空中鼠标系统设计的关键因素

我是MT

作者: Steve Scheirey

通过体感控制技术，用户只要稍微移动空中鼠标，就能操作智能电视屏幕上的鼠标点击。MEMS传感器和传感器融合算法是无线、三维光标控制的基础，这种控制将带来激动人心的全新电视互动。尽管空中鼠标的基础互动设计来自人们熟悉的PC鼠标，但还有一些至关重要的额外考虑因素需要考虑。本文将探究空中鼠标与标准PC鼠标的区别，揭示系统工程师如何解决空中光标控制面临的一些最棘手的挑战。

让我们从空中三维动作控制的基础——鼠标，开始讲起。鼠标作为指示及点击控制的输入设备，其设计基于人机工程学数十年的研究及测试。鼠标在60年代首次发明，80年代开始商业应用，时至今日，它仍被广泛应用中，因为它解决了显示器上图形用户界面的指示和点击控制的基础问题。所有电脑鼠标最重要和鲜明的两大特征是界内鼠标和非线性弹道光标移动。

界内鼠标，又称相对鼠标，指鼠标光标始终保持在屏幕边界内的一种特征。人机工程学工程师明确地选择了界内鼠标是因为他们认为，将鼠标移动与屏幕上的光标解耦开来效果会更好。这样的优点是光标始终可见。使用者会感到他们在有效的控制着光标而没有“失去光标”。

非线性弹道光标意味着，光标移动并非1比1的对应鼠标的移动。当使用者快速移动鼠标时，光标会以更大的速度朝目标加速移动。当使用者慢速移动鼠标时，光标将会放慢，以较低速度移动。这具有两方面的优点。加速移动意味着在屏幕上移动光标只需要较小的动作；减速移动让用户能更有效地点中屏幕上的较小目标。

这些鼠标动力学构成空中鼠标的光标控制基础。智能电视在屏幕上显示的图形用户界面与PC相似，因此选择使用非线性弹道光标移动的界内鼠标(如同PC鼠标)作为互动架构。然而，这些动力学对在客厅中进行空中操作实属必要，但尚不充分。原因是还需要其他不显见、不寻常的重要算法让空中鼠标便于使用。

这些要求是因为PC鼠标和电视空中鼠标不同的使用方式产生的。PC鼠标是在明确而标准的环境中使用的：用户面对电脑坐在桌前，人机互动是活动的核心。而空中鼠标则通常是在客厅使用，用户可以坐、站、躺，以任意角度手持遥控器，他们的主要目的是搜索和观看内容。这种差别给空中鼠标系统的工程师们带来了三大挑战，下面就来谈谈如何克服这些挑战。

挑战1：空中鼠标缺乏有线连接

用户在房间内位置不定，无法在空中鼠标和PC之间建立有线连接，因此必须借助RF连接进行通讯，这就得在RF数据包速率与电池寿命之间做出取舍。另外，三维空中动作需要映像及转化为二维光标，经操作系统处理后才能显示在屏幕上，这就在系统中造成了一个难题：延迟。

我们总是希望智能电视能够迅速理解体感手势，并即时响应。然而正如上文所述，由于数据收集颇为复杂，需要经过传输和处理才能将动作映射到光标控制，于是我们不禁要问：“究竟能够有多快？”我们的研究显示，动作控制系统的目标延迟时间应在30到50毫秒左右。超过这个限度，即便是初级用户也能感觉到延迟，令可用性受到影响(图1)。我们在测试中发现，当延迟60毫秒及以上时，系统超调量增大，目标选择效率降低。超调量大，操作失准，导致用户疲劳。因此，制定合理的延迟目标值是决定动作控制系统成功与否的重要基础。

2013-12-23 11:10:44 上传
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图1：光标控制的目标延迟范围。

挑战2：空中鼠标无平面摩擦

PC鼠标置于桌上，可以通过摩擦保持动作稳定，而空中鼠标则没有这样的条件，所以会加剧无意动作对光标控制的影响。具体而言，点击空中鼠标按键时产生的动作或手部抖动不仅扰人，而且非常妨碍用户浏览界面，所以必须消除空中操作时的人体抖动，使屏幕上的光标更加稳定。常见的办法是用一个简单的低通滤波器，来消除输入速率低于每秒5度的所有动作。但是，这也会影响到那些有意为之的细微动作，造成所谓的动作“死区”，妨碍用户精准选择细小目标，令用户界面的设计受到制约。所以，分辨哪些是抖动、哪些是有意的动作，并区别对待两者是非常重要的。这个任务并不简单，因为抖动是因人而异，因遥控设计而异，也因用户当时的姿势而异。解决方案须经过大量的测试，尤其是遥控设计测试，因为尺寸、形状、重量、平衡和按钮分布这些因素都会影响抖动的程度。从概念到原型制作，整个过程的测试都很重要，应当考虑到动作控制的各种使用情形，以及用户的各种姿势和相对于电视机的各种位置。此外，还应识别并排除按下按钮引起的无意动作。这个可以通过在按下按钮时冻结鼠标光标，或者在释放按钮时执行动作，而非靠按下按钮来执行动作，以免在按下按钮的过程中产生无意动作(如图2)。

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图2：低通滤波器会形成一个动作“死区”导致难以选择细小目标。

挑战3：“两英尺”与“十英尺”之间的差异

PC鼠标用户通常坐在离显示屏两英尺左右的位置，并直视屏幕。而客厅空中鼠标用户则可能以许多不同的方向，或坐或站或躺，与电视形成不同的距离以及各种角度。设计良好的遥控器必须使用舒适，并且在所有这些位置均能使用，不论以何种方式拿着遥控器，用户都能控制自如，随意选择电视内容。因此，遥控器的方向必须得到补偿。这种特性(称为“方向补偿”)将“设备参照系”转换为“用户参照系”。因此，当用户将遥控器移动到左侧时，光标将向左移动，即使是斜持着遥控器亦是如此。这表明，用户在使用遥控器时，手持遥控器无需严格与地面平行，或将遥控器直接指向电视(图3)。用户可以舒服地躺在沙发上，与电视有30度的视角，只需微微动动手腕，便可以轻松地控制光标。

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图3：方向补偿将动作由设备参照系转换为用户参照系。

工程师们力争为智能电视机设计最有效的体感控制方法，本文只粗略介绍了他们所面临的难题。我们看到，2003年前后空中鼠标首次进入市场时，获得的评价褒贬不一。评论者和用户可以明显发现延时、精确度和手持人体工程学等方面的问题。然而，随着技术的成熟和完善，空中鼠标也得到了采用。如今，LG、TCL和Roku等主导品牌都将空中鼠标产品作为其产品用户体验的重要组成部分。新的人机交互有助于消费者找到更多内容，更多乐趣，我们相信，动作控制技术的良好发展势头必将改变消费者日常使用电视机的方式。