基于老年人群背景因素的體感交互手勢設計研究

羅智兆 汪穎

關鍵詞：體感交互 老年人 背景因素 手勢

引言

伴隨著物聯網技術的成熟，智能家居也開始正式進入普通家庭，使得更多新興的技術能夠為我們所用。大數據時代的智能家居產品需要滿足實用性，安全性，拓展性，經濟性，人性化以及易用性.其中最為重要的就是人}生化與易用性。如今的智能家居系統中，人機交互的方式依然停留在硬件輸入與觸控階段，具備較高的學習成本。新時代的智能家居系統，需要更符合人類認知與行為習慣的交互方式圓。因此，智能家居環境下的人機交互形式勢必會向著自然的體感交互發展。其中，體感手勢交互作為體感交互的主要部分，更加偏向于通過上肢亦或是手部去對系統進行操控，并能夠實時地與其他使用者進行互動。隨著leap motion，kinect等體感設備的出現，使得體感手勢交互成為研究的熱門領域。技術的發展使得手勢交互的識別效率不斷提升，但從用戶的角度出發，依然存在很多的問題。

一、相關研究

手勢交互對比其他的交互方式具備高效性的特點，之前的很多研究證實了手勢交互作為輸入方式所帶來的高效率，以及在不同設備載體上，手勢交互對比傳統的視覺圖形或筆勢交互等交互方式更具優越性的事實。針對手勢的語義、分類與認知情況，很多學者進行了系統性的研究，手勢的豐富性大多源于個人的認知和生活經驗差異，這其中會涉及到很多關于長時記憶的獲取與象征性含義的創造性內容，之前的學者對手勢的分類與定義做十分深入的研究，會根據自己的研究進展，給予每手勢定義與分類的步驟。

基于Jacob O.Wobbrock對2D手勢的研究方法，很多學者將此方法應用到3D手勢的研究領域中，通過收集被試對于家居產品的操作命令的認知，并作出對應的手勢，分析不同背景的被試對于同一操作命令不同的手勢認知結果，能夠得到3D手勢所需具備的設計需求和改進方向，大大提高手勢的認知效率與易用性Eunjung Choi等人則是以智能家居系統為背景，研究被試是否會被實驗中得到的認知最優手勢集影響，而對自己定義的手勢集產生改變，結果顯示，手勢的認知不僅受到手勢內在的設計因素影響，并且也會受到外部附加信息帶來的影響。

二、實驗材料準備

（一）操作命令選取。christine Ku-hnel等人進行的關于家居環境的手勢控制的研究中，選取的23個功能實現相同但使用對象不同的操作命令，例如：“打開電視”，“打開臺燈”等，這些操作命令都具備相同的功能實現，但是針對的載體對象不同。將該類操作命令進行收集，并從中歸納出“打開”，“關閉”，“縮放”，“調節”和“切換”五類基本的操作命令，如圖1。

（二）實驗手勢選取。通過相關文獻的閱讀與相關體感設備的使用經驗，按照五大操作命令的分類，選取了6個“打開”手勢，6個“關閉”手勢，5個“縮放”手勢“，4個“調節”手勢以及4個“切換”手勢。

（三）實驗手勢命名準則。設計影響因素是指手勢所具備的內在屬性，即是手勢分類的依據，是能夠影響用戶對于手勢認知結果的因素。結合Eunjung等人對3D手勢分類要素的研究與此次研究選定的25個手勢的特點，最終決定了在此次研究中會選取“手型（hs）”，“路徑（pm）”和“象征隱喻（sy）”三個分類要素作為實驗的三個設計影響因素，如圖2。以下為三類設計影響因素的基本賦予準則為：（1）默認的手勢手型為手掌攤開，任何手型不同的手勢都會被賦予“手型”因素;（2）任何手勢動作具備連貫}生和路徑性的移動變化，則會被賦予“路徑”因素;（3）帶有明確象征或隱喻性意義的手勢則會被賦予“象征隱喻”因素。

為了更加直觀地描述所選取的手勢，需要給25個手勢進行命名。命名的準則為：“手勢所在命令組別+手勢設計影響因素+編號”。

三、手勢分類認知實驗方法

（一）實驗被試。此次實驗招募11名老年被試（5名男性，6名女性），年齡從55歲至70歲（M=64.27，sD=5.17）;和11名青年被試（6名男性，5名女性），年齡從24_～=30歲（M=25.64，SD=2.06）;招募的被試身體健康，認知清晰，能夠清楚地理解實驗的流程。

（二）實驗設備。實驗所需的設備：一臺可以播放視頻的筆記本電腦;一臺手機，用于錄音;一臺相機，用于記錄實驗過程;分類統計表，記錄被試基本情況與實驗的分類結果。

（三）實驗步驟。被試需要觀看手勢演示視頻并對手勢進行分類。手勢演示視頻播放順序具備隨機性，每個手勢的演示視頻播放3遍。在分類的過程中，需要被試通過發聲思考的方式將他們的思考過程表述出來，如果被試無法得出確切的結果，那么需要將手勢分在未知組中。

短暫的休息后，根據被試上一階段的分類結果，按照不同的組別依次再將手勢演示視頻給予被試觀看，通過再認知過程，被試需要給每個手勢與所分命令組之間的匹配}生進行評分，得分采用5分制（1分代表再認知后，發現該手勢和所分命令組十分不匹配，5分代表再認知后，該手勢和所分命令組依然十分匹配）。最后，對被試進行簡單的事后訪談。

四、結果與分析

（一）手勢分類結果差異性分析。對被試的分類結果量化，分在打開組記為1，分在關閉組記為2，分在縮放組記為3，分在調節組記為4，分在切換組記為5，分在未知組記為0。根據每個手勢在每個命令組中的分類頻數，進行兩個組別的手勢分類結果統計。如果出現分類頻數出現相同的情況，則根據匹配性得分比較，得出最終的分類結果（比較結果如圖3）。

圖4為最終的分類結果，灰色色塊代表了最終分類結果與正確分類結果之間存在差異的手勢。老年組中有9個手勢的分類結果錯誤，青年組中也有9個手勢的分類結果錯誤。老年組更多是將認知困難的手勢分到了縮放組中，而青年組則是更多地將手勢分到了打開組中，從中能了解兩個組別對于認知困難的手勢的分類傾向存在差異。

（二）被試背景因素對于分類結果產生的影響。實驗前收集了被試的年齡，性別，教育水平和相關設備使用經驗。

分類結果包括被試分類正確率，分類錯誤率，分類未知率。分類正確率是指被試在分類實驗中手勢分類成功的比率;分類錯誤率是指被試在分類實驗中手勢分類錯誤的比率;分類未知率是指被試在分類試驗中手勢分類失敗的比率。

正態性檢驗與方差齊性檢驗的結果表示三組數據都符合正態分布并滿足進行方差分析的前提。方差分析結果見表1。組別與分類錯誤率，分類未知率之間存在顯著性相關（p<0.05）;由此可以看出，兩個組別對于手勢認知的正確性判別差異不大，而在手勢的認知錯誤性和認知困難性方面，年齡因素存在顯著性影響。代表了老年人群與年輕人群在進行手勢認知時，對于錯認無法分辨手勢兩種情況下，認知表現存在差異，如表1。

其次，研究性別，教育水平，使用經驗與分類正確率，分類錯誤率，分類未知率之間的關系。在老年組中，性別與分類錯誤率之間存在顯著性相關（p<0.05），使用經驗與分類正確率與分類錯誤率存在顯著性相關（p<0.05）。在青年組中，性別與分類錯誤率，分類未知率存在顯著性相關（p<0.05），使用經驗與分類正確率存在顯著性相關（p<0.05）。結果表明了性別會影響到被試錯誤認知的結果，使用經驗則會影響被試正確認知的結果。具備一定智能設備使用經驗的老年人與具備一定體感設備的青年人趨向于更高的分類正確率，使用經驗能夠帶給被試一定的手勢操作基礎，從而提高手勢的認知效率。

五、結論與討論

實驗結果顯示，年齡對于分類結果具有顯著性影響，代表了此次研究選擇兩個組別被試進行實驗，并研究年齡組對手勢認知分類結果具備差異性的方向是有意義的。

（一）打開組手勢的差異性討論。打開組的分類結果中，兩個組別中產生明顯認知差異的手勢為op_hs_4。op_hs_4這個手勢來源于Hololens的操作，手勢在青年組中具備良好的分類正確率，因為年輕被試大多了解該設備的手勢操作。而老年被試很難接觸到這類設備，對這類設備的操作手勢感到陌生。該分類結果的差異證明了年齡作為一個關鍵因素，顯著影響被試對于手勢的認知。

（二）關閉組手勢的差異性討論。關閉組的分類結果中，兩個組別中產生明顯認知差異的手勢為cl hs_2。cl_hs_2在老年組中大多都被分到了縮放組，證明了被試并沒有很好地理解這兩個手勢的含義。發聲思考的過程中，大部分被試表示看到這個手勢，還是會關注于這組手勢的手部變化，把它看成一個縮放的過程。綜合老年被試的訪談結果，幾乎所有被試都選擇op_sy_hs_l為打開和關閉操作的第一印象手勢。這一現象也暗示了，老年人對于手勢認知的方向是由易向難發展的，大部分的操作都愿意使用簡單易懂的手勢進行。

（三）縮放組手勢的差異性討論?？s放組的分類結果中，兩個組別中產生明顯認知差異的手勢為sc_sy_hs_5。sc_sy_hs_5代表雙擊操作的手勢，老年組將該手勢大多分到切換組中，大部分老年被試表示該手勢類似于遙控器的操作。而在青年組中，該手勢大多被分在打開組，因為部分安卓手機具有雙擊屏幕喚醒手機的功能，所以大部分青年被試認為該手勢代表打開操作。在事后訪談中，老年人大多會選擇sc_sy_2這類手勢作為第一印象手勢。這類手勢能夠更好詮釋縮放的外在表現，具備良好的可用性與易學性。

（四）調節組手勢的差異性討論。調節組的分類結果中，兩個組別中產生明顯認知差異的手勢為ad pro_2。ad_pro_2是一個手臂畫半圓的手勢，青年組的認知中，只要是畫圓類型的手勢，都具有調節的意象。而在老年組中將該手勢分到了切換組，大部分老年被試認為該手勢代表從上方的點轉換到下方的點，代表了轉換的含義。事后訪談中，大多被試受到實驗手勢的影響，會將ad sy_hs_3作為第一印象手勢，該手勢的隱喻性十分符合老年被試以往的生活與使用經驗。

（五）縮放組手勢的差異性討論。切換組的分類結果中，兩個組別中產生明顯認知差異的手勢為sw_pm_hs_l。sw_pm_hs_l是在智能手機上常見的手勢操作，通過食指左右滑動進行切換。青年組卻將該手勢分在了調節組，認為該手勢的伸出食指的手型代表了精準的調節。事后訪談關于調節組的手勢認知情況主要與被試的生活經驗存在關聯?？偠灾斘覀冊谠O計手勢操作時，要將手勢認知的普世性放在第一位，特別在針對老年人群進行手勢設計時，要充分考慮老年人群的認知和行為習慣，盡量使用認知負擔小，并且容易執行的手勢。

總結

通過對以上內容的討論，可以總結出以下兩點：1.手勢的分類結果在青年組和老年組中之間存在差異，且這類差異更多的來源于生活與使用經驗的差異，因此需要針對老年人群進行改良與設計：2.被試的背景因素對于手勢認知會有一定的影響，需要針對不同背景因素的老年人群進行合理的手勢設計改良，增加手勢的容錯性，能夠保證具備不同背景因素的老年用戶通過不同的手勢完成相同操作。