光标定位技术的研究

赵 芮

（兰州大学信息科学与工程学院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

在图形用户界面（GUIs）中，光标的重要性是毋庸置疑的[1]。很多人机交互（HCI）任务都必须借助光标才能完成[2]。但是，有时因为光标所在的界面环境的影响，我们很难在第一时间发现光标在窗口中的位置——当我们停止控制光标一段时间后再去操纵光标时，这一问题尤为严重[3]。在一些特别的应用场合，光标本身的尺寸非常小，如播放幻灯片时使用“笔”在幻灯片上做标记，此时的光标就是一个小点；这时候哪怕我们持续移动光标有时也很难发现它。另一方面，我们的视觉器官对于目标的感知能力本身就有一定的局限性[4,5]。特别是人们随着的年龄逐渐增长，视力会有一定程度的下降[6]，发现光标——尤其是在复杂界面背景中发现光标就变得更加困难，时不时地会出现光标“丢失”的情况。当这种情况发生时，我们只能采取诸如搜索整个屏幕或者左右晃动鼠标使光标运动起来以便找到它。这样的操作方式其副作用是显而易见的：搜索屏幕会浪费我们的时间，使光标轻微地运动在有些时候并不能帮助我们马上发现光标，而我们大幅度地晃动光标有时又会使我们失去对交互对象的定位。对于这一问题，虽然现在已经有很多的相关研究，但还缺乏全面系统的研究，有些研究[7,8]甚至是通过外在设备来改善——这就增加了我们的交互成本，对于一般用户来说并不实用。在本文中，我们基于视觉增强的方式，提出了在合理的时机增强显示光标自身或者光标所在的局部区域两大类方法，共13种特效技术来帮助我们找到“丢失的”光标。这些技术在使用过程中，不需要借助于额外的设备，也不需要增加用户的额外操作。在本文后面的部分，我们将介绍相关工作，具体的特效技术以及测试结论。

1 现有的研究结果

目前，关于寻找“丢失的”光标的研究已经有很多了。例如，Ball和 North引用了三种用户用来寻找丢失的光标的技术（按照最常用到最不常用的顺序）：（1）通过小范围移动鼠标将光标由静止状态转变为动态状态，从而刺激用户的视觉来快速定位光标位置；（2）通过花费大量时间扫描显示器来寻找光标—费时费力；（3）移动鼠标将光标移动到一个较为特殊的位置（如：显示器中心，边缘或四角）[9]。Roberston则通过引入一个类似于Windows鼠标声呐自动定位器的 Auto-Locator光标来快速定位光标，但是该光标需要在显示器上快速移动一段距离才会被触发进而定位光标的位置[10,11]。Ashdown使用一个闪烁的星星缩小视觉搜索范围来快速定位光标位置[12]。但是在实验中，参与者认为星星一直闪烁会干扰注意力。Baudisch通过移动鼠标时光标加拖尾的效果来快速找到“丢失”的光标[10]。上述研究的方法都有一个共同点——依靠视觉搜索来找到“丢失”的光标。Hollinworth研究了一种新技术，它依靠按键盘或鼠标点击的序列记忆，由用户控制非自动化定位，在其技术中使用一个增加QT113触摸传感器的标准光学鼠标，无论何时当鼠标被释放并重新触摸后，就可以定位光标所在位置[7,8]。陈滨等利用微软Kinect体感设备进行骨骼数据采集，开发出一款利用手势动作控制计算机的体感虚拟鼠标软件[13-15]。上述研究都在一定程度上解决了光标“丢失”的问题，但是依靠视觉搜索的研究中并没有提出所有的可能性，而且也没有进行系统比较找出最优的解决方案，而Hollinworth研究的方法和陈滨研究的方法中都引入了外在的设备，改变了鼠标自身属性和用户的使用成本，在现实使用过程，找到光标后还会有很多后续操作，Ball和North在研究中所说的方案（3）重定位会影响后续操作的连续性。

2 本文提出的技术

针对上述研究存在的各种问题，本文提出了不同的解决方案：在光标自身或光标所在局部区域中添加增强视觉显示的特殊效果来帮助用户发现光标。我们同时还对所提出的技术方案在光标所处的不同背景中进行比较，以寻找最优的解决方案。增强光标自身显示效果的技术方案有：（1）改变光标自身的大小；（2）改变光标自身的颜色，使其与所在背景颜色有较为明显的差别；（3）使静态光标变为闪烁的动态光标；（4）改变光标自身的形状。增强光标所在局部区域显示效果的技术方案有：（1）给光标增加拖尾；（2）以光标为中心增加光环（包括静止、扩散、收缩三种方式）；（3）以光标为中心增加色晕（包括静止、扩散、收缩三种方式）；（4）以光标为中心增加箭头（包括静止、闪烁、旋转三种方式）。为了防止在实验过程中所添加的特效分散用户的注意力，我们设置了特效的触发条件。技术的应用在很多计算机操作的场合中效果明显，例如：在PPT播放过程中，如果需要重点强调某一句时需要用“笔”画出一条下划线，此时光标的状态为一个小点，其位置不容易被发现，在此情况下采用本文所提出的技术将会快速定位光标位置，提高交互绩效。

以十字光标为例：

（1）技术方案1、2、3采用放大的图片，颜色反转的图片进行替换产生相应的效果；技术方案 4采用手状图片产生变形效果；

（2）技术方案5、6、7以光标为中心使用paint函数画同心圆，其中方案6从内向外循环绘制产生扩散的效果（过程如图6所示），方案7从外向内循环绘制产生收缩的效果（过程如图7所示）；

（3）技术方案8、9、10以光标为中心使用paint函数画同心圆，并填充同一色系的不同颜色产生色晕的效果，其中方案9从内向外循环绘制产生色晕扩散的效果（过程如图9所示），方案10从外向内循环绘制产生色晕收缩的效果（过程如图10所示）；

（4）技术方案11、12、13通过paint绘制红色箭头产生相应的效果，其中方案 12通过线程每隔200 ms进行整体循环绘制产生闪烁的效果（过程如图12所示），方案13通过线程每隔200 ms绘制一个红色箭头图片产生箭头旋转的效果（过程如图13所示）；

（5）在所有的技术方案中，光标都具有两种不同的状态，其状态转化如图14所示：State0为默认状态下的形状、State1为特效状态。视觉增强显示特效可由两种方式触发：一种按下键盘上特定的热键，光标状态由 State0变为 State1，特效被触发后保持一定的时间阈值（T）后消失，实用中用户可以根据自己的需要自主设置；另外一种是晃动鼠标，设S为鼠标移动距离，当0mm5 mm时，鼠标状态由特效状态还原到默认状态——这样的设置不增加用户的额外操作，且不影响用户的后续操作。

（6）图15为本文所提出技术的工作流程图，触发特效技术有两种情况：一种是触发特定的热键，另外一种是晃动鼠标。热键触发的触发方式会在用户自主按下键盘上的指定热键时即刻触发。这一触发时机完全由用户掌握，使用时比较灵活，用户可以根据需要随时触发显示特效以帮助自己发现光标。但是，在操作过程中，需要用户通过有意按键才能实现，这就增加了用户的额外操作。而晃动鼠标的方式为特效技术的自适应触发方式。因为特效只有在光标由静到动的很短的运动距离（5 mm）内自动触发，所以几乎不需要增加用户的额外操作，且对于用户在发现光标之后的后续操作没有视觉干扰。流程图中光标静止时间T为预设的时间阈值，可以根据光标的不同形状和不同使用场景由用户进行自主设定。只有光标静止时间超过T后，晃动鼠标时才可以触发特效技术；如果静止时间小于 T，晃动鼠标则不触发特效。这样的设置方式，主要是防止用户在持续移动光标的过程中，短暂的停顿后再移动光标时视觉增强特效频繁出现而对用户形成视觉干扰。另外，对于不同的光标在不同的使用环境下，不是都需要所有的特效技术，在使用的过程中要根据不同条件设定相对应的特效技术。

图1 光标的放大Fig.1 Magnify ing the cursor

图2 光标变色（颜色取反）Fig.2 Reversing the color of the cursor

图3 光标闪烁Fig.3 Flashing the cursor

图4 光标变形Fig.4 Deformin g the cursor

图5 光标添加圆环Fig.5 Adding rings to the cursor

图6 光环扩散Fig.6 Adding diffusing rings to the cursor

图7 光环收缩Fig.7 Adding shrinking rings to the cursor

图8 光标添加色晕Fig.8 Adding halos to the cursor

图9 色晕扩散Fig.9 Adding diffusing halos to the cursor

图10 色晕收缩Fig.10 Adding shrinking halos to the cursor

图11 添加箭头Fig.11 Adding arrows to the cursor

图12 箭头闪烁Fig.12 Adding flashing arrows to the cursor

图13 箭头旋转Fig.13 Adding rotating arrows to the cursor

图14 状态转换图Fig.14 The diagram of state transformations

图15 软件流程图Fig.15 The flowchart of the software

3 结论

我们对于所提出的13种技术，在不同复杂程度的背景中及光标的不同形状下分别进行了测试。测试过程中，我们记录了用户发现光标所用的时间及超时出错（即被试者在规定的最长时间内没有发现光标在屏幕上的位置）率。

3.1 时间

背景复杂程度不同找到光标的时间也不同，简单背景下被试者找到光标所需时间均值为 2113 ms,一般背景下为2221 ms，复杂背景下为2384 ms。光标形状不同被试者找到光标的时间也不同，由于点状光标像素最小，因此找到点状光标的时间较长，均值为3183 ms。其中技术方案4的效果最为明显，其相对于传统的方式定位光标的时间有了大幅度的缩减。

3.2 错误率

背景复杂程度不同找到光标的错误率也不同，简单背景下错误率最低,复杂背景下错误率最高。不同的光标形状错误率也是不同的，虽然点状光标像素较小，但是在特效技术下出错率反而最小。测试中，13种技术方案中的每一种都有出错的情况，但错误率均不大于1%。

4 结语

本文针对计算机用户在图形用户界面（GUIs）中有时会遇到光标“丢失”的情况，提出了13种增加视觉显示效果的光标定位技术。同时，本文的研究中还对所提出的技术在不同的操作背景中及不同的光标形态下进行了测试。测试结果验证了所提出技术的有效性。

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