触摸屏手机GUI节能优化方案的设计及验证*

季园园，王海鹏，张 涛，罗文波

(西北工业大学软件与微电子学院，西安710072)

1 引言

当前人们的社会活动日益依赖手机，随着通讯技术的不断发展，基于手机的各种新功能和新应用层出不穷。目前手机的发展趋势是基于高分辨率的触摸屏智能手机，不仅能够完成基本的通讯功能，还能够提供各种网络和娱乐服务。但随之而来的问题是，这些新功能和应用大大提高了电池的能耗需求。由于更大容量的电池会带来电池体积和重量的增加，同时消费者对于手机的便携性要求很高，因此一味地增加电池容量不是一个理想的解决办法。

根据Bruce Nordman的研究结果［1］，移动设备中用于“显示”所消耗的能量占到了设备总耗电量的42%，表明“显示”是触摸屏手机耗电量的首要因素。而 GUI(Graphical User Interface，图形用户界面)又是“显示”的主要组成部分，因此如果能够在触摸屏手机的GUI中引入节能优化技术，降低图形用户界面的功耗，那么就会大大降低电子设备的耗电量，从而来延长移动设备的电池使用时间，使用户获得更好的使用体验。

基于上述理由，首先分析了触摸屏GUI的特点，通过将触摸屏手机的应用程序分类，研究了基于触摸屏GUI的节能优化方案。为了验证所述设计思路，设计了两种触摸屏搜索界面:传统风格GUI和使用了节能优化方案的优化风格GUI。最后通过这两种界面的对比实验，初步验证了基于触摸屏手机GUI的节能优化方案的可行性。

2 触摸屏手机GUI节能优化方案设计

2.1 触摸屏手机GUI概述

GUI即图形用户界面，广义上的GUI是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调人—机—环境三者作为一个系统进行总体设计;狭义上的GUI是指屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。

触摸屏手机的GUI具有很多通用GUI所具有的特点和规范，如:用户界面效果应保持整体性和一致性，包括界面的色彩及风格与系统界面统一、操作流程要遵守系统规范、注重图形图像元素的质量等等。但是，与桌面PC或者普通按键手机相比，触摸屏手机GUI具有自己独特的特点:

(1)与PC相比:在目前移动设备的GUI设计中，很多时候延续了传统PC的GUI设计模式。这样设计的好处是减少了用户的学习成本，同时减少了设计人员的开发时间，降低移植成本。与此同时也带来了许多问题。一方面，大部分用户可以熟练地使用键盘、鼠标操作电脑，但是他们不一定能熟练使用手指操作触摸屏设备。输入缓慢会造成用户操作效率低下和耗电量增加。另一方面，由于大部分的PC都会使用外接电源，所以PC上的GUI设计通常没有考虑到能耗的问题。

(2)与按键手机相比:与按键手机不同，触摸屏手机是用手指在屏幕上点触操作，在使用触屏手机时，用户的行动状态对操作方式有重大的影响［2］。当用户处于行走和站立状态，一只手常被其他任务占用，用户多倾向于使用单手操作;当用户静坐时，双手多处于空闲状态，用户多采用效率更高的双手操作。此外，手机宽度限制了手机屏幕的宽度，手机屏幕的大小是有限的。有限的屏幕区域使手指操作的效率大幅下降。一方面手机功能的日渐复杂，GUI上操作目标越来越多，使得操作目标要求越来越小;另一方面，手指操作的不精确性要求操作目标要有足够大的感应面积来保证效率。这就形成了一对矛盾。

2.2 触摸屏手机GUI节能优化方案

2.2.1 设计思想

考虑到前面所述因素，为移动设备设计GUI，应该与传统的设计GUI的方法有很大不同。为了更好的设计，首先需要对触摸屏手机的任务功能进行分析。触摸屏手机的功能按使用目的分为以下几类:

·通信功能:通话、通讯簿等;

·短信功能:写短信、收短信等;

·网络功能:浏览器、E-mail等;

·辅助功能:日程、计算器、GPS等;

·娱乐功能:拍照、视频、游戏等;

·传输功能:蓝牙、红外、USB等;

完成上述操作将主要涉及到以下几类操作:

(1)点击:在所有的操作中都会使用到;

(2)输入:编辑、储存时的文件命名、新增资料;

(3)翻页:图片浏览、网页浏览等操作。

因此，可以把手机上的功能按主要操作的不同分为三类:输入型、翻页型、复合型。用户在输入型中大部分时间进行输入操作，而在翻页型中的输入相对较少。所以前者GUI应设计成便于输入，而后者应设计为易于浏览。输入型包括写短信、计算器等;翻页型包括文本阅读器等;复合型包括浏览器、通讯簿等。

2.2.2 节能优化方案设计

基于上述分类，GUI节能优化方案可以分为两个方面:功耗简化、效率提升。功耗简化主要是针对翻页型应用，包括:减少像素变化、使用低功耗图样、减少动画效果等。效率提升主要是针对输入型应用，包括:使用手势轨迹、优化内容安排、快捷图标等。复合型应用则同时包含了这两个方面。

(1)功耗简化:目前，触摸屏手机大都采用液晶显示技术，使用不同像素显示序列、不同颜色图案会消耗不同的能量。

减少像素变化，是指尽量少用复杂的图形纹理和像素显示序列。因为它们增加了对应像素点的切换，同时增加了生成屏幕数据的计算量。触摸屏手机系统(例如Android)有个特点，可以通过手指的上下左右滑动，切换不同的显示界面。这种屏幕滑动的功能会大大增加显示的功耗，所以应尽量避免。

使用低功耗图样，是通过使用功耗较低的颜色和颜色图样，从而降低显示能耗。比如对于TFT触摸屏，显示白色会比黑色耗能更多［3］。这也就是为什么Android系统使用黑色背景作为默认的应用界面的原因之一。

减少动画效果，是指减少无谓的动画显示效果。最大化最小化窗口的动画效果就是典型的例子。它们几乎没有什么功能，但是却增加了功耗。在目前的许多触摸屏手机系统(例如iOS或Andorid)应用中，当你切换下一页时，GUI会显示一个翻卷页面的翻页效果。这种动画效果模拟了真实书籍，但是很耗费能量。

(2)效率提升:效率提升主要是提升用户操作效率，从而间接降低功耗。

使用手势轨迹:目前触摸屏智能手机大都支持多点触摸技术。采用不同的手指组合、不同的触摸轨迹，直接可以完成许多功能，如缩放、保存、打开、关闭、剪切、粘贴等，从而提高用户操作效率。

优化内容安排:虽然触摸屏的发展趋势是大屏幕和高分辨率，但是与PC相比，触摸屏屏幕尺寸有限，合理布局GUI显示内容，可以大大减少用户交互时间，提高效率减少功耗。使用大字体和图片，更快地让用户注意到重要对象上，也能减少用户交互的时间。经常使用的按钮应该尽可能的大，彼此间距要足够大。由于需要手指点击触摸屏来触发按钮，其接触面积较大，如果按钮太小或者间距太小，会造成误操作，降低效率。

快捷图标:当PC用户想要完成某项功能时，通常需要经过一层层的菜单和对话框的选择才能实现。这个过程耗时麻烦而且耗能。对于触摸屏手机，可以通过减少用户需要选择的选项，减少交互时间，快捷图标就是一个解决方法。以苹果公司的iPhone手机为例，它的界面排列的是一个个功能图标，用手指点击每个图标就可以完成对应的功能，而不需要再一级一级的通过菜单查找。

3 触摸屏移动搜索界面的设计

为了验证节能优化设计的效果，设计了一种触摸屏移动搜索应用，该应用可以实现互联网的移动搜索功能。选择移动搜索是因为它是互联网搜索引擎技术与移动通讯技术结合的产物。根据CNNIC最新的报告显示［4］，在2011上半年，移动搜索的使用率达到了59.5%，成为手机用户最常用的功能之一。所以在此基础上进行验证工作，会有更普遍的意义。

为了对比，设计了两种触摸屏搜索界面:传统风格GUI和使用了节能优化方案的优化风格GUI。如图1所示。

1)传统风格GUI:传统风格GUI采用了很多当前手机上常见的设计风格，以及一些PC机上常见的设计风格，将它作为参考界面。

传统风格GUI设计理念是采用传统GUI设计理念，考虑美观大方，较少考虑节能特性，保持和PC机上同样的GUI风格。图形用户界面GUI最显著的优点是:考虑美观大方;图形图片较大而精美;GUI使用亮色背景;开启所有动画效果;使用菜单操作模式。

图1 两种触摸屏搜索界面

2)优化风格GUI:优化风格GUI设计重点考虑节能因素并兼顾操作及运行效率，使用了前面所述的节能优化方案，希望能够实现节能高效的目的，同时顾及到美观和易用性。主要优化如下:

减少像素变化，减少非必须的图片使用及色彩效果，图片链接采用文本链接代替。

使用低功耗图样，利用对能量消耗比较少的颜色样式，如黑色和蓝色，同时考虑到用户的可见度。使用对比强烈的(如黑白色)的文字信息，减少用户对操作按钮的识别时间，从而减少人机交互时间。

使用手势轨迹操作代替菜单操作，提高效率。

优化内容安排，最常用的按钮和超链接在合理的范围内越大越好，这样可以吸引用户的注意力;同时彼此保持一定距离，可以使用户更加容易用手指点击;但应该保持一定的紧凑感，这样可以减少用户点击时移动的距离。

4 节能优化设计的验证

验证平台是摩托罗拉ME525型智能手机一部，该手机屏幕为1600万色TFT电容触摸屏，分辨率480×854，运行系统为Android 2.3。另有计时表一个。

实验分为两组:第一组实验用来验证不同GUI的使用时间，第二组实验用来验证不同GUI的待机时间。具体方法如下:

第一组实验:先将手机充满电(充电器充满灯亮)，取消手机本身的节能待机功能。打开传统风格GUI，然后按以下步骤操作:

(1)在搜索框内输入单词“Computer”，按第一个按钮进行搜索，保存打开的搜索界面。

(2)返回初始界面，在搜索框内输入单词“Computer”，按其他按钮进行搜索，保存打开的搜索界面，直到所有的按钮都使用过。

(3)返回初始界面，点击链接切换其他搜索引擎，重复(1)(2)步骤，直到所有搜索引擎都被切换一遍。

(4)如果上述步骤都完成，将手机放回桌面不动。

(5)每半小时重复上述步骤，直到手机提示电量低为止。记录下开始使用到提示电量低所用的时间。然后再充满电，进行节能风格GUI的实验。

在步骤(2)(3)中，传统风格GUI的“返回初始界面”和“保存打开的搜索界面”是通过菜单操作完成的，前者通过“菜单-操作-返回”完成，后者通过“菜单-操作-保存”完成;节能风格GUI是通过手势轨迹实现的，前者手指从右向左滑动，后者手指画一个圆圈。

第二组实验:先将手机充满电(充电器充满灯亮)，取消手机本身的节能待机功能。打开传统风格GUI，然后将手机放置在桌面不动，直到手机提示电量低为止。记录下开始使用到提示电量低所用的时间。然后再充满电，进行节能风格GUI的实验。

整个实验进行了5次，实验结果如图2和3所示，横轴表示实验编号，纵轴表示时间，单位为小时。

图2 第一组实验结果

图3 第二组实验结果

图2是第一组实验结果，用来验证不同GUI界面的使用时间。图3是第二组实验结果，用来验证不同GUI界面的待机时间。定义能耗节省百分比为:

这样，两组实验的能耗节省百分比如表1所示。

表1 两组实验的能耗节省百分比(%)

两组实验的结果表明，节能风格GUI明显比传统风格GUI使用时间更长，初步验证了前面所述的节能优化设计思路是正确的。

此外，总体上第一组实验能耗节省百分比比第二组实验能耗节省百分比数值大。说明GUI在使用的时候(比如，输入文字、点触按钮、屏幕变化等)比不使用的时候更加能够节省能耗。这一点是因为在使用的时候，GUI被激活，优化方案发挥效果，使得节能作用更加明显。

5 结束语

触摸屏手机已经成为当前手机发展的趋势，但是电池使用时间问题一直是困扰用户体验的一个难题。基于此目的，主要研究了基于触摸屏手机GUI的节能优化方案。根据智能手机上应用程序的3种分类，研究了2个方面的节能优化方案。根据验证结果显示，节能优化方案是有一定可行性的。

［1］ Bruce Nordman.What the Real World Tells Us about Saving Energy in Electronics［EB/OL］.USA:Lawrence Berkeley National Laboratory，2009:12-13.

［2］ Amy Karlson，Benjamin B.Bederson.ThumbSpace:Generalized One-Handed Input for Touchscreen-Based Mobile Devices［C］.Proceedings of the 11th IFIP TC13 International Conference，Rio de Janeiro，2007:325-327.

［3］ Lin Zhong，Niraj K.Jha.Graphical User Interface Energy Characterization for Handheld Computers［C］.Proceedings of the 2003 international conference on compilers，architecture and synthesis for embedded systems，New York，2003:232-242.

［4］ CNNIC.第28次中国互联网络发展状况统计报告［EB/OL］.http://www.cnnic.net.cn/dtygg/dtgg/201107/t20110719_22132.html.

［5］ Keith S.Vallerio，Lin Zhong，Niraj K.Jha.Energy-Efficient Graphical User Interface Design［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2006(5):238-240.