外文原文
The Performance of Touch Screen Soft Buttons
ABSTRACT
The introduction of a new generation of attractive touch screen-based devices raises many basic usability questions whose answers may influence future design and market direction. With a set of current mobile devices, we conducted three experiments focusing on one of the most basic interaction actions on touch screens: the operation of soft buttons. Issues investigated in this set of experiments include: a comparison of soft button and hard button performance; the impact of audio and vibrato-tactile feedback; the impact of different types of touch sensors on use, behavior, and performance; a quantitative comparison of finger and stylus operation; and an assessment of the impact of soft button sizes below the traditional 22 mm recommendation as well as below finger width.
Keywords:Touch screen, mobile, input, feedback, stylus, finger, buttons, keyboard, tangible interface.
1. INTRODUCTION
Touch screens are currently gaining popularity in the information technology industry. In the second half of 2007, LG, HTC and Apple Inc all released new touch screen mobile phones, while Microsoft announced its surface computing initiative. Later many more mobile phone companies followed suit. Touch screens can also be found on newer desktop consumer PCs such as HPrsquo;s TouchSmart line of products. This rise in popularity is a continual development of decades of touch screen applications in early PDAs, tablet PCs, ATMs, auto-checkout machines, and even casino gambling machines.
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Although it is more feasible to employ fluid finger/pen gestures on touch screens than on mouse based computers, the use of soft buttons (which are synonymous with keys and active icons in this paper) remains the most basic interaction action on touch screens. There are obvious advantages to soft buttons compared to their hard counterparts. First and foremost, because soft buttons are rendered graphically on the touch screen, they can appear or disappear according to the interaction context. They can be bigger or smaller depending on the screen-space availability. They can also be stylized or updated in appearance according to fashion and taste more easily. It is also easier to design clean looking sleek all soft button based devices than arrays of hard button based devices.
However, soft buttons also have disadvantages. Chief among them is the lack of tactile feedback. Though the ideal hard button mechanical properties such as the force-displacement profile are not completely clear in the literature (and there appears a quite wide acceptable range of hard button force and displacement), there is no doubt that tactile feedback is important. For example, typing on flat piezo-electric buttons that had no tactile feedback significantly reduced expert typistsrsquo; performance . Indeed, the initial concerns and criticisms by the press, technology reviewers, and bloggers on the iPhone after its announcement were largely focused on its all touch screen design. With the rise of interest in applying modern touch screen technologies in mobile forms and beyond, many user interface questions arise: Do soft buttons perform worse than hard buttons? If so by how much (so rational design decisions can be made). If the answer is “it depends,” then what factors contribute to the performance of soft buttons? Can synthetic audio or the commonly available vibrato-tactile feedback compensate for the lack of mechanical properties? Do different types of touch sensors affect soft button performance? What is the performance difference between stylus and finger operated soft buttons?
Given the renewed interest in touch screen interfaces and the general importance of understanding input properties to HCI, we conducted a series of three basic empirical experiments on the performance of soft buttons. In the rest of the paper, we first briefly review related work. We then outline the basic questions to be studied in the current work and a few general methodology decisions. We then report the empirical experiments addressing these questions. Last we draw a set of conclusions and discuss design implications and directions for future research.
2. RELATED WORK
The past literature on touch screen soft buttons is limited and mostly based on older touch screen technologies in large desktop settings. Lewis and colleagues give a comprehensive survey on all types of keys and keyboards. Lewis and Greenstein both reviewed touch screen viewing angle, soft button size-accuracy tradeoff and target selection strategies. Buxton and colleagues provide a high level behavioral analysis and design insights on using touch tablet primarily as an analogue input device in comparison to other input devices such as the mouse. An influential series of studies at the University of Maryland focused on target selection strategies on touch screens. They found that a “take-off” strategy in which a cursor placed frac12; inch above the finger tip was less error prone (but slower) than the more common “land-on” strategy. More recent studies along this line explored other more complex techniques (e.g. using a graphic “precision handle” that amplify the finger tip movementrsquo;s precision) which further trade off speed for higher precision. This line of studies is more aimed at target selection than soft buttons which are a special case of screen “targets” where speed
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译文
触摸屏软按键的性能
摘 要
引入新一代具有吸引力的触摸屏设备提出了很多的可用性问题，其中的答案可能会影响未来的设计和市场方向。 并且通过使用一组当前的移动设备，我们进行了一个实验，其中比较侧重于触摸屏上最基本的交互动作：软按钮的操作。在这组实验中调查的问题包括：软按钮和硬按钮的性能比较、音响和颤音触觉的影响、不同类型的触摸传感器在使用，行为和性能的比较、手指和手写笔操作的定量比较以及软按钮尺寸低于传统22 mm和低于手指宽度的影响。
关键词：触摸屏；手机输入；反馈；手写笔；手指；按钮；键盘；有形界面
1.介绍
触摸屏目前在信息技术行业越来越受欢迎。 2007年下半年，LG、HTC和苹果公司都发布了新的触摸屏手机，而微软也宣布了计划，后来还有更多的手机公司跟着推出触摸屏手机。触摸屏也可以应用在较新的电脑桌面上，例如惠普的TouchSmart系列产品。这种日益普及的早期PDA，平板电脑，自动售货机，自动结帐机甚至赌场赌博机，数十年触摸屏应用在不断发展。
虽然在触摸屏上使用手指/笔在基于鼠标的计算机上更可行，但是使用软按钮仍然是触摸屏的最基本的交互动作。跟对应的硬按钮相比，软按键有明显的优势。首先，因为软按钮在触摸屏上以图形形式呈现，所以它们可以根据环境出现或消失。或者根据屏幕空间的特性，它们可以更大或更小。还可以根据时尚和口味更容易地对外观进行风格变化或更新。与基于硬按钮的设备相比，设计出所有看起来清晰光滑的基于软按钮的设备更容易。
然而，软按钮也有缺点。主要是缺乏触觉反馈。虽然文章中，理想的硬键机械性能不完全清楚（并且出现相当宽的可靠范围的硬按钮力和位移），但毫无疑问，触觉反馈是重要的 。例如，在没有触觉反馈扁平的压电按钮上打字会降低专家打字员的表现。事实上，新闻界、技术评论家和iPhone上的博主在其宣布之后的初步关注和批评主要集中在所有的触摸屏设计上。随着现代触摸屏技术的移动形式和其他应用软件的兴起，出现了许多用户界面问题：软按钮的性能比硬按钮差？如果是这样，差多少（可以做出合理的设计决定）。如果答案是“依赖”，那么什么因素有助于软按钮的表现？合成音频还是常用的颤音触觉反馈方面机械性能的缺乏？不同类型的触摸传感器会影响软按键性能吗？手写笔和手指操作的软按钮之间的性能差异是多少？
鉴于对触摸屏界面的兴趣以及了解输入属性对HCI的重要性，我们对软按钮的性能进行了一系列的经验实验。在本文的其余部分，我们首先简要回顾相关工作。然后，我们将介绍当前工作中要研究的基本问题和一些方法论决策。然后我们报告这些问题的结果。最后我们得出一组结论，并讨论设计的影响和未来研究的方向。
2.相关工作
以往关于触摸屏软按钮的文献有限，主要是基于大型桌面设置中较旧的触摸屏技术。刘易斯和他的同事对所有类型的键盘进行了全面的调查。刘易斯和格林斯坦都回顾了触摸屏视角，软按钮尺寸精度的规定和目标选择的策略。与其他输入设备（如鼠标）相比，Buxton及其同事提供了使用触摸平板电脑作为模拟输入设备的精准分析和设计想法。马里兰大学有一系列研究侧重于触摸屏上的目标选择策略。他们发现，将“光标”置于指尖上方1/2英寸处的“起飞”策略和常见的“陆上”战略更容易出错。沿着这条线的最近的研究探索了其他更复杂的技术（例如使用放大指尖的运动精度的图形），这进一步权衡了更高精度的速度。这种研究的目的是针对目标选择，而不是软按钮，这是对于屏幕“目标”的特殊情况，其中速度和单步激活，而不是基于多个反馈的调整步骤更为理想。
Sears 在屏幕从水平方向安装30度时，由于触摸屏的视差和其他因素，研究有了偏差。他发现在偏置校正之后，在这个设置中，用双手和多个手指在软键盘上打字仍远远逊于标准的物理键盘，但比在同一个软键盘上使用鼠标更快，实现了平均25.4 WPM（或0.47 s /字符，或2.12 CPS─每秒字符）速度。后来的Sears和他的同事研究了不同尺寸的软键盘性能：每边24.6,13.2,9.0和6.8毫米（22.7,11.4,7.6,5.7毫米不计算键之间的间隙）。他们发现使用较小的键盘打字速度较慢，但仍然可以使用带有起飞光标（指尖上方）测试的最小键。在研究中使用了陆地光标在较大的尺寸上。今天的移动设备通常不使用光标。
最近，Popyrev和Maruyama在一个小型触摸屏上探索了触觉反馈。虽然不是本文的重点，但是与硬按钮相比，软按钮的理解与用户界面研究的另一个领域的基础相关 - 有形的用户界面（TUI）。由于物理的“可掌握”接口表示，TUI提供了图形用户界面（GUI）拥有引人注目的替代方案。人们经常会感觉到，在使用鼠标的计算机屏幕上使用模拟计算器比使用物理计算器更不方便。
3. 基本问题和研究方法
为了研究软按钮在触摸屏上的功能，与硬按钮相比，我们首先对软按钮进行了一系列的维度或属性分类。通过各种物理机制实现触摸感应，包括电阻，电容，电感，声波和光学遮挡或反射的变化。用户界面设计相关的是触摸传感器可能承受的不同类型的设备。我们确定了在这方面上特别重要的几个属性。请注意，我们对触摸屏进行了广泛的定义，包括对触摸屏敏感触控笔。
3.1 基本问题
3.1.1 操作模式（手写笔与手指）
一些传感器，例如在今天的平板电脑（例如联想Thinkpad X61）中常见的感应式触摸屏，只能用手写笔操作。其他传感器，如Apple iPhone中的电容式传感器，只能用手指操作。相比之下，手写笔或手指可以操作电阻式传感器或光学传感器，例如Palm Pilot PDA或HP TouchSmart PC中的传感器或光学传感器。操作模式的选择，无论是手写笔还是手指，都会导致许多明显的行为差异，包括绝对精度，灵巧性和易于访问（拔出手写笔，直接使用手指）。使用手写笔和使用手指操作软按钮之间的速度和精度性都是我们在当前工作中调查的一个维度的差异。
3.1.2 激活机制（接触vs.力）
电容或光学传感器可以通过裸手指触点激活，而电阻式传感器可察觉的力是水平激活，但很轻微。这种技术差异可能会带来不同的行为。例如，当用指甲轻敲时，电阻屏比使用指尖（垫）更灵敏。另一方面，电容传感器只响应于手指皮肤而不是指甲。当在触摸屏上绘制笔画时，差异尤为明显。在电阻屏幕上，因为必须通过一定程度的力阈值来保持传感器的接合，所以只能用触针或指甲指针而不是手指尖画一个笔划。另一方面，在电容式触摸屏上，可以用指尖轻轻地画一个笔画。无论是通过强制还是通过触点激活，软敲击性能都有显着差异，这是本文研究的另一个维度。
3.1.3 反馈增强
除了视觉反馈（改变尺寸或颜色）之外，提供合成反馈,补偿软按钮中缺乏的触觉反馈的两种常用手段是音频和颤音触觉反馈。两种都可用于目前的手机。在现在的工作中，也会探讨它们的有效性和彼此之间的作用。
3.1.4 按钮大小
以前的文献表明，对于柔软的按钮来说，手指的功能很好，按钮尺寸需要大于22毫米宽。成年男子食指和拇指的平均宽度分别为18.2毫米和22.9毫米，女性分别为15.5毫米和19.1毫米。 Sears和同事证明，仍然可以用一个指针轻按6.8毫米的软按钮。虽然可以实现22毫米宽的软按钮，例如超市自动结帐机，但它们比移动设备容纳的要大。我们对今天移动设备上提供的按钮大小的范围是否仍然可以在没有光标的情况下有效地工作感兴趣。我们也有兴趣确定哪个软按钮性能有着恶化。
触摸屏属性的其他尺寸是不可能一次性探索的。我们专注于上述四个属性，因为它们是根本性的，但是它们对性能的影响不明显，或者没有系统的实证研究就不能确定。一旦我们对这些方面做出了基本的了解，将会在未来的研究中揭示和研究进一步的研究问题。
3.2 研究方法
与所有领域一样，HCI研究可以在不同的分析层面进行。较低级别的分析倾向于在保持所有行为变量恒定的同时操纵用户界面上一个或两个通用的“纯粹”概念属性。虽然在这个层面上的工作是根本的，但是由于实际界面中的维度往往是耦合的，所以结果通常需要进一步的工作来应用于实际问题。目前的调查中提高实际的分析水平，但仍然针对比特定产品型号更为普遍。我们为这一系列实验选择了一套具有代表性的商业产品，因此我们从研究结果中得出的结论可能反映了当今市场上每种产品的用户体验。在我们的研究中总共使用了五种现成的国际最先进的产品。它们是手指操作的苹果iPhone（触点激活的电容式传感器），P2手指或触控笔操作的HTC Touch手机的强力激活的电阻式传感器，P3佳能DK10i计算器（带有硬按钮），P4 iPAQ 6315具有与P2相同类型的触摸屏，但与P3类似的尺寸相似，P5代表大众市场基于硬按钮的移动设备的诺基亚6260手机。在实验过程中，这些设备由参与者手持，以任何方式他们都觉得是最自然的。
分析决策的水平也涉及在这种调查中需要施加的实验控制量。为了达到实际的水平，我们在前两个实验中给予了参与者操作设备方面具有一定的灵活性（用他们首选的手指或拇指）。在以往的经验中，我们研究选择两个简单，实用和有代表性的任务，涉及计算器操作和其他电话拨号，使用数字和操作员按钮。按钮上的标签（或功能）不是按钮所固有的。我们选择不涉及文本输入任务（字母键），因为它更复杂并且更依赖于诸如布局熟悉度的因素，尽管这里的结果也将与文本输入任务相关。
共有13名志愿者（9名男性，4名女性，20岁至40岁）参加了研究。其中七人报告了触摸屏设备的日常经验。每个学习条件都遵循三个步骤：实践，测试和问卷加面试会话。在练习期间，参与者只要需要，就可以探索测试设备，任务程序和操作偏好。在测试过程中，鼓励快速，准确地进行错误纠正。
4. 实验：操作模式和反馈
4.1 目标和任务
该实验同时调查了两个变量：操作模式（手指，触控笔和硬按钮）和各种反馈条件（音频，颤音 - 触觉两者）。有关详细信息，请参见图1。
本实验中使用的任务是一个简单的乘法运算，涉及到计算器上的数字（0〜9）和运算符（x和=）按钮。任务的每个试验都涉及到8位数和2位操作员（例如1450X9276 =）。为了测量学习效果及其与其他自变量（IV）的相互作用，在3个测试块中重复了5组固定的目标人物（数字和运算符）。在每个试验块中，5组的顺序被随机洗牌。在本课题实验中，反馈条件的顺序是随机化的，而拉丁方格式的12个参与者的三种操作模式（硬，软指，软触针）的顺序是平衡的。第十三名参赛者与第一名参赛者的顺序相同。
4.2装置和反馈条件
4.2.1硬按钮条件
对于硬按钮条件，我们使用P3（佳能计算器），测量为71 mm（宽）x 122 mm（高）x 13 mm（T），每个按钮的尺寸为12.8 mm x 10.5 mm 1。计算器连接到通过USB端口在另一台计算机上运行的测试应用程序。用Adobe Flash编写的应用程序显示目标并输入字符，提供音频反馈并捕获时间戳数据以进行速度和精度分析。计算器靠近测试计算机的液晶显示器底部（图1）。
4.2.2软按钮条件
软按钮条件在P4 - 一个尺寸为76 mm（W）x 122 mm（H）x 18 mm（T）的HP iPAQ 6315智能手机上实施。iPAQ触摸屏可以用手指或手写笔来激活。
显示目标字符，输入的字符和软按钮的计算器应用程序是用C＃编写的。软按钮布局大致与硬按钮计算器相匹配。每个按钮的尺寸为10.4 mm x 10.0 mm（图1）。音频反馈是130ms长的系统蜂鸣声，并且通过iPAQ中的内置致动器实现了50ms长的颤音触觉反馈，可以在设备的握持手中听到并感觉到。
在本实验中收集总体10（条件）times;3（块）times;5（试验）times;13（参与者）= 1950次试验。每次试验涉及到10个字符（加上校正笔画）。
在这里和整个论文中，按钮尺寸是从一个按钮的中心到下一个按钮的中心测量的，包括按钮之间的间隙，因为这是一个有效的屏幕空间。间隙有助于键的误差容限。
4.3 结果
所有条件和试验块的准确度接近100％。没有音频反馈条件的硬按钮中的最低精度为98.（7.9）％，而具有音频反馈条件的手指软按钮的块1中的最高精度为99.4（2.4）％。一贯的高精度结果使我们能够专注于速度和校正按钮的数量来区分实验中的不同条件。为了便于理解，下面我们首先关注硬按钮条件下的性能，然后在软按钮条件下执行性能，最后比较硬键和软键。
4.3.1硬按钮速度
从每个试验中输入的字符数（实验中始终为10）与试验完成时间之间的比例计算出的平均字符输入速度从每秒2.64个字符（CPS）提高到块2.89个CPS这种改善具有统计学意义（F2,24 = 11.36，p = 0.0003）。虽然参与者在使用诸如手机之类的硬按钮方面具有以前的经验，但他们可能通过记住实验中使用的一些数字来获得特定设备和任务的技能。然而，实践效果与反馈条件（有或没有音频）没有显着的相互作用：F2,24 = 0.4，p = 0.68。
音频反馈的增加没有显着改善硬按键性能：平均速度为2.75（0.71）CPS音频和2.73（0.7
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