基于電子紙顯示控制器的人機(jī)交互設(shè)計(jì)

1 概 述

電子紙顯示屏是一種全新顯示屏，具有功耗低、閱讀舒適等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型顯示屏技術(shù)，電子紙顯示屏催生了眾多創(chuàng)新性移動(dòng)應(yīng)用，比如電子書(shū)、電子報(bào)紙、電子顯示牌等。S1D13521是Epson公司和E Ink公司2008年聯(lián)合推出的一款電子紙顯示控制器，具有多種全新特性，為E Ink電子紙顯示屏提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。如何充分利用S1D13521的特性，為新一代電子紙顯示屏提供更佳的人機(jī)交互體驗(yàn)已成為一個(gè)有待研究與解決的問(wèn)題。本文以津科V30型手持閱讀器為實(shí)例，介紹一些實(shí)際開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2 S1D13521及開(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.1 S1 D13521簡(jiǎn)介

S1D13521提供多種主機(jī)處理功能，極大地減輕了主機(jī)負(fù)載，提升了系統(tǒng)整體性能;支持2 048×1 536的分辨率(50 Hz)，最大支持4 09* 096分辨率(低于50 Hz)，支持32灰度級(jí)顯示;支持多區(qū)域并行顯示刷新，提高了電子紙顯示屏的響應(yīng)速度。使用這種控制器，電子紙顯示屏最多可同時(shí)執(zhí)行16個(gè)區(qū)域的局部擦寫(xiě)。顯示屏響應(yīng)速度的大幅提升使觸摸屏式的用戶交互方式成為可能，并帶來(lái)響應(yīng)式手寫(xiě)筆輸入、下拉菜單等一系列新的應(yīng)用。這一技術(shù)為提升電子紙用戶界面體驗(yàn)提供了強(qiáng)大支持。

S1D13521系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。S1D13521顯示控制器在主機(jī)與電子紙顯示屏之間，用于控制電子紙的顯示刷新。

2.2 S1D13521顯示控制原理

電子紙顯示屏具有獨(dú)特的顯示刷新機(jī)制。不同于CRT和TFT等顯示屏的動(dòng)態(tài)主動(dòng)刷新方式，電子紙顯示屏只有當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)才會(huì)刷新，相對(duì)而言是一種靜態(tài)被動(dòng)刷新。

基于電子紙顯示屏這種特性，S1D13521主要向上層提供2種功能，即貼圖和刷屏。貼圖功能是把內(nèi)存中的一塊區(qū)域復(fù)制到顯存中;刷屏功能是把顯存中的一塊區(qū)域刷新到電子紙顯示屏。刷屏分為全屏幕刷新和部分矩形區(qū)域的塊刷新。塊刷又可分為多級(jí)灰度塊刷和黑白兩級(jí)塊刷，其中黑白兩級(jí)塊刷具有更高的響應(yīng)速度。

2.3開(kāi)發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文的開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用津科V30型手持閱讀器。該設(shè)備采用S1D13521顯示控制器，配置6英寸E Ink電子紙顯示屏，分辨率為600×800。本文程序運(yùn)行于應(yīng)用程序?qū)?，?jīng)底層驅(qū)動(dòng)封裝的S1D13521編程接口如下：

3 電子紙人機(jī)交互設(shè)計(jì)

3.1 電子紙人機(jī)交互結(jié)構(gòu)模型

S1D13521大幅度提升了電子紙的響應(yīng)速度，從而加速了顯示屏對(duì)用戶操作的反饋，使動(dòng)態(tài)的視覺(jué)反饋效果成為可能?；谶@種特性與優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種控制-反饋人機(jī)交互結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

模型中最核心的兩部分是動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋和觸摸屏輸入。通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸屏操作手勢(shì)，用戶可以方便直觀地操控設(shè)備;系統(tǒng)根據(jù)觸摸屏輸入及時(shí)給出動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋，以指導(dǎo)用戶操控;當(dāng)用戶得到反饋信息，隨即根據(jù)感官獲取而改變操控動(dòng)作。這就是一個(gè)控制-反饋的循環(huán)過(guò)程，這一動(dòng)態(tài)交互過(guò)程極大地提升了用戶交互體驗(yàn)。

3.2操控手勢(shì)及界面布局

基于上述模型，本文針對(duì)津科V30型手持閱讀器設(shè)計(jì)了7種基本操控手勢(shì)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了合理界面布局，如圖3所示。

這種設(shè)計(jì)可以通過(guò)幾種簡(jiǎn)單的操控手勢(shì)實(shí)現(xiàn)所有閱讀器的基本功能，很好地遵循了人機(jī)交互設(shè)計(jì)的一致性和界面簡(jiǎn)潔性原則;同時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋給予用戶及時(shí)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)交互功能。

4電子紙人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)

在電子紙人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)中，充分利用S1D13521的特性，對(duì)各種操作及時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)視覺(jué)反饋，可達(dá)到直觀、易用的人機(jī)交互效果。

4.1簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)反饋的實(shí)現(xiàn)

動(dòng)態(tài)反饋的實(shí)現(xiàn)依賴于顯示器快速刷屏響應(yīng)，而S1D13521的一個(gè)重要特性就是可以加速塊刷。相對(duì)于傳統(tǒng)800 ms的塊刷時(shí)間，S1D13521可以把黑白兩級(jí)塊刷時(shí)間降為300 ms。充分利用這一特性，可實(shí)現(xiàn)多種簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)反饋效果。

實(shí)現(xiàn)的一般過(guò)程是，首先計(jì)算每一幀顯示屏變化區(qū)域大小，然后調(diào)用快速塊刷函數(shù)GrFastPartialPrint完成對(duì)變化區(qū)域的顯示刷新，這樣就能以3幀/s的速率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果。這一技術(shù)的關(guān)鍵是計(jì)算合適的塊刷區(qū)域，從而保證有效的刷屏速度。

津科V30型閱讀器人機(jī)交互的翻轉(zhuǎn)、退出、撤銷3種操作就是使用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。這里以退出操作的卷簾效果為例說(shuō)明。退出操作是從閱讀狀態(tài)返回書(shū)架，當(dāng)用戶從屏幕上方下向下劃動(dòng)，書(shū)架隨之以卷簾效果展開(kāi)。圖4展示了書(shū)架的卷簾效果及顯示刷新過(guò)程。其中，框出區(qū)域?yàn)槊繋瑝K刷區(qū)域。

4.2即時(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)交互的實(shí)現(xiàn)

為了增強(qiáng)人機(jī)交互的易用性和趣味性，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)即時(shí)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)反饋效果。這就要求，在使用快速塊刷技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用幾種針對(duì)電子紙的實(shí)現(xiàn)技巧。

4.2.1 效果展示

津科V30型閱讀器人機(jī)交互的翻頁(yè)、跳頁(yè)操作就是即時(shí)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)交互。這里以翻頁(yè)操作為例。圖5展示了翻頁(yè)操作，以三角形簡(jiǎn)單模擬翻起的頁(yè)角，同時(shí)在翻起的區(qū)域顯示下一頁(yè)部分內(nèi)容，翻起頁(yè)角隨用戶觸摸移動(dòng)而變化，視覺(jué)即時(shí)響應(yīng)觸覺(jué)。

4.2.2實(shí)現(xiàn)技術(shù)

(1)即時(shí)響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

用戶觸摸移動(dòng)會(huì)觸發(fā)MouseMove事件。即時(shí)響應(yīng)要求對(duì)觸發(fā)事件作及時(shí)處理，而電子紙塊刷時(shí)間是300 ms，其刷新速率無(wú)法跟上事件觸發(fā)速度，所以即時(shí)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)很重要策略是舍棄一部分MouseMove事件。每次在OnMouseMove事件處理函數(shù)中，刷屏后調(diào)用DropMouseEvent函數(shù)，從而在本次處理之后舍棄一小部分觸發(fā)事件。DropMouseEvent函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

因?yàn)樯釛壥录乃俣却笥谟脩粲|發(fā)事件的速度，所以舍棄一些MouseMove事件后隊(duì)列變空，之后會(huì)再次響應(yīng)用戶動(dòng)作。

(2)高頻刷屏中的填充處理

在即時(shí)響應(yīng)的高頻刷屏中，容易出現(xiàn)滯留現(xiàn)象，即會(huì)有上一幀的殘留。尤其是翻頁(yè)動(dòng)畫(huà)中存在填充區(qū)域，這種現(xiàn)象非常明顯。這是由于電子紙的刷屏特性導(dǎo)致的，電子紙的像素在由黑(白)反白(黑)時(shí)，耗時(shí)長(zhǎng)且易出現(xiàn)刷屏殘留。

基于這一原理，可以在填充時(shí)采用固定格式的隔像素填充技術(shù)。具體做法是，每4個(gè)像素為固定一組，左上角填黑，其他3個(gè)像素填白。這樣，從整體看呈現(xiàn)了隔行隔列填充的效果。從局部看，排列是固定的，當(dāng)填充區(qū)域變化時(shí)減少了由黑(白)反白(黑)的像素個(gè)數(shù)，基本可以去除殘留現(xiàn)象，也起到了加速的作用。具體實(shí)現(xiàn)采用查表技術(shù)，每填充一個(gè)像素之前，調(diào)用GetPointColor函數(shù)查表判斷是否填充該像素。GetPointColor(int x，int y)函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

4.3 16通道技術(shù)的應(yīng)用

16通道技術(shù)是S1D13521的另一個(gè)重要特性。其原理是當(dāng)多塊不重疊區(qū)域連續(xù)塊刷時(shí)，S1D13521可以提供16個(gè)并行通道，使每個(gè)塊刷時(shí)間降為300/16 ms。充分利用這一技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更為流暢的動(dòng)態(tài)效果。

以百葉窗動(dòng)畫(huà)為例說(shuō)明16通道技術(shù)的使用。還是調(diào)用GrFastPartialPrint函數(shù)，當(dāng)連續(xù)塊刷的區(qū)域均不重疊時(shí)，SlD13521會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟16通道。百葉窗的實(shí)現(xiàn)是把整屏圖分為m塊，每一塊分為n條，按一定次序依次顯示其中一條區(qū)域。程序?qū)崿F(xiàn)如下：

需注意，塊刷區(qū)域長(zhǎng)寬必須是4的倍數(shù)，才能正確使用16通道。否則，S1D13521會(huì)認(rèn)為區(qū)域有重疊，把多個(gè)區(qū)域一起刷出，無(wú)法顯示動(dòng)畫(huà)效果。

4.4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

通過(guò)使用上述技術(shù)，在津科V30型閱讀器上實(shí)現(xiàn)了各種操控手勢(shì)的動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)了所有基本閱讀功能人機(jī)交互。撤銷操作類似于退出操作，也是以卷簾效果動(dòng)態(tài)反饋。跳頁(yè)操作是拖拽出若干條等間隔區(qū)域，表示當(dāng)前文件頁(yè)號(hào)列表，并在頂角處標(biāo)以頁(yè)號(hào)，當(dāng)前頁(yè)用黑色區(qū)域標(biāo)記。翻轉(zhuǎn)操作是在屏幕中間以小圖標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)用戶動(dòng)作。

結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)的電子紙用戶界面相比，基于S1D13521顯示控制器的電子紙人機(jī)交互更具人性化，更為易用。作為新一代顯示控制器，S1D13521的強(qiáng)大功能還有待進(jìn)一步挖掘，以推動(dòng)新一代電子紙顯示屏的發(fā)展與應(yīng)用。