图形用户界面环境中的鼠标操作活动分析，本文主要内容关键词为：鼠标论文,用户界面论文,图形论文,操作论文,环境论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B849:TB18 文献标识码：A 文章编号：1006-6020(2003)-03-0014-06
1 引言
自美国斯坦福研究所Engelbart于1963年发明以来，随着窗口型和基于图符的软件系统的急剧发展，鼠标已成为应用最多的直接操作界面装置。如有研究表明，用户在图表和绘图的计算机操作中有50%-60%以上的时间是用鼠标完成的[1]。鼠标的主要功能是用户通过移动鼠标来控制显示屏上的光标位置，或以不同的方式控制鼠标按钮来实现特定的计算机操作。相对于用键盘输入命令，鼠标的使用大大减低了用户的认知负荷。然而，鼠标的使用使手长时间地暴露在极端的腕部伸展和尺侧偏移以及上臂抬高的应激姿势下，易引起肌肉骨骼不适或损伤。为此，对鼠标的工效学研究受到了人们的重视。早期的研究主要针对鼠标与其他输入装置如操纵杆、光笔、追踪球和触摸屏等的操作绩效比较，最近也有研究者比较了鼠标与新型的直接和间接图形输入板的指点定位绩效。在当前，研究者更注重于从图形用户界面（简称GUI）设计和人—计算机交互建模的角度，探讨显示布局特征对鼠标操作的影响，研究费茨定律对描述鼠标操作运动的适宜性。此外，还从流行病学的角度，针对不同的GUI设计，对鼠标操作的姿势、力、疲劳、肌电反应等进行研究。本研究将在前人研究的基础上，着重探讨GUI环境中目标的大小、距离和方向对鼠标的指点定位和拖动操作的运动时间（简称MT）的综合影响，以便为良好的GUI设计提供工效学依据。
2 鼠标指点定位实验
2.1 实验方法
本实验测试目标的方向、距离和大小对鼠标指点定位的MT的影响。实验采用模拟GUI环境中的鼠标指点定位作业，即要求被试用鼠标将光标从起点移至目标位置。起点位于计算机屏幕中心，是一直径为2mm的圆。目标是直径为1、5、10和15mm四种大小的圆，位于起点周围0°（正上方）、45°、90°（水平右侧）、135°、180°（正下方）、225°、270°（水平左侧）和315°八个方向，距起点20、60、100mm三种距离，由此构成96种测试条件。
实验测试96种条件下光标从起点移至目标的时间。测试开始，屏幕呈现起点、目标和箭头光标，被试首先用鼠标将箭头光标移至起点内，调整好鼠标位置后点击鼠标左键（箭头光标变成手指光标），再立即移动鼠标，将光标移向目标，当手指进入目标内，被试立即点击鼠标左键（手指变成箭头）。两次按键之间的时间即为MT。每次测试前，被试需将光标移入起点内再按键，否则光标不会变成手指形，计时不开始。如果光标在目标外被试就按键，光标不会变成箭头形，计时也不停止。一次测试完毕，屏幕随即呈现下一个目标。
实验采用被试内设计。实验中96种条件各随机呈现10次，总共960次。实验中间给予被试适当的休息。被试共有6名，男女各半，年龄在20～26岁之间。给予一定的报酬。
实验使用P4计算机，17寸纯平显示器（分辨率为1204×768像素）和Logitech光电鼠标。
2.2 实验结果
2.2.1 不同目标方向、距离和大小条件下的鼠标指点定位MT分析
本实验测试了8种目标方向、3种目标距离、4种目标大小条件下鼠标指点定位的MT。图1表明MT与上述变量的函数关系。图2则分别表明目标方向(a)、目标距离(b)和目标大小(c)对MT的效应。从图2a可见，对不同的目标方向，MT略有差异，在90°和270°方向MT较短，在45°和315°方向MT较长，另4个方向的MT大致处于这两者之间；从图2b和图2c可见，MT随着距离的增大而增大，随着目标的增大而减小，但下降率呈递减趋势。方差分析结果表明：目标方向〔F(7,35)=5.643,p＜0.01〕、目标距离〔F(2,10)=161.606,p＜0.01〕和目标大小〔F(3,15)=376.225,p＜0.01〕的主效应显著，目标方向与目标距离〔F(14,70)=3.056,p＜0.01〕以及目标方向与目标大小〔F(21,105)=2.109,p＜0.01〕的交互作用显著，而目标距离与目标大小〔F(6,30)=0.627,p＞0.05〕以及三阶〔F(42,210)=0.856,p＞0.05〕的交互作用均不显著。
图1 不同目标方向、大小和距离条件下鼠标指点定位的MT
图2 鼠标指点定位中目标的方向、距离和大小与MT的关系
用q检验对各种实验条件的MT差异作进一步配对比较分析。对于目标方向，不同方向的MT差异只出现在目标距离为20mm、目标大小为1mm和目标距离为100mm的实验条件下。具体地说，当目标的距离为20mm和大小为1mm时，0°、90°和180°的MT相对较短，而45°和315°的MT相对较长，且0°和90°与45°和315°以及180°与315°的差异达到或接近p＜0.05显著水平；当目标距离为100mm时，对于1mm的目标，90°、135°和225°的MT相对较短，而0°、45°、180°和315°的MT相对较长，且90°、135°和225°与0°、45°和315°以及90°与180°差异达到或接近p＜0.05显著水平；对于5mm的目标，270°的MT相对较短，而0°和45°的MT相对较长，且270°与0°和45°的差异达到p＜0.05显著水平，45°与90°、180°和225°的差异也接近p＜0.05显著水平；对于10mm和15mm的目标，除了0°的MT相对较长外，其余方向的MT差异不大，而0°与90°、135°、225°和315°的差异达到或接近p＜0.05显著水平。在其余的实验条件下，各种方向的MT之间均不显著。
对于目标距离，除个别情况外，在所有的目标方向和大小，20mm与100mm的MT差异达到或接近p＜0.05显著水平。然而，20mm与60mm的MT差异达到或接近p＜0.05统计显著水平的主要出现在0°、135°、180°和315°方向；60mm与100mm的MT差异达到或接近p＜0.05统计显著水平的主要出现在0°、45°和180°方向。
对于目标大小，除个别情况外，在所有的目标方向和距离，1mm和5mm分别与其他3种目标大小的MT差异达到或接近p＜0.05显著水平，而10mm与15mm的MT差异不显著。
2.2.2 鼠标指点定位中的菲茨定律方程式
菲茨定律表明定位运动的MT与运动难度指数成线性关系，难度指数表示为log2(2D/W)，其中，D为目标距离，W为目标宽度。利用本实验结果计算了8个方向和总的鼠标指点定位的菲茨定律方程式，结果见表1。检验表明，结果数据的线性很好。
表1 鼠标指点定位的菲茨定律方程式
3 鼠标拖动操作实验
3.1 实验方法
本实验测试目标的方向、距离和大小对鼠标拖动操作的MT影响。实验采用模拟GUI环境中的鼠标拖动操作作业，即要求被试用鼠标将选中的项目从起点拖至目标位置。起点与目标参数（方向、距离和大小等）均同前实验。拖动操作与指点定位的做法不同的是：被试用鼠标将箭头光标移至起点内后要按下鼠标左键（不能松手，这时，箭头光标变成手指光标，并带有选中项符），再立即移动鼠标，将光标（带着选中项）移向目标，当手指光标进入目标内，被试立即松开鼠标左键（手指变成箭头）。按下与松开键之间的时间即是所测试的MT。与指点定位不同的另一点是当光标进入目标内时，目标将改变颜色，如果光标又离开目标时，目标又变回原色。每次测试前，被试必须将光标移入起点内再按键，否则光标不会变成手指形，计时不开始。如果光标在目标时外被试就松开键，在松手时的光标位置会出现一个圆形符，被试必须将光标移回圆形符位置，按下键继续操作，此间计时不停止。一次测试完毕，屏幕随即出现下一个目标。
本实验方法和程序等均与前一实验相同。
3.2 实验结果
3.2.1 不同目标方向、距离和大小条件下的鼠标拖动操作MT分析
本实验测试了8种目标方向、3种目标距离、4种目标大小条件下鼠标拖动操作MT。图3表明MT与上述变量的函数关系。图4则分别表明目标方向(a)、目标距离(b)和目标大小(c)对MT的效应。从图4a可见，在不同的目标方向，MT略有差异，在270°方向MT相对较短，在45°、135°和225°方向MT相对较长；从图4b和图4c可见，MT随着距离的增大而增大，随着目标的增大而减小，但下降率呈递减趋势。方差分析表明：目标方向主效应不显著〔F(7,35)=2.133,p＞0.05〕，目标距离〔F(2,10)=158.115,p＜0.01〕和目标大小〔F(3,15)=86.835,p＜0.01〕的主效应显著，目标方向与目标距离交互作用显著〔F(14,70)=3.161,p＜0.01〕，目标方向与目标大小〔F(21,105)=1.587,p＞0.05〕、目标距离与目标大小〔F(6,30)=1.290,p＞0.05〕以及三阶的交互作用〔F(42,210)=1.153,p＞0.05〕均不显著。
图3 不同目标方向、大小和距离条件下鼠标拖动操作的MT
图4 鼠标拖动操作中目标的方向、距离和大小与MT的关系
对鼠标拖动操作中各种实验条件的MT差异作进一步配对比较分析。
在全部的目标距离和大小条件下，各种目标方向间的MT差异均不显著。
对于目标距离，在全部的目标方向下，当目标大小为5～15mm时，20mm与100mm的MT差异达到或接近p＜0.05显著水平；对于1mm的目标大小，在各个方向，3种目标距离间均不显著，且只有在个别目标方向，20mm与60mm或60mm与100mm的MT差异达到p＜0.05统计显著水平。
对于目标大小，在所有的目标方向和目标距离条件下，1mm与其他3种目标大小的MT差异达到p＜0.05显著水平，且除个别条件外，5mm与15mm的MT差异达到或接近p＜0.05显著水平，5mm与10mm或10mm与15mm的MT差异不显著。
3.2.2 鼠标拖动操作中的菲茨定律方程式计算
利用本实验结果计算的8个方向和总的鼠标拖动操作的费茨定律方程式如表2所示。统计检验表明，数据的线性很好。
表2 鼠标拖动的菲茨定律方程式
4 讨论
本研究着重考察在GUI环境中目标的方向、大小和距离对鼠标的指点定位和拖动操作MT的综合影响。结果表明，无论是指点定位任务还是拖动任务，总体上，MT均随着目标的面积减小和距离增大而提高。这与前人的研究结果一致[2-5]。其原因为目标越小，光标进入目标所要求的操作越精细，而精细的活动和长的运动距离都会导致MT增加。然而，对实验结果的进一步分析发现，目标距离对MT的效应与目标的方向和大小有关。如在指点定位任务中，20mm与60mm目标距离的MT差异显著的主要出现在0°、135°、180°和315°方向；60mm与100mm目标距离的MT差异显著的主要出现在0°、45°和180°方向。在拖动操作任务中，对于1mm的目标大小，在各个方向，3种目标距离的MT差异均不显著，且只有在个别目标方向，20mm与60mm或60mm与100mm目标距离的MT差异显著。此外，本实验还发现，MT随着目标的增大而减小呈递减趋势，在指点定位任务中，直径为10mm与15mm的目标的MT差异不显著；在拖动操作任务中，直径为5mm与10mm或10mm与15mm的目标的MT差异也不显著。
关于目标方向对鼠标操作的影响的研究结果不尽相同。如Card等研究了右上90°扇区内的目标方向对鼠标指点定位MT的影响，结果发现不存在目标方向主效应[6,4]。然而，Boritz等以及Whisenand等的研究却都报道目标方向对鼠标移动光标的MT有显著影响，但两者的结果也不完全一致[3,5,7-8]。Boritz的研究表明，对于饼式菜单中的项目选择，在水平向右方向用鼠标驱动光标运动比在垂直向上方向更快。Mackenzie等的研究发现，在向右上方向的鼠标运动明显比水平向右和垂直向上方向慢。Whisenand等研究表明，鼠标指点定位的MT在4个对角线方向一般慢于两个水平方向和两个垂直方向，而他们的进一步研究则表明，水平方向的鼠标操作运动明显快于其他方向，垂直方向的鼠标操作运动则明显慢于其他方向，而对角线方向的鼠标操作运动基本介于这两者之间。本实验表明，在指点定位任务中，目标方向主效应显著，总的来说，在水平方向的MT较短，而向上对角线方向的MT较长，其他4个方向的MT大致处于这两者之间。然而，进一步分析则表明，不同目标方向的MT差异只出现在部分实验条件中：(1)在当目标距离为20mm，目标大小为1mm时，0°、90°和180°的MT相对较短，而45°和315°的MT相对较长；(2)当目标距离为100mm时，对于1mm的目标大小，90°、135°和225°的MT相对较短，而0°、45°、180°和315°的MT相对较长；对于5mm的目标大小，270°的MT相对较短，而0°和45°的MT相对较长；对于10mm和15mm的目标大小，除0°的MT相对较长外，其余方向的MT差异不大。我们认为目标方向、大小和距离是联合起来作用于操作肢体姿势、操作精细度和运动幅度，进而影响鼠标操作的MT。换言之，在不同的目标大小和距离条件下，被试向不同方向移动鼠标时使用的肢体部位和采取的微姿势是不同的，这就是在不同的条件下目标方向对鼠标操作的MT影响会有变化的原因。此外，在本实验中，对于拖动操作任务，目标方向主效应不显著。我们认为其原因是目标方向的影响一般小于目标大小和距离的效应，在执行拖动操作时，被试须始终按住鼠标左键，这样对鼠标移动有一定的限制，从而掩盖了目标方向的影响。
概括起来，本实验结果表明，在GUI环境中，当距离较短时，垂直和水平方向的鼠标操作都较容易；在长距离条件下，用鼠标驱动的光标移动时在水平方向仍是容易的，但在垂直方向则难度明显增加。或许，人在使用鼠标时，肘部自然地略微向内屈曲，这种姿势不利于向右上方的鼠标移动。不管怎样，增大目标可提高鼠标操作的容易性。然而，由于计算机显示屏的空间有限，因此，根据实验结果，我们认为GUI中的图符、按钮和菜单选项等的直径（圆形）或边长（矩形）至少为10mm，这样可减少鼠标操作的工作负荷。
最后要说明的是，许多研究者认为菲茨定律同样适用于鼠标驱动光标的定位运动，并将它作为一个重要的参数用于建立人—机交互模型，如MHP模型、EPIC模型等。本研究根据实验数据建立了鼠标的指点定位和拖动操作任务的8个方向的菲茨定律方程式，且检验有效，这一结果将有利于计算机界面的设计和工效学评价。
5 小结
本实验结果表明，鼠标指点定位和拖动操作的MT随着目标距离的增加而增加，随着目标面积的增大而减小，但下降率呈递减趋势。对于指点定位任务，目标方向对鼠标操作的MT有影响，而对于拖动操作任务，这一影响不明显。总体上，以上3个因素是交互地影响鼠标操作的MT。根据本实验数据，我们为上述两种常规鼠标操作任务建立了8个方向的菲茨模型。这些结果有助于GUI的工效学设计。
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