光标控制设备和目标方向对指点绩效的影响

摘 要：【目的】探究不同光标控制设备和目标方向对指点绩效的影响，旨在提高人机交互效率。【方法】基于ISO 9241-9国际标准设计多目标方向指点任务，邀请30名被试参与实验，获取被试使用普通鼠标、拇指式轨迹球、嵌入式滚球鼠标的反应时、正确率和主观评分。【结果】使用三种光标控制设备的正确率无显著差异，反应时存在显著差异；目标方向对正确率无显著影响，对嵌入式滚球鼠标反应时有显著影响。【结论】①在进行交互界面图标位置设计时，使用拇指式轨迹球交互优先考虑水平向左方向（180°）；使用嵌入式滚球鼠标时，优先考虑垂直向下方向（270°）。②在用户疲劳度方面，拇指式轨迹球的使用最为轻松。③在进行简单人机交互任务时，使用普通鼠标优于拇指式轨迹球和嵌入式滚球鼠标。

关键词：光标控制设备；目标方向；指点绩效；ISO 9241-9；人机交互

中图分类号：X914；R135；C976.2 "文献标志码：A " 文章编号：1003-5168（2024）12-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.002

Impact of Cursor Control Devices and Target Orientation on Pointing Performance

LEI Yuqian " "ZHENG Yanfang " "XIANG Lu " LI Zhaoxin " ZHANG Zijing

（School of Safety amp; Management "Engineering， Hunan Institute of Technology，Hengyang "421102，China）

Abstract：[Purposes] This paper investigates the effects of different cursor control devices and target directions on pointing performance， aiming to improve the efficiency of human-computer interaction. [Methods] Based on ISO 9241-9， we invited 30 subjects to participate in the experiment， and obtained the reaction time， correctness rate， and subjective scores of the subjects using a normal mouse， a thumb trackball， and an embedded rolling ball mouse. [Findings] There was no significant difference in the correct rate of pointing when using the three cursor control devices， and there was a significant difference in reaction time. The target direction had no significant effect on the correct rate but a significant effect on the response time of the embedded ball mouse. [Conclusions] ①When designing the icon position of the interaction interface， the horizontal leftward direction （180°） is prioritized when using the thumb trackball interaction; the vertical downward direction （270°） is prioritized when using the embedded rollerball mouse. ② In terms of user fatigue， the thumb-based trackball is the easiest to use. ③When performing simple human-computer interaction tasks， the use of an ordinary mouse is superior to the thumb trackball and the embedded ball mouse.

Keywords：cursor control devices; target orientation;pointing performance; ISO 9241-9;human-computer interaction

0 引言

鼠标作为图形用户界面最常用的指点输入装置，是人机交互的重要载体。在一些特殊环境，如船舶、潜艇等界面人机交互任务中，普通鼠标可能难以胜任，于是拇指式轨迹球，嵌入式滚球鼠标则成为可以考虑采用的指点装置［1］。

目前，大多数研究主要集中在触屏、普通鼠标、拇指式轨迹球、触控板和视线指点等对指点绩效的影响，而嵌入式滚球鼠标的影响还属未知。例如，Card等和张彤以鼠标为研究对象，对其指点绩效展开研究［2-7］。郑弯弯［8］以触摸屏为实验设备，探讨了指点绩效的影响 。Thomas［9］对双杆操作系统、触控板、触摸屏和轨迹球的指点绩效进行了比较。康春燕等［10］对触屏、鼠标、触控板和视线指点的指点操作时间展开了研究。王春慧等［11］研究了鼠标、双通道眼手交互界面输入模式、触摸板和注视交互界面输入模式这四种交互界面输入模式的指点绩效 。Chen等［12］ 的研究评估了沉浸式虚拟现实 、鼠标和触屏的指点任务操作绩效。Jones 等［13］评估了在指点任务中使用遥控指点和鼠标的情况。而光标控制设备作为影响指点绩效的主要因素，对其展开进一步的研究尤为重要。

目标方向也是影响指点绩效的因素之一，但现有研究中研究结果并不一致。比如，Card等［2］和Kotani等［6］研究发现目标方向不存在主效应。但是，Boritz等［14］研究发现水平向右方向的移动速度比垂直向下方向更快。Mackenzie等［15］研究发现右上方向的运动速度明显慢于水平向右和垂直向上方向。基于此，本研究关注光标控制设备和目标方向对指点绩效的影响，基于任务反应时和正确率指标对指点装置的效能进行评估，并结合被试的主观感受进行比较分析，以期为用户合理选择光标控制设备等方面提供理论支持。

1 方法

1.1 被试

试验招募30名本科在校生（男15名，女15名），被试平均年龄为21.2±1.2岁，无色盲色弱，身心健康，手部操作正常，惯用手为右手。

1.2 仪器设备

①E-prime3.0，编制试验程序，呈现试验任务。

②戴尔DESKTOP-NFMFBKA笔记本电脑（分辨率：1920*1080），呈现试验界面。

③光标控制设备：英非克M6P鼠标、罗技M575鼠标轨迹球、研龙HS050嵌入式滚球鼠标，具体如图1所示。

④EV录屏软件，录制试验过程，用于确认被试按键位置。

1.3 试验设计

试验采用3×8两因素被试内设计。自变量为光标控制设备（普通鼠标、拇指式轨迹球、嵌入式滚球鼠标）和目标方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°）。因变量为正确率、反应时和主观评分控制。变量的设置：目标大小48像素［16］、目标距离600像素［17］。本研究基于ISO 9241-9国际标准设计多目标方向指点任务和用户调查问卷［18］。试验过程中，被试依次点击黑色实心圆与灰色实心圆，构成一个试次，灰色实心圆随机出现在圆周的8个不同位置方向上。 指点任务界面示意如图2所示。

1.4 试验流程

被试坐在试验桌前，身体正对电脑屏幕，距离60 cm左右。练习阶段，被试练习16个试次以熟悉实验任务且达到 80%以上的正确率。练习结束后，被试需要在正式实验中完成 40 个试次的指点任务。试验结束后，第一时间要求被试填写调查问卷，并保存被试数据。

问卷，并保存被试数据。

1.5 数据分析与处理

采用E-Prime中的数据合并模块E-Merge整合试验收集的数据，使用重复测量方差分析对数据进行统计学分析。试验数据使用SPSS19.0进行分析，显著性水平为 0.05。

2 结果

2.1 光标控制设备对指点绩效的影响

光标控制设备反应时之间存在显著差异，plt;0.001。成对比较的结果表明，普通鼠标指点的反应时显著小于其他两种条件，plt;0.01；拇指式轨迹球指点的反应时显著小于嵌入式滚球鼠标，plt;0.01。对于正确率，不同交互方式之间均无显著差异，pgt;0.05。

2.2 目标方向对光标控制设备指点绩效的影响

对于正确率，8种目标方向在三种设备下的主效应均不显著，pgt;0.05。对于反应时，在普通鼠标指点任务下，不同方向下的主效应不显著，pgt;0.05；在拇指式轨迹球指点任务下，不同方向下的主效应不显著，pgt;0.05；在嵌入式滚球鼠标指点任务下，不同方向下的主效应显著，plt;0.05。

目标方向在不同光标控制设备下的反应时见表1，拇指式轨迹球和嵌入式滚球鼠标反应时两两比较结果见表2。由表1和表2可知，对于拇指式轨迹球，45°和225°方向反应时显著反应时大于180°。对于嵌入式滚球鼠标，0°方向反应时显著小于135°和225°； 45°方向反应时显著小于135°和225°，但显著大于270°；90°方向反应时显著小于135°和225°；135°方向反应时除与225°不显著外，均显著大于其他方向； 180°方向反应时显著小于135°和225°，显著大于270°；225°方向反应时除与135°无显著差异外，均显著大于其他方向；270°方向反应时除与0°和90°无显著差异外，均显著小于其他方向；315°方向反应时显著小于135°和225°，显著大于270°。

2.3 问卷调查结果分析

普通鼠标、嵌入式滚球鼠标和拇指式轨迹球的Cronbach's Alpha 系数分别为0.71、0.707和0.659，在信度检验中，0.6～0.8表示信度较好［19］。三种鼠标的KMO值分别为0.705、0.770、0.657，均大于0.5。因此，本试验调查问卷的信度和效度状况良好。

不同维度下主观评分雷达图如图3所示。除了问题4是分值越高评价结果越好，其余问题则相反。总体使用感受为普通鼠标最好，拇指式轨迹球次之，嵌入式滚球鼠标最差。但在用户疲劳度方面，拇指式轨迹球的使用最为轻松。

3 讨论

本研究基于反应时、正确率和主观评分发现，光标控制设备和目标方向对正确率均无显著影响。通过分析可知，可能是由于在试验设计时未设置时间压力，使被试有足够的时间作出反应，从而导致正确率差异不明显。而三种设备反应时之间存在的显著差异为普通鼠标lt;拇指式轨迹球lt;嵌入式滚球鼠标。

本研究结果发现目标方向对普通鼠标反应时无显著影响，与Lee［20］研究得出的结论不一致。导致差异的原因可能为：①目前普通鼠标在人体工学设计上已经更加符合人的生理特性，灵敏度高。②被试为青年群体，对普通鼠标的使用较频繁，熟练程度高。拇指式轨迹球水平向左方向运动快于左对角线方向（45°和225°），这与Yau［21］研究结论相一致。综上可以得出：水平向右（0°）和垂直方向（90°和270°）运动速度最快；水平向左、右上和右下方向次之；左上和左下最差。

基于正确率和反应时绘制目标方向二维散点图。反应时越低、正确率越高，代表该目标方向指点绩效越好，即为最佳位置。普通鼠标目标方向无差异，无须考虑，只考虑拇指式轨迹球和嵌入式滚球鼠标下的目标方向指点绩效，如图4和图5所示。

由图4、图5可知，对于拇指式轨迹球，水平向左方向（180°）下指点绩效最优，对于嵌入式滚球鼠标，垂直向下（270°）指点绩效最优；拇指式轨迹球和嵌入式滚球鼠标，左下（225°）方向的指点绩效最差，其原因是受到生物力学的影响。被试在向225°方向移动时，手指滑动滚球为逆方向，从而产生一定阻力。

最后，从舒适度、疲劳度、可用性等维度对光标控制设备进行评价，发现总体使用感受为普通鼠标最好，拇指式轨迹球次之，嵌入式滚球鼠标最差。但在用户疲劳度方面，拇指式轨迹球的使用最为轻松，这与王碧英［22］得出的结论是一致的。

4 结论

①综合正确率和反应时，使用拇指式轨迹球交互可以优先考虑水平向左方向（180°）；使用嵌入式滚球鼠标进行交互时，优先考虑垂直向下方向（270°）。

②在用户疲劳度方面，拇指式轨迹球的使用最为轻松。因此，对于需要频繁操作界面的作业人员，可以考虑使用拇指式轨迹球以减轻疲劳，提高人机交互效率。

③普通鼠标指点的反应时显著小于其他两种条件。因此，在进行简单人机交互任务时，普通鼠标的指点绩效高于拇指式轨迹球和嵌入式滚球鼠标。

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