婁澤華 殷繼彬

摘 要：手勢是一種直觀自然的人際交流模式。設(shè)計(jì)手勢輸入方式交互系統(tǒng)時(shí)，需要考慮手勢集的設(shè)計(jì)原則。在以往對手勢設(shè)計(jì)的研究中，設(shè)計(jì)原則被陸續(xù)提出。已總結(jié)出的手勢設(shè)計(jì)原則之間具有交叉重復(fù)性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的手勢缺乏系統(tǒng)性，用戶體驗(yàn)較差。針對該問題，依據(jù)手勢原則適用范圍差異，采用自頂向下的方法，從人、計(jì)算機(jī)以及交互過程3個(gè)角度分析了手勢交互設(shè)計(jì)原則。提出一種樹狀結(jié)構(gòu)組織手勢設(shè)計(jì)原則集，為手勢交互系統(tǒng)中的手勢設(shè)計(jì)提供一個(gè)立足點(diǎn)，并為已設(shè)計(jì)的手勢集提供一個(gè)綜合評估標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：手勢設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)原則集；人機(jī)交互；輸入方式；自然交互

DOI：10.11907/rjdk.172677

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）004-0019-06

Abstract：Hand gesture is an intuitive interpersonal communication mode. When designing gesture-based interaction system， it is necessary to consider the design principles of gesture set.The design principles are gradually concluded from previous researches. Consistency and interactional overlap of these gesture design principles lead to their lack of systematicness and poor user experience. To solve this problem，based on the different application scopes of gesture principles， we analyze the gesture interactiondesign principles from three perspectives： human， computer， and interactive processusing top-down method. Finally tree-structure is proposed to organize the gesture design principles set. It provides a foothold for gesture design in gesture interaction system and a more comprehensive evaluation criterion for designed gesture set.

Key Words：gesture design； design principles set； human-computer interaction； input mode； natural interaction

0 引言

在人機(jī)交互不斷發(fā)展的過程中，人機(jī)交互界面已經(jīng)歷了3個(gè)主要時(shí)代，分別是批處理、命令行、WIMP圖形用戶界面，目前的研究階段則正處于自然交互界面的研究中[1]。交互設(shè)計(jì)已不僅僅考慮完成任務(wù)，而需要在此基礎(chǔ)上越來越多地考慮用戶體驗(yàn)，使交互過程更自然。手勢是一種自然直觀的人際交流模式，也是自然交互方式中比較常用的輸入方式之一。近年來學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界開展了大量對于手勢的研究，產(chǎn)生了許多手勢輸入交互系統(tǒng)。通過考慮人文、技術(shù)以及用戶心理等因素，為交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)出配套手勢集。在手勢集設(shè)計(jì)過程中，不可避免地需要參考交互設(shè)計(jì)原則，從而以當(dāng)前輸入方式給予用戶更好的體驗(yàn)。

在以往研究中，雖然有交互原則被陸續(xù)提出和驗(yàn)證，但這些結(jié)論分散在不同的研究文獻(xiàn)中，只在特定的手勢交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被提及或引證。而且由于各個(gè)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的手勢集不同，側(cè)重角度也不同，使手勢交互原則局限于具體情境，缺乏系統(tǒng)性。市場上，多數(shù)手勢輸入交互產(chǎn)品中的手勢受系統(tǒng)功能影響而非一個(gè)獨(dú)立的交互資源[2]，其設(shè)計(jì)即使很成功，也不能成為以后交互設(shè)計(jì)的通用參考。顯然如果沒有系統(tǒng)的交互原則作為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出的手勢可能可用性較差，評估標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一。因此，嘗試使交互方式設(shè)計(jì)與具體應(yīng)用場景分離，建立一種比較完備的理論指導(dǎo)原則是必要的。根據(jù)交互對象不同，可定義人機(jī)交互（Human-Computer Interaction）是研究人、計(jì)算機(jī)及其相互影響的技術(shù)[3]。如圖1所示，本文基于人機(jī)交互研究的不同對象，從人、計(jì)算機(jī)及其交互過程3個(gè)角度，對手勢交互設(shè)計(jì)原則進(jìn)行綜述與分析，為后續(xù)手勢交互系統(tǒng)中的手勢設(shè)計(jì)提供立足點(diǎn)，并為已設(shè)計(jì)的手勢集提供一個(gè)相對完備的評估標(biāo)準(zhǔn)，以便對目標(biāo)手勢集進(jìn)行評估和優(yōu)化。

1 手勢設(shè)計(jì)原則對比

（1）從某類場景角度總結(jié)設(shè)計(jì)原則。王中寶、任麗月等[4]總結(jié)性地研究了觸屏手機(jī)中的手勢交互種類與設(shè)計(jì)原則。此類原則的優(yōu)點(diǎn)是對相似情境有非常強(qiáng)的針對性，缺點(diǎn)是無法保證在不同場景中同樣適用。

（2）從某類輸入方式角度總結(jié)設(shè)計(jì)原則。徐禮爽、程鐵剛、田豐等[5]從筆式輸入方式入手，提出筆手勢設(shè)計(jì)原則；張國華、衡祥安等[6]則提出基于多點(diǎn)觸摸輸入方式的交互手勢分析與設(shè)計(jì)方法；吳金鐸等[7]分別設(shè)計(jì)2D和3D手勢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（并未融合手勢），相互對比得到一些較為通用的原則。此類原則的優(yōu)點(diǎn)是可以更清楚地了解某些特定輸入方式的交互命令是否有效，缺點(diǎn)是輸入方式整體發(fā)展趨勢是從單一趨向多模態(tài)，而在多模態(tài)融合時(shí)需要重新制定設(shè)計(jì)原則，而且多種輸入方式組合得出的手勢集會(huì)過于龐大，無法通過此方式進(jìn)行有效分析。

（3）從交互設(shè)備角度總結(jié)原則。李文生、鄧春健等[8]針對觸摸顯示屏的操作特點(diǎn)提出一種手勢分類和表示方法，并設(shè)計(jì)了一套筆畫觸摸手勢；曾麗霞、蔣曉[9]則從可穿戴的便攜智能設(shè)備入手，對其手勢交互設(shè)計(jì)原則進(jìn)行探究。此類原則的優(yōu)點(diǎn)是對某一類設(shè)備的交互特性進(jìn)行具體分析，可羅列出易用的一些手勢進(jìn)行試驗(yàn)。但是交互設(shè)備種類繁多，多設(shè)備共同完成手勢時(shí)，組合手勢集會(huì)迅速增大，無法全部具體地羅列分析。

（4）從系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身特性的角度總結(jié)設(shè)計(jì)原則，比如穩(wěn)定性和可靠性。孫效華、周博等[10]從隔空手勢交互的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性出發(fā)，分析交互手勢系統(tǒng)構(gòu)建過程并提出設(shè)計(jì)原則。此類原則的優(yōu)點(diǎn)是使手勢交互系統(tǒng)更加穩(wěn)定，操作準(zhǔn)確率更高，缺點(diǎn)是忽略文化約定和疲勞度等因素可能造成設(shè)計(jì)的手勢無法為用戶所接受。

（5）從用戶角度總結(jié)原則。任雅祥等[11]主要從用戶手勢操作的完成階段和手勢的用途分類角度總結(jié)原則；Jaime Ruiz、Yang Li等[12]讓用戶按一定規(guī)則自行設(shè)計(jì)手勢，統(tǒng)計(jì)得到用戶傾向；鄭海彬等[13]在進(jìn)行無人機(jī)的手勢動(dòng)作定義時(shí)直接定義了符合直觀感覺的語義列表。此類原則的優(yōu)點(diǎn)是站在用戶角度思考，設(shè)計(jì)出的手勢交互系統(tǒng)更加自然且沒有歧義，但不能保證命令識(shí)別的效率和精確度，并且其語義擴(kuò)展性較差。

（6）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果角度總結(jié)原則。黃璐等[14]采用三維加速度傳感器識(shí)別手勢，設(shè)計(jì)了一組測試手勢以測試其精度與效率。此類原則的優(yōu)點(diǎn)是可以保證手勢識(shí)別的精度與效率，但未搜集和整理用戶交互感受。

（7）從經(jīng)驗(yàn)角度總結(jié)原則。王錦等[15]雖然使用非接觸手勢設(shè)計(jì)了交互應(yīng)用，但在設(shè)計(jì)手勢時(shí)是對以往鼠標(biāo)輸入方式的模仿；Stefan G Pentiuc、Christophe Chaillou等[16]對虛擬環(huán)境中經(jīng)常遇到的3個(gè)主要任務(wù)手勢（選擇、操縱和移動(dòng)）進(jìn)行了討論，在手勢設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)WIMP任務(wù)完成步驟設(shè)計(jì)手勢。此類設(shè)計(jì)不主動(dòng)考慮設(shè)計(jì)原則，而是使用一種成熟的輸入方式對新輸入方式進(jìn)行手勢的直接映射。此類原則的優(yōu)點(diǎn)是可以類比已成熟的交互手勢，快速得到一個(gè)系統(tǒng)性的手勢集，而原有手勢集的普及可以大大減少用戶適應(yīng)時(shí)間。但是新的手勢有自己的新特性，針對其優(yōu)勢和劣勢，需要對某些手勢的模仿進(jìn)行一定取舍。

另外，也有兼顧了多種角度的文獻(xiàn)。梁榮榮等[17]針對教學(xué)過程多點(diǎn)觸控手寫環(huán)境，為常用功能設(shè)計(jì)了一套操作手勢，兼顧了場景角度、設(shè)備角度、用戶角度等；FarzinFarhadi-Niaki、S Ali Etemad等[18]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠與用戶手臂和手指手勢交互的系統(tǒng)，通過不同的簡單和復(fù)雜任務(wù)得出結(jié)論：從長遠(yuǎn)看，基于手指的輸入優(yōu)于基于手臂的輸入。其中考慮了精度、效率、易用性、趣味性、耐力、自然程度和整體滿意度等幾個(gè)因素。

以上是進(jìn)行手勢設(shè)計(jì)時(shí)的一些主要角度，對比這些系統(tǒng)總結(jié)的原則，發(fā)現(xiàn)這些原則之間具有一致性和交叉重復(fù)性。如文獻(xiàn)[4]、[7]、[12]等都提出暗含隱喻的設(shè)計(jì)原則，且一些不同原則有交叉重復(fù)的部分，如文獻(xiàn)[6]提出的直覺性原則和Alethea L Blackler、VesnaPopovic等[19]從用戶角度總結(jié)的3個(gè)輔助設(shè)計(jì)人員開發(fā)直觀使用界面的原則，文獻(xiàn)[6]、[19]提出的設(shè)計(jì)原則也有很多重復(fù)和交叉?？偨Y(jié)原則的適用范圍不同正是不同手勢設(shè)計(jì)原則會(huì)發(fā)生重復(fù)的原因。一致性意味著可以抽取出共同的設(shè)計(jì)原則對手勢設(shè)計(jì)過程進(jìn)行指導(dǎo)，交叉重復(fù)性則意味著抽取出的原則不是并列存在的。本文認(rèn)為根據(jù)手勢原則的適用范圍形成樹形結(jié)構(gòu)可以更系統(tǒng)地描述手勢原則集。有些原則是由不同角度交叉產(chǎn)生的，事實(shí)上是一種重復(fù)，需要對其進(jìn)一步分析。下面將已提出的手勢設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分類整理。

2 手勢設(shè)計(jì)原則分類

將以上系統(tǒng)中的主要原則進(jìn)行歸類，主要從人機(jī)交互定義出發(fā)，從3方面進(jìn)行展開：用戶角度、交互過程角度、交互系統(tǒng)角度。

2.1 用戶方面

McNeill[20]將生理和動(dòng)力學(xué)相結(jié)合作為基準(zhǔn)，定義了隱喻、語言和節(jié)奏；Jacob O Wobbrock、Meredith R Morris、Andrew D Wilson等[21]對桌面手勢進(jìn)行研究，要求用戶按自己對手勢效果的理解設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)手勢，提出了手勢集，在這期間深入了解非技術(shù)用戶的心理模型，并將其轉(zhuǎn)化為對技術(shù)和設(shè)計(jì)的影響。此外，文獻(xiàn)[4]-[5]、[7]-[13]、[16]、[17]中亦有提及用戶方面需要遵循的原則。綜合來看可以劃分為兩方面：文化背景等間接影響，以及與用戶個(gè)人習(xí)慣有關(guān)的直接影響。分別概括為隱喻合理、符合習(xí)慣。如圖2所示，文化背景間接影響用戶習(xí)慣，使用戶形成一定的慣性思維，從用戶個(gè)體的習(xí)慣中抽取出通用的慣性行為。不論是慣性思維還是慣性行為都與用戶個(gè)人的生活經(jīng)驗(yàn)相對應(yīng)，按照這些特性設(shè)計(jì)出的手勢能夠更大程度地引起用戶共鳴，即更貼近與用戶的自然交互。

2.1.1 隱喻合理

隱喻在這里表示手勢與用戶的背景文化、理解的意圖以及生活經(jīng)驗(yàn)等保持一致，使手勢意義與用戶主觀理解的意義對應(yīng)；合理在這里代表合情理，意味著同時(shí)考慮某些文化中對一些手勢的文化理解。如圖3所示，手勢設(shè)計(jì)時(shí)，背景文化方面，手勢要與當(dāng)前的時(shí)代潮流和當(dāng)?shù)貧v史文化保持一致；手勢指代的功能方面，手勢代表的功能要能避免用戶理解歧義。手勢實(shí)現(xiàn)時(shí)，從手勢與用戶生活經(jīng)驗(yàn)的映射關(guān)系看，使用實(shí)物或符號(hào)隱喻更符合人的直觀感受。

手勢要設(shè)計(jì)得直觀自然，符合當(dāng)前的時(shí)代潮流，能夠被大部分人所接受[22]，同時(shí)應(yīng)考慮將手勢表示的生活意義與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能對應(yīng)起來。因此，設(shè)計(jì)手勢時(shí)常使用實(shí)物或符號(hào)隱喻。

設(shè)計(jì)的手勢應(yīng)符合社會(huì)文化約定，注意避免與文化沖突的手勢。若針對特定國家或地區(qū)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)手勢，則需要符合當(dāng)?shù)氐臍v史文化約定[23]，使手勢能最大程度地被該地區(qū)的人所接受。例如拇指與食指指尖接觸、其余三指伸直的手勢雖然很多情況下表示“OK”，但在日本表示金錢，在馬耳他則是一句惡毒的罵人話。另外值得注意的是，右手左劃的動(dòng)作在文獻(xiàn)[4]、[24]中都有提及，使用此動(dòng)作時(shí)，慣用左手者在操作功能的意圖上沒有明顯區(qū)別，右手左劃的意義是由文化決定的，而不是慣用手決定的[24]。因此，右手左劃的動(dòng)作本質(zhì)上是文化約定問題。

手勢應(yīng)指代明確，避免用戶理解的二義性導(dǎo)致手勢操作目的混淆。有些手勢如指示手勢、單選手勢等可以明確表示某些意圖。因?yàn)檫@些手勢沒有文化差異，手勢的意圖在不同時(shí)代或地區(qū)都基本固定，在設(shè)計(jì)手勢時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮這些手勢。

原則一：直觀自然。手勢映射的生活意義與系統(tǒng)中該手勢的功能相對應(yīng)；使用實(shí)物或符號(hào)隱喻，符合人的直觀感受。

原則二：符合文化約定?？紤]手勢在研究地區(qū)的歷史文化內(nèi)涵，避免沖突。

原則三：指代明確。優(yōu)先考慮指示手勢、單選手勢等可以降低歧義性的手勢。

2.1.2 符合習(xí)慣

符合用戶個(gè)人行為習(xí)慣，但應(yīng)抽取絕大多數(shù)用戶的習(xí)慣，且保留對交互有重大影響的特征。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮區(qū)分慣用手特征，慣用手為右手的單手和雙手手勢語的主要?jiǎng)幼魇秩渴怯沂郑罄撸ㄗ笫譃閮?yōu)勢手）則完全相反[25]。如圖4所示，設(shè)計(jì)單手手勢時(shí)，使用慣用手完成最常用的操作可以提高效率；設(shè)計(jì)雙手手勢時(shí)，慣用手也應(yīng)完成最常用操作，但雙手動(dòng)作意圖應(yīng)盡量一致，否則會(huì)增加使用難度。

最常用的操作一般是主要操作，應(yīng)由慣用手承擔(dān)。如Sukeshini A Grandhi、Gina Joue等[26]提出在空間中應(yīng)該雙手手勢觸發(fā)物體操作，其中非慣用手通常提供一個(gè)參照框架，而主要手勢由慣用手傳遞。

關(guān)于左手和右手參與的活動(dòng)通常分為3類：單手參與的一些特殊的顯著不對稱活動(dòng)，如投擲或刷牙；雙手參與的顯著不對稱活動(dòng)，如擊打樂器、弦樂器等；雙手基本發(fā)揮相同作用的對稱活動(dòng)，如同步的跳繩動(dòng)作或異步的爬繩動(dòng)作。與Guiard的不對稱雙手行動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈模型一致[27]，在虛擬三維空間中，雙手比單手能更好地完成任務(wù)[28]。這意味著雙手動(dòng)作在某些場景中更具有優(yōu)勢。

然而雙手動(dòng)作時(shí)，用戶很難適應(yīng)兩只手做不同目的的運(yùn)動(dòng)，如一手畫方，一手畫圓，這不符合人的認(rèn)知習(xí)慣[6]。因此，需要盡量設(shè)計(jì)同向或?qū)ΨQ操作，以確保雙手動(dòng)作的意圖一致。其中對稱操作包括軸對稱或中心對稱軌跡，如拇指食指對向運(yùn)動(dòng)的放縮手勢和模仿方向盤的手勢。

原則四：優(yōu)勢手完成常用操作。最常用的手勢優(yōu)先使用慣用手完成。

原則五：雙手動(dòng)作意圖一致。雙手同時(shí)操作在某些場景中有優(yōu)勢，但雙手動(dòng)作盡量同向或?qū)ΨQ，以降低難度。

2.2 交互過程

S Finlayson、V Forrest等[29]探究演講者在3個(gè)條件（雙手解放，單臂固定，雙臂固定）下演講的手勢流暢性和使用率。很多研究者都將空中互動(dòng)的手臂限制與手臂疲勞度或流暢性相關(guān)聯(lián)，但并沒有評估疲勞的定量方法。為了表征大猩猩臂效應(yīng)，Juan David Hincapié-Ramos、Xiang Guo等提出一種從上臂生物力學(xué)結(jié)構(gòu)得出的新度量標(biāo)準(zhǔn)：Consumed Endurance（CE）。CE和Borg CR10量表之間有強(qiáng)相關(guān)性，研究人員不再需要詢問參與者感覺身體付出多少力氣完成動(dòng)作。通過定量化的研究得出結(jié)論：當(dāng)動(dòng)作在身體的豎直中心、在移動(dòng)臂的一側(cè)并且是彎曲姿勢時(shí)，平面位置且手臂伸展的動(dòng)作組合對耐力需求最小[30]。此外，文獻(xiàn)[4]、[7]、[10]、[13]、[16]-[18]中亦有提及交互過程方面需要遵循的原則。綜合來看可以劃分為兩方面：短期使用時(shí)，在手勢設(shè)計(jì)方面盡量優(yōu)化手勢自身所能提供的交互體驗(yàn)；長期使用時(shí)，在手勢使用過程方面保障用戶有持久的良好使用感受，因此分別概括為交互流暢、降低疲勞。如圖5所示，短期使用階段主要依靠改善手勢設(shè)計(jì)的流暢性以貼近自然交互，持續(xù)使用階段主要依靠降低手勢疲勞度以延長手勢的可使用時(shí)間。短期使用階段和長期使用階段都是用戶體驗(yàn)不可缺少的環(huán)節(jié)。按照這些特性設(shè)計(jì)出的手勢能夠有更長的使用周期，給用戶持續(xù)提供良好體驗(yàn)。

2.2.1 交互流暢

用戶使用手勢與系統(tǒng)交互時(shí)，需要在保證準(zhǔn)確的前提下盡量降低用戶學(xué)習(xí)成本，并在交互過程中通過合理的提示和反饋防止用戶錯(cuò)誤操作，例如確認(rèn)重要決定和錯(cuò)誤警告，并且有及時(shí)的反饋信息。一個(gè)完整的手勢過程中動(dòng)作應(yīng)該是流暢的，如多點(diǎn)觸控的某些筆畫手勢將多個(gè)筆畫增加連接線后合并為一筆。

原則六：動(dòng)作流暢。保持手勢意圖的連貫性和動(dòng)作的流暢性。

2.2.2 降低疲勞

設(shè)計(jì)手勢要考慮用戶使用時(shí)長，長時(shí)間使用的手勢要重點(diǎn)考慮其帶來的疲勞和不適程度。長時(shí)間的疲勞不僅降低用戶體驗(yàn)，還可能威脅用戶健康。

現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)人很難快速有效地做出某些手勢，如當(dāng)人握緊拳頭，單獨(dú)打開無名指則比較吃力[31]，這些絕大多數(shù)人較難做出的手勢需要被舍棄。

避免大猩猩手臂效應(yīng)。長期使用手勢界面而使用戶不能休息被稱為“大猩猩手臂”（Gorilla Arm）[32]。如果在工作環(huán)境中經(jīng)常使用不合理手勢，由于過于疲勞可能導(dǎo)致酸痛，甚至重復(fù)性壓力傷害[33]。此類場景下的解決方案是允許用戶將手或手臂放在輸入設(shè)備或其周圍框架上。另一解決方案是設(shè)計(jì)手勢時(shí)盡量避免手臂水平外展過久的姿勢。

原則七：手勢難度適當(dāng)。設(shè)計(jì)的手勢現(xiàn)實(shí)中要能夠快速準(zhǔn)確做出來。

原則八：使用不疲勞的手勢。避免手臂水平外展過久的姿勢。

2.3 交互系統(tǒng)

L Anthony、RD Vatavu等[34]針對筆畫類型、筆畫方向和筆畫順序等特征，基于幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)手勢描述符度量手勢差別，提出分析用戶手勢的一致性方法。通過該方法發(fā)現(xiàn)用戶使用某些手勢的一致性較高； Robin Vivian、Jerome Dinet等[35]試圖證明由3個(gè)基本動(dòng)作 （tap，pinch/spread，drag）發(fā)展而來的多點(diǎn)觸控手勢集可以被簡化。此外，文獻(xiàn)[5]-[8]、[12]、[14]-[18]中亦有提及交互系統(tǒng)方面需遵循的原則。綜合來看可劃分為兩方面：一方面設(shè)計(jì)的手勢之間要有一致性和系統(tǒng)性，另一方面單個(gè)手勢本身需要簡化。分別概括為系統(tǒng)化定義、簡化手勢。如圖6所示，從手勢集整體角度看，一致性和系統(tǒng)性約束可以提高手勢集的穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性，需增加常用手勢占手勢集的比例；從單個(gè)手勢角度看，簡化手勢可以提高輸入效率，并降低手勢記憶難度。

2.3.1 系統(tǒng)化定義

要合理設(shè)計(jì)手勢系統(tǒng)，形成系統(tǒng)性的手勢集，令用戶更容易使用，同時(shí)減少誤操作及因此帶來的負(fù)面影響。

一致性原則可以幫助用戶學(xué)習(xí)和使用系統(tǒng)，減輕學(xué)習(xí)和記憶負(fù)擔(dān)，同時(shí)減少錯(cuò)誤操作概率[36]。系統(tǒng)性的手勢集也能幫助用戶減輕記憶負(fù)擔(dān)，增加用戶使用手勢的平均頻率。如Windows系統(tǒng)下的Ctrl、Shift、Alt快捷鍵形成了點(diǎn)選、塊選、矩形選擇的快捷鍵群，使很多復(fù)合操作不用單獨(dú)記憶，完成任務(wù)時(shí)能夠節(jié)省更多時(shí)間。并且一致的手勢系統(tǒng)可擴(kuò)展性好，且更加健壯，不易出現(xiàn)命令沖突。

手勢與其本身映射的任務(wù)命令在系統(tǒng)中不能有二義性[6]，一個(gè)手勢能且僅能實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，且復(fù)合手勢要依據(jù)操作目的設(shè)計(jì)。如Windows中常用的移動(dòng)操作不必通過統(tǒng)一化的剪切、粘貼，還可直接拖動(dòng)文件到指定文件夾完成。近似目的的復(fù)合手勢盡量分解為統(tǒng)一風(fēng)格的手勢組合完成。

原則九：統(tǒng)一風(fēng)格。必須形成一致的風(fēng)格，在各項(xiàng)指標(biāo)相差不大時(shí)，以風(fēng)格一致性為主。

原則十：功能交叉少。一個(gè)手勢固定完成一個(gè)任務(wù)，盡量避免具有交叉重復(fù)功能的手勢出現(xiàn)。

2.3.2 簡化手勢

在保證手勢的系統(tǒng)性前提下，簡化手勢可減輕用戶記憶負(fù)擔(dān)、節(jié)省交互時(shí)間，并提高準(zhǔn)確率。但單個(gè)手勢簡化必須與手勢系統(tǒng)保持一致，否則會(huì)加重用戶記憶負(fù)擔(dān)。

在手勢動(dòng)作設(shè)計(jì)時(shí)，常用任務(wù)盡量設(shè)計(jì)為單手操作。設(shè)計(jì)雙手操作要盡量不引起沖突，以達(dá)到更好的兼容性和擴(kuò)展性。

手勢組合不能太復(fù)雜，研究表明個(gè)體對于肢體動(dòng)作的工作記憶容量只能保存 3～4個(gè)[37-38]。

原則十一：手勢兼容。已有的常用單手手勢盡量保留，在不引起沖突的前提下增加雙手操作。

原則十二：組合簡單。在組合設(shè)計(jì)手勢動(dòng)作時(shí)，最多不要超過3個(gè)動(dòng)作組合。

2.4 手勢設(shè)計(jì)原則匯總

將以上原則進(jìn)行匯總，得到手勢設(shè)計(jì)原則匯總表如表1所示。

樹狀結(jié)構(gòu)的手勢設(shè)計(jì)原則分類如圖7所示。

3 指導(dǎo)性分析

以上設(shè)計(jì)原則具有一定指導(dǎo)性，以多模態(tài)手勢設(shè)計(jì)中接觸性和非接觸手勢的混合模態(tài)手勢設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，即筆手勢和觸控手勢、觸控手勢和非接觸手勢、筆手勢和非接觸手勢等的混合。其中，非接觸手勢只討論手腕至指尖之間的手勢。

在手勢組合的過程中，考慮到原則五“雙手手勢動(dòng)作應(yīng)同向或?qū)ΨQ”，盡可能同一時(shí)間只有一種輸入方式動(dòng)作。當(dāng)雙手動(dòng)作是同一種模態(tài)時(shí)，應(yīng)盡量以同向或?qū)ΨQ動(dòng)作完成手勢設(shè)計(jì)；當(dāng)雙手動(dòng)作是不同模態(tài)，同一時(shí)刻兩只手做不同類別動(dòng)作，無法進(jìn)行同向或?qū)ΨQ動(dòng)作時(shí)，設(shè)計(jì)手勢則讓一只手動(dòng)作時(shí)另一只手暫停，以降低輸入難度。

考慮到原則四“慣用手使用常用操作”，手勢的主要?jiǎng)幼鲬?yīng)由最具優(yōu)勢的輸入方式承擔(dān)，以達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)。慣用手本質(zhì)上是優(yōu)勢手，疊加的分步手勢該由哪一種模態(tài)完成，本質(zhì)上是選擇哪種模態(tài)完成任務(wù)更有優(yōu)勢。手勢組合的一種方式是在空間上加入另一只手，另一種方式是在時(shí)間上將多個(gè)簡單手勢疊加起來，多模態(tài)的混合手勢可認(rèn)為多數(shù)情況下是由時(shí)間上的疊加而生成的。將多模態(tài)的混合手勢按時(shí)間分片，主要時(shí)間片中的手勢由最有優(yōu)勢的輸入模態(tài)實(shí)現(xiàn)，其它時(shí)間片的手勢則主要以保持手勢流暢性等為原則，采用合適的模態(tài)。根據(jù)組合簡單的原則“在組合設(shè)計(jì)手勢動(dòng)作時(shí)，最多不要超過3個(gè)動(dòng)作組合”，時(shí)間分片一般不超過5個(gè)（開始判定、結(jié)束判定與中間的3個(gè)動(dòng)作），主要時(shí)間片是核心動(dòng)作，數(shù)量應(yīng)為1～2個(gè)。根據(jù)各個(gè)模態(tài)特點(diǎn)分析輸入模態(tài)，可以達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。混合手勢時(shí)間分片如圖8所示，其中重要性可以通過意圖相關(guān)性、占用時(shí)間比等指標(biāo)計(jì)算權(quán)值，取top-k作為主要時(shí)間片。

以下為指導(dǎo)性例證。HildebertoMendonc、Olga Vybornova等[39]判斷哪種交互更適合某個(gè)任務(wù)，從而將用戶任務(wù)、模式和技術(shù)融合在一起，得到用戶任務(wù)列表及其各自的兼容模式；程國軍[40]設(shè)計(jì)的筆和觸控混合手勢在操作時(shí)一個(gè)階段只進(jìn)行某一個(gè)模態(tài)的輸入，從而很自然地降低了記憶和輸入難度。這些處理方式分別驗(yàn)證了以上結(jié)論。因此，本文提供的設(shè)計(jì)原則能夠提供一個(gè)全局性指導(dǎo)。另一方面，這些原則還可看作是對已設(shè)計(jì)手勢集的評價(jià)指標(biāo)。針對手勢原則樹不同層的手勢設(shè)計(jì)原則進(jìn)行評價(jià)，可以得到已設(shè)計(jì)手勢集在不同層面的系統(tǒng)性評價(jià)，從而能更客觀地指出目標(biāo)手勢集的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文通過分析不同手勢集設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)手勢設(shè)計(jì)原則的一致性和交叉重復(fù)性，發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)不同手勢設(shè)計(jì)原則的適用范圍不同，將各手勢設(shè)計(jì)原則之間的關(guān)系設(shè)想為樹形結(jié)構(gòu)。從人、計(jì)算機(jī)以及人機(jī)交互過程3個(gè)角度對手勢交互設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了梳理匯總，得到樹狀結(jié)構(gòu)的手勢設(shè)計(jì)原則集。最后通過手勢設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了特定混合手勢的理論分析，并提出了指導(dǎo)性例證。

可以看出這是一個(gè)自頂向下填充手勢原則樹的過程。不足之處在于：①過于泛化，僅能提供大致的指導(dǎo)，具體的手勢設(shè)計(jì)仍然需要針對性的詳細(xì)分析；②填充手勢原則的全面性與搜集的相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量有著很大關(guān)系，因此在一定程度上會(huì)有所疏漏。

未來工作中，對于過于泛化的問題，可以將手勢設(shè)計(jì)原則集用于對已設(shè)計(jì)的手勢進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)。一方面可以對照幾個(gè)候選手勢集不同方面的評價(jià)推薦最優(yōu)候選手勢集，另一方面可以通過某一候選手勢集不同方面的評價(jià)找到該手勢集的改進(jìn)方向。對于相關(guān)文獻(xiàn)的研究了解不足的問題，需要通過不斷搜集相關(guān)研究成果繼續(xù)完善。另外，并非所有因素影響權(quán)重都是相同的，對其進(jìn)行主要特征提取也能彌補(bǔ)此方面帶來的缺陷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黎鷹，李亮.圖形用戶界面的發(fā)展與分類[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006（4）：24-28.

[2] 譚征宇，戴維，譚浩.基于意象的三維手勢設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程，2016（4）：61-65.

[3] 王紅兵，瞿裕忠，徐冬梅，等.人機(jī)交互的若干關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001，37（21）：129-131.

[4] 王中寶，任麗月，張宇紅.觸屏手機(jī)中手勢交互種類和設(shè)計(jì)原則的研究[J].硅谷，2012（9）：108-109.

[5] 徐禮爽，程鐵剛，田豐，等.意義性筆手勢的分類及其實(shí)驗(yàn)評估[J].軟件學(xué)報(bào)，2006，17（zk）：46-56.

[6] 張國華，衡祥安，凌云翔，等.基于多點(diǎn)觸摸的交互手勢分析與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27（5）：1737-1739.

[7] 吳金鐸.2D和3D交互手勢的可用性研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2016.

[8] 李文生，鄧春健，呂燚.基于觸摸顯示屏的人機(jī)交互手勢分析[J].液晶與顯示，2011，26（2）：194-199.

[9] 曾麗霞，蔣曉，戴傳慶.可穿戴設(shè)備中手勢交互的設(shè)計(jì)原則[J].包裝工程，2015（20）：135-138.

[10] 孫效華，周博，李彤.隔空手勢交互的設(shè)計(jì)要素與原則[J].包裝工程，2015（8）：10-13.

[11] 任雅祥.基于手勢識(shí)別的人機(jī)交互發(fā)展研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（7）：1201-1204.

[12] RUIZ J， LI Y， LANK E. User-defined motion gestures for mobile interaction[C]. SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems，ACM，2011：197-206.

[13] 鄭海彬.手勢識(shí)別及其應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[14] 黃璐.面向交互的手勢識(shí)別研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2011.

[15] 王錦.基于視覺的非接觸式手勢交互技術(shù)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2016.

[16] VATAVU R， PENTIUC S， CHAILLOU C. On natural gestures for interacting in virtual environments[J]. Advances in Electrical and Computer Engineering，2005，5（2）：72-79.

[17] 梁榮榮.教學(xué)環(huán)境中多點(diǎn)觸控手寫場景下編輯手勢設(shè)計(jì)與識(shí)別[D].武漢：華中師范大學(xué)，2016.

[18] FARHADI-NIAKI F， ETEMAD S A， ARYA A. Design and usability analysis of gesture-based control for common desktop tasks[C]. International Conference on Human-Computer Interaction， Springer Berlin Heidelberg，2013：215-224.

[19] BLACKLER A L， POPOVIC V， MAHAR D P. Intuitive interaction applied to interface design[J]. Proceedings of International Design Congress Douliou，2005，6（1）：1-8.

[20] MCNEILL D. Hand and mind： what gestures reveal about thought[M]. Leonardo，1992.

[21] WOBBROCK J O， MORRIS M R， WILSON A D. User-defined gestures for surface computing[C]. Proceedings of ACM CHI 2009 Conference on Human Factors in Computing Systems （CHI 2009），NY，USA：ACM New York，2009：1083-1092.

[22] 王鴻.基于用戶體驗(yàn)的觸屏手勢設(shè)計(jì)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[23] MEIER A， GOTO K， WRMANN M. Thumbs up to gesture controls？ a cross-cultural study on spontaneous gestures[C]. International Conference on Cross-Cultural Design， Springer International Publishing，2014：211-217.

[24] 錢堃.基于智能手機(jī)的3D運(yùn)動(dòng)手勢設(shè)計(jì)方法的研究[D].天津：南開大學(xué)，2014.

[25] 王乃怡，林涵瑾.聾人手勢語用手的非對稱性[J].心理學(xué)報(bào)，1989，21（4）：50-54.

[26] GRANDHI S A， JOUE G， MITTELBERG I. Understanding naturalness and intuitiveness in gesture production： insights for touchless gestural interfaces[C]. SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems，ACM，2011：821-824.

[27] GUIARD Y. A symmetric division of labor in human skilled bimanual action： the kinematic chain as a model[J]. Journal of motor behavior （J Mot Behav），1987，19（4）：486.

[28] HINCKLEY K， PAUSCH R， PROFFITT D. Attention and visual feedback：the bimanual frame of reference[C]. Proceedings of the 1997 Symposium on Interactive 3D Graphics （Si3d '97）， Providence，RI，USA：DBLP，1997：121-126，192.

[29] FINLAYSON S， FORREST V， LICKLEY R， et al. Effects of the restriction of hand gestures on disfluency[J]. Gothenburg Papers in Theoretical Linguistics，2003：21-24.

[30] HINCAPIRAMOS J D， GUO X， MOGHADASIAN P， et al. Consumed endurance： a metric to quantify arm fatigue of mid-air interactions[C]. Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems （CHI'14），Toronto， Canada：ACM，2014：1063-1072.

[31] CHEN CC， CHU CC， CHEN T K， et al. An investigation into the effect of gesture interaction in relation to human performance for identifying possible design failures[J]. International Transactions on Systems Science and Applications （ITSSA），2010，6（1）：1-12.

[32] GUO X， IRANI P. The consumed endurance workbench： a tool to assess arm fatigue during mid-air interactions[C]. Companion Publication on Designing Interactive Systems， ACM，2014：109-112.

[33] GREENSTEIN S. Repetitive stress injuries[J].IEEE Micro，1996，16（5）：72-73.

[34] ANTHONY L， VATAVU R D， WOBBROCK J O. Understanding the consistency of users' pen and finger stroke gesture articulation[C]. Proceedings of Graphics Interface （GI'13）， Toronto， Canada： Canadian Information ProcessingSociety，2013：87-94.

[35] VIVIAN R， DINET J， BERTOLO D. Three gestures， the context does the rest some ideas to simplify interactions[C]. Proceedings of the 11th Asia Pacific Conference on Computer Human Interaction （APCHI'13），NY， USA： ACMNew York，2013：252-257.

[36] CHAO G. Human-computer interaction： process and principles of human-computer interface design[C]. International Conference on Computer and Automation Engineering，IEEE Computer Society，2009：230-233.

[37] BADDELEY A. Working memory[J]. Science，2010，20（4）：136-140.

[38] GAO Z， BENTIN S， SHEN M. Retaining biological motions in working memory： an EEG study[J]. Journal of Vision，2013，13（9）：183.

[39] MENDON， HILDEBERTO A， VYBORNOVA O， et al. Multi-domain framework for multimedia archiving using multimodal interaction[J]. Integrated Computer Aided Engineering，2011，18（1）：15-28.

[40] 程國軍.基于多點(diǎn)觸控界面的筆+觸控交互手勢設(shè)計(jì)與研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2014.

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