一种特殊的计算机指点装置追踪球的操作活动研究，本文主要内容关键词为：一种特殊论文,装置论文,操作论文,计算机论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
以WIMP为基础的图形用户界面(GUI)大都通过指点装置(pointing device)对屏幕上的对象进行直接操作。当前最广泛使用的指点装置是鼠标，有研究指出，计算机用户使用鼠标的时间占计算机使用时间的2/3以上[1]。鼠标的使用使用户长时间暴露于不良的工作姿势之下，如手腕过度尺偏和伸展，肩部外展和向外旋转，前臂持续旋前用力等，与此相关的各种疲劳及肌肉骨骼不适问题日益增多[2-6]。有人将这种与计算机相关的累积性伤害称为“信息时代的职业病”[7]。因此，人们希望找到一种既容易操作又可减少肌肉骨骼伤害的指点装置来替代鼠标[8,9]。
当前追踪球作为备择的指点装置较多地出现在计算机硬件市场中。追踪球在结构上像一个倒置的鼠标，它的滚球在装置上面。依据滚球位置，它可分为食指操纵追踪球和拇指操纵追踪球。有的追踪球的滚球较大，也可用多指操作。对这种计算机输入装置的人因素研究至今比较少见。对此，本研究着重考察在指点定位任务中，关键的GUI变量（目标大小、距离和方向）和典型的装置（食指操纵追踪球和拇指操纵追踪球）对速度绩效的效应，以便对这种人－机交互方式做出评价，并由此提出优化设计建议。
2 实验方法
采用模拟GUI环境中的指点定位作业，测试目标方向、距离和大小对追踪球（食指操纵与拇指操纵）指点定位操作运动时间(MT)的影响。实验用P4计算机和17英寸纯平监视器（分辨率为1204×768像素）显示作业画面，被试用食指操纵和拇指操纵Logitech光电追踪球执行操作反应。模拟作业和实验测试如下：测试开始，屏幕呈现起点、目标和箭头光标，被试首先转动滚球将箭头光标移至起点内，然后点击追踪球左键（箭头光标变成手指光标），并立即转动滚球，将光标移向目标，当手指光标进入目标内，被试立即点击追踪球左键（手指光标变成箭头光标）。两次按键之间的时间即为MT。如果光标在目标外被试就按键，光标不会变成箭头形，计时也不停止。一次测试完毕，屏幕随机呈现下一个目标。
实验中起点图标是一直径为2mm的圆，位于计算机屏幕中心。目标图标是直径为1、5、10和15mm四种大小的圆，位于起点周围0°（正上方）、45°、90°（水平右侧）、135°、180°（正下方）、225°、270°（水平左侧）和315°八个方向，距起点20、60、100mm三种距离，由此构成96种目标条件。对追踪球的操作，0°（正上方）对应于向前运动，而180°（正下方）对应于向后运动，其他方向可依次类推。
实验采用被试内设计。对每一种追踪球装置，96种目标条件各随机呈现10次，共960次。实验中间给予被试适当的休息。被试共有6名，男女各半，年龄在20～26岁之间。
3 结果分析
3.1 不同目标方向、距离和大小条件下的追踪球指点定位MT分析
图1显示了目标方向、距离和大小对食指操纵追踪球MT的效应。在不同目标方向上，MT略有差异，水平方向（90°和270°）的MT较短，135°和180°方向MT较长，另外4个方向的MT大致处于这两者之间。MT随距离的增大而增大，随目标的增大而减小，但下降率呈递减趋势。方差分析表明：目标方向
的交互作用均不显著。
图2显示了目标方向、距离和大小对拇指操纵追踪球MT的效应。在不同的目标方向上，总的来说，MT的差异较小，向上(0°)和右下象限（90°、135°和180°）方向的MT略短于另4个方向。MT随距离的增大而增大，随目标的增大而减小，下降率也呈递减趋势。方差分析表明：目标方向
的交互作用不显著。
3.2 指点定位任务中追踪球的菲茨方程式
图1 食指操作追踪球指点定位中目标方向、距离和大小与MT的关系
菲茨定律表明定位运动的MT与运动难度指数(ID)成线性关系，难度指数表示为logz(2D/W)，其中D为目标距离，W为目标宽度。根据本实验结果计算的追踪球指点定位的菲茨方程式如下：
统计检验表明，数据的线性拟合良好。对食指操纵，
，p均小于0.01。两种追踪球的决定系数
分别为0.94和0.93。
3.3 两种追踪球及鼠标的指点定位绩效比较
我们曾探讨过鼠标指点定位的MT问题[10]，我们结合本研究结果对食指、拇指操纵追踪球与鼠标的指点定位绩效进行比较。对指点装置的任务总绩效常以菲茨方程的斜率倒数1/b度量，1/b称之为绩效指数(index of performance)，单位为比特／毫秒(bits/ms)，它指示了难度指数增量与相对应的运动时间增量的比值，此值越大表示任务总绩效越好。比较结果表明，鼠标绩效最好，食指操纵追踪球略优于拇指操纵追踪球
。
4 讨论
4.1 目标大小与距离效应的分析
图2 拇指操作追踪球指点定位中目标方向、距离和大小与MT的关系
本实验表明，在指点定位任务中，两种追踪球的MT均随目标大小的减小和距离增大而提高，目标大小和距离的主效应均显著。这一结果与张彤、Kotani、Ichikawa、Card等人关于鼠标指点定位任务或文本编辑任务的研究结果是一致的[10-13]。本实验还发现随目标增大MT的下降率呈递减趋势。以往研究表明，定位运动的时空模式表现为以指数的形式接近目标，即定位运动由两部分组成，开始以快速的不精确移动来接近目标，而后以缓慢的精确调整来捕获目标。我们认为，追踪球（和鼠标）操作的MT也是由粗调时间(travel time)和细调时间(adjust time)组成。当其他条件相同时，目标越小，细调时间越长；随着目标增大，细调时间将减少；当目标足够大时，细调时间将稳定在某个水平上，即MT不再随目标的增大而有大的变化。实际上，在本实验和我们已进行的鼠标实验中，q检验结果表明，除个别情况外，10mm与15mm目标大小的MT差异都未达到统计显著性水平。
菲茨方程式描述了MT与目标大小和距离（综合成ID参数）的量化关系，是建立人－机交互模型的重要参数，进而在人－机界面的设计和评价中起着重要作用。在本研究中，对于两种追踪球的都达到0.90以上，说明所建立的两种追踪球的菲茨模型是有效的，可用于预测典型指点任务中追踪球的MT。
4.2 目标方向效应的分析
关于目标方向的效应，有一些针对鼠标的研究，但结果不尽相同(14,11)。在本研究的指点定位任务中，目标方向对追踪球操作的主效应基本上是显著的。具体地说，对于食指操纵追踪球，目标在水平方向（90°和270°）的MT较短，而下和右下方向（180°和135°）的MT较长；对于拇指操纵追踪球，目标方向效应要小一些，在上(0°)和右下象限方向（90°、135°和180°）的MT略短于其他4个方向。
目标方向对追踪球操作的效应是操作肢体的解剖和生物力学特点、任务的操作特点以及装置性能等因素联合作用的结果。屏幕与追踪球的位置不在同一平面上，通常相互垂直。因此，目标在上时，手指要向前转动追踪球的滚球；目标在下时，手指要向后转动滚球；其他方向可以此类推。由于指关节特点，食指和拇指可作伸屈和收展运动，加之手腕或手臂位置的调节，在追踪球操作中食指与拇指能操纵滚球向8个方向转动，但不同方向的操纵灵活性和稳定性略有差异。如上述实验结果指示的，食指在水平方向（90°和270°）的操作较自如，而拇指在右下象限（90°、180°和270°）的操作较自如，但在右后方向以外的对角线方向（45°、225°和315°）的操作相对较困难。一般来说，食指能非常灵活地进行伸屈运动，但在本实验中，被试用食指操纵追踪球进行指点定位时，向前方向(0°)的MT比向后方向(180°)的MT要长得多。我们发现，食指操纵追踪球的球座后部对滚球向后转动产生相对较大的阻力，这可能是该装置在向后方向的MT较长的原因。因此，应适宜地设计追踪球阻力，以减少操作负荷，提高追踪球的操作绩效。
4.3 不同指点装置的比较
实验结果表明，按照绩效指数，在指点定位任务中，鼠标绩效最好，食指操纵追踪球略优于拇指操纵追踪球。尽管从操作角度看，鼠标要优于追踪球，然而，追踪球有一个特点，即它是一个固定位置的指点装置，对它的操作主要用手指完成，而不必像鼠标操作那样有时涉及手臂甚至肩部运动。而后者将产生高肌肉负荷，而易引起肌肉骨骼不适。当然，以追踪球替代鼠标是否能达到减少这些病痛的目的，还需进一步的研究。
5 结论
根据本研究的实验，我们可以得到以下结论：
(1)在指点定位任务中，食指操纵和拇指操纵追踪球的MT都随着目标距离的增大而增长，随着目标的增大而减少，但下降率呈递减趋势。根据实验结果建立了两种追踪球的菲茨模型，它们能用于预测典型指点任务中追踪球的MT。
(2)目标方向是影响追踪球执行指点任务的MT的重要因素。然而目标方向效应是操作肢体的解剖和生物力学特点、任务的操作特点以及装置性能等因素联合作用的结果。建议通过适宜的追踪球阻力设计来提高它们的操作绩效。
(3)按照绩效指数，鼠标的操作绩效最好，食指操纵追踪球略优于拇指操纵追踪球。然而操作绩效不是评价人机界面的唯一指标，因此还应该从操作风险因子等方面对追踪球的使用进行研究。
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