触摸屏按键设计对交互绩效与用户体验的影响

2024-03-07王春慧戚超樾唐伟财许潇丹王笃明蔡柏翰

载人航天 2024年1期

王春慧，戚超樾，田雨，刘旺，韩博，唐伟财，许潇丹，王笃明，蔡柏翰

（1.浙江理工大学心理系，杭州 310018； 2.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094）

1 引言

触摸屏被广泛应用于航空航天领域的电子交互设备，对提升其操作性能具有积极作用［1⁃4］。传统输入设备，如鼠标、键盘、轨迹球等在微重力环境下存在易漂浮的现象，而触摸屏无此类问题，并在操作时上肢移动较轻松，较适用于航天等特殊环境下的作业［5］。此外，触摸屏的一大优势是可以自定义地修改虚拟界面中的元素属性［6］，比如在驾驶舱中更新飞行系统面板，只需要修改触摸屏用户界面而无需重新布置硬件［7］。在航天器中触摸屏相比传统机械控制台个性化更强，可以减少由文化差异导致的操作失误［8］。但是触摸屏在使用时也存在一些不足，例如按键时的遮挡和缺乏反馈会影响其操作绩效［9］，太空的微重力环境也会对操纵触屏的精细运动产生负面影响［10］。为应对航空航天任务的复杂性，进一步提高使用触摸屏时的绩效，优化触摸屏的界面设计元素是一种重要方式。

Brewster 等［11］发现反馈机制会对触摸屏任务绩效产生显著影响，其中听觉反馈可以显著地降低用户的错误率和主观负荷。 Bender［12］发现在触摸屏按键尺寸为10 mm 的情况下，有声音反馈的按键操作绩效显著高于无声音反馈。然而，在Yeh 等［13］对遥控器按键的研究中发现，加入听觉反馈对于操作绩效并无影响。此外，现有研究通常只针对单一反馈变量，缺少与其他界面元素相组合的试验。

随着技术进步，在航天航空系统中需要显示的可用信息数量在不断增加，当屏幕信息和按键元素较多时，显示区、触屏数字按键和屏幕上其他元素会相互争夺空间［14］。此时合理的按键尺寸和按键间距可在保证高效率操作的同时，使屏幕容纳更多信息。在按键尺寸方面，ANSI／HFES（2007）标准［15］建议最小适宜按键尺寸为9.5 mm，超过22 mm 时操作绩效的提升不显著；然而，ISO 9241－9［16］建议按键尺寸至少为18 ～20 mm；Schedlbauer［17］则推荐了12 mm 按键尺寸。在按键间距方面，ANSI／HFES（2007）标准建议按键间距的下限为3.2 mm［15］；而ISO 9241－9 推荐在每个触摸目标周围至少设置一个5 mm 的不活跃区域［16］；Tao 等［18］研究了0，1，3 mm 按键间距的触摸屏绩效，发现0 mm 间距会降低用户的操作绩效，而1 mm 和3 mm 间距的操作绩效取决于按键尺寸。由于试验范式、设备迭代等原因，对按键最佳尺寸与间距并未达成一致标准。

针对已有研究和不同标准中对触屏按键尺寸等参数的推荐值不一致，以及按键尺寸、间距、声音反馈等设计要素对触屏绩效的交互影响不明确等问题，本文以数字输入为典型任务开展了2 项触摸屏按键工效试验，探究声音反馈、按键尺寸、按键间距等设计要素对触屏输入绩效和主观体验的影响，并将触屏操作行为绩效、主观体验数据与手指触摸接触区域宽度等相关数据进行综合分析，以期为触屏按键工效设计提供支撑。

2 方法

2.1 试验一

已有研究通常基于单一声音反馈条件，缺少对于叠加组合条件的试验研究。试验一将声音反馈和按键尺寸作为试验变量，探究在不同按键尺寸下声音反馈与操作绩效的关系。

2.1.1 试验设计

试验采用3×2 的双因素被试内设计，将按键尺寸（5，10，20 mm）与声音反馈（有反馈、无反馈）作为试验变量。其中5 ～20 mm 按键尺寸覆盖了从手表、手机到平板电脑的按钮尺寸设计；按键后是否提供声音反馈是触屏输入设备常见的一个设置选项。

试验测试指标包括输入速度、输入正确率和主观评价。输入速度指平均输入每个字符所需要的时间，单位为ms／字符，该值越小速度越快。输入正确率指在本次试验中输入正确组数占所有输入组数的比率。主观评价采用NASA⁃TLX 量表打分，量表评价包含脑力需求、体力需求、时间压力、任务绩效（反向计分）、努力程度、挫折程度六个维度、每个维度分为0～10 分，0 分最低，10 分最高。

2.1.2 志愿者

本试验选取了30 名志愿者（28.4 ± 0.8）岁，均为第一次参加本试验，其中一位为左利手，所有志愿者视力正常或矫正视力正常，听力正常，无精神、运动或神经系统疾病。

2.1.3 试验设备与程序本试验程序由C＃语言编制。使用触控平板电脑（12.3 英寸、分辨率2736×1824 像素点）运行试验程序。根据Kaaresoja［19］对于虚拟按键反馈的研究结果，将按键的声音反馈选为持续100 ms的1000 Hz 纯音（声音的开始和结尾各包含15 ms的渐强和渐弱过程），同时有代表正确输入和错误输入的2 种声音反馈。键盘排列方式为横向的1 行12 列，按键间距为1 mm，志愿者距离显示屏幕约40 cm。

2.1.4 试验任务

试验界面包含字符显示栏及字符输入按键，试验时触控平板电脑平放，志愿者呈坐姿以俯视姿态面对屏幕，并使用利手食指在触摸屏上进行点击任务。志愿者按下开始键后会出现6 位随机数字串，志愿者按照所呈现的数字串按键输入，所输入的数字串会实时呈现在第二行输入框内。当一组数字串输入完成或输入中出现错误后，系统会自动跳转到下一组。志愿者正确输入30 组数字串后该条件的测试结束。每名志愿者需要完成6 种变量组合条件的数字串输入任务。每种条件正式测试开始前，有6 组数字串输入练习（同样要求正确输入6 组数字串）。每种条件的练习与测试结束后进行主观评价。

2.2 试验二

试验一中志愿者在按键尺寸10 mm 和20 mm之间的交互绩效均并未表现出显著差异性，与历史研究中并不一致，如ISO9241－9［16］的推荐按键尺寸倾向于较大尺寸。为了进一步探究合适的按键尺寸标准，试验二围绕10 ～20 mm 按键尺寸范围设置了更多的水平，同时为了探索不影响触屏交互绩效的最小按键尺寸，研究中还设计了8 mm按键尺寸。此项试验中，通过加入按键间距变量，与按键尺寸变量相组合，以得到一组合适的按键尺寸和间距参数。

2.2.1 试验设计

试验采用了4×2 的双因素被试内设计，将按键尺寸（8，11，14，17 mm）与按键间距（1，4 mm）作为试验变量。

试验测试指标包括输入速度、输入正确率和主观评价。其中主观评价对满意度打分，分值为0～10 分，0 分最低、10 分最高。

2.2.2 志愿者

本试验选取了24 名志愿者（30.5 ± 0.5 岁），均为第一次参加本试验，均为右利手，所有志愿者视力正常或矫正视力正常，听力正常，无精神、运动或神经系统疾病。

2.2.3 试验设备与程序

本试验设备同试验一。为了减小在较大按键间距下手指移动距离对于输入速度的影响，按键排列方式设置为四行三列。被试距离显示屏幕约40 cm。

2.2.4 试验任务

试验时触控平板电脑平放，志愿者呈坐姿以俯视姿态面对屏幕，并使用利手食指在触摸屏上进行点击任务。志愿者按下开始键后会出现6 位随机的数字串，志愿者按照所呈现的数字串进行按键输入，所输入的数字串会实时呈现在输入框内。当一组数字串输入完成或输入中出现错误后，系统会自动跳转到下一组。被试正确输入30组数字串后该条件的测试结束。每名志愿者需要完成8 种变量组合条件的数字串输入任务。每种条件正式测试开始前，有6 组数字串输入练习（要求正确输入6 组数字串）。每种条件的练习与测试结束后进行主观评价。

3 试验结果

3.1 试验一

3.1.1 输入速度

各条件下志愿者的输入速度如图1（a）所示。重复测量方差分析显示：

图1 不同条件下志愿者的输入速度和正确率Fig.1 Input speed and input accuracy under different conditions

1）按键尺寸主效应显著（F（1.662，48.203）＝32.524，P＜ 0.001，η2＝ 0.529），志愿者在10 mm 和20 mm 尺寸上的按键速度显著快于5 mm（P＜0.001），但10 mm 和20 mm 尺寸之间并无明显差异（P＝0.111）。

2）声音反馈主效应显著（F（1，29）＝15.063，P＜0.001，η2＝0.342），有声音反馈的按键速度明显高于无声音反馈。

3）按键大小与声音反馈交互效应不显著（F（2，58）＝ 0.327，P＝0.723，η2＝0.011）。结果显示，在5 mm 按键尺寸条件下，加入声音反馈后将输入速度从（818.2 ± 22.1） ms／字符提升至（789.5 ± 20.9） ms／字符（P＝ 0.007）；在10 mm 按键尺寸条件下，加入声音反馈后将输入速度从（744 ± 20.6） ms／字符提升至（717.4 ±20.9） ms／字符（P＝0.037）；在20 mm 按键尺寸条件下，加入声音反馈对输入速度的提升并不显著（P＝0.115）。

3.1.2 输入正确率

各条件下志愿者输入正确率绘制在图1（b）。重复测量方差分析显示：

1）按键尺寸的主效应显著（F（1.611，46.711）＝13.858，P＜ 0.001，η2＝ 0.323），志愿者在10 mm 与20 mm 按键尺寸上的输入正确率要显著高于5 mm（P＜0.001），而10 mm 与20 mm 尺寸间的输入正确率无明显差异（P＝0.989）。

2）声音反馈主效应显著（F（1，29）＝7.685，P＜0.01，η2＝0.209），有声音反馈的数字串输入正确率显著高于无声音反馈的输入正确率。

3）按键大小与声音反馈交互效应显著（F（2，58）＝ 3.832， P ＝0.027，η2＝0.117）。简单效应分析显示，在5 mm 按键尺寸条件下，加入声音反馈后将输入正确率从0.888 ± 0.016 提升至0.937 ± 0.008（P＝0.008）；在10 mm 按键尺寸条件下，加入声音反馈对输入正确率的提升并不显著（P＝0.501）；在20 mm 按键尺寸条件下，加入声音反馈后将输入正确率从0.939 ± 0.009 提升至0.962 ± 0.006（P＝0.042）。

3.1.3 主观评价

各条件下志愿者的主观评价如图2 所示。主观数据的重复测量方差分析显示，在脑力需求维度，声音反馈主效应显著（F（1，29）＝ 4.258，P＝0.048，η2＝0.128）；在任务绩效、努力程度和受挫程度3 个维度，均显示志愿者在10 mm 和20 mm 按键尺寸上的主观评价显著小于5 mm 按键尺寸；在体力需求和时间压力2 个维度上的主观评价并未发现有显著差异。

图2 不同条件下志愿者的主观评价［21］Fig.2 Subjective evaluation under different conditions［21］

3.2 试验二

3.2.1 输入速度

各条件下志愿者的输入速度如图3（a）所示。重复测量方差分析显示：

图3 各条件下输入速度、输入正确率和主观满意度Fig.3 The input speed， input accuracy and subjective satisfaction under different conditions

1）按键尺寸的主效应显著（F（3，69）＝2.754，P＝0.049，η2＝0.107），14 mm 按键尺寸条件下的平均输入速度最快为（573.8 ± 14.5）ms／字符，在14 mm 按键尺寸上的输入速度显著快于8 mm 按键尺寸（P＝0.002）。

2）按键间距的主效应不显著（F（1，23）＝0.491，P＝0.491，η2＝0.021）。

3）按键尺寸与按键间距的交互作用不显著（F（3，69）＝ 0.278，P＝0.841，η2＝0.012）。3.2.2 输入正确率

各条件下志愿者的输入正确率如图3（b）所示。重复测量方差分析显示：

1）按键尺寸的主效应不显著（F（3，69）＝0.584，P＝0.627，η2＝0.025）。

2）按键间距的主效应显著（F（1，23）＝4.567，P＝0.043，η2＝0.166），志愿者在4 mm按键间距上的输入正确率显著高于1 mm 按键间距。

3）按键尺寸与按键间距交互效应不显著（F（3，68）＝ 0.189，P＝0.903，η2＝0.008）。

3.2.3 主观满意度

各条件下志愿者的满意度评价如图3（c）所示。重复测量方差分析显示：

1）按键尺寸的主效应显著（F（1.676，38.548）＝ 9.947，P＜ 0.001，η2＝ 0.302），14 mm 按键尺寸的满意度最高（7.4 ± 0.2）；志愿者在8 mm 按键尺寸上的满意度显著低于11 mm（P＜0.001）、14 mm（P＜0.001）和17 mm（P＝0.028），在14 mm 按键尺寸下的满意度显著高于17 mm 按键尺寸条件下的满意度。

2）按键间距的主效应显著（F（1，23）＝9.006，P＝0.006，η2＝0.281），按键间距4 mm的满意度显著高于按键间距1 mm 条件。

3）按键尺寸与按键间距交互效应不显著（F（3，69）＝2.265，P＝0.089，η2＝0.09）。结果显示，在8 mm 按键尺寸条件下，从1 mm 按键间距到4 mm 按键间距，满意度从5.4 ± 0.4 上升到6.2 ± 0.4（P＝0.021）；在11 mm 按键尺寸条件下，从1 mm 按键间距到4 mm 按键间距，满意度从6.5 ± 0.3 上升到7.5 ± 0.3（P＝0.004）；在14 mm 和17 mm 按键尺寸下，1 mm 按键间距的满意度与4 mm 无显著差异。

4 讨论

本文开展了按键声音反馈和按键尺寸、按键尺寸和按键间距2 个组合试验。试验一发现在加入了声音反馈后，志愿者的输入速度和输入的正确率均得到了显著提升，说明声音反馈对于志愿者的触摸屏操作绩效存在积极作用，同时相较于10 mm 或20 mm 的按键尺寸，志愿者在5 mm 按键尺寸上的交互绩效提升更为明显，说明在按键尺寸较小的触摸屏产品中加入声音反馈具有一定必要性。此外，使用较大按键尺寸（10 mm、20 mm）的输入速度和输入正确率都显著高于较小按键尺寸（5 mm），可见在5 mm 的按键尺寸下任务难度更高；志愿者的主观评价中发现5 mm 按键在任务绩效、努力程度和受挫程度维度上的得分都显著高于其余2 个尺寸，但是10 mm 和20 mm按键尺寸间的输入速度和正确率并无明显差别，更大尺寸的20 mm 按键并未带来更高的交互绩效，与ISO9241－9［16］推荐使用18 ～20 mm 按键尺寸的结论并不一致，试验一结果更偏向支持ANSI／HFES［15］和Schedlbauer［18］的最小按键标准，约为10 mm。但试验一按键尺寸水平的设置间距较大，不能排除10 ～20 mm 间存在更优按键尺寸设置。

在试验二中设置了更有针对性的按键尺寸水平（8，11，14，17 mm），并加入1 mm 和4 mm 的按键间距与之组合。在任务绩效上，描述统计显示14 mm 按键尺寸在输入速度上最优，在14 mm 按键尺寸上的输入速度显著高于8 mm 按键尺寸，其余两两尺寸间无显著差别。在主观满意度上，志愿者对于14 mm 按键尺寸的满意度最高，对8 mm 的按键尺寸满意度最低。试验二结果表明，相对于更大按键尺寸，8 mm 按键尺寸下志愿者的交互绩效与主观体验均相对较低；在所设置的按键尺寸（8，11，14，17 mm）中，14 mm 有更优的综合表现（综合考虑交互绩效和主观满意度）。在按键间距上，志愿者在4 mm 按键间距上的输入正确率显著高于1 mm 按键间距，同时4 mm 间距也带来了更高的主观满意度。按键尺寸与按键间距之间并未发现显著的交互效应。综上，推荐使用14 mm 按键尺寸与4 mm 按键间距的组合。

在实际使用时触摸屏会存在屏幕空间不充足的情况，此时需要在不影响用户正常操作的前提下减小虚拟按键的空间占用。为了探索按键尺寸大小的下限，以往的部分标准基于人手指宽度作为触屏按键尺寸设计的参照，如ISO9241－9［16］标准建议依按键尺寸的下限为成年男性食指宽度的第95 百分位数，依据GB 10000－88［20］对于中国成年人人体尺寸的测量数据，18 ～60 岁中国男性食指宽度的第95 百分位数约为18 mm，与触屏输入工效试验结果并不一致。本文研究参照Par⁃hi［21］的方式，测量了试验二志愿者手指在触摸屏上的接触区域宽度（图4），发现随着按键宽度和按键间距增加，志愿者触屏时手指与屏幕的接触区域会增加，但增加幅度非常有限：在8 mm 按键尺寸下，无论按键间距是1 mm 还是4 mm，志愿者的触屏区域宽度平均为8.7 ± 0.2 mm，单侧95%置信区间的上限为10.5 mm，表明8 mm 的按键空间不够充足；而在17 mm 按键尺寸下，无论按键间距是1 mm 还是4 mm，接触区域宽度平均为9.3 ± 0.2 mm，单侧95%置信区间的上限为11.1 mm，表明为了满足大部分用户的需求，按键最小适宜尺寸应不低于11 mm，但无需达到17 mm。即使要求志愿者刻意用力按压屏幕（纸面），使手指的接触面积增大，收集到的接触面积宽度的单侧95%置信区间的上限为14.2 mm，仍未达到17 mm。根据接触区域的测量结果，研究推荐的最小按键尺寸范围为11 ～14 mm。

图4 志愿者手指触屏时的接触区域平均宽度Fig.4 Average touch area width of the subject’s fingers

同时上述的测量结果显示，在实际操作时手指与屏幕的接触面积要小于手指本身的宽度，在设计按键尺寸的最小规格时，不能仅参照用户的手指生理指标，还应考虑实际的点击行为。点击时的接触区域宽度可通过手指宽度乘以一定的系数推测，研究以正常按压下单侧95%置信区间的接触区域宽度（11.1 mm）为下限，以用力按压下单侧95%置信区间的接触区域宽度（14.2 mm）为上限，基于GB 10000－88［20］中国男性食指宽度标准（18 mm），初步推荐该系数为0.6～0.8。

基于触屏接触区域宽度测量得到的按键尺寸设计推荐范围（11 ～14 mm）与触屏输入工效试验结果的推荐值（约14 mm）较一致。当使用大于14 mm 按键时，用户的任务绩效和主观体验并不会有明显的提高，同时在屏幕较小时还会占用其他界面元素的显示空间；而使小于11 mm 的按键可能不适合部分用户的手指宽度，会造成任务绩效和主观体验的降低。试验二的结果显示14 mm尺寸的按键的表现在描述统计上优于11 mm，但在方差分析中二者间并无显著差异，因此本文推荐的最小按键尺寸为11 ～14 mm。