基于电子纸显示控制器的人机交互设计

1概述

电子纸显示屏是一种全新显示屏，具有功耗低、阅读舒适等优点。作为一种新型显示屏技术，电子纸显示屏催生了众多创新性移动应用，比如电子书、电子报纸、电子显示牌等。S1D13521是Epson公司和EInk公司2008年联合推出的一款电子纸显示控制器，具有多种全新特性，为EInk电子纸显示屏提供了强大的技术支持。如何充分利用S1D13521的特性，为新一代电子纸显示屏提供更佳的人机交互体验已成为一个有待研究与解决的问题。本文以津科V30型手持阅读器为实例，介绍一些实际开发中的设计经验和实现技术。

2S1D13521及开发平台

2.1S1D13521简介

S1D13521提供多种主机处理功能，极大地减轻了主机负载，提升了系统整体性能；支持2048×1536的分辨率(50Hz)，最大支持409096分辨率(低于50Hz)，支持32灰度级显示；支持多区域并行显示刷新，提高了电子纸显示屏的响应速度。使用这种控制器，电子纸显示屏最多可同时执行16个区域的局部擦写。显示屏响应速度的大幅提升使触摸屏式的用户交互方式成为可能，并带来响应式手写笔输入、下拉菜单等一系列新的应用。这一技术为提升电子纸用户界面体验提供了强大支持。

S1D13521系统结构如图1所示。S1D13521显示控制器在主机与电子纸显示屏之间，用于控制电子纸的显示刷新。

2.2S1D13521显示控制原理

电子纸显示屏具有独特的显示刷新机制。不同于CRT和TFT等显示屏的动态主动刷新方式，电子纸显示屏只有当数据更新时才会刷新，相对而言是一种静态被动刷新。

基于电子纸显示屏这种特性，S1D13521主要向上层提供2种功能，即贴图和刷屏。贴图功能是把内存中的一块区域复制到显存中；刷屏功能是把显存中的一块区域刷新到电子纸显示屏。刷屏分为全屏幕刷新和部分矩形区域的块刷新。块刷又可分为多级灰度块刷和黑白两级块刷，其中黑白两级块刷具有更高的响应速度。

2.3开发平台简介

本文的开发平台使用津科V30型手持阅读器。该设备采用S1D13521显示控制器，配置6英寸EInk电子纸显示屏，分辨率为600×800。本文程序运行于应用程序层，经底层驱动封装的S1D13521编程接口如下：

3电子纸人机交互设计

3.1电子纸人机交互结构模型

S1D13521大幅度提升了电子纸的响应速度，从而加速了显示屏对用户操作的反馈，使动态的视觉反馈效果成为可能。基于这种特性与优势，本文设计了一种控制-反馈人机交互结构模型，如图2所示。

模型中最核心的两部分是动态视觉反馈和触摸屏输入。通过简单的触摸屏操作手势，用户可以方便直观地操控设备；系统根据触摸屏输入及时给出动态视觉反馈，以指导用户操控；当用户得到反馈信息，随即根据感官获取而改变操控动作。这就是一个控制-反馈的循环过程，这一动态交互过程极大地提升了用户交互体验。

3.2操控手势及界面布局

基于上述模型，本文针对津科V30型手持阅读器设计了7种基本操控手势，并以此为基础设计了合理界面布局，如图3所示。

这种设计可以通过几种简单的操控手势实现所有阅读器的基本功能，很好地遵循了人机交互设计的一致性和界面简洁性原则；同时，通过动态视觉反馈给予用户及时响应，从而实现整个交互功能。

4电子纸人机交互实现

在电子纸人机交互的实现中，充分利用S1D13521的特性，对各种操作及时产生动态视觉反馈，可达到直观、易用的人机交互效果。

4.1简单动态反馈的实现

动态反馈的实现依赖于显示器快速刷屏响应，而S1D13521的一个重要特性就是可以加速块刷。相对于传统800ms的块刷时间，S1D13521可以把黑白两级块刷时间降为300ms。充分利用这一特性，可实现多种简单动态反馈效果。

实现的一般过程是，首先计算每一帧显示屏变化区域大小，然后调用快速块刷函数GrFastPartialPrint完成对变化区域的显示刷新，这样就能以3帧／s的速率实现动态效果。这一技术的关键是计算合适的块刷区域，从而保证有效的刷屏速度。

津科V30型阅读器人机交互的翻转、退出、撤销3种操作就是使用这一技术实现的。这里以退出操作的卷帘效果为例说明。退出操作是从阅读状态返回书架，当用户从屏幕上方下向下划动，书架随之以卷帘效果展开。图4展示了书架的卷帘效果及显示刷新过程。其中，框出区域为每帧块刷区域。

4.2即时响应动态交互的实现

为了增强人机交互的易用性和趣味性，需要进一步设计即时响应的动态反馈效果。这就要求，在使用快速块刷技术的基础上，综合运用几种针对电子纸的实现技巧。

4.2.1效果展示

津科V30型阅读器人机交互的翻页、跳页操作就是即时响应的动态交互。这里以翻页操作为例。图5展示了翻页操作，以三角形简单模拟翻起的页角，同时在翻起的区域显示下一页部分内容，翻起页角随用户触摸移动而变化，视觉即时响应触觉。

4.2.2实现技术

(1)即时响应的实现技术

用户触摸移动会触发MouseMove事件。即时响应要求对触发事件作及时处理，而电子纸块刷时间是300ms，其刷新速率无法跟上事件触发速度，所以即时响应实现的一个很重要策略是舍弃一部分MouseMove事件。每次在OnMouseMove事件处理函数中，刷屏后调用DropMouseEvent函数，从而在本次处理之后舍弃一小部分触发事件。DropMouseEvent函数实现如下：