移动终端手势交互操作的触觉渲染与性能分析

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借助于触控屏技术和图形用户界面这一直接操控接口,移动终端上的手势操作实现了一种更加简单自然的交互方式。然而,用户在此类设备上通过手势执行交互操作的过程中,普遍感受不到触觉反馈的作用,进而形成了对视觉信息和听觉信息的过度依赖。静电力触觉反馈技术为这一问题提供了解决方案,通过调控指尖与屏幕之间的静电摩擦力,其能够再现出物体表面的粗糙度、纹理等属性,提升用户体验。然而,静电力触觉反馈技术目前在移动终端上的交互应用大多将研究对象限定于特定场景下的特定手势操作,所用的触觉渲染方法往往不具备通用性,难以形成静电力触觉反馈开发工具,制约了其在移动终端交互操作中的应用和发展。针对上述情况,本文尝试构建多种具备一定通用性的静电摩擦力模式,结合多类交互场景给出具体的静电力触觉渲染流程,为静电力触觉反馈技术在移动终端手势交互操作中的应用提供参考。主要内容包括可重用静电摩擦力模式的建立与影响摩擦力模式差异化感知的物理参数分析,适用于静电力触觉反馈的基本手势的确立及其特征参量的提取方法,典型手势交互操作场景的静电力触觉渲染流程,以及摩擦力模式对交互性能的影响等。本文的主要贡献如下:(1)构建了10种可重用的静电摩擦力模式,确认了力曲线连续性、反馈力作用位置、反馈力作用区域占空比三个物理参数对摩擦力模式触觉分辨性的影响。根据反馈力作用位置、反馈力作用区域占空比、力曲线连续性和力曲线形状这四个力曲线的空间分布特征,搭建了10种基本的静电摩擦力模式,建立了静电摩擦力感知强度与空域特征参量之间的映射关系。对用户能否有效分辨出同一参数调控的摩擦力模式并做出正确的分组进行了实验验证,实验结果表明:“凸起”、“坡面”和“平面”这三类摩擦力模式之间具有明显的感知差异;力曲线连续性、反馈力作用位置以及反馈力作用区域占空比这三个参数可以显著调控摩擦力模式间的感知差异性,而力曲线形状和激励信号波形这两个参数对摩擦力模式触觉分辨性的影响则十分微弱;用户对各种模式的喜好不同,为用户选择适于自己的个性化触觉效果提供了一定空间。(2)选择了拖拽、捏合等五种用于移动终端交互操作的基本手势并给出其特征参量提取方法,建立了宫格排列、待办列表等三种交互场景下的触觉渲染流程。基于静电力触觉反馈适用于动态操作的特点,选取拖拽、轻划、伸展、捏合、旋转五类手势为基本手势,提取了滑动位移、速度、指尖距离等特征参量,建立了手势特征参量到静电力激励信号幅度参量的映射关系。针对宫格排列、待办列表、图片缩放三种场景下的手势交互操作状态,选取合适的静电摩擦力模式,并根据提取的手势操作特征参量和心理物理学模型,实现了三类典型交互场景下的静电力触觉渲染,探索了基于10种静电力摩擦模式的手势交互操作触觉渲染的通用性流程。(3)通过三种代表性摩擦力模式下的拖拽手势交互操作实验,分析了主观评价不同的摩擦力模式对拖拽操作完成时间和成功率的影响。选取了多数用户喜欢的和不喜欢的两个摩擦力模式作为实验对象,并以无触觉反馈作为对照条件,测量了12名实验者通过拖拽手势执行菲兹范式任务的完成时间和成功率,并对测量结果进行单因素重复测量方差分析。实验结果表明:主观评价不同的摩擦力模式不会对交互性能造成显著性影响;三种条件下菲兹定律拟合结果的相关性均接近于0.9。虽然当操作任务的难度系数逐渐增大时,实验者在多数用户喜爱的摩擦力模式(振动平面-锯齿波)下执行拖拽操作任务的平均完成时间的增长将略为平缓,但和多数用户不喜欢的摩擦力模式、无触觉反馈这两种条件之间的差别并不十分明显。
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