--- schema_version: "library-reader-v1" source_type: "original_book" title: "数字技术研究" author: null edition: null publisher: null year: null isbn: "9787308182003" library_document_id: "ae053936-f6b1-488b-8973-bb2332d1be14" source_sha256: "1a6cda221ba572f8ffe55f36ef953b84b543948c733ea6f02b0ecb557e5fa999" pdf_physical_page_count: 790 pdf_physical_page_index_base: 0 range_start: 540 range_count: 10 html_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/ae053936-f6b1-488b-8973-bb2332d1be14?start=540&limit=10" markdown_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/ae053936-f6b1-488b-8973-bb2332d1be14.md?start=540&limit=10" previous_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/ae053936-f6b1-488b-8973-bb2332d1be14.md?start=530&limit=10" next_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/ae053936-f6b1-488b-8973-bb2332d1be14.md?start=550&limit=10" --- # 数字技术研究 > 页码规则：PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX 是从 0 开始的权威文件物理页索引；PRINTED_PAGE 是页面中识别出的印刷页码，可能为空，二者不得混用。 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=540 | PRINTED_PAGE=516 压电致动器 图22.3显示的是压电致动器，通过移动设备内的触屏显示模块，可以创 造短暂的局部触觉反馈（Laitinenand Mäenpää，2006)。压电致动器可快速提供位移，但与传统的振动马达系统相比，动能要小得多。科斯基宁等人(Koskinen et al.,2008)进行了三项基于实验室的研究，以确定哪种触觉敲击(出自一套各不 数字技术研究(世哲手册) 516 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=541 | PRINTED_PAGE=347 / 517 相同的设计)最适宜用在与移动触屏设备的指尖交互中。这些实验使用了两种不同类型的致动器压电致动器和标准偏心旋转执行器的振动触觉马达使作者找到了参与者认为最舒适的触觉反馈。结果表明，来自压电致动器的反馈比来自振动触觉马达的反馈更让人感觉舒适。 电活性聚合物 电活性聚合物是触觉界面技术的新成员。在电场作用下，电活性聚合物的形状会发生改变。使用人工肌肉的主要好处在于能够刺激皮肤，而不发生额外的机电传导。电活性聚合物有两种类型：电子电活性聚合物与离子电活性聚合物。电子电活性聚合物使用两个电极间的静电力量来驱动聚合物。尽管此类电活性聚合物是用高压电来实施的，但消耗的电力水平很低。另一方面，离子电活性聚合物使用大量电力，是通过聚合物内部的离子运动来驱动的。当界面需要更高的位移量或更广的频段时，可以用电活性聚合物来替代压电致动器。 皮肤拉伸 本节前面讲过，压电致动器是一种触觉执行器，但这些执行器也可用于其他类型的刺激。当用户碰触某个由多个压电致动器组成的显示屏时，皮肤拉伸显示屏根据单个压力点的动作来拉伸用户的皮肤(Luk et al.，2006)。这种方法通过将皮肤修改为不同的模式，使触觉界面呈现出形状与纹理的假象。之前的研究已经指明，皮肤中的机械刺激感受器能迅速且精确地回应皮肤压力的变化(Bark et al.，2008)，好几位研究人员已成功地创造了使用这种技术的触觉界面。 力反馈设备 力反馈设备有两大目的:测量用户手(及/或其他身体部位)的位置与接触力，并将接触力与位置呈现给用户（Tanetal.，1994）。现在市面上有许多种不同的力反馈设备。我们可以根据每种设备的自由度对其进行归类。 第22章 触屏界面 347 517 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=542 | PRINTED_PAGE=518 • 1个自由度：方向盘。 ·2个自由度：操纵杆、钢笔和鼠标。 •3个自由度：高精度仪器(如PHANToM感应技术)。 •6个自由度：针对特定任务的高精度设备（如Phantom Premium6个自由度力反馈装置)。 电振动 电振动是利用某个表面与用户皮肤间的静电摩擦制造的(Bauetal.，2010)。将电荷置入绝缘电极，当用户的皮肤与电极接触时，就会产生一股小的引力。静电摩擦可用于刺激局部振动与摩擦的感觉，因而使反馈设计者们得以在光滑的表面上创造出许多不同的纹理。不同于其他振动致动器的是，电振动的声音相对较轻。在商业领域，Senseg曾将电振动反馈与使用触觉像素的活性表面整合在一起(Linjama and Mäkinen,2009)。鲍等人(Bau etal.，2010)还创造了一个名为TeslaTouch的电振动实例。作者通过用户分析来研究人们对电振动的感知及TeslaTouch的应用潜能。他们发现，不同于机械振动，电振动可以支持固定手势与多点触控反馈。 触觉界面的设计 在这一节，我们将描述触觉交互在人机界面的各种使用方式，概述用触觉模态进行设计的优势与不足。 触觉反馈的优势 在用户界面使用触觉的好处有很多。首先，也是最重要的一点，触觉反馈可以包含在界面内，减少显示屏上所需的视觉信息数量。这有助于防止用户被大量视觉反馈淹没，也有助于用户管理移动交互中的情境感觉障碍。移动设备的用户无法将全部视线集中在设备上，他们还需观察自己走到了哪里；在这种情况下，用户的视觉会因情境而被削弱，可能会错过某些视觉信息，因为用户没有盯着设备。更重要的是，触觉反馈不仅能帮助弥补情境性的信息缺损，而且能提升视觉受损用户对界面的使用。以触觉形式呈现信息可使视觉受损者使用某些只有有视力的用户才能使用的设备。 数字技术研究(世哲手册) 348 518 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=543 | PRINTED_PAGE=519 触觉反馈的缺点 使用触觉反馈的缺点主要有三个。触觉模态相比于视觉等其他模态来讲，分辨率略低。比如，使用触觉振幅，只能清晰呈现少数几个不同的值(Geldard，1960)。这又引出了另一个问题，即如何呈现绝对数据。人们不建议用触觉反馈来呈现绝对数据。多数现有系统以相对方式呈现信息。比如，用户能感觉到接触时间不同的两种情形间的区别，指出哪种情形时间更长，但要说出绝对值则很困难。最后，在设计可区分的触觉刺激物时，需考虑到多种内感觉依存性。改变触觉线索的某个属性可能会影响到其他属性。改变触觉刺激的频率可能影响感知到的振幅，反之亦然(参见上文中的“触觉感知概述”）。 何时使用触觉交互？ 有关触觉感知和触觉相互作用的人类工程学国际标准(2011)指出，触觉交互适用于下列应用领域：无障碍环境、桌面交互、移动交互、遥控机器人、基于虚拟现实的医学训练工具、游戏及艺术。虽然没有正式的触觉界面设计指导方针，但本小节罗列了大量相关研究中有关触觉反馈的主要用途。 触觉反馈可以分为两类：主动反馈与被动反馈。正如吉布森(Gibson，1962)所言，主动触觉是指皮肤感受是由用户主动带来的，而被动触觉则是局外体带给皮肤的感受。换言之，移动设备发出的标准语音通话振动提醒可以说是被动的，因为这不是由用户激发的，而是由设备触发的。不过，用户在手机键盘上打字，每次按压都接收到的振动触觉反馈，则应被视作主动反馈。 整体而言，对触觉感知刺激最有效的应用是提供主动与被动提醒与结构性信息。肌肉运动知觉刺激的最有效应用则是在用主动反馈来控制虚拟物体之时。最后一点，两种刺激物都可以用来与听觉等其他模态相结合，创造多模态或跨模态界面。下面将列举其中的一些例子。 第22章 触屏界面 519 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=544 | PRINTED_PAGE=520 主动反馈 主动触觉反馈的一个应用案例可见于触屏显示器的文本输入研究。正如引言部分所提到的，触屏插件无法提供接触或敲击实际物体时的那种触觉反馈。纳希尔和拉扎克(Nashel and Razzaque,2003)将模拟真实按钮的触觉线索补充到使用触屏技术的移动设备中呈现的虚拟按钮上。实验发现，所有参与者都能对振动(手指按住某个按钮)与非振动(手指不在任何按钮上)作出区分。霍根等人(Hoggan et al.，2008)也研究了移动环境中用于文本输入的触觉反馈的使用情况。该实验对比了静态及移动环境中的带实体键盘的设备、标准触摸屏及带触觉反馈的触摸屏。无论在哪种情况下，当用户碰触触屏按钮或滑过按钮边缘时，都会引发不同程度的振动。结果显示，给触屏增加触觉反馈能极大地提高设备感知性能，使其更接近于在真实物理键盘上输入文字。当前研究的结果令人们感觉前景光明，这些结果表明，在触屏交互中增加主动触觉反馈，能提高用户感知性能，模拟现实世界的按钮等物理对象。 被动反馈 触觉符号和触觉图标可用作一种被动反馈形式。触觉符号（Brownet al.，2006)是指结构化的振动触觉信息，可以不借助视觉而进行信息传播。触觉符号对应于视觉图标，可用于在视觉过载、视力受限或没有视力的情况下进行信息传播。触觉符号是通过控制皮肤感知的参数或维度对信息进行编码而形成的。 开发触觉感知或触觉图标的另一个途径是找到名为“触觉音素”的基本元素，并用以创造不同的触觉图标。恩里克斯、麦克莱恩与赤塔（Enriquez，MacLean and Chita，2006)使用这种方法创造了一套触觉图标，共包含9个，每个图标的波形与频率各不相同。接着，他们对参与者进行了培训，将每个触觉图标与任意一个概念相关联；他们发现，经过约25分钟的培训，参与者能够了解这些联系，对频率有别的刺激物的识别率(81%的正确率)高于波形有别的刺激物(73%的正确率)。 罗韦尔斯和范埃森(Rovers and van Essen,2005)也讲到了触觉反馈图标的使用。他们指出，可以将信息设计为现实世界中的信号，比如心跳，也可以是基于某个抽象设计。抽象设计需要使用一套共同规则，比如双脉冲相当于“开”。触觉符号设计中使用的正是这种方法。 数字技术研究(世哲手册) 349 520 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=545 | PRINTED_PAGE=350 / 521 多模态与跨模态反馈 触觉界面很少是单模态的。主要依赖某一种感觉，如触觉，是不符合自然规律的；在现实世界中，我们利用多个模态接收信息，因为我们会同时看到、听到并感觉到某个按钮被按上去。布拉特纳和丹嫩贝格(BlattnerandDannenberg，1992)探讨了使用多模态交互的好处：“我们在与周边世界相互作用的过程中运用了多种感觉官能。我们通过每一个感觉官能来解释外部世界，而这个世界利用各种表征与组织来适应这种使用。这些感觉官能以各种方式彼此提升，增加了协同，提高了信息维度。”多模态与跨模态界面可将触觉模态同其他模态，如听觉、视觉甚至嗅觉一起使用。跨模态交互是多模态交互的子类，使用不同的感觉官能来接收同样的数据(Hoggan，2010)。截至目前，跨模态交互研究主要涉及触觉模态中的皮肤知觉类别。对不同感觉官能的跨模态使用令一种感觉形态的特征能够转化为另一种感觉形态的刺激。然而，多模态交互也使用了不同的感觉官能来接收不同信息。 有关多模态与跨模态交互的更多案例，可参见下一节将描述的触觉界面目前的研究现状。 当前的触觉界面研究 本章剩余部分将回顾该领域近来的最新研究。 移动交互与触屏交互 鉴于商用触屏技术已经得到普及，触屏交互日益受到研究者的关注也就不足为奇了。从触屏移动设备来讲，如何设计一个合适的界面是一项挑战，因为需要将大量种类繁多的信息以视觉形式呈现在极小的屏幕上。这对视觉感官提出了高要求，解释了用户如何把更多时间花在屏幕上，而不是在环境或手头的任务上。这些界面也缺乏自然的触觉感受，即用户在与物理对象，如按钮与滑块，交互时所体验到的感受。越来越多的研究着眼于补充到触屏输出中的触觉模态(Fukumoto and Sugimura,2001; Kaaresoja et al.,2006;Luket al. ,2006;Hoggan et al. ,2008;Lee and Zhai,2009)。 350 第 22章 触屏界面 521 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=546 | PRINTED_PAGE=522 最早研究触屏设备上触觉反馈应用的研究人员是波普列夫及其同事(Poupyrey et al.,2003)。TouchEngine 是一款嵌入在PDA中的压电致动器。在该研究中，波普列夫等人将触觉反馈用作信息的环境背景通道。作者研究了几种将触觉作为移动通信环境背景通道的应用，进行了正式的用户研究，研究了触觉反馈在倾斜装置中的使用。受访者被要求使用手势翻滚文本列表。研究结果显示，获得触觉反馈后，受访者完成任务的时间平均节省了22%。 触觉反馈也被应用到更大的方面。比如，MudPad(Jansenet al.，2010)可以利用磁流变液产生局部主动触觉反馈，用电磁铁阵列带动液体在桌面上流动(见图22.4)。液体的黏性可以通过磁场进行控制。当液体暴露于磁场中，就会变硬。多个电磁铁可以单独控制，仅在某个特定位置产生触觉感受。有几个反馈参数可以用来控制以创造不同的触觉感受，比如，负载循环、频率与均匀性。 人际沟通 现在，有多种传播技术可使人们与相隔遥远的亲朋好友保持联系，比如电话、电子邮件与即时通信工具。虽然该领域已取得许多进展，但这些设备无法创造出与人面对面交流时的同等感受。使用多个传播模态可以克服这些问题。先前已有研究探讨过使用其他模态，如触觉，来进行的人际沟通(Braveand Dahley,1997;Royers and van Essen,2005)。 数字技术研究(世哲手册) 522 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=547 | PRINTED_PAGE=523 作为该领域最早的研究项目之一，张等人(Chang etal.，2002)开发了ComTouch，这是一种感知增强工具。这款设备可以在用户交谈的时候，实时地将用户手上的压力转化为振动强度，以此来达到增强远程通话的效果。ComTouch是一个振动套，利用小型商用声学扬声器来传输安装在手机背后的振动。有人曾做过研究，使用ComTouch来研究触觉与听觉结合使用时用户对触觉的潜在使用情况，并检验了压力与振动间的映射关系。结果显示，用户发展了一套类似于摩斯密码的编码体系，并发现了三个原始用途：强调、模仿、话轮转换。 帕克等人(Park etal.,2012)也研究了触觉反馈在人际沟通中的应用，他们创建了一个名为CheekTouch的系统(见图22.5)。CheekTouch原型机以标准的iPodTouch为基础，利用了安装在该设备前端栅格中的九个触感式致动器。用户无论何时碰触iPod的背面，碰触位置都被发送到另一位用户的设备中，与之相匹配的栅格位置中的触感式致动器就被激活。对几对夫妻进行的历时五天的实验室研究发现，触觉交互提供的额外带宽使用户获得了许多不同的交流方式：劝说、输送状态、传递信息、强调情绪或词语、呼吁关注及开玩笑。然而，由于设备背部的大片区域对碰触敏感，用户声称，他们常常会不小心刺激到振动。 351 第 22章 触屏界面 523 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=548 | PRINTED_PAGE=352 / 524 情感交流 触觉可以是非常私密、微妙与情感性的。传统的面对面交流方法就非常依赖触觉(Smith and MacLean,2007)。在面对面交互中，人们常常通过碰触来表达各种各样、私密的、微妙的非语言线索。比如握手、轻捏与紧抓、亲吻、拍背等都是日常交流中常见的碰触方式。其中某些碰触交互只发生在至爱之间，而另一些则可用于任何人。虽然碰触在日常情感交流中多多少少都会用到，但当前的界面并未充分利用到这一点。约哈南和麦克莱恩(YohananandMacLean,2011)创造了Haptic Creature来研究有利于发展友情的充满感情的触觉表现。HapticCreature(见图22.6)是一个模拟小宠物的自动操作装置，可以通过碰触来进行交互。每当有人碰触HapticCreature时，它就会通过改变耳朵的硬度、调整呼吸及经由振动反馈来呈现自己的情绪状态。 最早对HapticCreature的研究是以“绿野仙踪”式奇幻方式展开的，在该研究中，参与者可以碰触并与这些生灵进行互动。研究人员要求参与者以各种不同的方式与这些生灵互动，比如轻柔地爱抚，这些生灵会做出某种让参与者辨识的情绪反应。整体而言，该研究表明，通过触觉模态可以成功地进行情感交流，而用户的情绪往往也会受到影响，仿佛是与自己家中的宠物互动一般。 数字技术研究(世哲手册) 352 524 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=549 | PRINTED_PAGE=353 / 525 有视力障碍用户 触觉最重要的用途之一是为有视力障碍者提供替代感官界面。感官替代系统采集到通常由某个感官系统处理的环境数据，将之转换为另一个感官系统的刺激物(Lenay et al.,1997)。多年来，利用触觉作为感官替代的例子是盲人所使用的盲文。在盲文中，文字与对应的触觉间的映射是基于某套数值模型的。在该模型中，每个盲文文字都是一个3行2列的单元，通过凸点组合共可形成64种变化。研究人员对盲文进行过大量实证评估，结果表明，在阅读速度与准确性方面，盲文编码比使用浮雕字母更加有效（Sharmin et al.，2005)。盲文的主要缺点在于只有极少数盲人会读。据估计，英国只有2%的盲人能读懂盲文(Bruce and McKennell,1991)。 触觉反馈也被整合至有视力障碍者的手杖中。市面上能够买得到的UltraCane就使用了超声测距仪来探测用户环境中的物体，将该物体的位置信息与距离编码为振动触觉反馈，继而通过手杖把手上的执行器呈现出来。 可穿戴计算 如前所述，皮肤可以被视作一块非常大的输入区域，所以使用触觉反馈的一大好处是执行器可以放置到用户全身的各个部位。比如，李和斯特纳(LeeandStarner,2010)开发了一种戴在手腕上的触觉显示设备Buzzwear,用以提醒移动用户。对Buzzwear进行的实验表明，经过40分钟的培训，用户可以辨别手腕处的24种不同触觉模式，准确率高达99%。这些模式的设计是控制触觉反馈的强度、起点、方向及时间等参数。结果显示，强度是手腕处最难辨别的参数，而时间变化则相对容易得多。 霍尔兹等人(Holz et al.,2012)进一步发展了可穿戴触觉反馈，成功地将触感式致动器植入皮肤下的一个植入界面中。执行器发出的反馈非常强，甚至可在皮肤下探测到；作者指出，植入界面的好处在于该界面是全天候的。 导 航 在各种不同的环境中寻找方向，比如驾驶飞机、开车或在黑暗中步行，甚至穿行于图形用户界面时，我们往往会出现视觉过载或情境障碍。触觉界面有助于在这些情境中找到正确的行进方向。 第22章 触屏界面 353 525 下一段：[继续读取](https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/ae053936-f6b1-488b-8973-bb2332d1be14.md?start=550&limit=10)