圖形用戶界面中的導(dǎo)航速度和獲取容易度之間的權(quán)衡的用戶控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖形用戶界面（graphical user interface，⑶I)上的人機交互 (human-computer interaction，HCI)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)明人知道，圖形用戶界面（GUI)作為用于人與計算機以及其它設(shè)備進行交互的 范例是公認(rèn)的。在跟蹤人體運動的某些方面并將其解釋為對計算機的控制時，圖形用戶界 面需要將計算機變化狀態(tài)的已選擇的部分可視地傳送給人類用戶。
[0003] 已使用稱為Fitts定律的約束來廣泛研究對人體運動的速度、精度和幅度的限 制。在HCI領(lǐng)域中，對人類完成在已知距離A上朝向已知尺寸為W的目標(biāo)的運動所需要的 時間的限制較低。Fitts定律的主要觀點在于，比例A/W是難度指數(shù)的唯一決定因素，其反 過來預(yù)測最小運動時間。
[0004] 即使在Fitts認(rèn)為的簡單的任務(wù)（往復(fù)輕擊、盤轉(zhuǎn)移和針轉(zhuǎn)移）中，必須針對這些 任務(wù)假設(shè)額外的幾何約束以使：W必須小于A/2,否則運動是沒必要的，因為已經(jīng)到達目標(biāo)。
[0005] 因此，人的能力不是對這種類型的問題的唯一的約束，特別是當(dāng)呈現(xiàn)大量的目標(biāo) 用于用戶選擇（如在典型的GUI上實現(xiàn)的）時。隨著許多感興趣的對象競爭被選擇，幾何 約束的重要性會增強和增加。幾何約束的目的是為了避免模棱兩可，因此不允許對象的重 疊。在對象尺寸相同的簡單情況下，公共尺寸W必須小于空間上最近的一對相鄰物之間的 距離的一半，從而效仿Fitts的幾何約束。
[0006] 任何對象的指向優(yōu)勢可通過增大其尺寸或使其離用戶的指針的當(dāng)前位置更近來 增大。然而，由于上述幾何約束，因此當(dāng)許多對象的指向優(yōu)勢必須增大時，這兩個策略會沖 突。如果對象在空間上平鋪而不重疊，則尺寸的任何增大都必須通過將對象移動得更遠來 補償。
[0007] 對象尺寸和對象間的距離之間的反比關(guān)系是相當(dāng)普遍的，并且需要在導(dǎo)航速度和 獲取容易度之間進行權(quán)衡。可用于容納GUI對象的空間總是受到使用的硬件或人類視覺和 運動的最大程度的限制。
[0008] 人機交互（HCI)的功能物理子空間
[0009] HCI期間的視覺傳送通過從顯示空間到視覺空間中的光學(xué)投影發(fā)生，顯示空間功 能上通過計算機顯示設(shè)備產(chǎn)生光的能力來創(chuàng)建，視覺空間功能上通過用戶的眼睛的看的能 力來創(chuàng)建。感光視網(wǎng)膜是一個表面，其上投影的視覺空間的圖像是二維的。因此，可被一只 眼睛檢測到的視覺空間中的點的兩個空間坐標(biāo)可被解釋為入射角，而距離需要通過其它方 法來確定。每只眼睛都有自身的視覺空間，但一個人的兩只眼睛的視覺空間通常基本上是 重疊的。
[0010] 體育場館、商店櫥窗和戲劇舞臺本身是三維顯示空間，但是像視網(wǎng)膜一樣，計算機 顯示設(shè)備基于表面。三維顯示空間的計算機合成可通過使用兩個不同但協(xié)調(diào)的顯示表面來 實現(xiàn)，一個顯示表面針對兩只眼睛中的每一只。三維認(rèn)知視覺空間的心理合成是由人腦以 某種方式來完成的。視覺對象大多數(shù)被認(rèn)為在視覺空間中的"那里"，而并不連接到眼睛。
[0011] HCI期間對人體運動的跟蹤發(fā)生在運動空間和控制空間之間的交集中，運動空間 功能上通過用戶的移動物理事物的能力來創(chuàng)建，控制空間功能上通過計算機輸入設(shè)備的跟 蹤范圍或移動的自由來創(chuàng)建。這兩個空間主要是三維的，但是該動作通常在包圍該輸入設(shè) 備的彎曲的接觸面或控制面上被轉(zhuǎn)移。此外，該設(shè)備通常被有意地以如下方式限制：控制空 間僅在一個或兩個維度中被減小到有限的程度。動作大多數(shù)被認(rèn)為是"正好"發(fā)生在運動 空間中。
[0012] 上面提到的四個私有空間中的每一個私有空間都是用戶、計算機和其環(huán)境中的事 物共享的相同公共物理空間的有界且變化的子空間。私有空間可在不同時間有不同程度的 重疊。HCI嚴(yán)格需要的兩個空間交集已經(jīng)在上面提到，但其它空間交集是可選的。例如，在 人這一側(cè)，我們可以看到夠不著的事物或移動不可見的事物。在計算機這一側(cè)，顯示空間和 控制空間可分離（例如屏幕和鼠標(biāo)）、可部分重疊（例如分屏）或可完全重疊（例如觸摸 屏）。
[0013] 運動和視覺優(yōu)勢
[0014] 健康的人體具有人體工程學(xué)的研究者感興趣的非常具體且有限的運動能力。這些 限制影響運動的可能的速度和程度、可施加的力的量、可執(zhí)行的重復(fù)次數(shù)、控制的精度等。 工具的設(shè)計者必須使其控制面和方法適應(yīng)人類能力，使得不僅實現(xiàn)有效且直觀的使用，還 降低出錯的風(fēng)險且抵抗疲勞。
[0015] 通過改變所需的運動的某方面或控制面的屬性，工具可針對特定的任務(wù)為其用戶 提供運動優(yōu)勢。例如杠桿在切削工具中被廣泛使用，以提供降低所需力的機械運動優(yōu)勢。在 這種必須擴大與所提供的杠桿作用的量成比例的運動程度的情況下，任何這樣的優(yōu)勢都是 有代價的。此外，視為運動優(yōu)勢的優(yōu)勢取決于用戶和任務(wù)的細(xì)節(jié)。在眼部外科手術(shù)中，杠桿 所需的運動的擴大程度可以正是性能上較高的精度所需的，并且在這種情況下精度比力更 存在問題。運動優(yōu)勢可以是固定的（例如剪刀）、可調(diào)的（例如自行車齒輪）或可變的（例 如無級變速器）。
[0016] 人類感知的局限性對于工具的設(shè)計和使用也很重要。通過改變有關(guān)工具及其使用 可見的事物，視覺優(yōu)勢可針對特定的任務(wù)被提供。光學(xué)透鏡在許多任務(wù)中被使用，以提供放 大或更好聚焦的視覺優(yōu)勢。同樣地，該優(yōu)勢是有代價的，在放大的情況下，視野縮小。此外， 工具可提供使其功能可供性可見的視覺優(yōu)勢。
[0017] 運動和視覺優(yōu)勢往往是密切相關(guān)的，它們可通過反饋影響彼此。但它們并不相同， 它們應(yīng)該被獨立看待。使用放大鏡放大的鐘表匠不從中獲得直接的運動優(yōu)勢，這是因為其 延伸了顯示空間而非控制空間。當(dāng)然間接地，較好的視覺反饋可提高性能，但僅限于達到如 下程度：關(guān)閉控制回路實現(xiàn)已經(jīng)在鐘表匠的運動能力內(nèi)的較精確的運動。
[0018] 可用功能空間的動態(tài)分配
[0019] 我們假設(shè)，計算機沒有對私人運動空間和視覺空間的直接控制，私人運動空間和 視覺空間可由其擁有者隨意轉(zhuǎn)移和定向（如果不擴展）。私人計算機控制空間和顯示空間 因此是僅有的功能空間，通過創(chuàng)建運動和視覺優(yōu)勢，系統(tǒng)設(shè)計師可以針對交互優(yōu)化上述功 能空間的使用。
[0020] 將部分可用顯示空間分配給計算機顯示元件（賦予視覺優(yōu)勢），以及將部分可用 控制空間分配給計算機控制功能（賦予運動優(yōu)勢），是HCI設(shè)計中重要的且經(jīng)常性的問題。 兩個空間的可用程度是有限的，而在許多設(shè)備上可訪問或可創(chuàng)建的內(nèi)容的量如此之大以至 于幾乎是無限的。因此，窮盡的、固定的空間分配是不可能的，分配必須是動態(tài)的：離散可調(diào) 的或者連續(xù)可變的。
[0021] 許多離散的方式和連續(xù)的方式已經(jīng)被發(fā)明，以在兩個維度中進行線性動態(tài)計算機 空間分配，包括虛擬分頁、滾動、縮放、平移和旋轉(zhuǎn)。非線性空間分配（例如失真）也已經(jīng)被 使用。虛擬三維空間的導(dǎo)航也相當(dāng)于線性方法，并且在三個維度中也可能存在非線性分配。
[0022] 解決動態(tài)空間分配問題的一種不同的途徑基于分層方法。在兩個維度中，其包括 可遞歸顯示和導(dǎo)航的潛在重疊窗口的使用。用于大的分層數(shù)據(jù)集的其它遍歷方法包括環(huán) 樹、錐樹、梁樹、植物樹和雙曲瀏覽。
[0023] C-D 函數(shù)
[0024] 動態(tài)空間分配方法通常被設(shè)計成以完全相同的方式改變顯示空間和控制空間的 交互使用，從而隨著時間的推移同步修改它們的分配。空間之間的緊密協(xié)調(diào)對于用戶保持 連貫的心理圖片以及對正在進行的交互的掌握來說通常是足夠的。這種計算機控制和顯示 之間的人有經(jīng)驗的連接是計算機在將輸入轉(zhuǎn)換到輸出時進行的潛在非常復(fù)雜的處理的結(jié) 果。輸入/輸出關(guān)系的交互方面通常由控制-顯示或C-D函數(shù)測量。它類似于機械杠桿作 用且在對像示波器那樣簡單的設(shè)備的描述中是有用的，其中C-D增益或比例是離散可調(diào)的 放大因子。
[0025] 不知道到底什么構(gòu)成良好的或最優(yōu)的C-D函數(shù)。很清楚，它依賴于用戶，且也很可 能依賴于任務(wù)。比例性在許多情況下是足夠的，但它是必要的嗎？該函數(shù)應(yīng)該被約束為控 制空間和顯示空間之間的同構(gòu)嗎？用戶可以容忍多少延遲（> 50毫秒）？ C-D函數(shù)可以 隨時間變化嗎？不連續(xù)性是否總是沖突？早期的觀點是，C-D函數(shù)必須簡單以不讓用戶困 惑，但事實證明，用戶可以容忍和受益于大量的非線性和滯后。
[0026] 動態(tài)空間分配和設(shè)計良好的C-D函數(shù)是相關(guān)的，它們可能只是針對同一問題的兩 個角度。
[0027] 控制與顯示的連接與分離
[0028] GUI的指針和圖標(biāo)是計算機的二維顯示空間中的所有對象。指針對象是用戶識別 顯示空間中的單個點（即指針位置或用戶點）的視覺輔助。它意味著用戶的視覺焦點，但它 也代表了動作在GUI的簡化世界中的運動軌跡，其中動作由單個點控制。例如，圖標(biāo)選擇的 GUI行為被設(shè)置為依賴于顯示空間中的被設(shè)置得明顯的關(guān)系，即，在點擊時刻包含指針位置 的那個圖標(biāo)的區(qū)域。設(shè)置依賴性和設(shè)置明顯性都由計算機處理來實現(xiàn)，它們可被視為一個 復(fù)雜的C-D函數(shù)的不同方面。
[0029] 指針位置是顯示空間中⑶I的控制和顯示操作最緊密耦合的點。通過改變C-D函 數(shù)，這種耦合在其它點處可被放松，優(yōu)選地不引起用戶和計算機之間的災(zāi)難性的斷開連接。 因此，我們并行考慮計算機控制空間和顯示空間的分離的可能性，以及用戶運動優(yōu)勢和視 覺優(yōu)勢的分離。前一種分離將被稱為控制-顯示解耦。
[0030] 動態(tài)控制-顯示解耦可通過例如將失真應(yīng)用于顯示并使失真隨著用戶點移動來 實現(xiàn)。從用戶的角度看，動態(tài)控制-顯示解耦可以采用以下方式來檢測。即使在某一時刻 可看見顯示器上的對象包括某個特定點，但如果將用戶點移動到那個點（沒有任何點擊或 拖動），則在用戶點到達那個點的時刻，該對象不再包含問題點。動態(tài)控制-顯示解耦的應(yīng) 用的例子可以在Mac OS Dock的動畫版本中找到。
[0031] 關(guān)于顯示空間中的對象的直觀思考可能會對交互產(chǎn)生誤導(dǎo)。當(dāng)對象的尺寸在顯示 空間中增大時，很容易假定也有更多的控制空間可用于操控該對象。我們看到，當(dāng)通過放大 鏡觀看實物時，這甚至是不真實的。相關(guān)人類運動發(fā)生在不變的控制空間中，而不是在放大 的顯示空間中。但在HCI的情況下可能更糟，因為C-D函數(shù)可采用幾乎任何因果形式。這 兩個空間僅通過輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的相對物理布置以及一些計算機處理來連接?？臻g分 配中的協(xié)調(diào)在虛擬世界中是合成的，并不像在（不失真的）現(xiàn)實世界中那樣是自動的。
[0032] 動畫版Mac OS dock從非線性失真中獲得運動優(yōu)勢的潛在的令人費解的失敗可以 在這些方面理解到。任務(wù)是從固定長度的條上的許多圖標(biāo)中選擇一個圖標(biāo)，以及方法包括 擴大離指針最近的圖標(biāo)的顯示尺寸，同時減小進一步遠離指針的圖標(biāo)的尺寸，以騰出空間。 它是對顯示空間的一維魚眼失真的應(yīng)用，其中失真函數(shù)集中在指針位置并隨著指針?biāo)奶幰?動。這為用戶創(chuàng)造了不斷變化的視覺優(yōu)勢，但沒有直接的運動優(yōu)勢。該方法與在顯示空間 上使用放大鏡是類似的，同時在不變的控制空間中進行動作。
[0033] 指針位置本身并不受失真的影響，因為指針位置總是在失真函數(shù)的固定點，即使 它移動。顯示空間從而保持在焦點處不失真，因此與指針位置重疊的圖標(biāo)在該點處也不失 真。因此失真從不改變指針和運動軌跡處的圖標(biāo)之間的決定性的空間關(guān)系，這對運動優(yōu)勢 而言是唯一的一點。因此，有可能存在動態(tài)控制-顯示解耦而沒有任何運動優(yōu)勢。
[0034] 這仍然是真實的，即使由于改變用戶輸入（無論是否響應(yīng)于視覺反饋）使得圖標(biāo) 區(qū)域和指針位置都可不斷變化。動作軌跡和失真的變化是相關(guān)的，因為這兩者通過相同的 指針位置來確定，但這并不意味著任何一種方式的因果關(guān)系。
[0035] 很容易定義替換指針的失真函數(shù)。然而，如果該指針被替換而焦點和動作軌跡之 間的聯(lián)系保持不變，則將會導(dǎo)致正反饋和不穩(wěn)定。用戶控制感可能會丟失，而且不清楚在該 方式下是否可獲得任何的運動優(yōu)勢。另一方面，所提到的聯(lián)系似乎對保持連貫的交互（至 少在⑶I類型中）是必不可少的。
[0036] 產(chǎn)生HCI運動優(yōu)勢的現(xiàn)有技術(shù)
[0037] 將更多控制空間分配給計算機控制函數(shù)，在使用該函數(shù)時給用戶帶來了某種運動 優(yōu)勢。例如，在控制空間中設(shè)置較大的按鈕可使其選擇更快且更容易。增加的空間通常需 要與函數(shù)的當(dāng)前控制空間是連續(xù)的，以使有意義。利用有限的控制空間，增加的空間必須是 以前未被分配的或遠離另一個函數(shù)。線性方法，如耦合的控制空間和顯示空間的縮放和平 移，可以是針對在顯示器上保留或新出現(xiàn)的對象獲得控制空間的增大的最簡單且最直觀的 方式。然而，把控制空間和顯示空間分離或使其可分離，開辟了通過控制-顯示解耦獲得運 動優(yōu)勢的新方式。
[0038] 起初，處理顯示和控制的解耦可能很難，但它提供了做不可能的事情的機會。我們 將調(diào)查產(chǎn)生運動優(yōu)勢的現(xiàn)有狀態(tài)，然后提出新的改進方法。
[0039] 各種類型的運動優(yōu)勢已經(jīng)被獲得，其中控制空間和顯示空間被解耦，并且它們都 似乎涉及某種記憶或滯后?，F(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)局限于以下類型：（i)依賴時間的非線性 C-D函數(shù)，例如基于速度的指針加速、基于在控制空間中的行進距離的指針加速、或基于運 動開始以來經(jīng)過的時間的指針加速；（ii)語義指向，其包括基于來自顯示空間的計算機內(nèi) 部反饋以離散方式適應(yīng)C-D函數(shù)，指示每次指針已越過兩個區(qū)域（其含義在某種程度上是 不同的）之間的邊界；（iii)對象指向，其將未分配給任何對象的顯示空間的區(qū)域作為該指 針跳過的對象，而不需要相應(yīng)的控制運動；（iv)對Mac OS dock的改進，其中進入條中的光 標(biāo)的運動方向用來確定常規(guī)魚眼失真的焦點，該失真隨后保持固定一秒左右，之后運動優(yōu) 勢再次消逝。
[0040] 已經(jīng)研究了許多方法以進行重定向運動優(yōu)勢的尺寸-距離權(quán)衡，或使用時間以 使相同的空間服務(wù)不同的對象。這些中最直接的是滾動變化，其中尺寸保持不變，且在一側(cè) 不見的對象被在另一側(cè)獲得的對象替換。分頁可被看作是一種離散的滾動方式。在縮放過 程中，單個放大因數(shù)被應(yīng)用在作為錨的焦點周圍，以改變尺寸，但隨著它們移動離開，丟失 邊緣上的對象。這些是線性的選擇。
[0041] 非線性策略被稱為失真或魚眼視圖，其中可變的放大（和壓縮）用來進行權(quán)衡。 然而，如在Apple Dock中可以看到的，簡單地提供視覺放大并不等同于較大的選擇容易度。 通過失真視圖的導(dǎo)航被稱為焦點瞄準(zhǔn)，并且它呈現(xiàn)了由于移動焦點導(dǎo)致的對象的明顯運動 在焦點處達到最大的難度，在焦點處放大是最大的。這是另一種表象，其中出現(xiàn)了尺寸-距 離權(quán)衡。
[0042] 最近，研究了方法以交互式控制該權(quán)衡，如在稱為正交縮放滾動的技術(shù)中和依賴 于速度的自動縮放（speed-dependent auto-zoom，SDAZ)中。這些方法提高了交互的速度 和容易度。
[0043] 因此，我們發(fā)現(xiàn)了本領(lǐng)域中以下尺寸-距離權(quán)衡的方法：
[0044] ?實現(xiàn)控制-顯示解耦的失真方法，但不提供指向或運動優(yōu)勢，因為只有顯示是失 真的（Mac OS Dock，動畫版）。
[0045] ?基于平移和縮放的線性變換、使用各種類型的控制的方法，其提供指向優(yōu)勢的轉(zhuǎn) 移（滾動、分頁、縮放、空間遍歷，例如攪拌（dasher))和可變量的指向優(yōu)勢（正交縮放滾動 (OrthoZoom Scroller)、縮放滑動（Zoomslider))。這些方法不包括控制-顯示解親。
[0046] ?速度控制（依賴于速度的自動縮放）或時間控制（thweel)的失真方法。
[0047] 但似乎沒有方法提供以下所有：
[0048] ?依賴位置的控制
[0049] ?在直接用戶控制下的可變指向優(yōu)勢
[0050] ?基于失真、具有控制-顯示解耦的⑶I的場景。
[0051] 這些方法的潛在優(yōu)勢包括提高的交互速度和效率、同時與大量對象的交互，以及 提高的用戶滿意度。
[0052] 因此，在本領(lǐng)域中，存在基于失真的圖形用戶界面中的導(dǎo)航速度和獲取容易度之 間的權(quán)衡的依賴位置的控制方法的需求。本發(fā)明解決了對GUI的布局提供用戶動態(tài)控制的 需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0053] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種對圖形用戶界面的布局進行動態(tài)用戶控制的方法，該方 法包括如下步驟：
[0054] 接收將該界面中的控制區(qū)域分配給多個虛擬對象而不發(fā)生對象重疊的方式的描 述；
[0055] 接收用戶點的位置；