Fittsův zákon - Fitts's law

Jednoduchá perokresba terčového pole s délkou strany W a vzdáleností od ní D
Fittsův zákon: ponor velikosti cíle W a vzdálenost k cíli D

Fittsův zákon (často citovaný jako Fittsův zákon ) je prediktivní model lidského pohybu, který se používá především v interakci člověka a počítače a ergonomii . Tento vědecký zákon předpovídá, že čas potřebný k rychlému přesunu do cílové oblasti je funkcí poměru mezi vzdáleností k cíli a šířkou cíle. Fittsův zákon se používá k modelování aktu ukazování , a to buď fyzickým dotykem předmětu rukou nebo prstem, nebo virtuálně, ukazováním na předmět na monitoru počítače pomocí polohovacího zařízení .

Bylo prokázáno, že Fittsův zákon platí za různých podmínek; s mnoha různými končetinami (ruce, nohy, dolní ret, mířidla na hlavě), manipulandou (vstupní zařízení), fyzickým prostředím (včetně pod vodou) a populací uživatelů (mladí, staří, speciální vzdělávací potřeby a účastníci zdrogovaní).

Formulace původního modelu

Původní papír z roku 1954 od Paula Morrise Fittse navrhl metriku pro kvantifikaci obtížnosti úkolu výběru cíle. Metrika byla založena na informační analogii, kde vzdálenost ke středu cíle ( D ) je jako signál a tolerance nebo šířka cíle ( W ) je jako šum. Metrika je Fittsův index obtížnosti ( ID , v bitech):

Úloha Fitts z původního experimentu

Fitts také navrhl index výkonu ( IP , v bitech za sekundu) jako měřítko lidské výkonnosti. Metrika při výběru cíle kombinuje index obtížnosti úkolu ( ID ) s časem pohybu ( MT , v sekundách). Podle Fittsových slov: „Průměrná rychlost informací generovaných sérií pohybů je průměrná informace za pohyb dělená časem za pohyb.“ Tím pádem,

Dnes se IP nazývá běžněji propustnost ( TP ). Je také běžné zahrnout do výpočtu úpravu přesnosti.

Výzkumníci po Fittsovi začali s praxí budování lineárních regresních rovnic a zkoumáním korelace ( r ) pro vhodnost shody. Rovnice vyjadřuje vztah mezi MT a parametry úlohy D a W :

Graf lineárního vztahu parametrů Fittsova zákona

kde:

  • MT je průměrný čas na dokončení pohybu.
  • a a b jsou konstanty, které závisí na volbě vstupního zařízení a jsou obvykle určeny empiricky regresní analýzou . a definuje průsečík na ose y a je často interpretován jako zpoždění. Parametr b je sklon a popisuje zrychlení. Oba parametry ukazují lineární závislost ve Fittsově zákoně.
  • ID je index obtížnosti.
  • D je vzdálenost od počátečního bodu ke středu cíle.
  • W je šířka cíle měřená podél osy pohybu. W lze také považovat za povolenou toleranci chyby v konečné poloze, protože konečný bod pohybu musí spadat do ± W ⁄ 2 středu cíle.

Protože jsou pro daný úkol žádoucí kratší doby pohybu, lze hodnotu parametru b použít jako metriku při vzájemném porovnávání počítačových polohovacích zařízení. Nejprve rozhraní člověk-počítač aplikace Fitts zákon byl kard, angličtině a Burr, kdo používal index výkonnosti ( IP ), vykládat tak, že 1 / b , porovnávat výkony různých vstupních zařízení , přičemž myš vyjde na vrcholu ve srovnání s joystickem nebo směrovými pohybovými klávesami. Tato raná práce, podle biografie Stuarta Carda , „byla hlavním faktorem vedoucím ke komerčnímu představení myši společností Xerox “.

Mnoho experimentů testujících Fittsův zákon aplikuje model na datovou sadu, ve které se liší vzdálenost nebo šířka, ale ne obojí. Prediktivní výkon modelu se zhoršuje, když se oba mění ve významném rozsahu. Všimněte si, že protože ID termín závisí pouze na poměru vzdálenosti k šířce, z modelu vyplývá, že kombinaci cílové vzdálenosti a šířky lze libovolně převádět bez ovlivnění času pohybu, což není možné. Navzdory svým nedostatkům má tato forma modelu pozoruhodnou prediktivní sílu v celé řadě modalit počítačového rozhraní a motorických úkolů a poskytla mnoho pohledů na principy návrhu uživatelského rozhraní.

Hnutí

Pohyb během jednoho úkolu Fittsova zákona lze rozdělit do dvou fází:

  • počáteční pohyb . Rychlý, ale nepřesný pohyb směrem k cíli
  • závěrečný pohyb . Pomalejší, ale přesnější pohyb za účelem získání cíle

První fáze je definována vzdáleností k cíli. V této fázi lze vzdálenost rychle uzavřít a přitom být nepřesné. Druhý pohyb se snaží provést pomalý a kontrolovaný přesný pohyb, aby skutečně zasáhl cíl. Doba trvání úkolu se lineárně mění podle obtížnosti. Ale protože různé úkoly mohou mít stejnou obtížnost, odvozuje se, že vzdálenost má větší vliv na celkovou dobu dokončení úkolu než velikost cíle.

Často se uvádí, že Fittsův zákon lze použít na sledování očí . Zdá se, že to je přinejmenším kontroverzní téma, jak ukázal Drewes. Při rychlých sakadických pohybech očí je uživatel slepý. Během úkolu Fittsova zákona uživatel vědomě získá svůj cíl a skutečně ho vidí, takže tyto dva typy interakcí nejsou srovnatelné.

Bity za sekundu: modelové inovace založené na teorii informací

Formulace Fittsova indexu obtížnosti, který se nejčastěji používá v komunitě interakcí člověk -počítač, se nazývá Shannonova formulace:

Tuto formu navrhl Scott MacKenzie, profesor na Yorkské univerzitě , a pojmenoval ji podle podobnosti s Shannon -Hartleyovou větou . Popisuje přenos informací pomocí šířky pásma, síly signálu a šumu. Podle Fittsova zákona vzdálenost představuje sílu signálu, zatímco šířka cíle je šum.

Použitím této formy modelu byla obtížnost polohovacího úkolu rovná množství přenesených informací (v jednotkách bitů) provedením úkolu. To bylo odůvodněno tvrzením, že ukazování se snižuje na úkol zpracování informací. Ačkoli mezi Fittsovým zákonem a Shannon-Hartleyovou větou, kterou bylo inspirováno, nebylo vytvořeno žádné formální matematické spojení, Shannonova forma zákona byla hojně používána, pravděpodobně kvůli přitažlivosti kvantifikace motorických akcí pomocí teorie informací. V roce 2002 byla vydána ISO 9241 , která poskytuje standardy pro testování rozhraní člověk -počítač, včetně použití Shannonovy formy Fittsova zákona. Ukázalo se, že informace přenášené sériovými stisky kláves na klávesnici a informace implikované ID pro takový úkol nejsou konzistentní. Výsledkem Shannon-Entropy je jiná informační hodnota než Fittsův zákon. Autoři však poznamenávají, že chyba je zanedbatelná a musí být zohledněna pouze při porovnávání zařízení se známou entropií nebo měřením schopností zpracování lidských informací.

Úprava pro přesnost: využití efektivní cílové šířky

Důležité vylepšení Fittsova zákona navrhl Crossman v roce 1956 (viz Welford, 1968, s. 147–148) a Fitts ho použil ve svém článku z roku 1964 s Petersonem. Při úpravě je cílová šířka ( W ) nahrazena efektivní cílovou šířkou ( W e ). W e se vypočítá ze standardní odchylky ve výběrových souřadnicích shromážděných během sekvence pokusů pro konkrétní podmínky DW . Pokud jsou výběry zaznamenány jako souřadnice x podél osy přiblížení k cíli, pak

To přináší

a proto

Je-li zvolena souřadnice jsou obvykle distribuovány, W e se klene nad 96% distribuce. V případě, že pozorovaná míra chyb byla 4% v pořadí pokusů, pak W e = W . Pokud byla chybovost větší než 4%, W e > W , a pokud byla chybovost menší než 4%, W e < W . Použitím W e model Fittsova zákona více odráží to, co uživatelé skutečně dělali, a ne to, co měli dělat.

Hlavní výhodou při výpočtu IP výše je, že do měření je zahrnuta prostorová variabilita nebo přesnost. Díky úpravě přesnosti Fittsův zákon skutečně zahrnuje kompromis mezi přesností a rychlostí. Výše uvedené rovnice se objevují v ISO 9241-9 jako doporučená metoda výpočetní propustnosti .

Welfordův model: inovace poháněné prediktivní silou

Nedlouho poté, co byl navržen původní model, byla navržena 2faktorová variace podle intuice, že cílová vzdálenost a šířka mají oddělené efekty na čas pohybu. Welfordův model, navržený v roce 1968, rozdělil vliv cílové vzdálenosti a šířky na samostatné termíny a poskytl vylepšenou prediktivní sílu:

Tento model má další parametr, takže jeho prediktivní přesnost nelze přímo srovnávat s 1faktorovými formami Fittsova zákona. Variace na Welfordův model inspirovaná Shannonovou formulací,

Další parametr k umožňuje zavedení úhlů do modelu. Nyní lze zaúčtovat pozici uživatelů. Vliv úhlu lze zvážit pomocí exponentu. Tento přídavek zavedli Kopper a kol. v roce 2010.

Vzorec se redukuje na Shannonovu formu, když k = 1 . Tento model lze tedy přímo porovnat s Shannonovou formou Fittsova zákona pomocí F-testu vnořených modelů. Toto srovnání ukazuje, že nejen Shannonova forma Welfordova modelu lépe předpovídá časy pohybu, ale je také robustnější, když se mění zisk ovládání a zobrazení (poměr mezi např. Pohybem ruky a pohybem kurzoru). V důsledku toho, přestože je Shannonův model o něco složitější a méně intuitivní, je empiricky nejlepším modelem, který lze použít pro úlohy virtuálního ukazování.

Rozšíření modelu z 1D na 2D a další nuance

Rozšíření na dvě nebo více dimenzí

Ve své původní podobě má Fittsův zákon platit pouze pro jednorozměrné úkoly. Původní experimenty však vyžadovaly, aby subjekty pohybovaly stylusem (ve třech rozměrech) mezi dvěma kovovými deskami na stole, což se označuje jako vzájemné poklepávání. Cílová šířka kolmá na směr pohybu byla velmi široká, aby se zabránilo výraznému ovlivnění výkonu. Hlavní aplikací pro Fittsův zákon jsou úlohy 2D virtuálního ukazování na obrazovkách počítačů, ve kterých cíle mají ohraničené velikosti v obou dimenzích.

Reciproční klepnutí ve 2D kontextu

Fittsův zákon byl rozšířen na dvourozměrné úkoly dvěma různými způsoby. Pro navigaci např. V hierarchických rozbalovacích nabídkách musí uživatel vygenerovat trajektorii s polohovacím zařízením, která je omezena geometrií nabídky; pro tuto aplikaci byl odvozen řídící zákon Accot-Zhai .

Pro prosté ukazování na cíle ve dvourozměrném prostoru model obecně drží tak, jak je, ale vyžaduje úpravy pro zachycení geometrie cíle a kvantifikaci chyb cílení logicky konzistentním způsobem. K určení cílové velikosti lze použít více metod:

  • status Quo: horizontální šířka cíle
  • součtový model: W se rovná výšce + šířce
  • plošný model: W se rovná výšce * šířce
  • menší model: W menší hodnota výšky a šířky
  • W-model: W je efektivní šířka ve směru pohybu

Celkově model W představuje nejmodernější měření.

Charakterizující výkon

Protože parametry a a b by měly zachycovat časy pohybu v potenciálně široké škále geometrií úloh, mohou sloužit jako metrika výkonu pro dané rozhraní. Přitom je nutné oddělit variace mezi uživateli od variací mezi rozhraními. Parametr je obvykle pozitivní a blíží nule, a někdy ignorována charakterizaci středního výkonu, jako v Fitts s původní experimentu. Pro identifikaci parametrů z experimentálních dat existuje více metod a výběr metody je předmětem bouřlivé diskuse, protože variace metody mohou mít za následek rozdíly v parametrech, které překrývají základní rozdíly ve výkonu.

Dalším problémem při charakterizaci výkonu je začlenění úspěšnosti: agresivní uživatel může dosáhnout kratších časů pohybu za cenu experimentálních pokusů, ve kterých je cíl vynechán. Pokud nejsou do modelu začleněny, mohou být průměrné doby pohybu uměle sníženy.

Dočasné cíle

Fittsův zákon se zabývá pouze cíli definovanými ve vesmíru. Cíl však lze definovat čistě na časové ose, která se nazývá časový cíl. Blikající cíl nebo cíl pohybující se směrem k oblasti výběru jsou příklady dočasných cílů. Podobně jako v prostoru lze také pro časové cíle definovat vzdálenost k cíli (tj. Časová vzdálenost D t ) a šířka cíle (tj. Časová šířka W t ). Časová vzdálenost je doba, po kterou musí člověk čekat, než se objeví cíl. Časová šířka je krátká doba od okamžiku, kdy se cíl objeví, dokud nezmizí. Například u blikajícího cíle lze D t chápat jako období blikání a W t jako trvání blikání. Stejně jako u cílů v prostoru platí, že čím větší je D t nebo menší W t , tím obtížnější je vybrat cíl.

Úkol vybrat dočasný cíl se nazývá časové ukazování . Model pro časové ukazování byl poprvé představen do interakčního pole člověk -počítač v roce 2016. Model předpovídá chybovost, lidskou výkonnost v časovém ukazování, jako funkci dočasného indexu obtížnosti ( ID t ):

Důsledky pro návrh uživatelského rozhraní

Kouzelné rohy v systému Microsoft Windows
Radiální nabídka

Více implikací pro GUI lze odvodit z implikací Fittsova zákona. Ve své základní podobě Fittsův zákon říká, že cíle, které musí uživatel zasáhnout, by měly mít co největší velikost. To je odvozeno z parametru W. Přesněji řečeno, efektivní velikost tlačítka by měla být co největší, což znamená, že jejich forma musí být optimalizována pro směr pohybu uživatele na cíl.

Rozvržení by měla také seskupovat funkce, které se běžně používají navzájem blízko. Optimalizace pro parametr D tímto způsobem umožňuje kratší doby jízdy.

Umístění prvků rozložení na čtyři okraje obrazovky umožňuje nekonečně velké cíle v jedné dimenzi, a proto představují ideální scénáře. Protože se ukazatel uživatele vždy zastaví na okraji, může pohybovat myší s maximální možnou rychlostí a přesto zasáhnout cíl. Cílová oblast je efektivně nekonečně dlouhá podél osy pohybu. Proto se tato směrnice nazývá „Pravidlo nekonečných hran“. Využití tohoto pravidla lze vidět například v systému MacOS , který umístí lištu nabídek vždy na levý horní okraj obrazovky místo na rám okna aktuálního programu.

Tento efekt lze ve čtyřech rozích obrazovky přehánět. V těchto bodech se dvě hrany srazí a vytvoří teoreticky nekonečně velké tlačítko. Microsoft Windows (před Windows 11 ) umístí své tlačítko "Start" do levého dolního rohu a Microsoft Office 2007 použije levý horní roh pro svou nabídku "Office". Těmto čtyřem místům se říká „magické rohy“. MacOS umístí tlačítko zavřít na levou horní část okna programu a panel nabídek vyplní kouzelný roh dalším tlačítkem.

Uživatelské rozhraní, které umožňuje spíše vyskakovací nabídky než pevné rozevírací nabídky, zkracuje dobu cesty pro parametr D. Uživatel může pokračovat v interakci přímo ze své pozice myši a nemusí se přesouvat do jiné přednastavené oblasti. Mnoho operačních systémů to používá při zobrazování kontextových nabídek pravým tlačítkem. Protože nabídka začíná přímo na pixelu, na který uživatel klikl, je tento pixel označován jako „magický“ nebo „primární pixel“.

James Boritz a kol. (1991) porovnal návrhy radiálních nabídek . V radiální nabídce mají všechny položky stejnou vzdálenost od primárního pixelu. Výzkum naznačuje, že v praktických implementacích musí být zohledněn také směr, ve kterém musí uživatel pohybovat myší. Pro pravoruké uživatele byl výběr položky nejvíce vlevo podstatně obtížnější než pro pravostranné. Nebyly nalezeny žádné rozdíly pro přechody z horních na dolní funkce a naopak.

Viz také

Reference

Bibliografie

externí odkazy