基于机器视觉的非接触手势交互技术由于附着感低、侵入性弱、能够摆脱设备束缚等优点,被认为是最自然的人机交互技术,并逐步成为人机交互研究领域的重点方向之一。与传统的交互方式相比,手势交互具有更加自然的交互体验,但由于其开放、多变的交互空映射特性,使得该类型的交互方式存在不稳定、精度低等可用性问题,影响了手势交互的广泛应用。人机交互中的交互映射是指操作空间(Motor space or Control space)与视觉空间(Visual space or Display space)之间的空间关系。与传统接触式交互方式的交互映射相比,在基于机器视觉的手势交互过程中,用户无需局限在输入设备附近的空间,交互控制权不再是输入设备持有者独有,因此其交互映射不再是静态情景中人、任务和设备的一对一的关系,而是动态情景下多对多的关系。为了进一步提升手势交互的自然性,使人-机交互不断接近人-人交互的状态,实现以人为中心的人机交互,需要充分探究手势交互映射及其应用空间的物理、社会特性,深刻理解手势人机交互的复杂本质,探索用户在手势交互相关认知环境下的行为特征。本文作者在参与机器视觉手势交互技术的研究和开发基础上,针对机器视觉手势交互的应用场景,通过定性分析与定量测量相结合的研究方法,从理论分析到情景实验等多个方面对手势交互的交互映射特性及其与用户行为特点的关系进行了深入的研究,获得了以下研究进展:(1)用户映射模式偏好与舒适操作空间研究。映射模式决定了用户手势动作与交互命令之间的响应关系,而舒适的手势活动范围为以人为中心映射空间设计提供重要依据。手势的多样性使得研究人员可根据应用需求开发多种映射模式。本文从手势交互的技术特性、人体工程学以及认知心理学等多个角度分析手势交互空间映射模式的特征,结合手势交互的应用情景,根据用户操作行为与交互界面上下文的关联关系,提出用户映射模式偏好的研究方法,研究机器视觉手势交互中用户映射模式的偏好。另一方面,以用户操作表现为主要依据,结合人体工学相关知识,根据用户操作表现与操作范围的关联关系研究并确定用户舒适的手势交互操作空间范围。(2)手势交互点击精度的研究。点击精度反映了用户使用特定交互技术进行精细操作的能力,本文从交互舒适度的角度提出一种以用户为中心的手势交互点击精度,从运动神经学和信息科学的角度分析其内涵,并提出一种基于菲兹定律(Fitts’Law)的手势交互点击精度的研究方法,研究和评估用户在水平、垂直以及深度3个维度上的点击精度,构建用户手势交互点击精度与操作维度(水平、垂直、深度),任务幅度之间的关联关系。(3)交互空间多变性与用户交互表现关系研究。本文根据手势交互的技术实现过程,结合手势的主要应用场景特点,分析手势交互的完整映射过程,以及导致交互空间多变性的原因。根据分析结果,本文结合真实的交互情景,提出交互多变性与用户交互表现关系的研究方法,研究交互空间的多变性对用户对视觉空间认知的影响,以及用户与屏幕相对位置关系对用户客观交互行为的作用,并构建用户实际操作空间与有效空间的偏差与其客观操作表现的关联关系。(4)以用户为中心的映射方式研究与设计。本文结合上述的研究结果,提出一种以用户为中心的映射方式。该映射方式能够根据用户的交互习惯,调整映射比例,使人机交互所需的手部活动范围保持在舒适的操作范围,降低手势交互造成的疲劳度,同时保证交互的稳定性。本文通过定性分析与定量研究相结合的研究方法,利用理论分析和情景实验相结合的手段研究手势交互的映射特性及其与用户交互行为的内在联系,不但有助于深刻理解人机交互的复杂性,为实现以人为中心的手势交互技术供有效的理论指导,而且对于促进我国人机交互研究的开展,在理论探讨、研究方法以及实验手段等方面有重要的积极意义。此外,手势交互是一种面向开放交互空间的交互技术,研究该交互技术的交互映射有助于深刻理解用户在开放空间中进行人机交互时的行为特征,对于智能家居、数字家庭、可穿戴设备等空间智能中的人机交互技术研究有重要的借鉴意义。