一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法技术

本发明专利技术涉及一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，属于人机交互领域。利用静电力触觉反馈装置，获得有、无静电力触觉反馈两种情况下平移手势交互效率实验数据并构造矩阵，利用核主成分分析方法计算核矩阵并获得相应的核特征空间，通过计算两个核特征空间的距离来实现静电力触觉反馈对平移交互效率影响的定量评估，用于以平移交互效率为指标的静电力反馈装置最优驱动电压的选择。本发明专利技术可以实现静电力触觉反馈对平移交互效率影响程度的定量评估，且数据理论分析充分，所得结论普世性强；本发明专利技术还可以扩展到不同静电力触觉驱动模式对手势交互性能影响的定量评估，易于推广应用。

An Optimal Driving Voltage Selection Method Based on Translational Interaction Efficiency

The invention relates to an optimal driving voltage selection method based on translation interaction efficiency, which belongs to the field of human-computer interaction. Using electrostatic force tactile feedback device, the experimental data of translation gesture interaction efficiency with and without electrostatic force tactile feedback are obtained and the matrix is constructed. The kernel matrix is calculated by using the method of kernel principal component analysis and the corresponding kernel feature space is obtained. The quantitative evaluation of the effect of electrostatic force tactile feedback on translation interaction efficiency is realized by calculating the distance between the two kernel feature spaces. Selection of optimal driving voltage for electrostatic force feedback device with translation interaction efficiency as index. The present invention can quantitatively evaluate the effect of electrostatic force tactile feedback on translation interaction efficiency, and the data theory analysis is sufficient, and the conclusions obtained are universal. The present invention can also be extended to quantitatively evaluate the effect of different electrostatic force tactile driving modes on gesture interaction performance, and is easy to popularize and apply.

【技术实现步骤摘要】
一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法
本专利技术属于人机交互领域，尤其涉及一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法。
技术介绍
具有触觉再现功能的智能手机、平板电脑等在医疗卫生、电子商务、教育娱乐、视障人群等具有广泛应用前景。通过触觉再现技术，一方面利用裸指触摸多媒体终端屏幕可感知被显示物体的形状、纹理及柔韧性，另一方面控制手指与触摸屏之间摩擦力的变化形式可提供光滑、粗糙等不同触感，极大地提高了交互过程的真实感与交互体验的丰富性。依据实现原理的不同，现有的多媒体终端触觉再现方式主要包括振动式、静电力式和空气压膜式，其中静电力式具有真实感高、体验丰富、功耗低、重量轻等优势，是在触摸屏上实现触觉再现最重要的方式。交互效率研究是智能人机交互的研究热点，对提升交互界面可用性具有重要指导意义。2010年，论文“Clutch-freepanningandintegratedpan-zoomcontrolontouch-sensitivesurfaces:thecyclostarapproach”提出了手势交互的“CycloPan”和“CycloZoom”模型，实现了对连续手势交互效率的评估；2012年，论文“Does(multi-)touchaidusers'spatialmemoryandnavigationin'panning'andin'zooming&panning'UIs”证明了多指交互可有效降低平移和缩放的操作时间；2016年，论文“Modellingtouch-interactiontimeonsmartphones”建立了平移操作效率模型，解决了目标的精准选择问题。然而上述研究成果仅适用于以视觉反馈为主的触控交互模式，未考虑触觉反馈引入后交互物理真实感高、交互体验丰富性强等因素对交互性能的影响。触觉反馈尤其是静电力触觉反馈引入后，增加了手指与触摸屏交互过程的摩擦力，影响了相应的交互性能。2015年，论文“QuantifyingtheTargetingPerformanceBenefitofElectrostaticHapticFeedbackonTouchscreens”证明了在目标区域施加静电力触觉反馈可将平移交互效率提升约7.5％，论文“Effectofelectrostatictactilefeedbackonaccuracyandefficiencyofpangesturesontouchscreen”评估了静电力触觉反馈对平移交互过程的影响，证明了线性增加的静电摩擦力可显著提升平移交互效率。然而上述成果仅是实验数据的简单统计分析结果，对数据特性的理论分析不够充分，缺少从理论上定量评估静电力触觉反馈对平移交互效率的影响程度，所得结论普适性有待提升。交互效率研究是智能人机交互的研究热点，对提升交互界面可用性具有重要指导意义。触觉反馈尤其是静电力触觉反馈引入后，增加了手指与触摸屏交互过程的摩擦力，影响了相应的交互性能。现有静电力触觉反馈下平移交互效率研究成果仅是实验数据的简单统计分析结果，对数据特性的理论分析不够充分，缺少从理论上定量评估静电力触觉反馈对平移交互效率的影响程度，所得结论普适性有待提升。
技术实现思路
本专利技术提供一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，该方法基于核主成分分析理论，通过计算有、无静电力触觉反馈下交互效率数据的核特征空间距离实现静电力触觉反馈对平移交互效率影响的定量评估，可将其应用于以平移交互效率为指标的静电力反馈装置最优驱动电压的选择。本专利技术采取的技术方案是，包括下列步骤：利用静电力触觉反馈装置，获得有、无静电力触觉反馈两种情况下平移手势交互效率实验数据并构造矩阵，利用核主成分分析方法计算核矩阵并获得相应的核特征空间，通过计算两个核特征空间的距离来实现静电力触觉反馈对平移交互效率影响的定量评估，用于以平移交互效率为指标的静电力反馈装置最优驱动电压的选择。本专利技术所利用的静电力触觉反馈装置包括：(1)定位单元，包括能实现定位功能的装置，用于实时地跟踪手指的位置坐标，并将该坐标信息发送到处理单元；(2)处理单元，包括各种多媒体终端，用于输出视觉信息，接收定位单元实时发送过来的手指的位置信息，同时对手指位置处的图像进行渲染得到触觉驱动信号的幅度、频率、波形参数，并将该参数发送到信号发生器；(3)驱动单元，根据处理单元发送过来的驱动信号参数生成相应的驱动信号，并将该信号输入到交互单元进行驱动；(4)交互单元，可以改变手指受到的切向力，使手指皮肤产生周期性变化的形变，感受到静电力触觉反馈。本专利技术所述平移手势交互效率的数据获取方法为：设计有、无静电力触觉反馈两种情况下的实验方案，邀请P个实验者参与平移手势交互实验，将静电力触觉反馈装置交互单元显示的图像从初始区域移动到目标区域并在相同条件下重复N次，记录每名实验者每次平移操作的完成时间作为平移交互效率实验数据。本专利技术所述平移交互效率实验数据矩阵构造方法为：将有静电力触觉反馈下平移交互效率的实验数据构造成矩阵X，无静电力触觉反馈下平移交互效率的实验数据构造成矩阵Y，则矩阵X、Y可分别表示为：其中，(p＝1,2,…，P)，P为参与平移交互效率实验的总人数，N为每个实验者的总实验次数，n＝1,2,…，N，xnp为有静电力触觉反馈平移交互效率实验中第p个参与者的第n次实验数据，ynp为无静电力触觉反馈平移交互效率实验中第p个参与者的第n次实验数据，xp为第p位参与者在有静电力触觉反馈下N次平移交互的数据矢量，yp为第p位参与者在无静电力触觉反馈下N次平移交互的数据矢量。本专利技术所述核矩阵的计算方法为：选择高斯核函数，计算X、Y的自核矩阵KXX、KYY及互核矩阵KXY：其中，自核函数k(xi,xj)被定义为：其中，i,j＝1,2,…,P，a为选定参数，2a2被定义为高斯函数的宽度，exp表示以e为底的指数函数，||·||表示向量的范数；其中，内核函数k(yi,yj)被定义为：其中，i,j＝1,2,…,P，a为选定参数，2a2被定义为高斯函数的宽度；其中，互核函数k(xi,yj)被定义为：其中，i,j＝1,2,…,P，a为选定参数，2a2被定义为高斯函数的宽度。本专利技术所述核矩阵KXX、KYY的核特征空间的构造方法为：先对核矩阵KXX、KYY进行特征值分解，获取相应的特征向量：对核矩阵KXX进行特征值分解，即根据可得到KXX的特征值(λ1，λ2，…，λm)，及对应的特征向量其中，i＝1,2,…,m，λi为矩阵KXX的特征值，为相应的特征向量；对核矩阵KYY进行特征值分解，即根据可得到KYY的特征值(τ1，τ2，…，τm)及对应的特征向量其中，i＝1,2,…,m，τi为矩阵KYY的特征值，为相应的特征向量；，然后将得到的KXX、KYY的特征值按照降序的方式排列，即λ1’>λ2’>…>λm’，τ1’>τ2’>…>τm’，再通过施密特正交化方法单位正交化排序后特征值所相应的特征向量得到和其中，λ′1、λ′2、…、λ'm为特征值从大到小排列过后的特征值序列，为λ′1、λ′2、…、λ′m所分别对应的特征向量，τ′1、τ'2、…、τ'm为特征值从大到小排列过后的特征值序列，为τ′1、τ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，其特征在于，包括下列步骤：利用静电力触觉反馈装置，获得有、无静电力触觉反馈两种情况下平移手势交互效率实验数据并构造矩阵，利用核主成分分析方法计算核矩阵并获得相应的核特征空间，通过计算两个核特征空间的距离来实现静电力触觉反馈对平移交互效率影响的定量评估，用于以平移交互效率为指标的静电力反馈装置最优驱动电压的选择。

【技术特征摘要】
1.一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，其特征在于，包括下列步骤：利用静电力触觉反馈装置，获得有、无静电力触觉反馈两种情况下平移手势交互效率实验数据并构造矩阵，利用核主成分分析方法计算核矩阵并获得相应的核特征空间，通过计算两个核特征空间的距离来实现静电力触觉反馈对平移交互效率影响的定量评估，用于以平移交互效率为指标的静电力反馈装置最优驱动电压的选择。2.根据权利要求1所述的一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，其特征在于，所述利用的静电力触觉反馈装置包括：(1)定位单元，包括能实现定位功能的装置，用于实时地跟踪手指的位置坐标，并将该坐标信息发送到处理单元；(2)处理单元，包括各种多媒体终端，用于输出视觉信息，接收定位单元实时发送过来的手指的位置信息，同时对手指位置处的图像进行渲染得到触觉驱动信号的幅度、频率、波形参数，并将该参数发送到信号发生器；(3)驱动单元，根据处理单元发送过来的驱动信号参数生成相应的驱动信号，并将该信号输入到交互单元进行驱动；(4)交互单元，可以改变手指受到的切向力，使手指皮肤产生周期性变化的形变，感受到静电力触觉反馈。3.根据权利要求1所述的一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，其特征在于，平移手势交互效率的实验数据获取方法为：设计有、无静电力触觉反馈两种情况下的实验方案，邀请P个实验者参与平移手势交互实验，将静电力触觉反馈装置交互单元显示的图像从初始区域移动到目标区域并在相同条件下重复N次，记录每名实验者每次平移操作的完成时间作为平移交互效率实验数据。4.根据权利要求3所述的一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，其特征在于平移交互效率实验数据矩阵构造方法为：将有静电力触觉反馈下平移交互效率的实验数据构造成矩阵X，无静电力触觉反馈下平移交互效率的实验数据构造成矩阵Y，则矩阵X、Y可分别表示为：其中，P为参与平移交互效率实验的总人数，N为每个实验者的总实验次数，n＝1,2,…，N，xnp为有静电力触觉反馈平移交互效率实验中第p个参与者的第n次实验数据，ynp为无静电力触觉反馈平移交互效率实验中第p个参与者的第n次实验数据，xp为第p位参与者在有静电力触觉反馈下N次平移交互的数据矢量，yp为第p位参与者在无静电力触觉反馈下N次平移交互的数据矢量。5.根据权利要求4所述的一种以平移交互效率为指标的最优驱动电压选择方法，其特征在于，所述核矩阵的计算方法为：选择高斯核函数，计算X、Y的自核矩阵KXX、KYY及互核矩阵KXY：其中，自核函数k(xi,xj)被定义为：其中，i,j＝1,2,…,P，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国红，祝双运，孙晓颖，张晨，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22