趙風(fēng)景， 趙 陽(yáng)， 曾祥緒， 胡 靜， 孫 誠(chéng)

（1.上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海200240；2.上海華虹NEC電子有限公司二廠，上海201203）

隨著社會(huì)信息化的不斷發(fā)展，人類對(duì)信息處理操作的效率和趣味性提出了更高的要求。觸摸屏技術(shù)的成熟為信息處理操作的便捷和趣味性提供了新的拓展空間[1]。蘋果公司應(yīng)用多點(diǎn)觸屏的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了適合手指觸控的人機(jī)界面，開(kāi)創(chuàng)了智能手機(jī)和平板電腦界面的全新時(shí)代，成就了其在IT行業(yè)的翹楚地位[2-3]。谷歌公司用其開(kāi)源的操作系統(tǒng)引導(dǎo)眾多的生產(chǎn)廠商和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者推出了大批各具特色的觸控界面，奪得了智能手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)的半壁江山[4]。微軟公司即將推出的Windows 8和Windows Phone 8針對(duì)多點(diǎn)觸屏進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其別具一格的人機(jī)界面不僅會(huì)令智能手機(jī)界面面目一新，還將進(jìn)一步推進(jìn)掌上電腦、平板電腦、筆記本電腦、臺(tái)式電腦等信息終端設(shè)備的界面和配置更新?lián)Q代，甚至也會(huì)影響到服務(wù)器類產(chǎn)品[5]。事實(shí)上，隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，人與計(jì)算機(jī)之間的界面總是在不斷進(jìn)化。第1代人機(jī)界面主要應(yīng)用開(kāi)關(guān)、按鈕、連接器和指示燈的組合來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互[6]。當(dāng)人們能夠通過(guò)電傳打字機(jī)或鍵盤和顯示器以字符序列方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)話時(shí)[7]，此時(shí)的人機(jī)界面已經(jīng)進(jìn)化到了第2代。第3代人機(jī)界面的主要特征體現(xiàn)在圖形窗口和鼠標(biāo)的應(yīng)用[8]。當(dāng)前，兼具輸入和輸出雙向功能的多點(diǎn)觸屏被大量用于各類信息終端設(shè)備上[9]，其操控畫(huà)面和操控方式體現(xiàn)了手指操作的獨(dú)特風(fēng)格，揭示出第5代人機(jī)界面的到來(lái)。

本文提出一種球形人機(jī)界面，適用于配備多點(diǎn)觸屏的信息終端操作系統(tǒng)主界面、文件（資源）管理器界面、搜索界面以及多種應(yīng)用程序界面，應(yīng)用本界面能簡(jiǎn)化信息處理接續(xù)操作的步驟，提高操作的效率和趣味性。

1 界面設(shè)計(jì)

以使用智能手機(jī)為例，用戶進(jìn)行一項(xiàng)通常的信息處理任務(wù)時(shí)的操作步驟包括：① 通過(guò)主屏幕或應(yīng)用程序屏幕查找并啟動(dòng)所需的應(yīng)用程序；② 當(dāng)程序啟動(dòng)完畢后，用該程序查找并打開(kāi)需要處理的數(shù)據(jù)文件；③ 打開(kāi)數(shù)據(jù)文件后，查找并進(jìn)入到該數(shù)據(jù)文件上次的處理位置；④ 進(jìn)行本次信息處理；⑤ 結(jié)束本次信息處理時(shí)，關(guān)閉該數(shù)據(jù)文件和應(yīng)用程序。

把上述這組操作定義為一次（個(gè)）信息作業(yè)。一次信息作業(yè)也可使用如下的操作步驟：① 通過(guò)主屏幕或應(yīng)用程序屏幕查找并啟動(dòng)文件（資源）管理器程序；② 用文件（資源）管理器程序查找需要處理的數(shù)據(jù)文件；③ 找到數(shù)據(jù)文件后，選擇應(yīng)用程序打開(kāi)該數(shù)據(jù)文件；④ 打開(kāi)數(shù)據(jù)文件后，查找并進(jìn)入到該數(shù)據(jù)文件上次的處理位置；⑤ 進(jìn)行本次信息處理；⑥ 結(jié)束本次信息處理時(shí)，關(guān)閉該數(shù)據(jù)文件、應(yīng)用程序和文件（資源）管理器程序。

由上述操作步驟可見(jiàn)，一次信息作業(yè)需要通過(guò)多項(xiàng)操作步驟才能完成。一項(xiàng)通常的信息處理任務(wù)經(jīng)常需要經(jīng)過(guò)多次信息作業(yè)才能完成，如果能精簡(jiǎn)信息作業(yè)中的操作步驟，將顯著地提高信息處理操作的效率。為了簡(jiǎn)化信息作業(yè)的操作步驟，并使操作直觀、方便、有趣[10-15]，本文設(shè)計(jì)一種球形人機(jī)界面，如圖1所示。

圖1 地球儀形人機(jī)界面示意圖Fig.1 Globe-shaped interface

圖1中的球形界面把屏幕分為區(qū)域1和區(qū)域2。區(qū)域1的球面為滾動(dòng)操控區(qū)，由r行s列單元組成，其中r，s為正整數(shù)。圖1中，r＝s＝5，故區(qū)域1劃分為25個(gè)單元，這些單元分別用1～15、-1～-10來(lái)表示各單元的排序序號(hào)。每個(gè)單元用于操控和滾動(dòng)展示一個(gè)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)，一個(gè)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)代表一項(xiàng)信息處理任務(wù)，如，信息作業(yè)標(biāo)識(shí)11代表一項(xiàng)文件壓縮任務(wù)，信息作業(yè)標(biāo)識(shí)12代表一項(xiàng)圖像處理任務(wù)，信息作業(yè)標(biāo)識(shí)13代表一項(xiàng)文檔編輯任務(wù)。在默認(rèn)情況下，區(qū)域1中的單元1顯示該區(qū)域最新結(jié)束的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)，該區(qū)域此前一次結(jié)束的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)則顯示在單元2內(nèi)，依次類推；當(dāng)區(qū)域1的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)的數(shù)量≥25時(shí)，單元-1顯示區(qū)域1內(nèi)結(jié)束時(shí)間最早的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)，該區(qū)域此后一次結(jié)束的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)則顯示在單元-2內(nèi)，依次類推，其他的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)暫不顯示。

區(qū)域2為固定操控區(qū)，也劃分成多個(gè)單元，每個(gè)單元用于操控與顯示一個(gè)固定的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)。用戶能在區(qū)域2的每個(gè)單元內(nèi)自定義信息作業(yè)標(biāo)識(shí)，用于顯示常用的信息作業(yè)最新動(dòng)態(tài)并可對(duì)其進(jìn)行操控。一個(gè)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)只能出現(xiàn)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)區(qū)域2中單元定義了一個(gè)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)后，該信息作業(yè)標(biāo)識(shí)同時(shí)從區(qū)域1中消失。

信息作業(yè)標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)元素包括信息作業(yè)的名稱、程序圖標(biāo)、窗口小部件、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)示意圖、操作位置示意圖以及其他作業(yè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。其中，作業(yè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)包含該信息作業(yè)的用戶ID號(hào)、程序地址、主文件及關(guān)聯(lián)文件地址、關(guān)閉前的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、關(guān)閉前的操作位置數(shù)據(jù)、主文件關(guān)閉時(shí)間以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

一個(gè)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)能呈現(xiàn)出多種外形并自動(dòng)變換，以適應(yīng)所在單元的面積及形狀[16]。最小的外形可用小尺寸的窗口小部件，但默認(rèn)為數(shù)據(jù)文件名稱和應(yīng)用程序圖標(biāo)的組合，其顯示的信息量和占用的面積最小，可作為作業(yè)標(biāo)識(shí)出現(xiàn)在區(qū)域1頂部行和底部行各單元內(nèi)的顯示形式。最大的外形可用大尺寸的窗口小部件，默認(rèn)為數(shù)據(jù)文件名稱、程序圖標(biāo)、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)示意圖以及操作位置示意圖的組合，其顯示的信息量和占用的面積最大，可作為作業(yè)標(biāo)識(shí)出現(xiàn)在區(qū)域1中間一行各單元內(nèi)的顯示形式。其他外形展示的面積和信息量大小則介于上述兩者之間，用于作業(yè)標(biāo)識(shí)出現(xiàn)在區(qū)域1中其他各行單元內(nèi)的顯示形式。打開(kāi)作業(yè)標(biāo)識(shí)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)啟動(dòng)信息作業(yè)使用的程序，打開(kāi)信息作業(yè)使用的數(shù)據(jù)文件，恢復(fù)數(shù)據(jù)文件關(guān)閉前的現(xiàn)場(chǎng)，定位數(shù)據(jù)文件關(guān)閉前的操作位置等事項(xiàng)，以便用戶能夠接續(xù)處理該項(xiàng)信息處理任務(wù)。如圖1中的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)11所示的是一個(gè)小外形的作業(yè)標(biāo)識(shí)，在默認(rèn)情況下，該作業(yè)標(biāo)識(shí)所在位置表示其作業(yè)結(jié)束時(shí)間在區(qū)域1內(nèi)排序第6。如果打開(kāi)作業(yè)標(biāo)識(shí)11，則“winzip.exe”程序打開(kāi)數(shù)據(jù)文件“aa.zip”，并進(jìn)入到“aa.zip”文件關(guān)閉前的操作位置處，用戶可以立即繼續(xù)進(jìn)行文件的后續(xù)壓縮操作。

作業(yè)標(biāo)識(shí)12為一個(gè)默認(rèn)的中等外形的作業(yè)標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)表示該信息作業(yè)由“照片查看器”程序處理，數(shù)據(jù)保存在文件“k.jpg”文件中。在默認(rèn)狀態(tài)下，作業(yè)標(biāo)識(shí)12所在的位置表示其作業(yè)結(jié)束時(shí)間最早。打開(kāi)作業(yè)標(biāo)識(shí)12，則“照片查看器”程序打開(kāi)數(shù)據(jù)文件“k.jpg”，恢復(fù)該數(shù)據(jù)文件關(guān)閉前的編輯現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)入到關(guān)閉前的編輯位置處，用戶可以立即繼續(xù)進(jìn)行本圖像的后續(xù)處理操作。

作業(yè)標(biāo)識(shí)13為一默認(rèn)的大外形作業(yè)標(biāo)識(shí)，表示該信息作業(yè)經(jīng)過(guò)“Word”程序處理，數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)文件“a.doc”中。在默認(rèn)狀態(tài)下，該位置放置最新關(guān)閉的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)。打開(kāi)作業(yè)標(biāo)識(shí)13，則“Word”程序打開(kāi)“a.doc”文件，顯示該文件關(guān)閉前的編輯現(xiàn)場(chǎng)，并將當(dāng)前編輯位置定位到“a.doc”文件關(guān)閉前的編輯位置處，使得用戶可以立即接續(xù)編輯此文件。上述表明，最新關(guān)閉的信息作業(yè)其作業(yè)標(biāo)識(shí)總是顯示在屏幕的中心位置，顯示面積最大，能夠直觀識(shí)別的信息最多，操作也最為快捷。

對(duì)于上述人機(jī)界面，設(shè)計(jì)了如下操作方法。

方法1 用物體（如手指、觸控筆等[17]，下同）按壓設(shè)備上指定按鈕，或單擊區(qū)域2中指定的作業(yè)標(biāo)識(shí)，則該球形界面激活，用最新數(shù)據(jù)和默認(rèn)方式顯示在屏幕上。

方法2 用物體雙擊球形界面的作業(yè)標(biāo)識(shí)，如，連續(xù)接觸作業(yè)標(biāo)識(shí)2次且間隔時(shí)間與停留時(shí)間都＜0.05s，則該作業(yè)標(biāo)識(shí)打開(kāi)；若單擊作業(yè)標(biāo)識(shí)，則該作業(yè)標(biāo)識(shí)當(dāng)選為當(dāng)前作業(yè)標(biāo)識(shí)。

方法3 用物體在球形界面內(nèi)滑動(dòng)后并未立即抬起，則整個(gè)球形界面跟隨物體滑動(dòng)的方向和速度滾動(dòng)顯示，并隨物體動(dòng)而動(dòng)，隨物體停而停。

方法4 用物體在球形界面內(nèi)滑動(dòng)后立即抬起，則球形界面跟隨物體滑動(dòng)方向和速度進(jìn)行連續(xù)不斷地滾動(dòng)顯示，這種連續(xù)滾動(dòng)顯示隨物體滑動(dòng)的開(kāi)始而開(kāi)始，直到物體再次接觸到該球形界面時(shí)才停止。

2 進(jìn)程設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)相關(guān)進(jìn)程，需要對(duì)信息作業(yè)及相關(guān)概念的定義作進(jìn)一步限定：

一次信息作業(yè)指：① 用戶對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)文件從打開(kāi)到關(guān)閉的所有授權(quán)操作（其中該數(shù)據(jù)文件定義為該信息作業(yè)的主文件）；② 如果用戶對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)文件從打開(kāi)到關(guān)閉的所有授權(quán)操作結(jié)果必須記錄到以該文件為主的若干文件中，則這些操作及其派生的對(duì)這組文件的信息處理操作同屬一次信息作業(yè)，該數(shù)據(jù)文件同時(shí)也為該信息作業(yè)的主文件；③ 如果一個(gè)應(yīng)用程序文件的運(yùn)行不涉及其他文件，或只能并總是隱含使用一個(gè)或一組數(shù)據(jù)文件，則用戶從該程序打開(kāi)到關(guān)閉用其所作的所有授權(quán)操作即為一次信息作業(yè)，此程序文件定義為該信息作業(yè)的主文件；④ 用戶定義的其他信息作業(yè)。

信息作業(yè)的主文件名默認(rèn)為該信息作業(yè)名。用戶首次打開(kāi)信息作業(yè)主文件定義為該信息作業(yè)開(kāi)始；用戶第2次及以后打開(kāi)信息作業(yè)主文件定義為該信息作業(yè)接續(xù)；若信息作業(yè)主文件當(dāng)前處于關(guān)閉狀態(tài)，則定義為該信息作業(yè)關(guān)閉；信息作業(yè)關(guān)閉前關(guān)聯(lián)的應(yīng)用程序定義為該信息作業(yè)程序。

為了實(shí)現(xiàn)上述球形界面顯示和操作效果，需要?jiǎng)?chuàng)建4個(gè)進(jìn)程。

進(jìn)程1 用于生成或更新球形界面。該球形界面由r行s列單元組成，其中r，s為正整數(shù)，其值根據(jù)球形界面所在屏幕的尺寸與分辨率確定。

進(jìn)程2 用于生成或更新信息作業(yè)序列。當(dāng)信息作業(yè)的關(guān)閉時(shí)，進(jìn)程2生成或更新該信息作業(yè)標(biāo)識(shí)；當(dāng)信息作業(yè)接續(xù)時(shí)，進(jìn)程2隱藏該信息作業(yè)標(biāo)識(shí)；當(dāng)刪除信息作業(yè)主文件時(shí)，進(jìn)程2刪除該信息作業(yè)標(biāo)識(shí)。每當(dāng)生成、更新、刪除或隱藏一個(gè)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)時(shí)，進(jìn)程2都要按排列規(guī)則對(duì)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)重新進(jìn)行排序，以形成新的信息作業(yè)序列。信息作業(yè)序列的默認(rèn)排列規(guī)則是，除區(qū)域2內(nèi)信息作業(yè)標(biāo)識(shí)外，現(xiàn)有其余的信息作業(yè)標(biāo)識(shí)按信息作業(yè)關(guān)閉時(shí)間倒序排列。用戶也可選定其他的排列規(guī)則，排列時(shí)，用戶選定的排列規(guī)則優(yōu)先。

進(jìn)程3 用于生成m行n列的作業(yè)矩陣，其中m，n為正整數(shù)，m恒等于r或n恒等于s，兩者之中只能選擇其一。若設(shè)定m恒等于r，則進(jìn)程3用信息作業(yè)序列元素依序從頭逐列填充作業(yè)矩陣，直到信息作業(yè)序列最后一個(gè)元素或到達(dá)作業(yè)矩陣設(shè)定列數(shù)n的最大值nmax為止，其中n和nmax的最小值為s；若設(shè)定n恒等于s，則逐行填充該作業(yè)矩陣，直到信息作業(yè)序列最后一個(gè)元素或到達(dá)作業(yè)矩陣設(shè)定行數(shù)m的最大值mmax為止，其中m和mmax的最小值為r；作業(yè)矩陣中未填充作業(yè)標(biāo)識(shí)的元素用空白填充。

進(jìn)程4 響應(yīng)用戶的操控動(dòng)作，調(diào)整作業(yè)矩陣元素與球形界面單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系。默認(rèn)的初始對(duì)應(yīng)關(guān)系為作業(yè)矩陣前r／2行s列元素依次顯示在球形界面下（右）半部分，作業(yè)矩陣最后r／2行s列則依次顯示在球形界面上（左）半部分。

當(dāng)用物體在球形界面上進(jìn)行滑動(dòng)操作時(shí)，在內(nèi)部4個(gè)進(jìn)程的協(xié)同作用下，作業(yè)矩陣元素首、尾行相連，左、右列相接，按照環(huán)形結(jié)構(gòu)滾動(dòng)顯示在球形界面上。

3 選項(xiàng)設(shè)計(jì)

由圖1的區(qū)域1單元排列次序可見(jiàn)，用戶在瀏覽信息作業(yè)序列時(shí)，主要操縱地球儀形畫(huà)面各單元內(nèi)的作業(yè)標(biāo)識(shí)進(jìn)行板塊式上、下漂移，這時(shí)的作業(yè)標(biāo)識(shí)連續(xù)展現(xiàn)在面積大小不同的各單元格內(nèi)，作業(yè)標(biāo)識(shí)顯示外形呈現(xiàn)出由小變大、再由大變小動(dòng)畫(huà)效果。但是，地球儀畫(huà)面左、右滾動(dòng)更為常見(jiàn)。為了以左、右滾動(dòng)為主來(lái)操控球形畫(huà)面，需要將區(qū)域1的單元次序設(shè)計(jì)成如圖2所示，同時(shí)還可對(duì)圖中單元所顯示的作業(yè)標(biāo)識(shí)外形進(jìn)行重新安排。當(dāng)用戶按圖2所示來(lái)瀏覽信息作業(yè)序列時(shí)，就會(huì)以左、右滾動(dòng)為主來(lái)操控球面。圖2畫(huà)面可作為用戶一種選擇項(xiàng)，當(dāng)圖1和圖2的畫(huà)面相互變換時(shí)，其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法調(diào)整量不大。

若將圖3所示的棱柱面作為區(qū)域1圖案的選項(xiàng)，則區(qū)域1畫(huà)面無(wú)論左、右或上、下滾動(dòng)都會(huì)呈現(xiàn)出走馬燈效果。由于圖3所示棱柱面的各單元都是矩形，其內(nèi)的作業(yè)標(biāo)識(shí)外形變化時(shí)，畫(huà)面失真小，畫(huà)面伸縮和變形算法也相對(duì)簡(jiǎn)單，但該畫(huà)面的滾動(dòng)效果未必像圖1、圖2那樣有趣。也可以把圖3設(shè)計(jì)為單一棱柱面，即當(dāng)左、右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)為立式棱柱面，當(dāng)上、下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)為橫向棱柱面，其動(dòng)態(tài)顯示畫(huà)面則更接近走馬燈的效果。

如果把圖4所示的足球畫(huà)面作為區(qū)域1圖案的選項(xiàng)，則又另具一番情趣。不過(guò)，該圖案的單元行列數(shù)不整齊，把該畫(huà)面從上到下近似地劃分為5行，其中間一行有5個(gè)單元，頂行和底行均有3個(gè)單元，其余行有4個(gè)單元。根據(jù)行列劃分，作業(yè)矩陣元素和作業(yè)標(biāo)識(shí)外形需要映射到畫(huà)面單元。

球形界面作為通用瀏覽器使用通過(guò)信息作業(yè)序列元素的屬性代換來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 足球形界面示意圖Fig.4 Football-shaped interface

4 結(jié) 語(yǔ)

按照信息作業(yè)序列元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、更新方法和排序規(guī)則，本文設(shè)計(jì)的球形人機(jī)界面可以作為操作系統(tǒng)的主界面顯示用戶的信息作業(yè)最新信息，又能簡(jiǎn)化用戶信息作業(yè)操作的接續(xù)步驟。球形人機(jī)界面中心單元面積最大，圍繞在中心單元周圍的單元面積向外則逐漸減小。通過(guò)界面的滾動(dòng)，既能展現(xiàn)信息作業(yè)更多信息，又能使其縮小為圖標(biāo)，或隱藏于幕后，以有效利用屏幕顯示面積。該球形界面操控靈活簡(jiǎn)便，顯示效果形象有趣，作業(yè)標(biāo)識(shí)意義明確簡(jiǎn)練，體現(xiàn)了人機(jī)界面的友好性能。球形人機(jī)界面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法適合表達(dá)多種信息序列元素，可以作為通用瀏覽器使用。球形人機(jī)界面的畫(huà)面具有多種可供選擇的圖案，能夠在較大范圍內(nèi)適應(yīng)不同用戶審美心理和操作習(xí)慣，也便于廠商推出個(gè)性化產(chǎn)品。

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