季園園，王海鵬，張 濤，羅文波

(西北工業(yè)大學(xué)軟件與微電子學(xué)院，西安710072)

1 引言

當(dāng)前人們的社會(huì)活動(dòng)日益依賴手機(jī)，隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，基于手機(jī)的各種新功能和新應(yīng)用層出不窮。目前手機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是基于高分辨率的觸摸屏智能手機(jī)，不僅能夠完成基本的通訊功能，還能夠提供各種網(wǎng)絡(luò)和娛樂(lè)服務(wù)。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是，這些新功能和應(yīng)用大大提高了電池的能耗需求。由于更大容量的電池會(huì)帶來(lái)電池體積和重量的增加，同時(shí)消費(fèi)者對(duì)于手機(jī)的便攜性要求很高，因此一味地增加電池容量不是一個(gè)理想的解決辦法。

根據(jù)Bruce Nordman的研究結(jié)果［1］，移動(dòng)設(shè)備中用于“顯示”所消耗的能量占到了設(shè)備總耗電量的42%，表明“顯示”是觸摸屏手機(jī)耗電量的首要因素。而 GUI(Graphical User Interface，圖形用戶界面)又是“顯示”的主要組成部分，因此如果能夠在觸摸屏手機(jī)的GUI中引入節(jié)能優(yōu)化技術(shù)，降低圖形用戶界面的功耗，那么就會(huì)大大降低電子設(shè)備的耗電量，從而來(lái)延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備的電池使用時(shí)間，使用戶獲得更好的使用體驗(yàn)。

基于上述理由，首先分析了觸摸屏GUI的特點(diǎn)，通過(guò)將觸摸屏手機(jī)的應(yīng)用程序分類，研究了基于觸摸屏GUI的節(jié)能優(yōu)化方案。為了驗(yàn)證所述設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了兩種觸摸屏搜索界面:傳統(tǒng)風(fēng)格GUI和使用了節(jié)能優(yōu)化方案的優(yōu)化風(fēng)格GUI。最后通過(guò)這兩種界面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了基于觸摸屏手機(jī)GUI的節(jié)能優(yōu)化方案的可行性。

2 觸摸屏手機(jī)GUI節(jié)能優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1 觸摸屏手機(jī)GUI概述

GUI即圖形用戶界面，廣義上的GUI是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)、美學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)，及各商業(yè)領(lǐng)域需求分析的人機(jī)系統(tǒng)工程，強(qiáng)調(diào)人—機(jī)—環(huán)境三者作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì);狹義上的GUI是指屏幕產(chǎn)品的視覺(jué)體驗(yàn)和互動(dòng)操作部分。

觸摸屏手機(jī)的GUI具有很多通用GUI所具有的特點(diǎn)和規(guī)范，如:用戶界面效果應(yīng)保持整體性和一致性，包括界面的色彩及風(fēng)格與系統(tǒng)界面統(tǒng)一、操作流程要遵守系統(tǒng)規(guī)范、注重圖形圖像元素的質(zhì)量等等。但是，與桌面PC或者普通按鍵手機(jī)相比，觸摸屏手機(jī)GUI具有自己獨(dú)特的特點(diǎn):

(1)與PC相比:在目前移動(dòng)設(shè)備的GUI設(shè)計(jì)中，很多時(shí)候延續(xù)了傳統(tǒng)PC的GUI設(shè)計(jì)模式。這樣設(shè)計(jì)的好處是減少了用戶的學(xué)習(xí)成本，同時(shí)減少了設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低移植成本。與此同時(shí)也帶來(lái)了許多問(wèn)題。一方面，大部分用戶可以熟練地使用鍵盤、鼠標(biāo)操作電腦，但是他們不一定能熟練使用手指操作觸摸屏設(shè)備。輸入緩慢會(huì)造成用戶操作效率低下和耗電量增加。另一方面，由于大部分的PC都會(huì)使用外接電源，所以PC上的GUI設(shè)計(jì)通常沒(méi)有考慮到能耗的問(wèn)題。

(2)與按鍵手機(jī)相比:與按鍵手機(jī)不同，觸摸屏手機(jī)是用手指在屏幕上點(diǎn)觸操作，在使用觸屏手機(jī)時(shí)，用戶的行動(dòng)狀態(tài)對(duì)操作方式有重大的影響［2］。當(dāng)用戶處于行走和站立狀態(tài)，一只手常被其他任務(wù)占用，用戶多傾向于使用單手操作;當(dāng)用戶靜坐時(shí)，雙手多處于空閑狀態(tài)，用戶多采用效率更高的雙手操作。此外，手機(jī)寬度限制了手機(jī)屏幕的寬度，手機(jī)屏幕的大小是有限的。有限的屏幕區(qū)域使手指操作的效率大幅下降。一方面手機(jī)功能的日漸復(fù)雜，GUI上操作目標(biāo)越來(lái)越多，使得操作目標(biāo)要求越來(lái)越小;另一方面，手指操作的不精確性要求操作目標(biāo)要有足夠大的感應(yīng)面積來(lái)保證效率。這就形成了一對(duì)矛盾。

2.2 觸摸屏手機(jī)GUI節(jié)能優(yōu)化方案

2.2.1 設(shè)計(jì)思想

考慮到前面所述因素，為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)GUI，應(yīng)該與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)GUI的方法有很大不同。為了更好的設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)觸摸屏手機(jī)的任務(wù)功能進(jìn)行分析。觸摸屏手機(jī)的功能按使用目的分為以下幾類:

·通信功能:通話、通訊簿等;

·短信功能:寫短信、收短信等;

·網(wǎng)絡(luò)功能:瀏覽器、E-mail等;

·輔助功能:日程、計(jì)算器、GPS等;

·娛樂(lè)功能:拍照、視頻、游戲等;

·傳輸功能:藍(lán)牙、紅外、USB等;

完成上述操作將主要涉及到以下幾類操作:

(1)點(diǎn)擊:在所有的操作中都會(huì)使用到;

(2)輸入:編輯、儲(chǔ)存時(shí)的文件命名、新增資料;

(3)翻頁(yè):圖片瀏覽、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等操作。

因此，可以把手機(jī)上的功能按主要操作的不同分為三類:輸入型、翻頁(yè)型、復(fù)合型。用戶在輸入型中大部分時(shí)間進(jìn)行輸入操作，而在翻頁(yè)型中的輸入相對(duì)較少。所以前者GUI應(yīng)設(shè)計(jì)成便于輸入，而后者應(yīng)設(shè)計(jì)為易于瀏覽。輸入型包括寫短信、計(jì)算器等;翻頁(yè)型包括文本閱讀器等;復(fù)合型包括瀏覽器、通訊簿等。

2.2.2 節(jié)能優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

基于上述分類，GUI節(jié)能優(yōu)化方案可以分為兩個(gè)方面:功耗簡(jiǎn)化、效率提升。功耗簡(jiǎn)化主要是針對(duì)翻頁(yè)型應(yīng)用，包括:減少像素變化、使用低功耗圖樣、減少動(dòng)畫效果等。效率提升主要是針對(duì)輸入型應(yīng)用，包括:使用手勢(shì)軌跡、優(yōu)化內(nèi)容安排、快捷圖標(biāo)等。復(fù)合型應(yīng)用則同時(shí)包含了這兩個(gè)方面。

(1)功耗簡(jiǎn)化:目前，觸摸屏手機(jī)大都采用液晶顯示技術(shù)，使用不同像素顯示序列、不同顏色圖案會(huì)消耗不同的能量。

減少像素變化，是指盡量少用復(fù)雜的圖形紋理和像素顯示序列。因?yàn)樗鼈冊(cè)黾恿藢?duì)應(yīng)像素點(diǎn)的切換，同時(shí)增加了生成屏幕數(shù)據(jù)的計(jì)算量。觸摸屏手機(jī)系統(tǒng)(例如Android)有個(gè)特點(diǎn)，可以通過(guò)手指的上下左右滑動(dòng)，切換不同的顯示界面。這種屏幕滑動(dòng)的功能會(huì)大大增加顯示的功耗，所以應(yīng)盡量避免。

使用低功耗圖樣，是通過(guò)使用功耗較低的顏色和顏色圖樣，從而降低顯示能耗。比如對(duì)于TFT觸摸屏，顯示白色會(huì)比黑色耗能更多［3］。這也就是為什么Android系統(tǒng)使用黑色背景作為默認(rèn)的應(yīng)用界面的原因之一。

減少動(dòng)畫效果，是指減少無(wú)謂的動(dòng)畫顯示效果。最大化最小化窗口的動(dòng)畫效果就是典型的例子。它們幾乎沒(méi)有什么功能，但是卻增加了功耗。在目前的許多觸摸屏手機(jī)系統(tǒng)(例如iOS或Andorid)應(yīng)用中，當(dāng)你切換下一頁(yè)時(shí)，GUI會(huì)顯示一個(gè)翻卷頁(yè)面的翻頁(yè)效果。這種動(dòng)畫效果模擬了真實(shí)書(shū)籍，但是很耗費(fèi)能量。

(2)效率提升:效率提升主要是提升用戶操作效率，從而間接降低功耗。

使用手勢(shì)軌跡:目前觸摸屏智能手機(jī)大都支持多點(diǎn)觸摸技術(shù)。采用不同的手指組合、不同的觸摸軌跡，直接可以完成許多功能，如縮放、保存、打開(kāi)、關(guān)閉、剪切、粘貼等，從而提高用戶操作效率。

優(yōu)化內(nèi)容安排:雖然觸摸屏的發(fā)展趨勢(shì)是大屏幕和高分辨率，但是與PC相比，觸摸屏屏幕尺寸有限，合理布局GUI顯示內(nèi)容，可以大大減少用戶交互時(shí)間，提高效率減少功耗。使用大字體和圖片，更快地讓用戶注意到重要對(duì)象上，也能減少用戶交互的時(shí)間。經(jīng)常使用的按鈕應(yīng)該盡可能的大，彼此間距要足夠大。由于需要手指點(diǎn)擊觸摸屏來(lái)觸發(fā)按鈕，其接觸面積較大，如果按鈕太小或者間距太小，會(huì)造成誤操作，降低效率。

快捷圖標(biāo):當(dāng)PC用戶想要完成某項(xiàng)功能時(shí)，通常需要經(jīng)過(guò)一層層的菜單和對(duì)話框的選擇才能實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程耗時(shí)麻煩而且耗能。對(duì)于觸摸屏手機(jī)，可以通過(guò)減少用戶需要選擇的選項(xiàng)，減少交互時(shí)間，快捷圖標(biāo)就是一個(gè)解決方法。以蘋果公司的iPhone手機(jī)為例，它的界面排列的是一個(gè)個(gè)功能圖標(biāo)，用手指點(diǎn)擊每個(gè)圖標(biāo)就可以完成對(duì)應(yīng)的功能，而不需要再一級(jí)一級(jí)的通過(guò)菜單查找。

3 觸摸屏移動(dòng)搜索界面的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，設(shè)計(jì)了一種觸摸屏移動(dòng)搜索應(yīng)用，該應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)搜索功能。選擇移動(dòng)搜索是因?yàn)樗腔ヂ?lián)網(wǎng)搜索引擎技術(shù)與移動(dòng)通訊技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。根據(jù)CNNIC最新的報(bào)告顯示［4］，在2011上半年，移動(dòng)搜索的使用率達(dá)到了59.5%，成為手機(jī)用戶最常用的功能之一。所以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證工作，會(huì)有更普遍的意義。

為了對(duì)比，設(shè)計(jì)了兩種觸摸屏搜索界面:傳統(tǒng)風(fēng)格GUI和使用了節(jié)能優(yōu)化方案的優(yōu)化風(fēng)格GUI。如圖1所示。

1)傳統(tǒng)風(fēng)格GUI:傳統(tǒng)風(fēng)格GUI采用了很多當(dāng)前手機(jī)上常見(jiàn)的設(shè)計(jì)風(fēng)格，以及一些PC機(jī)上常見(jiàn)的設(shè)計(jì)風(fēng)格，將它作為參考界面。

傳統(tǒng)風(fēng)格GUI設(shè)計(jì)理念是采用傳統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)理念，考慮美觀大方，較少考慮節(jié)能特性，保持和PC機(jī)上同樣的GUI風(fēng)格。圖形用戶界面GUI最顯著的優(yōu)點(diǎn)是:考慮美觀大方;圖形圖片較大而精美;GUI使用亮色背景;開(kāi)啟所有動(dòng)畫效果;使用菜單操作模式。

圖1 兩種觸摸屏搜索界面

2)優(yōu)化風(fēng)格GUI:優(yōu)化風(fēng)格GUI設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮節(jié)能因素并兼顧操作及運(yùn)行效率，使用了前面所述的節(jié)能優(yōu)化方案，希望能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能高效的目的，同時(shí)顧及到美觀和易用性。主要優(yōu)化如下:

減少像素變化，減少非必須的圖片使用及色彩效果，圖片鏈接采用文本鏈接代替。

使用低功耗圖樣，利用對(duì)能量消耗比較少的顏色樣式，如黑色和藍(lán)色，同時(shí)考慮到用戶的可見(jiàn)度。使用對(duì)比強(qiáng)烈的(如黑白色)的文字信息，減少用戶對(duì)操作按鈕的識(shí)別時(shí)間，從而減少人機(jī)交互時(shí)間。

使用手勢(shì)軌跡操作代替菜單操作，提高效率。

優(yōu)化內(nèi)容安排，最常用的按鈕和超鏈接在合理的范圍內(nèi)越大越好，這樣可以吸引用戶的注意力;同時(shí)彼此保持一定距離，可以使用戶更加容易用手指點(diǎn)擊;但應(yīng)該保持一定的緊湊感，這樣可以減少用戶點(diǎn)擊時(shí)移動(dòng)的距離。

4 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

驗(yàn)證平臺(tái)是摩托羅拉ME525型智能手機(jī)一部，該手機(jī)屏幕為1600萬(wàn)色TFT電容觸摸屏，分辨率480×854，運(yùn)行系統(tǒng)為Android 2.3。另有計(jì)時(shí)表一個(gè)。

實(shí)驗(yàn)分為兩組:第一組實(shí)驗(yàn)用來(lái)驗(yàn)證不同GUI的使用時(shí)間，第二組實(shí)驗(yàn)用來(lái)驗(yàn)證不同GUI的待機(jī)時(shí)間。具體方法如下:

第一組實(shí)驗(yàn):先將手機(jī)充滿電(充電器充滿燈亮)，取消手機(jī)本身的節(jié)能待機(jī)功能。打開(kāi)傳統(tǒng)風(fēng)格GUI，然后按以下步驟操作:

(1)在搜索框內(nèi)輸入單詞“Computer”，按第一個(gè)按鈕進(jìn)行搜索，保存打開(kāi)的搜索界面。

(2)返回初始界面，在搜索框內(nèi)輸入單詞“Computer”，按其他按鈕進(jìn)行搜索，保存打開(kāi)的搜索界面，直到所有的按鈕都使用過(guò)。

(3)返回初始界面，點(diǎn)擊鏈接切換其他搜索引擎，重復(fù)(1)(2)步驟，直到所有搜索引擎都被切換一遍。

(4)如果上述步驟都完成，將手機(jī)放回桌面不動(dòng)。

(5)每半小時(shí)重復(fù)上述步驟，直到手機(jī)提示電量低為止。記錄下開(kāi)始使用到提示電量低所用的時(shí)間。然后再充滿電，進(jìn)行節(jié)能風(fēng)格GUI的實(shí)驗(yàn)。

在步驟(2)(3)中，傳統(tǒng)風(fēng)格GUI的“返回初始界面”和“保存打開(kāi)的搜索界面”是通過(guò)菜單操作完成的，前者通過(guò)“菜單-操作-返回”完成，后者通過(guò)“菜單-操作-保存”完成;節(jié)能風(fēng)格GUI是通過(guò)手勢(shì)軌跡實(shí)現(xiàn)的，前者手指從右向左滑動(dòng)，后者手指畫一個(gè)圓圈。

第二組實(shí)驗(yàn):先將手機(jī)充滿電(充電器充滿燈亮)，取消手機(jī)本身的節(jié)能待機(jī)功能。打開(kāi)傳統(tǒng)風(fēng)格GUI，然后將手機(jī)放置在桌面不動(dòng)，直到手機(jī)提示電量低為止。記錄下開(kāi)始使用到提示電量低所用的時(shí)間。然后再充滿電，進(jìn)行節(jié)能風(fēng)格GUI的實(shí)驗(yàn)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了5次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和3所示，橫軸表示實(shí)驗(yàn)編號(hào)，縱軸表示時(shí)間，單位為小時(shí)。

圖2 第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2是第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用來(lái)驗(yàn)證不同GUI界面的使用時(shí)間。圖3是第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用來(lái)驗(yàn)證不同GUI界面的待機(jī)時(shí)間。定義能耗節(jié)省百分比為:

這樣，兩組實(shí)驗(yàn)的能耗節(jié)省百分比如表1所示。

表1 兩組實(shí)驗(yàn)的能耗節(jié)省百分比(%)

兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，節(jié)能風(fēng)格GUI明顯比傳統(tǒng)風(fēng)格GUI使用時(shí)間更長(zhǎng)，初步驗(yàn)證了前面所述的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)思路是正確的。

此外，總體上第一組實(shí)驗(yàn)?zāi)芎墓?jié)省百分比比第二組實(shí)驗(yàn)?zāi)芎墓?jié)省百分比數(shù)值大。說(shuō)明GUI在使用的時(shí)候(比如，輸入文字、點(diǎn)觸按鈕、屏幕變化等)比不使用的時(shí)候更加能夠節(jié)省能耗。這一點(diǎn)是因?yàn)樵谑褂玫臅r(shí)候，GUI被激活，優(yōu)化方案發(fā)揮效果，使得節(jié)能作用更加明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

觸摸屏手機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)前手機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，但是電池使用時(shí)間問(wèn)題一直是困擾用戶體驗(yàn)的一個(gè)難題?；诖四康?，主要研究了基于觸摸屏手機(jī)GUI的節(jié)能優(yōu)化方案。根據(jù)智能手機(jī)上應(yīng)用程序的3種分類，研究了2個(gè)方面的節(jié)能優(yōu)化方案。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果顯示，節(jié)能優(yōu)化方案是有一定可行性的。

［1］ Bruce Nordman.What the Real World Tells Us about Saving Energy in Electronics［EB/OL］.USA:Lawrence Berkeley National Laboratory，2009:12-13.

［2］ Amy Karlson，Benjamin B.Bederson.ThumbSpace:Generalized One-Handed Input for Touchscreen-Based Mobile Devices［C］.Proceedings of the 11th IFIP TC13 International Conference，Rio de Janeiro，2007:325-327.

［3］ Lin Zhong，Niraj K.Jha.Graphical User Interface Energy Characterization for Handheld Computers［C］.Proceedings of the 2003 international conference on compilers，architecture and synthesis for embedded systems，New York，2003:232-242.

［4］ CNNIC.第28次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告［EB/OL］.http://www.cnnic.net.cn/dtygg/dtgg/201107/t20110719_22132.html.

［5］ Keith S.Vallerio，Lin Zhong，Niraj K.Jha.Energy-Efficient Graphical User Interface Design［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2006(5):238-240.