隔空手勢交互的設計要素范文
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《包裝工程雜志》2015年第八期
手勢交互事件由主體（人）和客體（產品）參與，開始于主體行為（手勢）結束于客體作用。主體行為的定義一般來源于引導，并依靠反饋對作用與否進行判斷。心智模型則在行為和作用之間建立聯系，并使之在交互過程中不斷強化，完成手勢交互的構建。
1.1引導在人與系統或設備進行手勢交互時，因為缺乏類似于人與人之間進行手勢交流時對所表達語意的共識，需要建立良好的引導，具體方式有4類：（1）示范，利用圖形或動畫展示手勢的操作過程；（2）任務，讓用戶在完成一系列示范任務的過程中了解手勢的操作步驟；（3）隱喻，利用具有隱喻性的圖形或效果，如光影效果、慣性效果等，暗示手勢的操作方式；（4）定義，支持用戶自主選擇或設計手勢[7]。
1.2反饋在手勢交互中，手勢識別會在很大程度上受到技術的限制。加之用戶與產品缺乏物理接觸，很難精確地確定手勢的輸入值，用戶容易對操作缺乏信心，因此，建立良好的反饋機制十分重要[8]。反饋的形式可以是提示音、指示燈，也可以是作用本身，或者由可穿戴設備、遙控器等外部設備提供。反饋一般有3種類型：狀態的反饋，當前是否處于可以進行手勢操作的狀態；識別的反饋，手勢是否被成功識別；作用的反饋，操作是否成功。
1.3心智模型心智模型的概念最初來源于認知心理學，而后被應用于人機交互領域。它是個體基于內心對自身及外界事物的理解與認知所構建出的知識結構，受學習過程與外界因素的影響會動態變化。心智模型是自然人機交互的基礎，在手勢交互的設計中考慮心智模型時，可以從心智模型與交互機制的匹配度和不同手勢之間心智模型的差異兩方面入手。當手勢的設計與用戶心智模型匹配度高時，用戶能夠很快地掌握并不斷強化這種關系，提升手勢的可用性。當其匹配度低時，應有意地利用引導和反饋刺激用戶，使其修正或重新建立新的心智模型，否則會使用戶出現困惑，導致操作失誤[9]。在設計時可以利用不同手勢之間心智模型的細微差異來得到更多的操作指令。例如，當一個頁面和其中的控件同時具備移動的功能時，傳統圖形界面利用有效操作區域來進行區分，而這一方式在手勢交互中極易引發誤操作。經過研究發現，在用戶的心智模型中，習慣用基于手掌和手指的操控來區分兩者，因此，只要在交互中增加手形的參數就能獲得兩種不同的操作指令。
2手勢交互的類型
在對不同類型的產品進行手勢操控時，從手勢在交互過程中產生作用的方式，可以將其分為映射型手勢、操作型手勢和對話型手勢。
2.1映射型手勢在映射型手勢中，用戶的手勢動作對應界面中的動作并與被操控物體的移動直接對應，手勢特征即作用特征，其主要應用于虛擬現實[10]、互動裝置或游戲中。交互特點：（1）手翻轉或擺動的幅度、方向會直接映射到界面的操控中去；（2）大多數是動態的手勢，對識別精度要求不高，只需收集手的位置、動作趨勢、速度、幅度等運動特征，但要求反饋及時準確，以帶來自然的交互體驗。
2.2操作型手勢在操作型手勢中，用戶將其既有的手勢使用習慣延伸至對UI界面元素的控制，手勢特征引發界面的變化，其主要應用于有交互界面的使用場景，包括與手機、智能電視、可穿戴設備、車內中控等界面的互動。交互特點：可以對界面元素進行直接控制，其交互邏輯與傳統鼠標和觸控界面的交互邏輯接近，手掌或手指對應界面上的光標；可以快捷地利用手勢語意實現界面功能[11]，如在與手機和可穿戴設備等的交互中，可以被用于完成精確度要求不高、方向性明確或常用功能的快捷操作任務，像切換歌曲、翻動網頁等。又如，在手機息屏狀態下，用隔空手勢啟動撥號或拍照功能。值得注意的是，考慮到用戶的肢體耐力，在交互過程中應避免讓用戶進行持續的界面操作。
2.3對話型手勢在對話型手勢中，用戶與設備通過手勢建立協議，手勢的語意與控制的功能相對應，手勢特征并不直接對應作用，其主要應用于對智能產品和智能家居系統的控制。交互特點：手勢語意與所控制的功能相匹配，與日常交流和生活中的操控經驗緊密相關，控制的功能主要有開啟、關閉、電器模式的轉換和調整方向等；多采用模態化的手勢，使用有限的手勢分別對應不同產品的相似功能[12]。在具體的設計中，可以根據不同的交互界面特點，進行多種類型的組合。例如，在車載自然人機交互中，與車內硬件設備互動時，用戶會更傾向于使用與日常操控經驗關聯密切的對話型手勢；與中控界面的手勢交互時，多選用操作型手勢來支持快捷的界面功能實現；在與基于擋風玻璃顯示的界面交互時，為支持對增強現實和較多的界面功能的控制，多選擇映射型手勢和直接控制界面元素的操作型手勢。
3手勢交互的構建
Boulabiar[13]等人曾對手勢交互的完整流程進行過詳細的論述，認為手勢交互是一個由腦部活動、手部操作、探測、算法、對象表現、心智模型和反饋所構建的完整循環。這種觀點對于研究手勢交互的構建方式有很大幫助，但其更關注交互結果的實現。這里從其形成出發，認為3種不同類型的手勢交互的構建過程與循環過程各有特點，見圖1，映射型手勢的構建模型比較簡單；操作型手勢形成循環的結構，在使用過程中心智模型不斷被強化；對話型手勢與操作型手勢相似，但起點不同。對于映射型手勢交互，交互的結果是客體對主體動作（手勢映射到作用）的映射。當動作產生后，主體若得到反饋即交互作用發生，若沒有獲得反饋，主體將會重復動作，因此，對映射型手勢來說，反饋至關重要。對于操作型手勢交互，交互事件開始后，首先主體會借助心智模型對此次事件進行初步的解釋和判斷。根據交互客體所做的引導，用戶調整或強化這種解釋和判斷后即開始操作（手勢直接引起作用）。同時，客體會對操作給出反饋（往往就是作用本身）。若獲得積極反饋，即表示作用產生，并再次調整或強化心智模型。若獲得消極反饋，用戶則會重新解讀引導，再次學習這種交互形式。可見，對操作型手勢來說，用戶學習是其核心，難易程度取決于引導的效率以及交互模型與用戶心智模型的匹配程度。對于對話型手勢交互，交互事件開始后首先是建立主體與客體之間的協議（例如“豎起拇指表示接聽電話”），利用這種協議引導主體與客體間形成一次對話（手勢不直接引起作用），若此次對話獲得積極反饋，則代表作用產生，同時會建立一個心智模型，并在其后的交互過程中得到反復強化。反之，主體會重新確認之前的協議，并再次嘗試對話。與操作型手勢不同，對話型手勢的作用并非直接來自于主體，而是由客體獲得主體的指令后引發，因此，客體的狀態及識別的反饋比較關鍵。
4手勢交互的設計原則
基于上述手勢交互及其構建過程的特點，在手勢交互的設計過程中需要著重考慮以下設計原則。1）可靠性。由于手勢交互具有與日常動作相同的特征和模式，因此較容易引發誤操作。可以通過提高操作方式的特殊性或增加操作步驟來避免誤操作，提高可靠性，但要注意設置的合理程度，否則會影響產品的易用性和靈敏度。具體可以從以下幾個方面著手：（1）范圍限制，將手勢的有效輸入值（如速度、距離、位移、位置）設在只有刻意的手勢操作才會達到的范圍內；（2）場景限制，設定的手勢只有在特定的場景下才會產生作用；（3）條件觸發，在執行手勢操作之前設置一個觸發機制，例如手在設備前保持一定時間至指示燈亮；（4）操作確認，在關鍵操作之后請求用戶的確認。2）容錯性。充分考慮用戶在左右手習慣、反應時間、年齡、性別、文化背景、使用環境等方面的差異，手勢識別的參數應設置在一個合適的區間內，并在保證避免誤操作的前提下，允許手勢在一定范圍上的差異。3）連貫性。在設計一個任務的手勢時，應盡量減少用戶的無效動作，充分考慮與前后任務的銜接，使它們聯系緊密、配合流暢。4）繼承性。在對手勢形式的選擇和引導與反饋機制的設計上，應充分考慮與日常手勢交流之間的繼承性。在不同的應用場景下，應結合各自手勢交互的特點與需求，對不同的設計原則加以靈活運用。如在車載人機交互中，設計基于擋風玻璃顯示的手勢交互時，考慮到駕駛安全，可靠性與容錯性較其他應用場景更為重要。對于智能家居與智能產品的手勢交互，遵循連貫性與繼承性的原則能夠降低用戶的學習成本，提高操控效率。在基于LeapMotion識別的界面交互中，連貫性原則的運用可以使界面的交互邏輯更加流暢清晰。
5結語
隔空手勢作為一種新的交互方式，尚未在人們的認知中形成像觸控操作一樣完整且系統的操作模式，需要從心智模型層面展開更多的深入研究，以支持設計出更為有效和自然的手勢交互設計。這里分析總結了手勢交互的特點和適用場景，并基于其組成要素研究了不同類型手勢交互的構建過程，進而歸納出需要著重考慮的設計原則。為了發揮手勢交互直接、快捷的優點，應充分考慮在不同類型的應用場景中手勢交互的特殊需求，遵循手勢交互的設計原則，構建符合用戶心智模型的引導和反饋機制，從而帶給用戶自然的交互體驗。
作者：孫效華周博李彤單位：同濟大學