光標定位技術的研究

趙 芮

（蘭州大學信息科學與工程學院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在圖形用戶界面（GUIs）中，光標的重要性是毋庸置疑的[1]。很多人機交互（HCI）任務都必須借助光標才能完成[2]。但是，有時因為光標所在的界面環境的影響，我們很難在第一時間發現光標在窗口中的位置——當我們停止控制光標一段時間后再去操縱光標時，這一問題尤為嚴重[3]。在一些特別的應用場合，光標本身的尺寸非常小，如播放幻燈片時使用“筆”在幻燈片上做標記，此時的光標就是一個小點；這時候哪怕我們持續移動光標有時也很難發現它。另一方面，我們的視覺器官對于目標的感知能力本身就有一定的局限性[4,5]。特別是人們隨著的年齡逐漸增長，視力會有一定程度的下降[6]，發現光標——尤其是在復雜界面背景中發現光標就變得更加困難，時不時地會出現光標“丟失”的情況。當這種情況發生時，我們只能采取諸如搜索整個屏幕或者左右晃動鼠標使光標運動起來以便找到它。這樣的操作方式其副作用是顯而易見的：搜索屏幕會浪費我們的時間，使光標輕微地運動在有些時候并不能幫助我們馬上發現光標，而我們大幅度地晃動光標有時又會使我們失去對交互對象的定位。對于這一問題，雖然現在已經有很多的相關研究，但還缺乏全面系統的研究，有些研究[7,8]甚至是通過外在設備來改善——這就增加了我們的交互成本，對于一般用戶來說并不實用。在本文中，我們基于視覺增強的方式，提出了在合理的時機增強顯示光標自身或者光標所在的局部區域兩大類方法，共13種特效技術來幫助我們找到“丟失的”光標。這些技術在使用過程中，不需要借助于額外的設備，也不需要增加用戶的額外操作。在本文后面的部分，我們將介紹相關工作，具體的特效技術以及測試結論。

1 現有的研究結果

目前，關于尋找“丟失的”光標的研究已經有很多了。例如，Ball和 North引用了三種用戶用來尋找丟失的光標的技術（按照最常用到最不常用的順序）：（1）通過小范圍移動鼠標將光標由靜止狀態轉變為動態狀態，從而刺激用戶的視覺來快速定位光標位置；（2）通過花費大量時間掃描顯示器來尋找光標—費時費力；（3）移動鼠標將光標移動到一個較為特殊的位置（如：顯示器中心，邊緣或四角）[9]。Roberston則通過引入一個類似于Windows鼠標聲吶自動定位器的 Auto-Locator光標來快速定位光標，但是該光標需要在顯示器上快速移動一段距離才會被觸發進而定位光標的位置[10,11]。Ashdown使用一個閃爍的星星縮小視覺搜索范圍來快速定位光標位置[12]。但是在實驗中，參與者認為星星一直閃爍會干擾注意力。Baudisch通過移動鼠標時光標加拖尾的效果來快速找到“丟失”的光標[10]。上述研究的方法都有一個共同點——依靠視覺搜索來找到“丟失”的光標。Hollinworth研究了一種新技術，它依靠按鍵盤或鼠標點擊的序列記憶，由用戶控制非自動化定位，在其技術中使用一個增加QT113觸摸傳感器的標準光學鼠標，無論何時當鼠標被釋放并重新觸摸后，就可以定位光標所在位置[7,8]。陳濱等利用微軟Kinect體感設備進行骨骼數據采集，開發出一款利用手勢動作控制計算機的體感虛擬鼠標軟件[13-15]。上述研究都在一定程度上解決了光標“丟失”的問題，但是依靠視覺搜索的研究中并沒有提出所有的可能性，而且也沒有進行系統比較找出最優的解決方案，而Hollinworth研究的方法和陳濱研究的方法中都引入了外在的設備，改變了鼠標自身屬性和用戶的使用成本，在現實使用過程，找到光標后還會有很多后續操作，Ball和North在研究中所說的方案（3）重定位會影響后續操作的連續性。

2 本文提出的技術

針對上述研究存在的各種問題，本文提出了不同的解決方案：在光標自身或光標所在局部區域中添加增強視覺顯示的特殊效果來幫助用戶發現光標。我們同時還對所提出的技術方案在光標所處的不同背景中進行比較，以尋找最優的解決方案。增強光標自身顯示效果的技術方案有：（1）改變光標自身的大小；（2）改變光標自身的顏色，使其與所在背景顏色有較為明顯的差別；（3）使靜態光標變為閃爍的動態光標；（4）改變光標自身的形狀。增強光標所在局部區域顯示效果的技術方案有：（1）給光標增加拖尾；（2）以光標為中心增加光環（包括靜止、擴散、收縮三種方式）；（3）以光標為中心增加色暈（包括靜止、擴散、收縮三種方式）；（4）以光標為中心增加箭頭（包括靜止、閃爍、旋轉三種方式）。為了防止在實驗過程中所添加的特效分散用戶的注意力，我們設置了特效的觸發條件。技術的應用在很多計算機操作的場合中效果明顯，例如：在PPT播放過程中，如果需要重點強調某一句時需要用“筆”畫出一條下劃線，此時光標的狀態為一個小點，其位置不容易被發現，在此情況下采用本文所提出的技術將會快速定位光標位置，提高交互績效。

以十字光標為例：

（1）技術方案1、2、3采用放大的圖片，顏色反轉的圖片進行替換產生相應的效果；技術方案 4采用手狀圖片產生變形效果；

（2）技術方案5、6、7以光標為中心使用paint函數畫同心圓，其中方案6從內向外循環繪制產生擴散的效果（過程如圖6所示），方案7從外向內循環繪制產生收縮的效果（過程如圖7所示）；

（3）技術方案8、9、10以光標為中心使用paint函數畫同心圓，并填充同一色系的不同顏色產生色暈的效果，其中方案9從內向外循環繪制產生色暈擴散的效果（過程如圖9所示），方案10從外向內循環繪制產生色暈收縮的效果（過程如圖10所示）；

（4）技術方案11、12、13通過paint繪制紅色箭頭產生相應的效果，其中方案 12通過線程每隔200 ms進行整體循環繪制產生閃爍的效果（過程如圖12所示），方案13通過線程每隔200 ms繪制一個紅色箭頭圖片產生箭頭旋轉的效果（過程如圖13所示）；

（5）在所有的技術方案中，光標都具有兩種不同的狀態，其狀態轉化如圖14所示：State0為默認狀態下的形狀、State1為特效狀態。視覺增強顯示特效可由兩種方式觸發：一種按下鍵盤上特定的熱鍵，光標狀態由 State0變為 State1，特效被觸發后保持一定的時間閾值（T）后消失，實用中用戶可以根據自己的需要自主設置；另外一種是晃動鼠標，設S為鼠標移動距離，當0mm5 mm時，鼠標狀態由特效狀態還原到默認狀態——這樣的設置不增加用戶的額外操作，且不影響用戶的后續操作。

（6）圖15為本文所提出技術的工作流程圖，觸發特效技術有兩種情況：一種是觸發特定的熱鍵，另外一種是晃動鼠標。熱鍵觸發的觸發方式會在用戶自主按下鍵盤上的指定熱鍵時即刻觸發。這一觸發時機完全由用戶掌握，使用時比較靈活，用戶可以根據需要隨時觸發顯示特效以幫助自己發現光標。但是，在操作過程中，需要用戶通過有意按鍵才能實現，這就增加了用戶的額外操作。而晃動鼠標的方式為特效技術的自適應觸發方式。因為特效只有在光標由靜到動的很短的運動距離（5 mm）內自動觸發，所以幾乎不需要增加用戶的額外操作，且對于用戶在發現光標之后的后續操作沒有視覺干擾。流程圖中光標靜止時間T為預設的時間閾值，可以根據光標的不同形狀和不同使用場景由用戶進行自主設定。只有光標靜止時間超過T后，晃動鼠標時才可以觸發特效技術；如果靜止時間小于 T，晃動鼠標則不觸發特效。這樣的設置方式，主要是防止用戶在持續移動光標的過程中，短暫的停頓后再移動光標時視覺增強特效頻繁出現而對用戶形成視覺干擾。另外，對于不同的光標在不同的使用環境下，不是都需要所有的特效技術，在使用的過程中要根據不同條件設定相對應的特效技術。

圖1 光標的放大Fig.1 Magnify ing the cursor

圖2 光標變色（顏色取反）Fig.2 Reversing the color of the cursor

圖3 光標閃爍Fig.3 Flashing the cursor

圖4 光標變形Fig.4 Deformin g the cursor

圖5 光標添加圓環Fig.5 Adding rings to the cursor

圖6 光環擴散Fig.6 Adding diffusing rings to the cursor

圖7 光環收縮Fig.7 Adding shrinking rings to the cursor

圖8 光標添加色暈Fig.8 Adding halos to the cursor

圖9 色暈擴散Fig.9 Adding diffusing halos to the cursor

圖10 色暈收縮Fig.10 Adding shrinking halos to the cursor

圖11 添加箭頭Fig.11 Adding arrows to the cursor

圖12 箭頭閃爍Fig.12 Adding flashing arrows to the cursor

圖13 箭頭旋轉Fig.13 Adding rotating arrows to the cursor

圖14 狀態轉換圖Fig.14 The diagram of state transformations

圖15 軟件流程圖Fig.15 The flowchart of the software

3 結論

我們對于所提出的13種技術，在不同復雜程度的背景中及光標的不同形狀下分別進行了測試。測試過程中，我們記錄了用戶發現光標所用的時間及超時出錯（即被試者在規定的最長時間內沒有發現光標在屏幕上的位置）率。

3.1 時間

背景復雜程度不同找到光標的時間也不同，簡單背景下被試者找到光標所需時間均值為 2113 ms,一般背景下為2221 ms，復雜背景下為2384 ms。光標形狀不同被試者找到光標的時間也不同，由于點狀光標像素最小，因此找到點狀光標的時間較長，均值為3183 ms。其中技術方案4的效果最為明顯，其相對于傳統的方式定位光標的時間有了大幅度的縮減。

3.2 錯誤率

背景復雜程度不同找到光標的錯誤率也不同，簡單背景下錯誤率最低,復雜背景下錯誤率最高。不同的光標形狀錯誤率也是不同的，雖然點狀光標像素較小，但是在特效技術下出錯率反而最小。測試中，13種技術方案中的每一種都有出錯的情況，但錯誤率均不大于1%。

4 結語

本文針對計算機用戶在圖形用戶界面（GUIs）中有時會遇到光標“丟失”的情況，提出了13種增加視覺顯示效果的光標定位技術。同時，本文的研究中還對所提出的技術在不同的操作背景中及不同的光標形態下進行了測試。測試結果驗證了所提出技術的有效性。

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