开始前，我们让符合实验条件的受测者了解实验目的和流程，填写基本信息表格。然后，让受测者坐上晃动实验平台，在晃动条件下适应5 min，以确认无妨碍实验进行的不适感。在正式实验前，主试指导受测者进行适当的练习任务。正式实验中，受测者随机选择晃动顺序。为了确保实验遵循平衡对抗设计原则，三种晃动条件以相同比例的先后顺序呈现给受测者。然后受测者按照界面指示尽快尽可能准确地完成实验任务。实验任务包括离散和连续输入两类任务。其中，离散任务指一次输入单个字符，连续任务指一次输入多个字符。两类任务随机出现。每种实验条件下，每类任务都会出现两次。每类任务完成后，会让受测者对感知任务难度进行主观问卷评价。受测者每完成一组晃动条件下的实验休息5 min，然后再继续下一种晃动条件下的实验，直到受测者完成3种晃动条件下的所有实验任务。

2.4 数据分析

重复测量的方差分析用来分析晃动条件、按键大小、按键间距和按键复杂度对绩效指标和任务感知难度的影响。球形检定用来判断数据是否符合球形假设；若数据违反球形假设，则使用经Greenhouse-Geisser校正的自由度和P值。数据通过SPSS 22软件进行分析，显著性水平为α=0.05。

3 实验结果

3.1 离散任务

3.1.1 任务完成时间

方差分析表明(表2)，晃动条件和按键间距对任务完成时间无影响。按键复杂度对任务完成时间(F(1.809,39.8)=129.056,P<0.001)有显著影响，随着按键复杂度的增加，完成任务所需的时间越长。按键大小对任务完成时间F(3,66)=3.271,P=0.027)有显著影响，按键越大，任务完成时间越短。晃动条件与按键大小对任务完成时间(图1)、晃动条件与按键间距对任务完成时间无交互作用(图2)。按键复杂度与按键间距对任务完成时间有交互作用(F(2.135,46.978)=6.929,P=0.002)(图3)。在低按键复杂度时，两种按键间距下的任务完成时间几乎没有差别；在高按键复杂度时，按键间距为1 mm时的任务完成时间比2 mm的更长。

图1 离散任务下晃动与按键大小对完成时间的交互作用

图2 离散任务下晃动与按键间距对完成时间的交互作用

图3 离散任务下复杂度与间距对完成时间的交互作用

3.1.2 正确率

方差分析表明(表2)，晃动条件、按键大小、按键复杂度和按键间距对正确率都没有显著影响。晃动条件与按键大小、晃动条件与按键间距及按键复杂度与按键间距对正确率均不存在交互作用。

表2 离散输入任务的任务完成时间和正确率

3.2 连续任务

3.2.1 任务完成时间

方差分析表明(表3)，晃动条件、按键间距对任务完成时间无影响；按键复杂度对任务完成时间F(3,66)=407.334,P<0.001)有显著影响，按键复杂度越高，任务完成时间越长；按键大小对任务完成时间F(3,66)=4.272,P=0.008)有显著影响，按键在15 mm处的任务完成时间最短。晃动条件与按键大小对任务完成时间(图4)、晃动条件与按键间距(图5)及按键复杂度与按键大小(图6)对任务完成时间均不存在交互作用。

图4 连续任务下晃动与按键大小对完成时间的交互作用

图5 连续任务下晃动与按键间距对完成时间的交互作用

图6 按键复杂度与按键大小对完成时间的交互作用

3.2.2 正确率

方差分析表明(表3)，晃动条件、按键间距和按键大小对正确率无显著影响。按键复杂度对正确率F(3,66)=4.922,P=0.004)有显著影响,按键复杂度越高，完成任务的正确率越低。晃动条件与按键大小、晃动条件与按键间距及按键复杂度与按键间距对正确率均不存在交互作用。

3.3 感知任务难度

晃动条件对感知任务难度(F(2,44)=4.921,P=0.012)有显著影响，随着晃动程度的增加，受测者对任务的感知难度越高。按键大小对感知任务的难度有显著影响(F(1.283,28.219)=7.432,P=0.007)，按键越大，受测者的感知任务难度越低；按键复杂度对感知任务难度(F(1.146,25.207)=24.948,P<0.001)有显著影响，按键复杂度越高，受测者的感知任务难度越大；按键间距对感知任务难度没有显著影响。晃动条件与按键大小、晃动条件与按键间距对任务完成时间及按键复杂度与按键大小对感知任务难度均不存在交互作用(图7)。

图7 按键复杂度与按键大小对感知任务难度的交互作用

表3 连续输入任务的任务完成时间和正确率

4 讨论

目前，虽然针对触摸屏按键特征的相关研究较多[13,28-29]，但针对晃动条件下触摸按键设计的研究却很少。鉴于此，本研究探索了晃动条件下多种触摸屏按键设计因素(按键复杂度、按键间距和按键大小)对人机交互操作可用性的影响。

实验结果表明，输入绩效在实验中的各种晃动条件下基本保持一致。晃动似乎并不会影响人的输入绩效。Lin等人的研究采用与我们的实验类似的晃动条件，但是他们的研究表明，晃动对用户的输入设备(如鼠标、轨迹球和触摸屏)操作绩效有显著影响[9]。对比我们的实验，这似乎暗示晃动更倾向于影响不同肢体运动的操作(如利用各种输入设备对信息进行选择等)。Goode等人的研究也印证了这一推测,他们发现，晃动对触摸屏上的信息提取操作(如阅读坐标等)并无影响[8]。另外，我们发现，晃动对感知任务难度有显著影响。这一结果与我们的预期一致。这表明，晃动会给受测者完成任务造成困难，晃动程度越大，受测者的感知任务难度越高，因而他们会需要调用更多的心理认知资源来应对因晃动带来的环境变化，从而保持稳定的绩效水平。

实验采用四种不同大小的按键，实验结果表明，按键大小对输入绩效和感知任务难度均有显著影响。Tao等人研究按键大小(7.5 mm到27.5 mm以每5 mm递增)对输入设备操作绩效影响，他们研究结果表明按键的大小对任务完成时间有显著影响[19]。Kim等人的实验也调查了触摸屏按键大小对车载信息系统可用性和驾驶安全性的影响，他们发现随着按键大小的增加，驾驶的安全性和可用性都有所增加，操作绩效也会显著提高[30]。我们的实验也以5 mm为增量从10 mm到25 mm研究不同晃动条件下按键大小的特性，我们的研究结果与前人的研究结果一致[14,22,31-32]，这说明，晃动条件下，按键大小仍然是影响输入操作绩效的重要因素,并且,当按键大小为20 mm,触摸屏具有最佳的输入绩效。

本实验采用两种按键间距，结果表明，按键间距对输入绩效和感知难度没有显著影响。这一结果与很多前人在静态条件下的研究结论一致[17,18,20,22-33]。而我们的结果还进一步说明在晃动条件下，按键间距也不会引起触摸屏输入绩效的变化。因而，按键间距可能并不是晃动条件下触屏系统设计的重要因素。

本实验采用4种不同的按键复杂度，按键复杂度对离散任务完成时间有显著影响，但对正确率没有影响；按键复杂度对连续任务完成时间和正确率均有显著影响。同时，按键复杂度对感知任务难度也有显著影响。随着复杂度的增加，按键输入时间变长，难度更大。这一结论与我们的预期一致，也与前人对触摸屏按键不同布局方式的研究结果类似[24-25]。我们的结果表明，当按键复杂度从 3×3格增加到 4×4格时，任务绩效(主要是完成时间)会显著下降 。

我们的研究结果可以为晃动条件下触摸屏虚拟键盘界面的设计提供一些指导建议。首先,晃动条件并不会影响触摸屏的输入绩效，这说明静止条件下的触摸屏按键设计方案可以谨慎的应用在晃动条件下。其次，当按键大小为20 mm,触摸屏具有最佳的输入绩效，并且在按键大小超过20 mm时，触摸屏的输入绩效几乎不再有太大的变化，因此，晃动条件下的按键大小设计可以20 mm为参考值。第三，按键间距可能并不是晃动条件下触摸屏界面设计的重要因素，在界面较为局限的情况下，删除间距能节省屏幕空而不会使绩效变差。最后，触摸仪表按键个数(复杂度)增加会显著降低操作绩效，增加操作难度。在设计触摸仪表按键时，应控制单个区域的按键数以 3×3格(9个按键)为宜，现有的一些仪表格局也可通过重组或者重新设计来提高操作绩效。

我们的研究也存在着一些不足。例如，我们的结论仅仅是在规律性的晃动实验条件中得到的，真实的船舶晃动状态可能更加复杂，实验结果是否适用需要进一步确认。其次，我们选取的是无晕船晕车症状的受测者，实验期间几乎不会产生眩晕感；因而人体在眩晕状态下的操作绩效如何有待探索。另外，我们的研究结果局限在坐姿情境，站立姿势下个体的行为方式可能与坐姿不同，实验结果是否一致仍然需要进一步验证。未来的研究可以针对具体任务在更加多样化的晃动条件和操作姿势下进行实验，更加全面综合地评估所提出的界面设计方案。

5 结论

本研究探究了晃动状态和3种触摸屏界面设计因素对触摸输入可用性的影响。研究表明，实验晃动条件下用户的输入绩效可以保持和静止状态一致。按键大小和按键复杂度仍然是影响晃动条件下触摸屏输入操作绩效的重要因素，而按键间距并不会影响晃动条件下的触摸输入操作。实验结果对晃动条件下触摸屏按键的设计具有重要的参考意义。