Закон Фиттса - Fittss law - Wikipedia

Закон Фиттса: проект размера цели W и расстояния до цели D
Закон Фиттса: проект размера цели W и расстояния до цели D

Закон Фиттса (часто цитируется как Закон Фитта) - это прогностическая модель движения человека, которая в основном используется в взаимодействие человека с компьютером и эргономика. Этот научный закон предсказывает, что время, необходимое для быстрого перемещения к целевой области, является функцией соотношения между расстоянием до цели и шириной цели.[1] Закон Фиттса используется для модель акт указывая, либо физически касаясь объекта рукой или пальцем, либо виртуально, указывая на объект на компьютерный монитор используя указывающее устройство.

Было показано, что закон Фиттса применим в различных условиях; с множеством разных конечностей (руки, ноги,[2] нижняя губа,[3] налобные прицелы[4]), манипуланда (устройства ввода),[5] физическая среда (в том числе подводная[6]) и пользователей (молодые, старые,[7] особые образовательные потребности,[8] и участников под наркотиками[9]).

Исходная формулировка модели

В оригинальной статье 1954 г. Пол Моррис Фиттс предложила метрику для количественной оценки сложности задачи выбора цели. Метрика была основана на информационной аналогии, где расстояние до центра цели (D) подобен сигналу, а допуск или ширина цели (W) подобен шуму. метрика Фиттса индекс сложности (Я БЫ, в битах):

Задача Фиттса из исходного эксперимента

Фиттс также предложил индекс производительности (IP, в битах в секунду) как показатель производительности человека. Метрика объединяет индекс сложности задачи (Я БЫ) с временем движения (MT, в секундах) при выборе цели. По словам Фиттса, «средняя скорость информации, генерируемой серией движений, - это средняя информация на движение, деленная на время на движение».[1] Таким образом,

Сегодня, IP чаще называют пропускная способность (TP). Также обычно в расчет включают поправку на точность.

После Фиттса исследователи начали практику построения уравнений линейной регрессии и изучения корреляции (р) на соответствие. Уравнение выражает связь междуMT и D и W параметры задачи:

График линейной зависимости параметров закона Фиттса

куда:

  • MT это среднее время для завершения движения.
  • а и б - константы, которые зависят от выбора устройства ввода и обычно определяются эмпирически регрессивный анализ. а определяет пересечение на у оси и часто интерпретируется как задержка. В б Параметр представляет собой наклон и описывает ускорение. Оба параметра показывают линейную зависимость в законе Фиттса.[10]
  • Я БЫ индекс сложности.
  • Dэто расстояние от начальной точки до центра цели.
  • W - ширина цели, измеренная вдоль оси движения. W также можно рассматривать как допустимую погрешность в конечной позиции, поскольку конечная точка движения должна находиться в пределах ±W⁄2 центра цели.

Поскольку для данной задачи желательно более короткое время движения, значение б Параметр может использоваться в качестве метрики при сравнении компьютерных указывающих устройств друг с другом. Первый человеко-машинный интерфейс Закон Фиттса применяли Кард, Инглиш и Берр,[11] кто использовал индекс производительности (IP), интерпретируемый как1⁄б, чтобы сравнить производительность разных устройства ввода, с мышь выходит вперед по сравнению с джойстиком или клавишами направления движения.[11] Эта ранняя работа, согласно Стюарт Кард биография "была основным фактором, приведшим к коммерческому внедрению мыши Ксерокс ".[12]

Во многих экспериментах по проверке закона Фиттса модель применяется к набору данных, в котором варьируются либо расстояние, либо ширина, но не то и другое вместе. Прогнозирующая сила модели ухудшается, когда оба значения варьируются в значительном диапазоне.[13] Обратите внимание, потому что Я БЫ срок зависит только от соотношение В зависимости от расстояния до ширины модель подразумевает, что целевое расстояние и комбинацию ширины можно произвольно масштабировать, не влияя на время движения, что невозможно. Несмотря на свои недостатки, эта форма модели действительно обладает замечательной прогностической способностью по ряду модальностей компьютерного интерфейса и двигательных задач, а также дает много понимания принципов проектирования пользовательского интерфейса.

Движение

Движение во время выполнения одной задачи закона Фиттса можно разделить на две фазы:[10]

  • начальное движение. Быстрое, но неточное движение к цели
  • последнее движение. Более медленное, но более точное движение для захвата цели

Первый этап определяется расстоянием до цели. На этом этапе дистанцию ​​можно быстро сократить, но при этом она останется неточной. Второе движение пытается выполнить медленное и контролируемое точное движение, чтобы действительно поразить цель. Продолжительность задания линейно масштабируется в зависимости от сложности.[10] Но поскольку разные задачи могут иметь одинаковую сложность, получается, что расстояние оказывает большее влияние на общее время выполнения задачи, чем целевой размер.

Часто цитируют, что закон Фиттса применим к отслеживание глаз. Как показал Дрюс, это, по крайней мере, спорная тема.[14] Во время поста саккадические движения глаз пользователь слепой. Во время выполнения задачи по закону Фиттса пользователь осознанно находит свою цель и действительно может ее видеть, что делает эти два типа взаимодействия несопоставимыми.

Бит в секунду: модельные инновации, основанные на теории информации

Формулировка индекса трудности Фиттса, наиболее часто используемая в взаимодействие человека с компьютером сообщество называется формулировкой Шеннона:

Эта форма была предложена Скоттом Маккензи,[15] профессор в Йоркский университет, и назван за его сходство с Теорема Шеннона – Хартли..[16] Он описывает передачу информации с использованием полосы пропускания, мощности сигнала и шума. В законе Фиттса расстояние представляет собой мощность сигнала, а ширина цели - шум.

Используя эту форму модели, сложность задачи указания была приравнена к количеству информации, переданной (в единицах битов) при выполнении задачи. Это было оправдано утверждением, что наведение сводится к задаче обработки информации. Хотя формальной математической связи между законом Фиттса и теоремой Шеннона-Хартли не было установлено, форма закона Шеннона широко использовалась, вероятно, из-за привлекательности количественной оценки двигательных действий с использованием теории информации. В 2002 г. ISO 9241 был опубликован, обеспечивая стандарты для тестирования интерфейса человек-компьютер, включая использование формы закона Фиттса Шеннона. Было показано, что информация, передаваемая посредством последовательных нажатий клавиш на клавиатуре, и информация, подразумеваемая Я БЫ для такой задачи не подходят.[17] Результатом энтропии Шеннона является информативная ценность, отличная от закона Фиттса. Однако авторы отмечают, что ошибка незначительна и должна учитываться только при сравнении устройств с известной энтропией или при измерениях возможностей обработки информации человеком.

Поправка на точность: использование эффективной ширины цели

Важное усовершенствование закона Фиттса было предложено Кроссманом в 1956 г. (см. Welford, 1968, стр. 147–148).[18] и использовал Фитцин в своей статье 1964 года с Петерсоном.[19] С регулировкой ширина цели (W) заменяется эффективной шириной цели (Wе).Wе вычисляется из стандартного отклонения в координатах выбора, собранных в результате последовательности испытаний для конкретного D-W условие. Если выборы регистрируются как Икс координаты по оси подхода к цели, затем

Это дает

и поэтому

Если координаты выделения распределены нормально, Wе охватывает 96% распределения. Если наблюдаемая частота ошибок составляла 4% в последовательности испытаний, то Wе = W. Если коэффициент ошибок был больше 4%, Wе > W, а если коэффициент ошибок был менее 4%, Wе < W. Используя Wе, модель закона Фиттса более точно отражает то, что на самом деле сделали пользователи, а не то, что их просили сделать.

Главное преимущество в вычислениях IP Как указано выше, в измерение включается пространственная изменчивость или точность. С поправкой на точность закон Фиттса более верно охватывает компромисс между скоростью и точностью. Приведенные выше уравнения фигурируют в ISO 9241-9 как рекомендуемый метод вычисления. пропускная способность.

Модель Уэлфорда: инновации, основанные на предсказательной способности

Вскоре после того, как была предложена исходная модель, была предложена двухфакторная вариация, основанная на интуиции, что расстояние до цели и ширина по отдельности влияют на время движения. Модель Велфорда, предложенная в 1968 году, разделила влияние расстояния до цели и ширины на отдельные составляющие и обеспечила улучшенную предсказательную силу:[18]

Эта модель имеет дополнительный параметр, поэтому ее точность прогнозов нельзя напрямую сравнивать с однофакторными формами закона Фиттса. Однако вариация модели Велфорда, вдохновленная формулировкой Шеннона,

Дополнительный параметр k позволяет вводить в модель углы. Теперь можно учесть позицию пользователей. Влияние угла можно взвесить с помощью показателя степени. Это дополнение было введено Kopper et al. в 2010.[20]

Формула сводится к форме Шеннона, когда k = 1. Следовательно, эта модель может напрямую сравнивать с формой закона Фиттса Шеннона, используя F-тест вложенных моделей.[21] Это сравнение показывает, что форма Шеннона модели Велфорда не только лучше предсказывает время движения, но и более надежна при изменении коэффициента усиления отображения (соотношение между, например, движением руки и движением курсора). Следовательно, хотя модель Шеннона немного сложнее и менее интуитивно понятна, эмпирически она является лучшей моделью для задач виртуального наведения.

Расширение модели с 1D на 2D и другие нюансы

Расширения до двух или более измерений

В своей первоначальной форме закон Фиттса предназначен для применения только к одномерным задачам. Однако первоначальные эксперименты требовали, чтобы испытуемые перемещали стилус (в трех измерениях) между двумя металлическими пластинами на столе, что называется задачей взаимного постукивания.[1] Ширина мишени, перпендикулярная направлению движения, была очень широкой, чтобы избежать значительного влияния на производительность. Основное применение закона Фиттса - это задачи виртуального наведения 2D на экраны компьютеров, в которых цели имеют ограниченные размеры в обоих измерениях.

Задача взаимного постукивания в 2D-контексте

Закон Фиттса был распространен на двумерные задачи двумя разными способами. Например, для навигации иерархические раскрывающиеся меню, пользователь должен генерировать траекторию с указательным устройством, которая ограничена геометрией меню; для этого приложения Закон о рулевом управлении Accot-Zhai был выведен.

Для простого наведения на цели в двумерном пространстве модель обычно остается как есть, но требует корректировок для захвата геометрии цели и количественной оценки ошибок наведения логически согласованным способом.[22][23]Для определения целевого размера можно использовать несколько методов[24]:

  • status Quo: горизонтальная ширина цели
  • Суммарная модель: W равно высота + ширина
  • модель площади: W равно высота * ширина
  • меньше модели: W меньшее значение высоты и ширины
  • W-модель: W эффективная ширина в направлении движения

В целом W-модель представляет собой современное измерение.

Характеристика производительности

Поскольку а и б параметры должны фиксировать время перемещения в потенциально широком диапазоне геометрий задач, они могут служить показателем производительности для данного интерфейса. При этом необходимо отделить различия между пользователями от различий между интерфейсами. В а Параметр обычно положительный и близок к нулю и иногда игнорируется при характеристике средней производительности, как в оригинальном эксперименте Фиттса.[17] Существует множество методов для определения параметров на основе экспериментальных данных, и выбор метода является предметом жарких споров, поскольку вариации метода могут привести к различиям в параметрах, которые подавляют основные различия в производительности.[25][26]

Дополнительной проблемой при характеристике производительности является включение показателя успеха: агрессивный пользователь может добиться более короткого времени движения за счет экспериментальных испытаний, в которых цель не попадает в цель. Если последние не включены в модель, то среднее время движения можно искусственно уменьшить.

Временные цели

Закон Фиттса касается только целей, определенных в космосе. Однако цель может быть определена исключительно на временной оси, которая называется временной целью. Мигающая цель или цель, движущаяся к выбранной области, являются примерами временных целей. Как и в случае с космосом, расстояние до цели (то есть временное расстояние Dт) и ширину цели (т.е. временную ширину Wт) можно также определить для временных целей. Временное расстояние - это время, в течение которого человек должен ждать появления цели. Временная ширина - это короткий промежуток времени с момента появления цели до ее исчезновения. Например, для мигающей цели Dт можно рассматривать как период мигания и Wт как продолжительность мигания. Как и в случае с целями в космосе, чем больше Dт или тем меньше Wт, тем труднее становится выбрать цель.

Задача выбора временной цели называется временное указание. Модель временного наведения была впервые представлена взаимодействие человека с компьютером поле в 2016 году.[27] Модель предсказывает частоту ошибок, производительность человека во временном наведении, как функцию временного индекса сложности (Я БЫт):

Последствия для дизайна пользовательского интерфейса

Волшебные уголки в Майкрософт Виндоус
Круговое меню

Несколько рекомендаций по дизайну для GUI можно вывести из следствия закона Фиттса. В своей базовой форме закон Фиттса гласит, что цели, по которым должен поразить пользователь, должны быть как можно большего размера. Это произошло из W параметр. В частности, эффективный размер кнопки должен быть как можно большим, а это означает, что их форма должна быть оптимизирована для направления движения пользователя к цели.

Макеты также должны группировать функции, которые обычно используются друг с другом. Оптимизация для D параметр таким образом позволяет сократить время в пути.

Размещение элементов макета по четырем краям экрана позволяет отображать бесконечно большие цели в одном измерении и, следовательно, представляет идеальные сценарии. Поскольку указатель пользователя всегда останавливается на краю, он может перемещать мышь с максимально возможной скоростью и при этом поражать цель. Целевая область фактически бесконечно длинна вдоль оси движения. Поэтому это правило называется «Правило бесконечных граней». Использование этого правила можно увидеть, например, в MacOS, который всегда помещает строку меню в левый верхний край экрана, а не в рамку окна текущей программы.[28]

Этот эффект можно усилить в четырех углах экрана. В этих точках два края сталкиваются и образуют теоретически бесконечно большую кнопку. Майкрософт Виндоус помещает кнопку "Пуск" в левый нижний угол и Microsoft Office 2007 использует левый верхний угол для меню «Офис». Эти четыре точки называют «волшебными уголками».[29]MacOS размещает кнопку закрытия в верхней левой части окна программы, а строка меню заполняет волшебный угол другой кнопкой.

Пользовательский интерфейс, который позволяет использовать всплывающие меню, а не фиксированные раскрывающиеся меню, сокращает время в пути для D параметр. Пользователь может продолжить взаимодействие прямо из положения курсора мыши и ему не нужно переходить в другую предустановленную область. Многие операционные системы используют это при отображении контекстных меню, вызываемых правой кнопкой мыши. Поскольку меню начинается прямо с пикселя, на который щелкнул пользователь, этот пиксель называется «волшебным» или «основным пикселем».[24]

Джеймс Бориц и др. (1991)[30] сравнил дизайн радиального меню. В радиальном меню все элементы находятся на одинаковом расстоянии от основного пикселя. Исследования показывают, что в практических реализациях необходимо учитывать направление, в котором пользователь должен двигать мышью. Для правшей выбор крайнего левого пункта меню был значительно сложнее, чем правого. Не было обнаружено различий для переходов от верхних функций к нижним и наоборот.

Рекомендации

  1. ^ а б c Фиттс, Пол М. (июнь 1954 г.). «Информационная способность двигательной системы человека в управлении амплитудой движения». Журнал экспериментальной психологии. 47 (6): 381–391. Дои:10,1037 / ч0055392. PMID  13174710. S2CID  501599.
  2. ^ Хоффманн, Эррол Р. (1991). «Сравнение времени движения рук и ног». Эргономика. 34 (4): 397–406. Дои:10.1080/00140139108967324. PMID  1860460.
  3. ^ Хосе, Марсело Арчахо; Лопес, Ролели (2015). «Человеко-компьютерный интерфейс, управляемый губой». Журнал IEEE по биомедицинской и медицинской информатике. 19 (1): 302–308. Дои:10.1109 / JBHI.2014.2305103. PMID  25561451.
  4. ^ Итак, R.H.Y .; Гриффин, М. Дж. (2000). «Влияние сигнала направления движения цели на отслеживание головы». Эргономика. 43 (3): 360–376. Дои:10.1080/001401300184468. PMID  10755659.
  5. ^ Маккензи, И. Скотт; Селлен, А .; Бакстон, В.А.С. (1991). Сравнение устройств ввода в задачах элементарного наведения и перетаскивания. Материалы конференции ACM CHI 1991 по человеческому фактору в вычислительных системах. С. 161–166. Дои:10.1145/108844.108868. ISBN  978-0897913836.
  6. ^ Керр, Р. (1973). «Время движения в подводной среде». Журнал моторного поведения. 5 (3): 175–178. Дои:10.1080/00222895.1973.10734962. PMID  23961747.
  7. ^ Брогмус, Г. (1991). «Влияние возраста и пола на скорость и точность движений рук: и уточнения, которые они предлагают для закона Фиттса». Материалы ежегодного собрания Общества человеческого фактора. 35 (3): 208–212. Дои:10.1177/154193129103500311.
  8. ^ Smits-Engelsman, B.C.M .; Wilson, P.H .; Westenberg, Y .; Дуйсенс, Дж. (2003). «Нарушения мелкой моторики у детей с нарушением координации развития и нарушениями обучаемости: лежащий в основе дефицит контроля без обратной связи». Наука человеческого движения. 22 (4–5): 495–513. Дои:10.1016 / Ю. Хумов.2003.09.006. PMID  14624830.
  9. ^ Кволсет, Т. О. (1977). «Влияние марихуаны на время реакции и контроль моторики». Перцептивные и моторные навыки. 45 (3): 935–939. Дои:10,2466 / пмс.1977.45.3.935. PMID  600655.
  10. ^ а б c Graham, E.D .; Маккензи, К. Л. (1996). «Физическое наведение против виртуального». Материалы конференции SIGCHI по человеческому фактору в вычислительных системах: 292–299.
  11. ^ а б Карточка, Стюарт К .; Английский, Уильям К .; Берр, Бетти Дж. (1978). «Оценка мыши, изометрического джойстика с регулируемой скоростью, пошаговых клавиш и текстовых клавиш для выделения текста на ЭЛТ» (PDF). Эргономика. 21 (8): 601–613. CiteSeerX  10.1.1.606.2223. Дои:10.1080/00140137808931762.
  12. ^ "Стюарт Кард". PARC. Архивировано из оригинал на 2012-07-11.
  13. ^ Грэм, Эван (1996). Наведение на дисплей компьютера (Кандидат наук.). Университет Саймона Фрейзера.
  14. ^ Древес, Х. (2011). "Диссертация". Отслеживание взгляда для взаимодействия человека с компьютером. LMU München: Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik.
  15. ^ Маккензи, И. Скотт. "Домашняя страница Скотта Маккензи". www.yorku.ca.
  16. ^ Маккензи, И. Скотт (1992). «Закон Фиттса как инструмент исследования и проектирования во взаимодействии человека с компьютером» (PDF). Взаимодействие человека с компьютером. 7: 91–139. Дои:10.1207 / s15327051hci0701_3.
  17. ^ а б Сукорефф, Р. Уильям; Чжао, Цзянь; Рен, Сянши (2011). «Энтропия быстрого направленного движения: индекс сложности Фиттса по сравнению с энтропией Шеннона». Взаимодействие человека с компьютером: 222–239.
  18. ^ а б Велфорд, А. Т. (1968). Основы мастерства. Метуэн.
  19. ^ Фиттс, Пол М .; Петерсон, Дж. Р. (1964). «Информационная емкость дискретных двигательных реакций». Журнал экспериментальной психологии. 67 (2): 103–112. Дои:10,1037 / ч0045689. PMID  14114905.
  20. ^ Kopper, R .; Bowman, D. A .; Silva, M. G .; МакМахан, Р. П. (2010). «Модель человеческого моторного поведения для задач дистального наведения». Международный журнал человеко-компьютерных исследований. 68 (10): 603–615. Дои:10.1016 / j.ijhcs.2010.05.001.
  21. ^ Сапожник, Гарт; Цукитани, Такаюки; Китамура, Йошифуми; Бут, Келлог (декабрь 2012 г.). «Двухкомпонентные модели отражают влияние прироста на производительность указателя». Транзакции ACM о взаимодействии компьютера и человека. 19 (4): 1–34. Дои:10.1145/2395131.2395135.
  22. ^ Wobbrock, J .; Шинохара, К. (2011). Влияние размерности задачи, отклонения конечной точки, расчета пропускной способности и дизайна эксперимента на указывающие меры и модели. Материалы конференции ACM по человеческому фактору в вычислительных системах. Ванкувер, Британская Колумбия. С. 1639–1648. CiteSeerX  10.1.1.409.2785. Дои:10.1145/1978942.1979181. ISBN  9781450302289.
  23. ^ Маккензи, И. Скотт; Бакстон, Уильям А. С. (1992). Распространение закона Фиттса на двумерные задачи. Материалы конференции ACM CHI 1992 г. по человеческому фактору в вычислительных системах. С. 219–226. Дои:10.1145/142750.142794. ISBN  978-0897915137.
  24. ^ а б Чжао, Х. (2002). «Закон Фитта: моделирование времени движения в HCI». Теории компьютерного взаимодействия с человеком. S2CID  17219815.
  25. ^ Сукорефф, Р. Уильям; Маккензи, И. Скотт (2004). «На пути к стандарту оценки указывающих устройств, перспективы 27-летнего исследования закона Фиттса в области HCI». Международный журнал человеко-компьютерных исследований. 61 (6): 751–789. Дои:10.1016 / j.ijhcs.2004.09.001.
  26. ^ Чжай, Шумин (2002). О валидности пропускной способности как характеристики компьютерного ввода (pdf) (Технический отчет). Сан-Хосе, Калифорния: Исследовательский центр Альмадена. RJ 10253.
  27. ^ Ли, Бёнджу; Оуласвирта, Антти (2016). Частота ошибок моделирования во временном наведении. Материалы конференции CHI по человеческому фактору в вычислительных системах 2016 г.. ЧИ '16. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: ACM. С. 1857–1868. Дои:10.1145/2858036.2858143. ISBN  9781450333627.
  28. ^ Хейл, К. (2007). «Визуализация закона Фиттса». Particletree. В архиве из оригинала на 2019-12-08. Получено 2019-12-08.
  29. ^ Дженсен, Х. (2006). "Даю тебе фитс". Разработчик Microsoft. В архиве из оригинала на 2019-12-08. Получено 2019-12-08.
  30. ^ Boritz, J; Коуэн, В. Б. (1991). «Закон Фиттса изучает направленное движение мыши». Производительность человека. 1 (6). S2CID  43676399.

Смотрите также

  • Акко, Джонни; Чжай, Шумин (2002). Больше, чем расставление точек над i - основы для кросс-ориентированных интерфейсов. Материалы конференции ACM CHI 2002 по человеческому фактору в вычислительных системах. С. 73–80. Дои:10.1145/503376.503390. ISBN  978-1581134537.
  • Акко, Джонни; Чжай, Шумин (2003). Уточнение моделей закона Фиттса для двумерного наведения. Материалы конференции ACM CHI 2003 по человеческому фактору в вычислительных системах. С. 193–200. Дои:10.1145/642611.642646. ISBN  978-1581136302.
  • Карточка, Стюарт К .; Moran, Thomas P .; Ньюэлл, Аллен (1983). Психология взаимодействия человека с компьютером. Хиллсдейл, Нью-Джерси: L. Erlbaum Associates. ISBN  978-0898592436.
  • Фиттс, Пол М .; Петерсон, Джеймс Р. (февраль 1964 г.). «Информационная емкость дискретных двигательных реакций». Журнал экспериментальной психологии. 67 (2): 103–112. Дои:10,1037 / ч0045689. PMID  14114905.

внешняя ссылка