基于老年人群背景因素的体感交互手势设计研究

罗智兆 汪颖

关键词：体感交互 老年人 背景因素 手势

引言

伴随着物联网技术的成熟，智能家居也开始正式进入普通家庭，使得更多新兴的技术能够为我们所用。大数据时代的智能家居产品需要满足实用性，安全性，拓展性，经济性，人性化以及易用性.其中最为重要的就是人}生化与易用性。如今的智能家居系統中，人机交互的方式依然停留在硬件输入与触控阶段，具备较高的学习成本。新时代的智能家居系统，需要更符合人类认知与行为习惯的交互方式圆。因此，智能家居环境下的人机交互形式势必会向着自然的体感交互发展。其中，体感手势交互作为体感交互的主要部分，更加偏向于通过上肢亦或是手部去对系统进行操控，并能够实时地与其他使用者进行互动。随着leap motion，kinect等体感设备的出现，使得体感手势交互成为研究的热门领域。技术的发展使得手势交互的识别效率不断提升，但从用户的角度出发，依然存在很多的问题。

一、相关研究

手势交互对比其他的交互方式具备高效性的特点，之前的很多研究证实了手势交互作为输入方式所带来的高效率，以及在不同设备载体上，手势交互对比传统的视觉图形或笔势交互等交互方式更具优越性的事实。针对手势的语义、分类与认知情况，很多学者进行了系统性的研究，手势的丰富性大多源于个人的认知和生活经验差异，这其中会涉及到很多关于长时记忆的获取与象征性含义的创造性内容，之前的学者对手势的分类与定义做十分深入的研究，会根据自己的研究进展，给予每手势定义与分类的步骤。

基于Jacob O.Wobbrock对2D手势的研究方法，很多学者将此方法应用到3D手势的研究领域中，通过收集被试对于家居产品的操作命令的认知，并作出对应的手势，分析不同背景的被试对于同一操作命令不同的手势认知结果，能够得到3D手势所需具备的设计需求和改进方向，大大提高手势的认知效率与易用性Eunjung Choi等人则是以智能家居系统为背景，研究被试是否会被实验中得到的认知最优手势集影响，而对自己定义的手势集产生改变，结果显示，手势的认知不仅受到手势内在的设计因素影响，并且也会受到外部附加信息带来的影响。

二、实验材料准备

（一）操作命令选取。christine Ku-hnel等人进行的关于家居环境的手势控制的研究中，选取的23个功能实现相同但使用对象不同的操作命令，例如：“打开电视”，“打开台灯”等，这些操作命令都具备相同的功能实现，但是针对的载体对象不同。将该类操作命令进行收集，并从中归纳出“打开”，“关闭”，“缩放”，“调节”和“切换”五类基本的操作命令，如图1。

（二）实验手势选取。通过相关文献的阅读与相关体感设备的使用经验，按照五大操作命令的分类，选取了6个“打开”手势，6个“关闭”手势，5个“缩放”手势“，4个“调节”手势以及4个“切换”手势。

（三）实验手势命名准则。设计影响因素是指手势所具备的内在属性，即是手势分类的依据，是能够影响用户对于手势认知结果的因素。结合Eunjung等人对3D手势分类要素的研究与此次研究选定的25个手势的特点，最终决定了在此次研究中会选取“手型（hs）”，“路径（pm）”和“象征隐喻（sy）”三个分类要素作为实验的三个设计影响因素，如图2。以下为三类设计影响因素的基本赋予准则为：（1）默认的手势手型为手掌摊开，任何手型不同的手势都会被赋予“手型”因素;（2）任何手势动作具备连贯}生和路径性的移动变化，则会被赋予“路径”因素;（3）带有明确象征或隐喻性意义的手势则会被赋予“象征隐喻”因素。

为了更加直观地描述所选取的手势，需要给25个手势进行命名。命名的准则为：“手势所在命令组别+手势设计影响因素+编号”。

三、手势分类认知实验方法

（一）实验被试。此次实验招募11名老年被试（5名男性，6名女性），年龄从55岁至70岁（M=64.27，sD=5.17）;和11名青年被试（6名男性，5名女性），年龄从24_～=30岁（M=25.64，SD=2.06）;招募的被试身体健康，认知清晰，能够清楚地理解实验的流程。

（二）实验设备。实验所需的设备：一台可以播放视频的笔记本电脑;一台手机，用于录音;一台相机，用于记录实验过程;分类统计表，记录被试基本情况与实验的分类结果。

（三）实验步骤。被试需要观看手势演示视频并对手势进行分类。手势演示视频播放顺序具备随机性，每个手势的演示视频播放3遍。在分类的过程中，需要被试通过发声思考的方式将他们的思考过程表述出来，如果被试无法得出确切的结果，那么需要将手势分在未知组中。

短暂的休息后，根据被试上一阶段的分类结果，按照不同的组别依次再将手势演示视频给予被试观看，通过再认知过程，被试需要给每个手势与所分命令组之间的匹配}生进行评分，得分采用5分制（1分代表再认知后，发现该手势和所分命令组十分不匹配，5分代表再认知后，该手势和所分命令组依然十分匹配）。最后，对被试进行简单的事后访谈。

四、结果与分析

（一）手势分类结果差异性分析。对被试的分类结果量化，分在打开组记为1，分在关闭组记为2，分在缩放组记为3，分在调节组记为4，分在切换组记为5，分在未知组记为0。根据每个手势在每个命令组中的分类频数，进行两个组别的手势分类结果统计。如果出现分类频数出现相同的情况，则根据匹配性得分比较，得出最终的分类结果（比较结果如图3）。

图4为最终的分类结果，灰色色块代表了最终分类结果与正确分类结果之间存在差异的手势。老年组中有9个手势的分类结果错误，青年组中也有9个手势的分类结果错误。老年组更多是将认知困难的手势分到了缩放组中，而青年组则是更多地将手势分到了打开组中，从中能了解两个组别对于认知困难的手势的分类倾向存在差异。

（二）被试背景因素对于分类结果产生的影响。实验前收集了被试的年龄，性别，教育水平和相关设备使用经验。

分类结果包括被试分类正确率，分类错误率，分类未知率。分类正确率是指被试在分类实验中手势分类成功的比率;分类错误率是指被试在分类实验中手势分类错误的比率;分类未知率是指被试在分类试验中手势分类失败的比率。

正态性检验与方差齐性检验的结果表示三组数据都符合正态分布并满足进行方差分析的前提。方差分析结果见表1。组别与分类错误率，分类未知率之间存在显著性相关（p<0.05）;由此可以看出，两个组别对于手势认知的正确性判别差异不大，而在手势的认知错误性和认知困难性方面，年龄因素存在显著性影响。代表了老年人群与年轻人群在进行手势认知时，对于错认无法分辨手势两种情况下，认知表现存在差异，如表1。

其次，研究性别，教育水平，使用经验与分类正确率，分类错误率，分类未知率之间的关系。在老年组中，性别与分类错误率之间存在显著性相关（p<0.05），使用经验与分类正确率与分类错误率存在显著性相关（p<0.05）。在青年组中，性别与分类错误率，分类未知率存在显著性相关（p<0.05），使用經验与分类正确率存在显著性相关（p<0.05）。结果表明了性别会影响到被试错误认知的结果，使用经验则会影响被试正确认知的结果。具备一定智能设备使用经验的老年人与具备一定体感设备的青年人趋向于更高的分类正确率，使用经验能够带给被试一定的手势操作基础，从而提高手势的认知效率。

五、结论与讨论

实验结果显示，年龄对于分类结果具有显著性影响，代表了此次研究选择两个组别被试进行实验，并研究年龄组对手势认知分类结果具备差异性的方向是有意义的。

（一）打开组手势的差异性讨论。打开组的分类结果中，两个组别中产生明显认知差异的手势为op_hs_4。op_hs_4这个手势来源于Hololens的操作，手势在青年组中具备良好的分类正确率，因为年轻被试大多了解该设备的手势操作。而老年被试很难接触到这类设备，对这类设备的操作手势感到陌生。该分类结果的差异证明了年龄作为一个关键因素，显著影响被试对于手势的认知。

（二）关闭组手势的差异性讨论。关闭组的分类结果中，两个组别中产生明显认知差异的手势为cl hs_2。cl_hs_2在老年组中大多都被分到了缩放组，证明了被试并没有很好地理解这两个手势的含义。发声思考的过程中，大部分被试表示看到这个手势，还是会关注于这组手势的手部变化，把它看成一个缩放的过程。综合老年被试的访谈结果，几乎所有被试都选择op_sy_hs_l为打开和关闭操作的第一印象手势。这一现象也暗示了，老年人对于手势认知的方向是由易向难发展的，大部分的操作都愿意使用简单易懂的手势进行。

（三）缩放组手势的差异性讨论。缩放组的分类结果中，两个组别中产生明显认知差异的手势为sc_sy_hs_5。sc_sy_hs_5代表双击操作的手势，老年组将该手势大多分到切换组中，大部分老年被试表示该手势类似于遥控器的操作。而在青年组中，该手势大多被分在打开组，因为部分安卓手机具有双击屏幕唤醒手机的功能，所以大部分青年被试认为该手势代表打开操作。在事后访谈中，老年人大多会选择sc_sy_2这类手势作为第一印象手势。这类手势能够更好诠释缩放的外在表现，具备良好的可用性与易学性。

（四）调节组手势的差异性讨论。调节组的分类结果中，两个组别中产生明显认知差异的手势为ad pro_2。ad_pro_2是一个手臂画半圆的手势，青年组的认知中，只要是画圆类型的手势，都具有调节的意象。而在老年组中将该手势分到了切换组，大部分老年被试认为该手势代表从上方的点转换到下方的点，代表了转换的含义。事后访谈中，大多被试受到实验手势的影响，会将ad sy_hs_3作为第一印象手势，该手势的隐喻性十分符合老年被试以往的生活与使用经验。

（五）缩放组手势的差异性讨论。切换组的分类结果中，两个组别中产生明显认知差异的手势为sw_pm_hs_l。sw_pm_hs_l是在智能手机上常见的手势操作，通过食指左右滑动进行切换。青年组却将该手势分在了调节组，认为该手势的伸出食指的手型代表了精准的调节。事后访谈关于调节组的手势认知情况主要与被试的生活经验存在关联。总而言之，当我们在设计手势操作时，要将手势认知的普世性放在第一位，特别在针对老年人群进行手势设计时，要充分考虑老年人群的认知和行为习惯，尽量使用认知负担小，并且容易执行的手势。

总结

通过对以上内容的讨论，可以总结出以下两点：1.手势的分类结果在青年组和老年组中之间存在差异，且这类差异更多的来源于生活与使用经验的差异，因此需要针对老年人群进行改良与设计：2.被试的背景因素对于手势认知会有一定的影响，需要针对不同背景因素的老年人群进行合理的手势设计改良，增加手势的容错性，能够保证具备不同背景因素的老年用户通过不同的手势完成相同操作。