觸摸屏按鍵設計對交互績效與用戶體驗的影響

王春慧， 戚超樾， 田 雨， 劉 旺， 韓 博， 唐偉財，許瀟丹， 王篤明， 蔡柏翰

（1.浙江理工大學心理系， 杭州 310018； 2.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室， 北京 100094）

1 引言

觸摸屏被廣泛應用于航空航天領域的電子交互設備，對提升其操作性能具有積極作用［1?4］。 傳統輸入設備，如鼠標、鍵盤、軌跡球等在微重力環境下存在易漂浮的現象，而觸摸屏無此類問題，并在操作時上肢移動較輕松，較適用于航天等特殊環境下的作業［5］。 此外，觸摸屏的一大優勢是可以自定義地修改虛擬界面中的元素屬性［6］，比如在駕駛艙中更新飛行系統面板，只需要修改觸摸屏用戶界面而無需重新布置硬件［7］。 在航天器中觸摸屏相比傳統機械控制臺個性化更強，可以減少由文化差異導致的操作失誤［8］。 但是觸摸屏在使用時也存在一些不足，例如按鍵時的遮擋和缺乏反饋會影響其操作績效［9］，太空的微重力環境也會對操縱觸屏的精細運動產生負面影響［10］。 為應對航空航天任務的復雜性，進一步提高使用觸摸屏時的績效，優化觸摸屏的界面設計元素是一種重要方式。

Brewster 等［11］發現反饋機制會對觸摸屏任務績效產生顯著影響，其中聽覺反饋可以顯著地降低用戶的錯誤率和主觀負荷。 Bender［12］發現在觸摸屏按鍵尺寸為10 mm 的情況下，有聲音反饋的按鍵操作績效顯著高于無聲音反饋。 然而，在Yeh 等［13］對遙控器按鍵的研究中發現，加入聽覺反饋對于操作績效并無影響。 此外，現有研究通常只針對單一反饋變量，缺少與其他界面元素相組合的試驗。

隨著技術進步，在航天航空系統中需要顯示的可用信息數量在不斷增加，當屏幕信息和按鍵元素較多時，顯示區、觸屏數字按鍵和屏幕上其他元素會相互爭奪空間［14］。 此時合理的按鍵尺寸和按鍵間距可在保證高效率操作的同時，使屏幕容納更多信息。 在按鍵尺寸方面，ANSI／HFES（2007） 標 準［15］建 議 最 小 適 宜 按 鍵 尺 寸 為9.5 mm，超過22 mm 時操作績效的提升不顯著；然而，ISO 9241－9［16］建議按鍵尺寸至少為18 ～20 mm；Schedlbauer［17］則推薦了12 mm 按鍵尺寸。在按鍵間距方面，ANSI／HFES（2007）標準建議按鍵間距的下限為3.2 mm［15］；而ISO 9241－9 推薦在每個觸摸目標周圍至少設置一個5 mm 的不活躍區域［16］；Tao 等［18］研究了0，1，3 mm 按鍵間距的觸摸屏績效，發現0 mm 間距會降低用戶的操作績效，而1 mm 和3 mm 間距的操作績效取決于按鍵尺寸。 由于試驗范式、設備迭代等原因，對按鍵最佳尺寸與間距并未達成一致標準。

針對已有研究和不同標準中對觸屏按鍵尺寸等參數的推薦值不一致，以及按鍵尺寸、間距、聲音反饋等設計要素對觸屏績效的交互影響不明確等問題，本文以數字輸入為典型任務開展了2 項觸摸屏按鍵工效試驗，探究聲音反饋、按鍵尺寸、按鍵間距等設計要素對觸屏輸入績效和主觀體驗的影響，并將觸屏操作行為績效、主觀體驗數據與手指觸摸接觸區域寬度等相關數據進行綜合分析，以期為觸屏按鍵工效設計提供支撐。

2 方法

2.1 試驗一

已有研究通常基于單一聲音反饋條件，缺少對于疊加組合條件的試驗研究。 試驗一將聲音反饋和按鍵尺寸作為試驗變量，探究在不同按鍵尺寸下聲音反饋與操作績效的關系。

2.1.1 試驗設計

試驗采用3×2 的雙因素被試內設計，將按鍵尺寸（5，10，20 mm）與聲音反饋（有反饋、無反饋）作為試驗變量。 其中5 ～20 mm 按鍵尺寸覆蓋了從手表、手機到平板電腦的按鈕尺寸設計；按鍵后是否提供聲音反饋是觸屏輸入設備常見的一個設置選項。

試驗測試指標包括輸入速度、輸入正確率和主觀評價。 輸入速度指平均輸入每個字符所需要的時間，單位為ms／字符，該值越小速度越快。 輸入正確率指在本次試驗中輸入正確組數占所有輸入組數的比率。 主觀評價采用NASA?TLX 量表打分，量表評價包含腦力需求、體力需求、時間壓力、任務績效（反向計分）、努力程度、挫折程度六個維度、每個維度分為0～10 分，0 分最低，10 分最高。

2.1.2 志愿者

本試驗選取了30 名志愿者（28.4 ± 0.8）歲，均為第一次參加本試驗，其中一位為左利手，所有志愿者視力正常或矯正視力正常，聽力正常，無精神、運動或神經系統疾病。

2.1.3 試驗設備與程序本試驗程序由C＃語言編制。 使用觸控平板電腦（12.3 英寸、分辨率2736×1824 像素點）運行試驗程序。 根據Kaaresoja［19］對于虛擬按鍵反饋的研究結果，將按鍵的聲音反饋選為持續100 ms的1000 Hz 純音（聲音的開始和結尾各包含15 ms的漸強和漸弱過程），同時有代表正確輸入和錯誤輸入的2 種聲音反饋。 鍵盤排列方式為橫向的1 行12 列，按鍵間距為1 mm，志愿者距離顯示屏幕約40 cm。

2.1.4 試驗任務

試驗界面包含字符顯示欄及字符輸入按鍵，試驗時觸控平板電腦平放，志愿者呈坐姿以俯視姿態面對屏幕，并使用利手食指在觸摸屏上進行點擊任務。 志愿者按下開始鍵后會出現6 位隨機數字串，志愿者按照所呈現的數字串按鍵輸入，所輸入的數字串會實時呈現在第二行輸入框內。 當一組數字串輸入完成或輸入中出現錯誤后，系統會自動跳轉到下一組。 志愿者正確輸入30 組數字串后該條件的測試結束。 每名志愿者需要完成6 種變量組合條件的數字串輸入任務。 每種條件正式測試開始前，有6 組數字串輸入練習（同樣要求正確輸入6 組數字串）。 每種條件的練習與測試結束后進行主觀評價。

2.2 試驗二

試驗一中志愿者在按鍵尺寸10 mm 和20 mm之間的交互績效均并未表現出顯著差異性，與歷史研究中并不一致，如ISO9241－9［16］的推薦按鍵尺寸傾向于較大尺寸。 為了進一步探究合適的按鍵尺寸標準，試驗二圍繞10 ～20 mm 按鍵尺寸范圍設置了更多的水平，同時為了探索不影響觸屏交互績效的最小按鍵尺寸，研究中還設計了8 mm按鍵尺寸。 此項試驗中，通過加入按鍵間距變量，與按鍵尺寸變量相組合，以得到一組合適的按鍵尺寸和間距參數。

2.2.1 試驗設計

試驗采用了4×2 的雙因素被試內設計，將按鍵尺寸（8，11，14，17 mm）與按鍵間距（1，4 mm）作為試驗變量。

試驗測試指標包括輸入速度、輸入正確率和主觀評價。 其中主觀評價對滿意度打分，分值為0～10 分，0 分最低、10 分最高。

2.2.2 志愿者

本試驗選取了24 名志愿者（30.5 ± 0.5 歲），均為第一次參加本試驗，均為右利手，所有志愿者視力正常或矯正視力正常，聽力正常，無精神、運動或神經系統疾病。

2.2.3 試驗設備與程序

本試驗設備同試驗一。 為了減小在較大按鍵間距下手指移動距離對于輸入速度的影響，按鍵排列方式設置為四行三列。 被試距離顯示屏幕約40 cm。

2.2.4 試驗任務

試驗時觸控平板電腦平放，志愿者呈坐姿以俯視姿態面對屏幕，并使用利手食指在觸摸屏上進行點擊任務。 志愿者按下開始鍵后會出現6 位隨機的數字串，志愿者按照所呈現的數字串進行按鍵輸入，所輸入的數字串會實時呈現在輸入框內。 當一組數字串輸入完成或輸入中出現錯誤后，系統會自動跳轉到下一組。 被試正確輸入30組數字串后該條件的測試結束。 每名志愿者需要完成8 種變量組合條件的數字串輸入任務。 每種條件正式測試開始前，有6 組數字串輸入練習（要求正確輸入6 組數字串）。 每種條件的練習與測試結束后進行主觀評價。

3 試驗結果

3.1 試驗一

3.1.1 輸入速度

各條件下志愿者的輸入速度如圖1（a）所示。重復測量方差分析顯示：

圖1 不同條件下志愿者的輸入速度和正確率Fig.1 Input speed and input accuracy under different conditions

1） 按鍵尺寸主效應顯著（F（1.662，48.203）＝32.524，P＜ 0.001，η2＝ 0.529），志 愿 者 在10 mm 和20 mm 尺寸上的按鍵速度顯著快于5 mm（P＜0.001），但10 mm 和20 mm 尺寸之間并無明顯差異（P＝0.111）。

2） 聲 音反 饋 主 效應 顯 著（F（1，29） ＝15.063，P＜0.001，η2＝0.342），有聲音反饋的按鍵速度明顯高于無聲音反饋。

3） 按鍵大小與聲音反饋交互效應不顯著（F（2，58） ＝ 0.327，P＝0.723，η2＝0.011）。結果顯示，在5 mm 按鍵尺寸條件下，加入聲音反饋后將輸入速度從（818.2 ± 22.1） ms／字符提升至（789.5 ± 20.9） ms／字符（P＝ 0.007）；在10 mm 按鍵尺寸條件下，加入聲音反饋后將輸入速度從（744 ± 20.6） ms／字符提升至（717.4 ±20.9） ms／字符（P＝0.037）；在20 mm 按鍵尺寸條件下，加入聲音反饋對輸入速度的提升并不顯著（P＝0.115）。

3.1.2 輸入正確率

各條件下志愿者輸入正確率繪制在圖1（b）。重復測量方差分析顯示：

1）按鍵尺寸的主效應顯著（F（1.611，46.711） ＝13.858，P＜ 0.001，η2＝ 0.323），志 愿 者 在10 mm 與20 mm 按鍵尺寸上的輸入正確率要顯著高于5 mm（P＜0.001），而10 mm 與20 mm 尺寸間的輸入正確率無明顯差異（P＝0.989）。

2）聲音反饋主效應顯著（F（1，29） ＝7.685，P＜0.01，η2＝0.209），有聲音反饋的數字串輸入正確率顯著高于無聲音反饋的輸入正確率。

3）按鍵大小與聲音反饋交互效應顯著（F（2，58） ＝ 3.832， P ＝0.027，η2＝0.117）。 簡單效應分析顯示，在5 mm 按鍵尺寸條件下，加入聲音反饋后將輸入正確率從0.888 ± 0.016 提升至0.937 ± 0.008（P＝0.008）；在10 mm 按鍵尺寸條件下，加入聲音反饋對輸入正確率的提升并不顯著（P＝0.501）；在20 mm 按鍵尺寸條件下，加入聲音反饋后將輸入正確率從0.939 ± 0.009 提升至0.962 ± 0.006（P＝0.042）。

3.1.3 主觀評價

各條件下志愿者的主觀評價如圖2 所示。 主觀數據的重復測量方差分析顯示，在腦力需求維度，聲音反饋主效應顯著（F（1，29） ＝ 4.258，P＝0.048，η2＝0.128）；在任務績效、努力程度和受挫程度3 個維度，均顯示志愿者在10 mm 和20 mm 按鍵尺寸上的主觀評價顯著小于5 mm 按鍵尺寸；在體力需求和時間壓力2 個維度上的主觀評價并未發現有顯著差異。

圖2 不同條件下志愿者的主觀評價［21］Fig.2 Subjective evaluation under different conditions［21］

3.2 試驗二

3.2.1 輸入速度

各條件下志愿者的輸入速度如圖3（a）所示。重復測量方差分析顯示：

圖3 各條件下輸入速度、輸入正確率和主觀滿意度Fig.3 The input speed， input accuracy and subjective satisfaction under different conditions

1）按鍵尺寸的主效應顯著（F（3，69） ＝2.754，P＝0.049，η2＝0.107），14 mm 按鍵尺寸條件下的平均輸入速度最快為（573.8 ± 14.5）ms／字符，在14 mm 按鍵尺寸上的輸入速度顯著快于8 mm 按鍵尺寸（P＝0.002）。

2）按鍵間距的主效應不顯著（F（1，23） ＝0.491，P＝0.491，η2＝0.021）。

3）按鍵尺寸與按鍵間距的交互作用不顯著（F（3，69） ＝ 0.278，P＝0.841，η2＝0.012）。3.2.2 輸入正確率

各條件下志愿者的輸入正確率如圖3（b）所示。 重復測量方差分析顯示：

1）按鍵尺寸的主效應不顯著（F（3，69） ＝0.584，P＝0.627，η2＝0.025）。

2）按鍵間距的主效應顯著（F（1，23） ＝4.567，P＝0.043，η2＝0.166），志愿者在4 mm按鍵間距上的輸入正確率顯著高于1 mm 按鍵間距。

3）按鍵尺寸與按鍵間距交互效應不顯著（F（3，68） ＝ 0.189，P＝0.903，η2＝0.008）。

3.2.3 主觀滿意度

各條件下志愿者的滿意度評價如圖3（c）所示。 重復測量方差分析顯示：

1） 按 鍵 尺 寸 的 主 效 應 顯 著（F（1.676，38.548） ＝ 9.947，P＜ 0.001，η2＝ 0.302），14 mm 按鍵尺寸的滿意度最高（7.4 ± 0.2）；志愿者在8 mm 按鍵尺寸上的滿意度顯著低于11 mm（P＜0.001）、14 mm（P＜0.001）和17 mm（P＝0.028），在14 mm 按鍵尺寸下的滿意度顯著高于17 mm 按鍵尺寸條件下的滿意度。

2）按鍵間距的主效應顯著（F（1，23） ＝9.006，P＝0.006，η2＝0.281），按鍵間距4 mm的滿意度顯著高于按鍵間距1 mm 條件。

3）按鍵尺寸與按鍵間距交互效應不顯著（F（3，69） ＝2.265，P＝0.089，η2＝0.09）。 結果顯示，在8 mm 按鍵尺寸條件下，從1 mm 按鍵間距到4 mm 按鍵間距，滿意度從5.4 ± 0.4 上升到6.2 ± 0.4（P＝0.021）；在11 mm 按鍵尺寸條件下，從1 mm 按鍵間距到4 mm 按鍵間距，滿意度從6.5 ± 0.3 上升到7.5 ± 0.3（P＝0.004）；在14 mm 和17 mm 按鍵尺寸下，1 mm 按鍵間距的滿意度與4 mm 無顯著差異。

4 討論

本文開展了按鍵聲音反饋和按鍵尺寸、按鍵尺寸和按鍵間距2 個組合試驗。 試驗一發現在加入了聲音反饋后，志愿者的輸入速度和輸入的正確率均得到了顯著提升，說明聲音反饋對于志愿者的觸摸屏操作績效存在積極作用，同時相較于10 mm 或20 mm 的按鍵尺寸，志愿者在5 mm 按鍵尺寸上的交互績效提升更為明顯，說明在按鍵尺寸較小的觸摸屏產品中加入聲音反饋具有一定必要性。 此外，使用較大按鍵尺寸（10 mm、20 mm）的輸入速度和輸入正確率都顯著高于較小按鍵尺寸（5 mm），可見在5 mm 的按鍵尺寸下任務難度更高；志愿者的主觀評價中發現5 mm 按鍵在任務績效、努力程度和受挫程度維度上的得分都顯著高于其余2 個尺寸，但是10 mm 和20 mm按鍵尺寸間的輸入速度和正確率并無明顯差別，更大尺寸的20 mm 按鍵并未帶來更高的交互績效，與ISO9241－9［16］推薦使用18 ～20 mm 按鍵尺寸的結論并不一致，試驗一結果更偏向支持ANSI／HFES［15］和Schedlbauer［18］的最小按鍵標準，約為10 mm。 但試驗一按鍵尺寸水平的設置間距較大，不能排除10 ～20 mm 間存在更優按鍵尺寸設置。

在試驗二中設置了更有針對性的按鍵尺寸水平（8，11，14，17 mm），并加入1 mm 和4 mm 的按鍵間距與之組合。 在任務績效上，描述統計顯示14 mm 按鍵尺寸在輸入速度上最優，在14 mm 按鍵尺寸上的輸入速度顯著高于8 mm 按鍵尺寸，其余兩兩尺寸間無顯著差別。 在主觀滿意度上，志愿者對于14 mm 按鍵尺寸的滿意度最高，對8 mm 的按鍵尺寸滿意度最低。 試驗二結果表明，相對于更大按鍵尺寸，8 mm 按鍵尺寸下志愿者的交互績效與主觀體驗均相對較低；在所設置的按鍵尺寸（8，11，14，17 mm）中，14 mm 有更優的綜合表現（綜合考慮交互績效和主觀滿意度）。 在按鍵間距上，志愿者在4 mm 按鍵間距上的輸入正確率顯著高于1 mm 按鍵間距，同時4 mm 間距也帶來了更高的主觀滿意度。 按鍵尺寸與按鍵間距之間并未發現顯著的交互效應。 綜上，推薦使用14 mm 按鍵尺寸與4 mm 按鍵間距的組合。

在實際使用時觸摸屏會存在屏幕空間不充足的情況，此時需要在不影響用戶正常操作的前提下減小虛擬按鍵的空間占用。 為了探索按鍵尺寸大小的下限，以往的部分標準基于人手指寬度作為觸屏按鍵尺寸設計的參照，如ISO9241－9［16］標準建議依按鍵尺寸的下限為成年男性食指寬度的第95 百分位數，依據GB 10000－88［20］對于中國成年人人體尺寸的測量數據，18 ～60 歲中國男性食指寬度的第95 百分位數約為18 mm，與觸屏輸入工效試驗結果并不一致。 本文研究參照Par?hi［21］的方式，測量了試驗二志愿者手指在觸摸屏上的接觸區域寬度（圖4），發現隨著按鍵寬度和按鍵間距增加，志愿者觸屏時手指與屏幕的接觸區域會增加，但增加幅度非常有限：在8 mm 按鍵尺寸下，無論按鍵間距是1 mm 還是4 mm，志愿者的觸屏區域寬度平均為8.7 ± 0.2 mm，單側95%置信區間的上限為10.5 mm，表明8 mm 的按鍵空間不夠充足；而在17 mm 按鍵尺寸下，無論按鍵間距是1 mm 還是4 mm，接觸區域寬度平均為9.3 ± 0.2 mm，單側95%置信區間的上限為11.1 mm，表明為了滿足大部分用戶的需求，按鍵最小適宜尺寸應不低于11 mm，但無需達到17 mm。 即使要求志愿者刻意用力按壓屏幕（紙面），使手指的接觸面積增大，收集到的接觸面積寬度的單側95%置信區間的上限為14.2 mm，仍未達到17 mm。 根據接觸區域的測量結果，研究推薦的最小按鍵尺寸范圍為11 ～14 mm。

圖4 志愿者手指觸屏時的接觸區域平均寬度Fig.4 Average touch area width of the subject’s fingers

同時上述的測量結果顯示，在實際操作時手指與屏幕的接觸面積要小于手指本身的寬度，在設計按鍵尺寸的最小規格時，不能僅參照用戶的手指生理指標，還應考慮實際的點擊行為。 點擊時的接觸區域寬度可通過手指寬度乘以一定的系數推測，研究以正常按壓下單側95%置信區間的接觸區域寬度（11.1 mm）為下限，以用力按壓下單側95%置信區間的接觸區域寬度（14.2 mm）為上限，基于GB 10000－88［20］中國男性食指寬度標準（18 mm），初步推薦該系數為0.6～0.8。

基于觸屏接觸區域寬度測量得到的按鍵尺寸設計推薦范圍（11 ～14 mm）與觸屏輸入工效試驗結果的推薦值（約14 mm）較一致。 當使用大于14 mm 按鍵時，用戶的任務績效和主觀體驗并不會有明顯的提高，同時在屏幕較小時還會占用其他界面元素的顯示空間；而使小于11 mm 的按鍵可能不適合部分用戶的手指寬度，會造成任務績效和主觀體驗的降低。 試驗二的結果顯示14 mm尺寸的按鍵的表現在描述統計上優于11 mm，但在方差分析中二者間并無顯著差異，因此本文推薦的最小按鍵尺寸為11 ～14 mm。

5 結論

本文探究設計元素對觸摸屏操作的影響，主要選取了按鍵反饋、按鍵尺寸和按鍵間距3 個因素，通過數字輸入任務的績效分析出合適的參數標準。 可以得到如下結論：

1） 聲音反饋可提升按鍵任務的交互績效。相比于大尺寸按鍵（10 mm，20 mm），聲音反饋對于小尺寸按鍵（5 mm）的績效提升更為明顯，在使用小按鍵的觸屏交互中，加入聲音反饋設計是有必要的。

2） 在按鍵尺寸和間距方面，發現相對于10 mm 左右按鍵尺寸，已有文獻和標準中推薦的20 mm 左右的按鍵寬度未能顯著地提升用戶的交互績效。

3） 推薦以用戶手指在觸摸屏上的接觸區域寬度為參考，設計最小適宜按鍵尺寸，接觸區域寬度約為手指寬度乘以一定比例系數（0.6～0.8）。

4） 綜合考慮交互績效、主觀體驗、手指在按鍵上的接觸區域寬度，推薦的按鍵尺寸為11 ～14 mm，按鍵間距推薦選取4 mm。