三维触控交互设计及人本性探讨

王子凯 李拜天

摘  要：三维触控交互是在多点触控交互技术的基础上发展而来的新型交互技术方法。根据三维触控技术的交互特点，试图探究三维触控交互对多点触摸交互带来的益处以及交互中的应用前景。结合已经应用在APP中的三维触控交互方式，进行三维触控交互设计的分析和框架建构。三维触控交互设计应该以简化用户操作流程以及模拟现实交互方式为原则，从而可以为用户带来更便捷快速的交互体验，同时以积极的交互反馈方式让用户真正达到直觉交互的目的。

关键词：三维触控;多点触摸;交互设计; 移动设备;人本性

多点触控交互技术已经诞生了许多年，但这种交互技术是建立在二维触控屏基础上的。在引入了多点触控交互技术后，人们的交互方式在一定程度上得到了改善，但在某种程度上产生了一些问题。如必须一直注视着屏幕，多点触控屏并没有传统的按键键盘给手指以回馈，造成一定程度的误操作，因此反而会降低用户体验感。近期，一些厂商开发出可以感应手指压感的触控技术，在原有二维触控交互的基础上通过增加一个维度提高触控屏交互的可用性。

一、三维触控交互概述

（一）三维触控交互的概念

三维触控交互是在多点触控交互技术的基础上发展而来的新型交互技术方法。它通过集成在触控屏下的传感器感知不同的压感力度，同时结合多点触控给用户带来新的交互体验。目前的三维触控交互技术应用的范围主要是在移动设备的多点触摸屏上。

（二）三维触控交互的特点

当前在移动设备上的三维触控应用主要是为多点触摸屏操作增加了一个控制维度。类似于桌面系统中的鼠标右键功能，用户能够通过手指压按就实现多层内容的暂时显示。提高了多點触控的操作效率。虽然一般看来可能会被简单理解为鼠标右键功能，但是它能够与二维触摸屏手势相配合，形成多种交互操控。与常规二维多点触摸交互不同的是，在用户对屏幕的压按触发了三维触控交互时，设备上集成的振动组件会给用户合适的振动反馈。这样的反馈弥补了二维触控操作时用户无法及时判定操作是否成功的缺点。

二、三维触控技术

（一）三维触控技术

三维触控技术由苹果公司于2014年提出，并应用在Apple watch以及MacBook上。当时苹果公司把这一技术称作force touch。通过force touch，设备可以感知轻压以及重压的力度，并调出不同的对应功能。同时对其重压的操作进行反馈。

Apple watch由于体积小，可以交互的界面空间很有限。所以在交互时需要对现有的交互界面进行扩展。对按压力度的感应和反馈是操作多点触摸屏时最直接的扩展。多点触摸屏技术在诞生时就存在无法通过手指反馈用户操作的问题，只是由于多点触摸屏给用户带来的好处远大于传统物理按键，这个问题才没有成为改进的重点。

MacBook搭载的触控板已经使用了多年，从早期配合物理按键的触控板到整块的多点触控板，MacBook不仅在厚度尺寸控制上有了巨大进步，在笔记本电脑的人机交互上也得到了长足进步。最新版本的MacBook以及MacBook pro搭载的force touch触控板无论用户点按触控板表面的哪个位置，都能得到灵敏且效果一致的点击响应。而且在操作触控板的时候，用户还会感受到其发出的触觉振动，在屏幕上看到的内容还可以通过触觉感知。

2015年推出的iPhone 6s中，苹果公司称为新一代多点触控技术的3D touch，则是三维触控技术的正式全面应用。3D touch支持更复杂的压按感应，它由集成在触摸屏下的压力感应器与振动组件构成（如图1）。压力传感器会测量表层玻璃与背光源之间微小的距离变化，测量出的结果与触动传感器和加速度传感器信号相结合，最终将这些信号转换为捕捉压按屏幕的不同力度传给iPhone。同时，配合taptic引擎 ，iPhone能够将更加细微的振动反馈回馈给用户，让用户能够及时准确地对自己的压力操控进行反馈认知。从而达到更加自然高效的交互目标。三维触控交互从技术上说，不仅仅是集成了几个传感器这么简单，而是运用软件与硬件的整合机制创造了新的交互体验。因为在对用户压按屏幕的识别过程中，软件系统必须过滤掉一些非主动操作产生的屏幕压按数据。推出这个交互的可能其实并非想象中那么简单。

当前，华为、中兴、微软等公司也研发了类似的技术，可以实现基本的压力感应。

（二）三维触控技术的应用

当前三维触控技术主要是由iPhone的各项应用为大家所关注。在iPhone上的主要应用有以下几种：

1.快捷操作

用户在屏幕上用力按一个图标会弹出一层半透明菜单，里面包含了该应用下的一些快捷操作，在邮件列表上用力按可以快速弹开窗口查看邮件。在邮件列表当中，用力按邮件列表里的一条邮件就会显示完整邮件内容，松手就会关掉，而无需再使用左右滑动操作来实现打开和关闭操作（如图2）。

除此之外，在苹果公司出品的APP以及用户使用度非常高的APP中，压按都能够结合快捷方式方便用户的操作，为用户越过部分层级界面创造了一个桥梁。比如：轻按电话的图标就可以查看最近联系人;按压相机桌面图标就可以弹出下拉菜单直接选择快速自拍;按压图片库可以快速浏览大图;轻轻压按弹出窗口预览邮件内容，增加拇指压力时则可以全屏;在日程安排中轻轻用力按航班信息即可弹出窗口显示航班信息。按住地图图标即可弹出一些快速选项，Instagram中可以直接进入自己的时间流或者友邻动态，在相机中可以通过轻按相机预览拍的照片。加入这些快捷操作后，三维触控大幅度提升了手机操作的效率。而且在iOS9中可以快速通过边缘轻按调出后台，这不仅仅提高了交互的效率，还为苹果一直以来被人们聚焦的HOME键减轻了不少压力，用户再也不必一直担心HOME键会劳损失效了。重要的一点是，被苹果命名为Peek和Pop手势被激活后，iPhone都会相应地给用户一个震动提示。这两个手势的操作反馈响应时间可迅捷到10ms和15ms。

2.唤醒隐藏功能

在提升了相机的像素之后，iPhone还将相机与3D-Touch技术结合，在相机中增加拍摄动态图片的功能选项，查看时只需要用一定力道向图片按下去，图片就会动起来（如图3）。

3.增加操作的变化

在iOS9更新的备忘录中，用户可以利用3D touch在记事本中根据自己的需要绘制带有轻重笔画的内容。这样就大大增加了备忘录的手写记录功能应用的深度。用户可以更自然地操作画笔，就像在现实生活中一样。

三、三维触控交互设计原则探讨

（一）三维触控为移动设备交互带来的好处

1.快捷的页面层级切换和自然操作

苹果第一代iPhone的电容触摸屏改变了手机等小尺寸电子设备的交互形式，人们不再需要手写笔来实现精准点触，而是更符合人体工学的滑动、点击式触摸，这显然是一种进步。而随着时间的推移，移动系统越来越复杂，由于移动设备屏幕尺寸有限，大部分的应用程序界面都是独占式的，这就给用户使用多层次界面带来的困难。用户不得不在各种界面中切换，而且这种切换经常无法确认当前页面在整个界面中的层次。

3D Touch触摸屏的出现，在很大程度上简化了滑动翻页的操作。通过加大按压力度，在iPhone 6s上可以轻松地开启二级菜单，松开后则无缝切换到此前的界面，这显然是更加人性化、更加方便的。苹果会在iOS 10、iOS 11上将3D Touch更好地融入到系统中，并且第三方软件厂商也会逐渐利用这个特性，从而提升整个iOS生态系统的操作体验。

2.直觉交互建立现实与虚拟的桥梁

在引入3D touch后，使蘋果出品的一些应用软件焕发了新的活力。如备忘录中的速绘记事本中的压力画笔，还有GarageBand中的压力感应钢琴。这些软件通过三维触控提升的功能不需要用户进行任何学习过程，用户只需要按现实生活中的操作方法，就可以得到接近现实生活的操作反馈。将人机交互与现实生活中的交互无缝连接，必然是交互设计的最高追求目标。

（二）三维多点触控交互设计需要考虑的问题

在引入三维触控交互后，交互设计需要考虑以下几个方面：简化多点触控的操作流程;以不同的反馈带给用户即时高效的体验。

由于目前的三维触控仍然是基于多点触控屏，它带来的z轴纵深的交互只停留在对压力的感应上，并不能够完成像X轴和Y轴平面多点触摸那样进行广度的交互设计创造。所以三维触控的设计应与其他交互方式相配合的设计方法，用于提高其他交互设计便利性、提升效率。

（三）三维触控交互设计原则探讨

三维触控交互将多点触摸交互带入了三维时代。但是这只是一个开始，真正想要利用三维触控帮助人们提高多点触摸用户体验，仍需要靠广大APP交互设计师及开发人员继续深度挖掘它的潜力。三维触控的交互设计应该向以下几个方面发展：

1.扩展二维触控的功能，达到简化操作流程的目的

三维触控主要是为了解决多点触摸交互时产生的几个问题以及避免二维触摸手势的局限。

在二维多点触控交互设计中，主要是拓展了用户在平面上的维度，使得很多平面形象化的手势得以运用在交互设计中。而三维触控则又把这些交互方式的组合拓展到三维中，使得这些交互方式的组合以几何数字增长了，这才是三维触控交互的重点。

由于可以运用的可能性大大增加了，交互设计的方向就需要以用户为中心来考虑三维触控的交互应用。当前大部分运用三维触控的方式是隐藏式的，所以三维触控在学习成本上有所提高。当人们最初接触这种交互方式的时候，并不一定能够很好地利用直觉来触发三维触控的操作。目前为止，三维触控只是以辅助多点触摸的各种手势以及操作来实现的。等到三维触控操作在一大部分用户心中形成习惯之后，三维触控才能进一步完成更多的任务，让人们真正实现直觉交互，最大程度提高交互效率和体验。

2.模拟现实行为交互设计的原则

三维触控交互的另一个方向是模拟现实行为。在目前已经有所应用，比如钢琴软件，可以利用三维触控的压力感应捕捉用户点按钢琴的轻重，从而在音调和音量上给予反馈。这样就最大限度地模拟了人们在现实中弹奏钢琴的情景，给用户带来全新的体验。还有绘图软件也是这样，捕捉用户压按屏幕的力度，就能够操作虚拟画笔进行绘图笔画的轻重力度的控制。

这种应用还能够直接运用在游戏中，比如当前比较热门的竞速类游戏，对于赛车油门和刹车的控制——从电脑游戏开始就存在的弊端，应用三维触控的压力感应就可以完美解决。今后玩家只需要像现实中对油门和刹车的轻重控制就可以很好地操控竞速类游戏，达到游戏操作和现实中操控一样的体验。

3.考虑特殊群体的交互设计应用

由于智能移动终端的表现及功能的多样性，不仅仅在个人娱乐、个人计算的领域有广泛应用，在医疗领域及康复领域也有着很大的应用空间。使用智能移动终端的多媒体表现功能，三维触控的压力感应可以用在中风康复的训练中。病人可以通过压按屏幕获得多媒体声光电多方面的反馈，从而进一步改善康复流程以及康复体验。对于特殊人群的关注一直是高科技应用的重要领域之一，这种类型的应用同样可以用在很多医疗和康复项目中。

（四）三维触控当前存在的问题

当然，3D Touch也存在一些缺点，首先是复杂性。对于大部分人来说，滑动、点击是最为直观、容易理解的操作，这出于人类的本能。但在点击中加入压力感应，就稍微复杂了。如果再将按压力度分为三个层次、加入不同的UI，就显得更为复杂。从某种角度来说，如果一款产品需要用户费脑子去理解，那么在易用性方面就算不上成功。

其次，从人体生理学的角度来看，手指实现不同压力显然与运动神经有关，如果长时间频繁操作，可能会让一些人感到不适。当然，苹果可以从软件方面对压力敏感级别进行微调，实现更舒适的体验。

四、结语

随着APP交互设计师和开发人员对三维触控的不断深入研究，三维触控将会更多地被运用在APP交互中。用户可以期待更好、更高效、更自然的交互方式，应用于移动设备的APP中。更好地发挥三维触控的优势，利用多种传感器的共同协作效应，使三维触控交互设计在保证用户操作可靠性的同时，向直觉交互、自然交互的方向发展。

参考文献：

[1]MESSNER C，WANKE M，WEIBEL C.Unconscious Person- nel Selection[J].Social Cognition，2011（6）：699-710.

[2]肖红，郭歌.多感官人机交互界面的视觉设计原则[J].包装工程，2012（8）：35-37.

[3]KARAPANOS E， ZIMMERMAN J，FORLIZZI J，et al.User Experience Over Time：an Initial Framework[C].New York：In Proceedings of the 27th International Conference on Human Factors in Computing Systems，2009：729-738.

[4]习牧歌.HCI 敲开未来科技的门——智能人机交互技术引发的产业革新[J].中关村，2012（2）：92-96.

[5] RAND G，GREENE D，NOWAK A.Spontaneous Giving and Calculated Greed[J].Nature，2012（9）：427-430.

[6] Michael N. Fink J. Kumar V. Cooperative manipulation and transportation with aerial robots [J].Autonomous Robots，2011（1）：73-86.

[7]王林，蒋晓.反馈机制在移动互联网产品设计中的应用研究[J].包装工程，2013（16）：85-89.

[8]刘月林，李虹.基于概念隐喻理论的交互界面设计[J].包装工程，2012（22）：17-19.

[9]曾丽霞，蒋晓，戴传庆. 可穿戴设备中手势交互的设计原则[J]. 包装工程，2015（22）：135-138.

作者簡介：王子凯，硕士，上海理工大学出版印刷与艺术设计学院动画系副教授。

李拜天，硕士，上海理工大学出版印刷与艺术设计学院动画系助教。