觸摸屏手機GUI節能優化方案的設計及驗證*

季園園，王海鵬，張 濤，羅文波

(西北工業大學軟件與微電子學院，西安710072)

1 引言

當前人們的社會活動日益依賴手機，隨著通訊技術的不斷發展，基于手機的各種新功能和新應用層出不窮。目前手機的發展趨勢是基于高分辨率的觸摸屏智能手機，不僅能夠完成基本的通訊功能，還能夠提供各種網絡和娛樂服務。但隨之而來的問題是，這些新功能和應用大大提高了電池的能耗需求。由于更大容量的電池會帶來電池體積和重量的增加，同時消費者對于手機的便攜性要求很高，因此一味地增加電池容量不是一個理想的解決辦法。

根據Bruce Nordman的研究結果［1］，移動設備中用于“顯示”所消耗的能量占到了設備總耗電量的42%，表明“顯示”是觸摸屏手機耗電量的首要因素。而 GUI(Graphical User Interface，圖形用戶界面)又是“顯示”的主要組成部分，因此如果能夠在觸摸屏手機的GUI中引入節能優化技術，降低圖形用戶界面的功耗，那么就會大大降低電子設備的耗電量，從而來延長移動設備的電池使用時間，使用戶獲得更好的使用體驗。

基于上述理由，首先分析了觸摸屏GUI的特點，通過將觸摸屏手機的應用程序分類，研究了基于觸摸屏GUI的節能優化方案。為了驗證所述設計思路，設計了兩種觸摸屏搜索界面:傳統風格GUI和使用了節能優化方案的優化風格GUI。最后通過這兩種界面的對比實驗，初步驗證了基于觸摸屏手機GUI的節能優化方案的可行性。

2 觸摸屏手機GUI節能優化方案設計

2.1 觸摸屏手機GUI概述

GUI即圖形用戶界面，廣義上的GUI是一種結合計算機科學、美學、心理學、行為學，及各商業領域需求分析的人機系統工程，強調人—機—環境三者作為一個系統進行總體設計;狹義上的GUI是指屏幕產品的視覺體驗和互動操作部分。

觸摸屏手機的GUI具有很多通用GUI所具有的特點和規范，如:用戶界面效果應保持整體性和一致性，包括界面的色彩及風格與系統界面統一、操作流程要遵守系統規范、注重圖形圖像元素的質量等等。但是，與桌面PC或者普通按鍵手機相比，觸摸屏手機GUI具有自己獨特的特點:

(1)與PC相比:在目前移動設備的GUI設計中，很多時候延續了傳統PC的GUI設計模式。這樣設計的好處是減少了用戶的學習成本，同時減少了設計人員的開發時間，降低移植成本。與此同時也帶來了許多問題。一方面，大部分用戶可以熟練地使用鍵盤、鼠標操作電腦，但是他們不一定能熟練使用手指操作觸摸屏設備。輸入緩慢會造成用戶操作效率低下和耗電量增加。另一方面，由于大部分的PC都會使用外接電源，所以PC上的GUI設計通常沒有考慮到能耗的問題。

(2)與按鍵手機相比:與按鍵手機不同，觸摸屏手機是用手指在屏幕上點觸操作，在使用觸屏手機時，用戶的行動狀態對操作方式有重大的影響［2］。當用戶處于行走和站立狀態，一只手常被其他任務占用，用戶多傾向于使用單手操作;當用戶靜坐時，雙手多處于空閑狀態，用戶多采用效率更高的雙手操作。此外，手機寬度限制了手機屏幕的寬度，手機屏幕的大小是有限的。有限的屏幕區域使手指操作的效率大幅下降。一方面手機功能的日漸復雜，GUI上操作目標越來越多，使得操作目標要求越來越小;另一方面，手指操作的不精確性要求操作目標要有足夠大的感應面積來保證效率。這就形成了一對矛盾。

2.2 觸摸屏手機GUI節能優化方案

2.2.1 設計思想

考慮到前面所述因素，為移動設備設計GUI，應該與傳統的設計GUI的方法有很大不同。為了更好的設計，首先需要對觸摸屏手機的任務功能進行分析。觸摸屏手機的功能按使用目的分為以下幾類:

·通信功能:通話、通訊簿等;

·短信功能:寫短信、收短信等;

·網絡功能:瀏覽器、E-mail等;

·輔助功能:日程、計算器、GPS等;

·娛樂功能:拍照、視頻、游戲等;

·傳輸功能:藍牙、紅外、USB等;

完成上述操作將主要涉及到以下幾類操作:

(1)點擊:在所有的操作中都會使用到;

(2)輸入:編輯、儲存時的文件命名、新增資料;

(3)翻頁:圖片瀏覽、網頁瀏覽等操作。

因此，可以把手機上的功能按主要操作的不同分為三類:輸入型、翻頁型、復合型。用戶在輸入型中大部分時間進行輸入操作，而在翻頁型中的輸入相對較少。所以前者GUI應設計成便于輸入，而后者應設計為易于瀏覽。輸入型包括寫短信、計算器等;翻頁型包括文本閱讀器等;復合型包括瀏覽器、通訊簿等。

2.2.2 節能優化方案設計

基于上述分類，GUI節能優化方案可以分為兩個方面:功耗簡化、效率提升。功耗簡化主要是針對翻頁型應用，包括:減少像素變化、使用低功耗圖樣、減少動畫效果等。效率提升主要是針對輸入型應用，包括:使用手勢軌跡、優化內容安排、快捷圖標等。復合型應用則同時包含了這兩個方面。

(1)功耗簡化:目前，觸摸屏手機大都采用液晶顯示技術，使用不同像素顯示序列、不同顏色圖案會消耗不同的能量。

減少像素變化，是指盡量少用復雜的圖形紋理和像素顯示序列。因為它們增加了對應像素點的切換，同時增加了生成屏幕數據的計算量。觸摸屏手機系統(例如Android)有個特點，可以通過手指的上下左右滑動，切換不同的顯示界面。這種屏幕滑動的功能會大大增加顯示的功耗，所以應盡量避免。

使用低功耗圖樣，是通過使用功耗較低的顏色和顏色圖樣，從而降低顯示能耗。比如對于TFT觸摸屏，顯示白色會比黑色耗能更多［3］。這也就是為什么Android系統使用黑色背景作為默認的應用界面的原因之一。

減少動畫效果，是指減少無謂的動畫顯示效果。最大化最小化窗口的動畫效果就是典型的例子。它們幾乎沒有什么功能，但是卻增加了功耗。在目前的許多觸摸屏手機系統(例如iOS或Andorid)應用中，當你切換下一頁時，GUI會顯示一個翻卷頁面的翻頁效果。這種動畫效果模擬了真實書籍，但是很耗費能量。

(2)效率提升:效率提升主要是提升用戶操作效率，從而間接降低功耗。

使用手勢軌跡:目前觸摸屏智能手機大都支持多點觸摸技術。采用不同的手指組合、不同的觸摸軌跡，直接可以完成許多功能，如縮放、保存、打開、關閉、剪切、粘貼等，從而提高用戶操作效率。

優化內容安排:雖然觸摸屏的發展趨勢是大屏幕和高分辨率，但是與PC相比，觸摸屏屏幕尺寸有限，合理布局GUI顯示內容，可以大大減少用戶交互時間，提高效率減少功耗。使用大字體和圖片，更快地讓用戶注意到重要對象上，也能減少用戶交互的時間。經常使用的按鈕應該盡可能的大，彼此間距要足夠大。由于需要手指點擊觸摸屏來觸發按鈕，其接觸面積較大，如果按鈕太小或者間距太小，會造成誤操作，降低效率。

快捷圖標:當PC用戶想要完成某項功能時，通常需要經過一層層的菜單和對話框的選擇才能實現。這個過程耗時麻煩而且耗能。對于觸摸屏手機，可以通過減少用戶需要選擇的選項，減少交互時間，快捷圖標就是一個解決方法。以蘋果公司的iPhone手機為例，它的界面排列的是一個個功能圖標，用手指點擊每個圖標就可以完成對應的功能，而不需要再一級一級的通過菜單查找。

3 觸摸屏移動搜索界面的設計

為了驗證節能優化設計的效果，設計了一種觸摸屏移動搜索應用，該應用可以實現互聯網的移動搜索功能。選擇移動搜索是因為它是互聯網搜索引擎技術與移動通訊技術結合的產物。根據CNNIC最新的報告顯示［4］，在2011上半年，移動搜索的使用率達到了59.5%，成為手機用戶最常用的功能之一。所以在此基礎上進行驗證工作，會有更普遍的意義。

為了對比，設計了兩種觸摸屏搜索界面:傳統風格GUI和使用了節能優化方案的優化風格GUI。如圖1所示。

1)傳統風格GUI:傳統風格GUI采用了很多當前手機上常見的設計風格，以及一些PC機上常見的設計風格，將它作為參考界面。

傳統風格GUI設計理念是采用傳統GUI設計理念，考慮美觀大方，較少考慮節能特性，保持和PC機上同樣的GUI風格。圖形用戶界面GUI最顯著的優點是:考慮美觀大方;圖形圖片較大而精美;GUI使用亮色背景;開啟所有動畫效果;使用菜單操作模式。

圖1 兩種觸摸屏搜索界面

2)優化風格GUI:優化風格GUI設計重點考慮節能因素并兼顧操作及運行效率，使用了前面所述的節能優化方案，希望能夠實現節能高效的目的，同時顧及到美觀和易用性。主要優化如下:

減少像素變化，減少非必須的圖片使用及色彩效果，圖片鏈接采用文本鏈接代替。

使用低功耗圖樣，利用對能量消耗比較少的顏色樣式，如黑色和藍色，同時考慮到用戶的可見度。使用對比強烈的(如黑白色)的文字信息，減少用戶對操作按鈕的識別時間，從而減少人機交互時間。

使用手勢軌跡操作代替菜單操作，提高效率。

優化內容安排，最常用的按鈕和超鏈接在合理的范圍內越大越好，這樣可以吸引用戶的注意力;同時彼此保持一定距離，可以使用戶更加容易用手指點擊;但應該保持一定的緊湊感，這樣可以減少用戶點擊時移動的距離。

4 節能優化設計的驗證

驗證平臺是摩托羅拉ME525型智能手機一部，該手機屏幕為1600萬色TFT電容觸摸屏，分辨率480×854，運行系統為Android 2.3。另有計時表一個。

實驗分為兩組:第一組實驗用來驗證不同GUI的使用時間，第二組實驗用來驗證不同GUI的待機時間。具體方法如下:

第一組實驗:先將手機充滿電(充電器充滿燈亮)，取消手機本身的節能待機功能。打開傳統風格GUI，然后按以下步驟操作:

(1)在搜索框內輸入單詞“Computer”，按第一個按鈕進行搜索，保存打開的搜索界面。

(2)返回初始界面，在搜索框內輸入單詞“Computer”，按其他按鈕進行搜索，保存打開的搜索界面，直到所有的按鈕都使用過。

(3)返回初始界面，點擊鏈接切換其他搜索引擎，重復(1)(2)步驟，直到所有搜索引擎都被切換一遍。

(4)如果上述步驟都完成，將手機放回桌面不動。

(5)每半小時重復上述步驟，直到手機提示電量低為止。記錄下開始使用到提示電量低所用的時間。然后再充滿電，進行節能風格GUI的實驗。

在步驟(2)(3)中，傳統風格GUI的“返回初始界面”和“保存打開的搜索界面”是通過菜單操作完成的，前者通過“菜單-操作-返回”完成，后者通過“菜單-操作-保存”完成;節能風格GUI是通過手勢軌跡實現的，前者手指從右向左滑動，后者手指畫一個圓圈。

第二組實驗:先將手機充滿電(充電器充滿燈亮)，取消手機本身的節能待機功能。打開傳統風格GUI，然后將手機放置在桌面不動，直到手機提示電量低為止。記錄下開始使用到提示電量低所用的時間。然后再充滿電，進行節能風格GUI的實驗。

整個實驗進行了5次，實驗結果如圖2和3所示，橫軸表示實驗編號，縱軸表示時間，單位為小時。

圖2 第一組實驗結果

圖3 第二組實驗結果

圖2是第一組實驗結果，用來驗證不同GUI界面的使用時間。圖3是第二組實驗結果，用來驗證不同GUI界面的待機時間。定義能耗節省百分比為:

這樣，兩組實驗的能耗節省百分比如表1所示。

表1 兩組實驗的能耗節省百分比(%)

兩組實驗的結果表明，節能風格GUI明顯比傳統風格GUI使用時間更長，初步驗證了前面所述的節能優化設計思路是正確的。

此外，總體上第一組實驗能耗節省百分比比第二組實驗能耗節省百分比數值大。說明GUI在使用的時候(比如，輸入文字、點觸按鈕、屏幕變化等)比不使用的時候更加能夠節省能耗。這一點是因為在使用的時候，GUI被激活，優化方案發揮效果，使得節能作用更加明顯。

5 結束語

觸摸屏手機已經成為當前手機發展的趨勢，但是電池使用時間問題一直是困擾用戶體驗的一個難題。基于此目的，主要研究了基于觸摸屏手機GUI的節能優化方案。根據智能手機上應用程序的3種分類，研究了2個方面的節能優化方案。根據驗證結果顯示，節能優化方案是有一定可行性的。

［1］ Bruce Nordman.What the Real World Tells Us about Saving Energy in Electronics［EB/OL］.USA:Lawrence Berkeley National Laboratory，2009:12-13.

［2］ Amy Karlson，Benjamin B.Bederson.ThumbSpace:Generalized One-Handed Input for Touchscreen-Based Mobile Devices［C］.Proceedings of the 11th IFIP TC13 International Conference，Rio de Janeiro，2007:325-327.

［3］ Lin Zhong，Niraj K.Jha.Graphical User Interface Energy Characterization for Handheld Computers［C］.Proceedings of the 2003 international conference on compilers，architecture and synthesis for embedded systems，New York，2003:232-242.

［4］ CNNIC.第28次中國互聯網絡發展狀況統計報告［EB/OL］.http://www.cnnic.net.cn/dtygg/dtgg/201107/t20110719_22132.html.

［5］ Keith S.Vallerio，Lin Zhong，Niraj K.Jha.Energy-Efficient Graphical User Interface Design［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2006(5):238-240.