CN111338468A - 一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统和方法 - Google Patents

一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统和方法，属于人机交互领域。该系统包括交互与感知单元，触控操作运动检测单元，主处理器单元和触觉反馈单元；通过交互与感知单元呈现触觉目标操作界面的视觉信息和触觉反馈，检测手指触控操作的输入信息数据，对手指触控操作输入信息数据进行处理，得到相应的触觉信息编码；接收并解码后生成对应的触觉驱动信号，传递到交互与感知单元作用于操作者手指；操作者根据感知的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作。优点在于：可实现对移动终端触摸屏的小目标操作，避免由于“胖手指”问题引起的操作失误，且适用于视觉反馈受限的环境，为操作者提供操作反馈并丰富交互体验。

Description

一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统和方法
技术领域
本发明属于人机交互领域，尤其涉及一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统和方法。
背景技术
现在的人机界面几乎完全建立在鼠标或手指的运动动作上，典型的交互范式包括指向和交叉。人机交互中的指向包括将输入设备的光标移动到图形对象中并单击按钮。这个简单的操作序列构成了设计大多数传统交互小部件的基本交互方案，如按钮、菜单、滚动条和文件夹等。指向作为最普遍的交互范例仍然存在许多固有的缺点：例如，如果要指向的对象很小，可能会很耗时；指向驱动的小部件可以使用很大的屏幕空间；并且双击操作由于需要在不移动光标位置的情况下进行快速而连续的点击，而难以控制。
交叉范式作为指向范式的补充和替代方法被提出。人机交互中的交叉包括将输入设备的光标穿过图形对象的边界执行对应的操作。交叉范式与指向范式的区别有两个最大的区别，其中一个是光标的操作是指向还是穿过，另一个区别是任务约束的方向与光标运动方向是共线还是正交。基于目标交叉的人机交互范式基本的交互小部件是一维的小尺寸目标而不是二维的区域目标，适用于小目标操作。根据特定情况的特性，可以基于不同类型的指向或交叉任务的相对优缺点设计用户界面：在某些情况下，指向是首选；在其他情况下，特定类型的交叉是首选的。
随着人机交互技术的发展，触觉交互技术作为一种虚拟现实技术，可以提高人机交互任务的沉浸感，丰富人类的任务体验，广泛应用于医疗、教育、购物、娱乐等领域。裸指触觉交互以其操作的便捷性成为人机交互领域的研究热点，通过手指直接对移动终端触摸屏进行操作使人机交互的实现更加方便。虽然在直接操作系统中传统的选择方法通常是有效的，但在某些情况下会失效，其中之一是当目标非常小的时候，最极端的情况是，目标是一个点。当目标尺寸很小时，因为缺乏操作反馈且操作过程中存在“胖手指”遮挡问题，通过指向和交叉对移动终端触摸屏进行操作均难以执行。
发明内容
本发明提供一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统和方法，以解决移动终端触摸屏交互过程中的“胖手指”问题，可以在目标对象尺寸很小的情况下，简单准确的对目标对象进行操作，触发目标对象相应的指令，且适用于视觉反馈受限的环境，如汽车驾驶等，为操作者提供操作反馈并丰富交互体验。
一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，所述的交叉范式指手指穿过触觉图标的边界触发图标相应交互事件的操作方法和过程。
一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统，包括：
交互与感知单元，由视觉信息呈现模块、触觉信息反馈模块组成，用于提供交互界面的视觉信息，并根据用户手指触控操作数据提供相应的触觉反馈；
运动检测单元，实时获取用户手指在交互与感知单元进行触控操作的手部运动信息，得到手指触控操作的输入信息数据，并将手指运动输入信息数据传递到主处理器单元；
主处理器单元，由信号处理模块、触觉信息编码模块、功能调用和执行模块组成，用于接收用户手指触控操作的输入信息数据，并根据接受到的输入信息数据对手指对应操作和对应位置的图标轮廓或纹理进行触觉编码，同时完成图标对应的功能调用和执行；
触觉反馈单元，由触觉信息接收解码模块、触觉驱动信号生成模块组成，用于接收主处理器单元的触觉信息编码模块发送的触觉编码信息并进行解码，生成对应的触觉驱动信号并发送到交互与感知单元的触觉信息反馈模块，产生触觉感受，实现与用户的触觉交互。
一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，包括下列步骤：
(1)通过交互与感知单元呈现触觉目标操作界面的视觉信息和触觉反馈；
(2)通过触控操作运动检测单元检测手指触控操作的输入信息数据；
(3)通过主处理器单元对手指触控操作输入信息数据进行处理，得到相应的触觉信息编码；
(4)触觉反馈单元接收并解码来自主处理器的触觉信息编码，生成对应的触觉驱动信号，传递到交互与感知单元作用于操作者手指；
(5)操作者根据感知的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作；
(6)主处理器单元根据操作者进一步操作调用并执行触觉目标对应的功能。
本发明所述步骤(1)通过交互与感知单元呈现触觉目标操作界面的视觉信息和触觉反馈的方法为：
a.触觉目标操作界面的视觉信息，由交互与感知单元的视觉信息呈现模块展示，包括触觉目标的位置、尺寸、图标轮廓和纹理，图标中心点位置坐标规定为P0(x0,y0)；
b.触觉目标操作界面的触觉反馈，由交互与感知单元的触觉信息反馈模块呈现，包括随着手指位置P(x,y)与触觉目标中心点P0(x0,y0)的距离逐渐变化强度的触觉反馈、图标本身的轮廓和纹理触觉信息。
本发明所述步骤(2)通过触控操作运动检测单元检测手指触控操作的输入信息数据的方法为：
触控操作运动检测单元检测用户手指在交互与感知单元的滑动，获得手指触控操作输入信息数据，即手指当前时刻的位置坐标P(x,y)，并传递到主处理器单元。
本发明所述步骤(3)通过主处理器单元对手指触控操作输入信息数据进行处理，得到相应的触觉信息编码的方法为：
S1：主处理器单元的信号处理模块根据来自触控操作运动检测单元的手指触控操作输入信息数据，计算手指当前时刻的位置坐标P(x,y)和触觉目标中心点位置P0(x0,y0)的距离
Figure BDA0002380217540000031
并发送给触觉信息编码模块；
S2：触觉信息编码模块根据手指当前时刻的位置和触觉目标中心点位置的距离A0，产生随着距离A0逐渐变化强度的触觉反馈，触觉反馈强度Q的表达式为：
Q＝-k·A0，其中k为一常数系数，表示触觉反馈强度Q随着手指位置和触觉目标中心点位置的距离A0变化的程度；
S3：触觉信息编码模块根据手指当前时刻的位置坐标P(x,y)，进行图像检测和边缘提取，根据手指当前位置的图像轮廓和纹理特征进行图标轮廓和纹理触觉信息编码，触觉图标的轮廓由脉冲信号产生触觉反馈。
本发明所述步骤(5)操作者根据感知的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作的方法为：
a.若操作者手指滑动过程中感受到逐渐增大的触觉反馈，表明操作者手指接近但没有达到触觉目标，下一步操作为继续沿着该方向接近目标；
b.若操作者手指滑动过程中感受到图标轮廓或纹理，表明操作者手指到达触觉目标，下一步操作为穿过或进入触觉图标；
c.若操作者手指滑动过程中不能感受到任何触觉反馈，表明操作者手指距离触觉目标较远或手指滑动方向不正确，下一步操作为抬起手指重新探索。
本发明所述步骤(6)主处理器单元根据操作者进一步操作调用并执行触觉目标对应功能的方法为：
操作者穿过触觉图标的轮廓，则执行触觉图标对应的功能，包括打开或关闭网页、文件、播放器。
本发明的优点是可以有效解决移动终端触摸屏“胖手指”引起的操作困难、操作准确率不高的问题。该方法可以在目标对象尺寸很小或视觉反馈受限的情况下，通过裸指触觉交互对目标对象进行操作，执行目标对象关联的指令，操作简单方便，并且能有效提升触摸屏目标操作的准确性，尤其是小目标的情况，降低小目标操作的难度，且适用于视觉反馈受限的环境，如汽车驾驶等，为操作者提供操作反馈并丰富交互体验。
附图说明
图1是基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统的原理框图；
图2是基于移动终端触觉目标交叉范式的操作步骤的流程图。
具体实施方式
一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，所述的交叉范式指手指穿过触觉图标的边界触发图标相应交互事件的操作方法和过程。
如图1所示，一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统，包括：
交互与感知单元100，由视觉信息呈现模块101、触觉信息反馈模块102组成，用于提供交互界面的视觉信息，并根据用户手指触控操作数据提供相应的触觉反馈；
运动检测单元110，实时获取用户手指在交互与感知单元100进行触控操作的手部运动信息，得到手指触控操作的输入信息数据，并将手指运动输入信息数据传递到主处理器单元120的信号处理模块121；
主处理器单元120，由信号处理模块121、触觉信息编码模块122、功能调用和执行模块123组成，信号处理模块121用于接收用户手指触控操作的输入信息数据并进行处理，触觉信息编码模块122根据处理得到的输入信息数据对手指对应操作和对应位置的图标轮廓或纹理进行触觉编码，功能调用和执行模块123完成图标对应的功能调用和执行；
触觉反馈单元130，由触觉信息接收解码模块131、触觉驱动信号生成模块132组成，触觉信息接收解码模块131用于接收主处理器单元120的触觉信息编码模块122发送的触觉编码信息并进行解码，触觉驱动信号生成模块132根据解码的结果生成对应的触觉驱动信号并发送到交互与感知单元100的触觉信息反馈模块102，产生触觉反馈作用于操作者手指。操作者根据感知的触觉反馈进行下一步操作，实现触觉交互。
一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，包括下列步骤：
(1)通过交互与感知单元呈现触觉目标操作界面的视觉信息和触觉反馈；
(2)通过触控操作运动检测单元检测手指触控操作的输入信息数据；
(3)通过主处理器单元对手指触控操作输入信息数据进行处理，得到相应的触觉信息编码；
(4)触觉反馈单元接收并解码来自主处理器的触觉信息编码，生成对应的触觉驱动信号，传递到交互与感知单元作用于操作者手指；
(5)操作者根据感知的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作；
(6)主处理器单元根据操作者进一步操作调用并执行触觉目标对应的功能。
下边参见图2对本发明作进一步说明如下：
步骤301：根据视觉信息呈现模块101呈现的触觉目标操作界面视觉信息，确定手指开始运动的位置；
步骤302：操作者控制手指在移动终端上滑动；
步骤303：运动检测单元110检测手指触控操作的输入信息数据，即手指当前时刻位置坐标并传递到信号处理模块121；
步骤304：信号处理模块121根据手指当前时刻位置信息处理得到手指位置坐标与图标中心点的距离，并进行图像检测与边缘提取；
步骤305：触觉信息编码模块122根据处理得到的数据进行触觉信息编码；
步骤306：触觉信息接收解码模块131接收并解码来自触觉信息编码模块122的触觉编码信息，生成对应的触觉驱动信号，传递到触觉信息反馈模块102实现触觉信息呈现，作用于操作者手指；
步骤307：操作者根据是否感知到触觉反馈对触觉目标进行下一步操作：
若操作者手指滑动过程中不能感受到任何触觉反馈，表明操作者手指距离触觉目标较远或手指滑动方向不正确，下一步操作为抬起手指重新探索；若感受到触觉反馈执行步骤308；
步骤308：操作者根据是否感知到逐渐增加的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作：
若操作者手指滑动过程中感受到逐渐增大的触觉反馈，表明操作者手指接近但没有达到触觉目标，下一步操作为步骤309继续沿着该方向运动接近目标，并执行步骤310直到操作者手指滑动过程中感受到图标轮廓或纹理的触觉反馈；
若操作者手指滑动过程中感受到图标轮廓或纹理的触觉反馈，表明操作者手指到达触觉目标，下一步操作为步骤311穿过或进入触觉图标；
步骤312：运动检测单元110检测到操作者穿过触觉图标的轮廓，则通过功能调用和执行模块123执行触觉图标对应的功能，如打开或关闭网页、文件、播放器等，完成触觉人机交互任务。
所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，所述通过交互与感知单元100呈现触觉目标操作界面的视觉信息和触觉反馈的方法为：
a.触觉目标操作界面的视觉信息，由交互与感知单元100的视觉信息呈现模块101展示，包括触觉目标的位置、尺寸、图标轮廓和纹理，图标中心点位置坐标规定为P0(x0,y0)；
b.触觉目标操作界面的触觉反馈，由交互与感知单元100的触觉信息反馈模块102呈现，包括随着手指位置P(x,y)与触觉目标中心点P0(x0,y0)的距离逐渐变化强度的触觉反馈、图标本身的轮廓和纹理触觉信息。
所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，所述通过运动检测单元110检测手指触控操作的输入信息数据的方法为：
运动检测单元110检测用户手指在交互与感知单元100的滑动，获得手指触控操作输入信息数据，即手指当前时刻的位置坐标P(x,y)，并传递到主处理器单元120。
所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，其特征在于，所述通过主处理器单元120对手指触控操作输入信息数据进行处理，得到相应的触觉信息编码的方法为：
S1：信号处理模块121根据来自运动检测单元110的手指触控操作输入信息数据，计算手指当前时刻的位置坐标P(x,y)和触觉目标中心点位置P0(x0,y0)的距离
Figure BDA0002380217540000061
并发送给触觉信息编码模块122；
S2：触觉信息编码模块122根据手指当前时刻的位置和触觉目标中心点位置的距离A0，产生随着距离A0逐渐变化强度的触觉反馈，触觉反馈强度Q的表达式为：
Q＝-k·A0，所述k为一常数系数，表示触觉反馈强度Q随着手指位置和触觉目标中心点位置的距离A0变化的程度；
S3：触觉信息编码模块122根据手指当前时刻的位置坐标P(x,y)，进行图像检测和边缘提取，根据手指当前位置的图像轮廓和纹理特征进行图标轮廓和纹理触觉信息编码，触觉图标的轮廓由脉冲信号产生触觉反馈；
所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，所述的操作者根据感知的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作的方法为：
所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，所述主处理器单元120根据操作者进一步操作调用并执行触觉目标对应功能的方法为：
a.若操作者手指滑动过程中感受到逐渐增大的触觉反馈，表明操作者手指接近但没有达到触觉目标，下一步操作为继续沿着该方向接近目标；
b.若操作者手指滑动过程中感受到图标轮廓或纹理，表明操作者手指到达触觉目标，下一步操作为穿过或进入触觉图标；
c.若操作者手指滑动过程中不能感受到任何触觉反馈，表明操作者手指距离触觉目标较远或手指滑动方向不正确，下一步操作为抬起手指重新探索。
所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，所述主处理器单元根据操作者进一步操作调用并执行触觉目标对应功能的方法为：
操作者穿过触觉图标的轮廓，则执行触觉图标对应的功能，包括打开或关闭网页、文件、播放器等。
本发明提出一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统和方法，所述触觉再现技术包括但不仅限于静电力触觉再现技术、振动触觉再现技术和空气压膜触觉再现技术。

Claims (7)

1.一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作系统，其特征在于，包括：
交互与感知单元，由视觉信息呈现模块、触觉信息反馈模块组成，用于提供交互界面的视觉信息，并根据用户手指触控操作数据提供相应的触觉反馈；
运动检测单元，实时获取用户手指在交互与感知单元进行触控操作的手部运动信息，得到手指触控操作的输入信息数据，并将手指运动输入信息数据传递到主处理器单元；
主处理器单元，由信号处理模块、触觉信息编码模块、功能调用和执行模块组成，用于接收用户手指触控操作的输入信息数据，并根据接受到的输入信息数据对手指对应操作和对应位置的图标轮廓或纹理进行触觉编码，同时完成图标对应的功能调用和执行；
触觉反馈单元，由触觉信息接收解码模块、触觉驱动信号生成模块组成，用于接收主处理器单元的触觉信息编码模块发送的触觉编码信息并进行解码，生成对应的触觉驱动信号并发送到交互与感知单元的触觉信息反馈模块，产生触觉感受，实现与用户的触觉交互。
2.一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)通过交互与感知单元呈现触觉目标操作界面的视觉信息和触觉反馈；
(2)通过触控操作运动检测单元检测手指触控操作的输入信息数据；
(3)通过主处理器单元对手指触控操作输入信息数据进行处理，得到相应的触觉信息编码；
(4)触觉反馈单元接收并解码来自主处理器的触觉信息编码，生成对应的触觉驱动信号，传递到交互与感知单元作用于操作者手指；
(5)操作者根据感知的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作；
(6)主处理器单元根据操作者进一步操作调用并执行触觉目标对应的功能。
3.根据权利要求2所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，其特征在于，所述步骤(1)通过交互与感知单元呈现触觉目标操作界面的视觉信息和触觉反馈的方法为：
a.触觉目标操作界面的视觉信息，由交互与感知单元的视觉信息呈现模块展示，包括触觉目标的位置、尺寸、图标轮廓和纹理，图标中心点位置坐标规定为P0(x0,y0)；
b.触觉目标操作界面的触觉反馈，由交互与感知单元的触觉信息反馈模块呈现，包括随着手指位置P(x,y)与触觉目标中心点P0(x0,y0)的距离逐渐变化强度的触觉反馈、图标本身的轮廓和纹理触觉信息。
4.根据权利要求2所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，其特征在于，所述步骤(2)通过触控操作运动检测单元检测手指触控操作的输入信息数据的方法为：
触控操作运动检测单元检测用户手指在交互与感知单元的滑动，获得手指触控操作输入信息数据，即手指当前时刻的位置坐标P(x,y)，并传递到主处理器单元。
5.根据权利要求2所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，其特征在于，所述步骤(3)通过主处理器单元对手指触控操作输入信息数据进行处理，得到相应的触觉信息编码的方法为：
S1：主处理器单元的信号处理模块根据来自触控操作运动检测单元的手指触控操作输入信息数据，计算手指当前时刻的位置坐标P(x,y)和触觉目标中心点位置P0(x0,y0)的距离
Figure FDA0002380217530000021
并发送给触觉信息编码模块；
S2：触觉信息编码模块根据手指当前时刻的位置和触觉目标中心点位置的距离A0，产生随着距离A0逐渐变化强度的触觉反馈，触觉反馈强度Q的表达式为：
Q＝-k·A0，所述k为一常数系数，表示触觉反馈强度Q随着手指位置和触觉目标中心点位置的距离A0变化的程度；
S3：触觉信息编码模块根据手指当前时刻的位置坐标P(x,y)，进行图像检测和边缘提取，根据手指当前位置的图像轮廓和纹理特征进行图标轮廓和纹理触觉信息编码，触觉图标的轮廓由脉冲信号产生触觉反馈。
6.根据权利要求2所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，其特征在于，所述步骤(5)操作者根据感知的触觉反馈对触觉目标进行下一步操作的方法为：
a.若操作者手指滑动过程中感受到逐渐增大的触觉反馈，表明操作者手指接近但没有达到触觉目标，下一步操作为继续沿着该方向接近目标；
b.若操作者手指滑动过程中感受到图标轮廓或纹理，表明操作者手指到达触觉目标，下一步操作为穿过或进入触觉图标；
c.若操作者手指滑动过程中不能感受到任何触觉反馈，表明操作者手指距离触觉目标较远或手指滑动方向不正确，下一步操作为抬起手指重新探索。
7.根据权利要求2所述的一种基于交叉范式的移动终端触觉目标操作方法，其特征在于，所述步骤(6)主处理器单元根据操作者进一步操作调用并执行触觉目标对应功能的方法为：
操作者穿过触觉图标的轮廓，则执行触觉图标对应的功能，包括打开或关闭网页、文件、播放器。
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