空中鼠標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

通過體感控制技術(shù)，用戶只要稍微移動(dòng)空中鼠標(biāo)，就能操作智能電視屏幕上的鼠標(biāo)點(diǎn)擊。MEMS傳感器和傳感器融合算法是無線、三維光標(biāo)控制的基礎(chǔ)，這種控制將帶來激動(dòng)人心的全新電視互動(dòng)。盡管空中鼠標(biāo)的基礎(chǔ)互動(dòng)設(shè)計(jì)來自人們熟悉的PC鼠標(biāo)，但還有一些至關(guān)重要的額外考慮因素需要考慮。本文將探究空中鼠標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)PC鼠標(biāo)的區(qū)別，揭示系統(tǒng)工程師如何解決空中光標(biāo)控制面臨的一些最棘手的挑戰(zhàn)。

讓我們從空中三維動(dòng)作控制的基礎(chǔ)——鼠標(biāo)，開始講起。鼠標(biāo)作為指示及點(diǎn)擊控制的輸入設(shè)備，其設(shè)計(jì)基于人機(jī)工程學(xué)數(shù)十年的研究及測(cè)試。鼠標(biāo)在60年代首次發(fā)明，80年代開始商業(yè)應(yīng)用，時(shí)至今日，它仍被廣泛應(yīng)用中，因?yàn)樗鉀Q了顯示器上圖形用戶界面的指示和點(diǎn)擊控制的基礎(chǔ)問題。所有電腦鼠標(biāo)最重要和鮮明的兩大特征是界內(nèi)鼠標(biāo)和非線性彈道光標(biāo)移動(dòng)。

界內(nèi)鼠標(biāo)，又稱相對(duì)鼠標(biāo)，指鼠標(biāo)光標(biāo)始終保持在屏幕邊界內(nèi)的一種特征。人機(jī)工程學(xué)工程師明確地選擇了界內(nèi)鼠標(biāo)是因?yàn)樗麄冋J(rèn)為，將鼠標(biāo)移動(dòng)與屏幕上的光標(biāo)解耦開來效果會(huì)更好。這樣的優(yōu)點(diǎn)是光標(biāo)始終可見。使用者會(huì)感到他們?cè)谟行У目刂浦鈽?biāo)而沒有“失去光標(biāo)”。

非線性彈道光標(biāo)意味著，光標(biāo)移動(dòng)并非1比1的對(duì)應(yīng)鼠標(biāo)的移動(dòng)。當(dāng)使用者快速移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，光標(biāo)會(huì)以更大的速度朝目標(biāo)加速移動(dòng)。當(dāng)使用者慢速移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，光標(biāo)將會(huì)放慢，以較低速度移動(dòng)。這具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)。加速移動(dòng)意味著在屏幕上移動(dòng)光標(biāo)只需要較小的動(dòng)作；減速移動(dòng)讓用戶能更有效地點(diǎn)中屏幕上的較小目標(biāo)。

這些鼠標(biāo)動(dòng)力學(xué)構(gòu)成空中鼠標(biāo)的光標(biāo)控制基礎(chǔ)。智能電視在屏幕上顯示的圖形用戶界面與PC相似，因此選擇使用非線性彈道光標(biāo)移動(dòng)的界內(nèi)鼠標(biāo)（如同PC鼠標(biāo)）作為互動(dòng)架構(gòu)。然而，這些動(dòng)力學(xué)對(duì)在客廳中進(jìn)行空中操作實(shí)屬必要，但尚不充分。原因是還需要其他不顯見、不尋常的重要算法讓空中鼠標(biāo)便于使用。

這些要求是因?yàn)镻C鼠標(biāo)和電視空中鼠標(biāo)不同的使用方式產(chǎn)生的。PC鼠標(biāo)是在明確而標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境中使用的：用戶面對(duì)電腦坐在桌前，人機(jī)互動(dòng)是活動(dòng)的核心。而空中鼠標(biāo)則通常是在客廳使用，用戶可以坐、站、躺，以任意角度手持遙控器，他們的主要目的是搜索和觀看內(nèi)容。這種差別給空中鼠標(biāo)系統(tǒng)的工程師們帶來了三大挑戰(zhàn)，下面就來談?wù)勅绾慰朔@些挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：空中鼠標(biāo)缺乏有線連接

用戶在房間內(nèi)位置不定，無法在空中鼠標(biāo)和PC之間建立有線連接，因此必須借助RF連接進(jìn)行通訊，這就得在RF數(shù)據(jù)包速率與電池壽命之間做出取舍。另外，三維空中動(dòng)作需要映像及轉(zhuǎn)化為二維光標(biāo)，經(jīng)操作系統(tǒng)處理后才能顯示在屏幕上，這就在系統(tǒng)中造成了一個(gè)難題：延遲。

我們總是希望智能電視能夠迅速理解體感手勢(shì)，并即時(shí)響應(yīng)。然而正如上文所述，由于數(shù)據(jù)收集頗為復(fù)雜，需要經(jīng)過傳輸和處理才能將動(dòng)作映射到光標(biāo)控制，于是我們不禁要問：“究竟能夠有多快？”我們的研究顯示，動(dòng)作控制系統(tǒng)的目標(biāo)延遲時(shí)間應(yīng)在30到50毫秒左右。超過這個(gè)限度，即便是初級(jí)用戶也能感覺到延遲，令可用性受到影響（圖1）。我們?cè)跍y(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)延遲60毫秒及以上時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量增大，目標(biāo)選擇效率降低。超調(diào)量大，操作失準(zhǔn)，導(dǎo)致用戶疲勞。因此，制定合理的延遲目標(biāo)值是決定動(dòng)作控制系統(tǒng)成功與否的重要基礎(chǔ)。

挑戰(zhàn)2：空中鼠標(biāo)無平面摩擦

PC鼠標(biāo)置于桌上，可以通過摩擦保持動(dòng)作穩(wěn)定，而空中鼠標(biāo)則沒有這樣的條件，所以會(huì)加劇無意動(dòng)作對(duì)光標(biāo)控制的影響。具體而言，點(diǎn)擊空中鼠標(biāo)按鍵時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作或手部抖動(dòng)不僅擾人，而且非常妨礙用戶瀏覽界面，所以必須消除空中操作時(shí)的人體抖動(dòng)，使屏幕上的光標(biāo)更加穩(wěn)定。常見的辦法是用一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器，來消除輸入速率低于每秒5度的所有動(dòng)作。但是，這也會(huì)影響到那些有意為之的細(xì)微動(dòng)作，造成所謂的動(dòng)作“死區(qū)”，妨礙用戶精準(zhǔn)選擇細(xì)小目標(biāo)，令用戶界面的設(shè)計(jì)受到制約。所以，分辨哪些是抖動(dòng)、哪些是有意的動(dòng)作，并區(qū)別對(duì)待兩者是非常重要的。這個(gè)任務(wù)并不簡(jiǎn)單，因?yàn)槎秳?dòng)是因人而異，因遙控設(shè)計(jì)而異，也因用戶當(dāng)時(shí)的姿勢(shì)而異。解決方案須經(jīng)過大量的測(cè)試，尤其是遙控設(shè)計(jì)測(cè)試，因?yàn)槌叽?、形狀、重量、平衡和按鈕分布這些因素都會(huì)影響抖動(dòng)的程度。從概念到原型制作，整個(gè)過程的測(cè)試都很重要，應(yīng)當(dāng)考慮到動(dòng)作控制的各種使用情形，以及用戶的各種姿勢(shì)和相對(duì)于電視機(jī)的各種位置。此外，還應(yīng)識(shí)別并排除按下按鈕引起的無意動(dòng)作。這個(gè)可以通過在按下按鈕時(shí)凍結(jié)鼠標(biāo)光標(biāo)，或者在釋放按鈕時(shí)執(zhí)行動(dòng)作，而非靠按下按鈕來執(zhí)行動(dòng)作，以免在按下按鈕的過程中產(chǎn)生無意動(dòng)作（如圖2）。