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作者: Steve Scheirey 通過體感控制技術，用戶只要稍微移動空中鼠標，就能操作智能電視屏幕上的鼠標點擊。MEMS傳感器和傳感器融合算法是無線、三維光標控制的基礎，這種控制將帶來激動人心的全新電視互動。盡管空中鼠標的基礎互動設計來自人們熟悉的PC鼠標，但還有一些至關重要的額外考慮因素需要考慮。本文將探究空中鼠標與標準PC鼠標的區別，揭示系統工程師如何解決空中光標控制面臨的一些最棘手的挑戰。 讓我們從空中三維動作控制的基礎——鼠標，開始講起。鼠標作為指示及點擊控制的輸入設備，其設計基于人機工程學數十年的研究及測試。鼠標在60年代首次發明，80年代開始商業應用，時至今日，它仍被廣泛應用中，因為它解決了顯示器上圖形用戶界面的指示和點擊控制的基礎問題。所有電腦鼠標最重要和鮮明的兩大特征是界內鼠標和非線性彈道光標移動。 界內鼠標，又稱相對鼠標，指鼠標光標始終保持在屏幕邊界內的一種特征。人機工程學工程師明確地選擇了界內鼠標是因為他們認為，將鼠標移動與屏幕上的光標解耦開來效果會更好。這樣的優點是光標始終可見。使用者會感到他們在有效的控制著光標而沒有“失去光標”。 非線性彈道光標意味著，光標移動并非1比1的對應鼠標的移動。當使用者快速移動鼠標時，光標會以更大的速度朝目標加速移動。當使用者慢速移動鼠標時，光標將會放慢，以較低速度移動。這具有兩方面的優點。加速移動意味著在屏幕上移動光標只需要較小的動作；減速移動讓用戶能更有效地點中屏幕上的較小目標。 這些鼠標動力學構成空中鼠標的光標控制基礎。智能電視在屏幕上顯示的圖形用戶界面與PC相似，因此選擇使用非線性彈道光標移動的界內鼠標(如同PC鼠標)作為互動架構。然而，這些動力學對在客廳中進行空中操作實屬必要，但尚不充分。原因是還需要其他不顯見、不尋常的重要算法讓空中鼠標便于使用。 這些要求是因為PC鼠標和電視空中鼠標不同的使用方式產生的。PC鼠標是在明確而標準的環境中使用的：用戶面對電腦坐在桌前，人機互動是活動的核心。而空中鼠標則通常是在客廳使用，用戶可以坐、站、躺，以任意角度手持遙控器，他們的主要目的是搜索和觀看內容。這種差別給空中鼠標系統的工程師們帶來了三大挑戰，下面就來談談如何克服這些挑戰。 挑戰1：空中鼠標缺乏有線連接 用戶在房間內位置不定，無法在空中鼠標和PC之間建立有線連接，因此必須借助RF連接進行通訊，這就得在RF數據包速率與電池壽命之間做出取舍。另外，三維空中動作需要映像及轉化為二維光標，經操作系統處理后才能顯示在屏幕上，這就在系統中造成了一個難題：延遲。 我們總是希望智能電視能夠迅速理解體感手勢，并即時響應。然而正如上文所述，由于數據收集頗為復雜，需要經過傳輸和處理才能將動作映射到光標控制，于是我們不禁要問：“究竟能夠有多快？”我們的研究顯示，動作控制系統的目標延遲時間應在30到50毫秒左右。超過這個限度，即便是初級用戶也能感覺到延遲，令可用性受到影響(圖1)。我們在測試中發現，當延遲60毫秒及以上時，系統超調量增大，目標選擇效率降低。超調量大，操作失準，導致用戶疲勞。因此，制定合理的延遲目標值是決定動作控制系統成功與否的重要基礎。 
圖1：光標控制的目標延遲范圍。 挑戰2：空中鼠標無平面摩擦 PC鼠標置于桌上，可以通過摩擦保持動作穩定，而空中鼠標則沒有這樣的條件，所以會加劇無意動作對光標控制的影響。具體而言，點擊空中鼠標按鍵時產生的動作或手部抖動不僅擾人，而且非常妨礙用戶瀏覽界面，所以必須消除空中操作時的人體抖動，使屏幕上的光標更加穩定。常見的辦法是用一個簡單的低通濾波器，來消除輸入速率低于每秒5度的所有動作。但是，這也會影響到那些有意為之的細微動作，造成所謂的動作“死區”，妨礙用戶精準選擇細小目標，令用戶界面的設計受到制約。所以，分辨哪些是抖動、哪些是有意的動作，并區別對待兩者是非常重要的。這個任務并不簡單，因為抖動是因人而異，因遙控設計而異，也因用戶當時的姿勢而異。解決方案須經過大量的測試，尤其是遙控設計測試，因為尺寸、形狀、重量、平衡和按鈕分布這些因素都會影響抖動的程度。從概念到原型制作，整個過程的測試都很重要，應當考慮到動作控制的各種使用情形，以及用戶的各種姿勢和相對于電視機的各種位置。此外，還應識別并排除按下按鈕引起的無意動作。這個可以通過在按下按鈕時凍結鼠標光標，或者在釋放按鈕時執行動作，而非靠按下按鈕來執行動作，以免在按下按鈕的過程中產生無意動作(如圖2)。
圖2：低通濾波器會形成一個動作“死區”導致難以選擇細小目標。 挑戰3：“兩英尺”與“十英尺”之間的差異 PC鼠標用戶通常坐在離顯示屏兩英尺左右的位置，并直視屏幕。而客廳空中鼠標用戶則可能以許多不同的方向，或坐或站或躺，與電視形成不同的距離以及各種角度。設計良好的遙控器必須使用舒適，并且在所有這些位置均能使用，不論以何種方式拿著遙控器，用戶都能控制自如，隨意選擇電視內容。因此，遙控器的方向必須得到補償。這種特性(稱為“方向補償”)將“設備參照系”轉換為“用戶參照系”。因此，當用戶將遙控器移動到左側時，光標將向左移動，即使是斜持著遙控器亦是如此。這表明，用戶在使用遙控器時，手持遙控器無需嚴格與地面平行，或將遙控器直接指向電視(圖3)。用戶可以舒服地躺在沙發上，與電視有30度的視角，只需微微動動手腕，便可以輕松地控制光標。
圖3：方向補償將動作由設備參照系轉換為用戶參照系。 工程師們力爭為智能電視機設計最有效的體感控制方法，本文只粗略介紹了他們所面臨的難題。我們看到，2003年前后空中鼠標首次進入市場時，獲得的評價褒貶不一。評論者和用戶可以明顯發現延時、精確度和手持人體工程學等方面的問題。然而，隨著技術的成熟和完善，空中鼠標也得到了采用。如今，LG、TCL和Roku等主導品牌都將空中鼠標產品作為其產品用戶體驗的重要組成部分。新的人機交互有助于消費者找到更多內容，更多樂趣，我們相信，動作控制技術的良好發展勢頭必將改變消費者日常使用電視機的方式。 |
