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文献综述 - 国内外研究现状
人机交互(Human-Computer Interaction, HCI)是研究人、计算机以及它们间相互影响的技术。而用户界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口,是计算机系统的重要组成部分。人机交互和用户界面有紧密的联系,但又是两个不同的概念:前者强调的是技术和模型,后者是计算机的关键组成部分。计算机对人类生活的各个方面将带来深刻影响。计算机的发展历史,不仅是处理器速度、存储器容量飞速提高的历史,也是不断改善人机交互技术的历史。人机交互技术,如鼠标器、窗口系统、超文本、浏览器等, 已对计算机的发展产生了巨大的影响, 而且还将继续影响全人类的生活。人机交互技术是当前信息产业竞争的一个焦点。因为人机交互设计的简单性和一致性有助于减少布局的复杂性，并通过为不同的人提供相似的经验来降低学习成本[1]。
世界各国都将人机交互技术作为重点研究的一项关键技术。人机交互（HMI）的设计目的是人类将与机器自动交互。它在我们的日常生活中发挥了巨大的作用。比如键盘、鼠标、ipad，都是人机界面。它还在工业和制造业中发挥了巨大作用。目前排名前三的供应商分别是美国跨国公司IPCS Automation、IT培训机构Livewire和日本三菱电机制造自动化系统并提供给不同领域的公司。这三家公司就是这个不断增长的市场的例子。根据Grand View Research的报告，到2022年，HMI市场价值可能达到66.1亿美元[2]。
微软中国从成立一开始,就将新一代人机交互技术作为其主要研究方向。当前互联网、虚拟现实、移动计算、无所不在计算等飞速发展,对人机交互技术提出了新的挑战和更高的要求,同时也提供了许多新的机遇。计算机系统的拟人化,以虚拟现实为代表;计算机的微型化、随身化和嵌入化,以手持电脑、智能手机为代表,将是计算机两个重要的应用趋势。人机交互技术是其中的瓶颈技术。以人为中心、自然、高效将是发展新一代人机交互的主要目标。
为了更好地适应人机交互的新特点, 人们对各种新式交互技术 (三维交互技术、语音技术、视线跟踪技术、手写识别技术、手势输入技术等) 进行了广泛的研究, 而笔式交互是其中重要的一个方面。
随着多通道交互技术在人机交互领域的研究和应用,笔式交互方式通过类似于传统的纸笔的隐喻来提供给人们最大的习惯性，真正体现了“以人为中心”的人机交互的技术特点。笔式交互是通过模拟人们数千年来形成并熟悉的纸笔交互环境来构造界面的呈现方式。首先我们从交互特征上来分析笔和鼠标的区别。鼠标是一种视觉和动作的分析的设备用户必须注视屏幕上的光标运动同时判断处于视线范围之外的鼠标运动情况。这种视觉和动作的分离造成用户需要更多的注意力去协调两者的关系。而在纸笔交互方式下用户视觉和动作统一大大地减轻了用户的认知负担。另外从运动形式上来说操作鼠标要运用小臂和腕部肌肉运动幅度较大而且鼠标重量大、稳定性好，因此做直线运动快速准确适合菜单的选择和点击。笔的操作主要靠手指和手腕运动运动幅度一般较小并且由于笔非常轻巧适合小范围的曲线运动因此用笔可以轻易地进行勾画从而完成各种手势的动作。对于鼠标来说这些勾画动作都是不可想象的[3]。
以纸笔为“隐喻”的笔交互技术具有以下特点：
- 笔作为输入工具既可以完成指点绘制功能，也可以进行文字输入和手势输入。融合了鼠标和键盘的输入功能减少了用户在两种输入方式之间的频繁转换。
- 由于笔操作（包括普通操作和手势操作）可以完成系统的大多数功能可以减少控件在界面上所占用的空间从而给用户提供尽量多的空间。
- 手势操作自然且符合社会的认知习惯降低了用户的认知负荷。人们追求的是一种自然的、隐式的交互方式。在这种方式下用户同计算机进行交互时所关注的是交互任务本身而不是如何来执行交互任务这种方式能极大地提高人机交互的效率。
笔式交互在使用过程中克服了传统的鼠标、键盘交互方式精确定位不够精确的以及普通用户不容易学习使用的缺点,提供一种具有熟悉性、便利性的灵活交互方式,被认为是人机交互中一种比较合理的交互方式。
数位板,又称电子绘图板,它是笔式交互的载体，一种基于计算机电磁式输入技术的计算机输入设备。它由一只应用无线无源技术的电子压感笔和一块感应数位板组成[4]。它在软硬件配合下可实现模拟传统绘画工具的表现效果。数位板已经广泛应用于美术设计、游戏动漫设计、工业设计、数码摄影、影视后期等智能文艺领域[5]。
电子游戏作为一种具有交互性的产品，它的游戏体验方式决定了对这款产品的期望与评价，这也是交互设计的一个必要条件[6]。通过数位板设备与unity3D软件的结合，可以开发一款通过笔式交互形式来代替传统的鼠标键盘操作形式实现具体操作的游戏，并且笔式交互在部分操作上更占优势，如移动到具体位置，数位板只需要笔触轻点即可到达，而键盘需要一直按住按键持续较长时间才能实现相同的移动操作[7]。并且笔式交互可以通过检测数位板笔触不同的压力值来实现不同的交互功能，非常方便用户使用。在最小激活克数中数位板也占据优势[8]，传统键盘通常需要45克的压力来触发按键，视品牌不同数位板仅需1-3克，操作更加轻松。因此笔式交互在游戏领域也大有可为。
- 研究主要成果
随着可穿戴头盔、数据手套和三维交互笔等三维交互设备的发展与应用，人与虚拟世界的交互迈入了一个崭新的大空间三维交互阶段，相比二维笔式交互，大空间三维笔式交互通过构建协调自然的人机交互环境，提升了交互的自然性和自由度，在军事、医学、设计和娱乐等领域受到广泛应用，通过三维笔式交互技术，人们可以在家里浏览世界的美景，飞行员可以模拟训练飞行驾驶环境，车工可以模拟培训汽车拆卸和组装，教师可以讲一节生动直观的人体解剖课程。
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