人機(jī)交互基礎(chǔ)教程第1章

第一章緒論任課教師：榮乾課程安排總學(xué)時(shí) 48 理論學(xué)時(shí) 32 實(shí)踐學(xué)時(shí) 16授課時(shí)間：從第三周到第十二周課程目的和任務(wù) 目的:研究“以人為本”的人機(jī)交互技術(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)秀人機(jī)交互界面。任務(wù)：通過學(xué)習(xí)認(rèn)知心理學(xué)和人機(jī)工程學(xué)，建立正確的認(rèn)識論和方法論，通過設(shè)計(jì)具體的技術(shù)方案并加以實(shí)施來理解和掌握在人機(jī)交互與界面設(shè)計(jì)中的各個(gè)方面的知識與技能，并靈活運(yùn)用，更好的培養(yǎng)實(shí)踐能力。

人機(jī)交互的概念人機(jī)交互的研究內(nèi)容人機(jī)交互的發(fā)展歷史人機(jī)交互的應(yīng)用人機(jī)交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是關(guān)于設(shè)計(jì)、評價(jià)和實(shí)現(xiàn)供人們使用的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，且圍繞這些方面的主要現(xiàn)象進(jìn)行研究的科學(xué)（ACMSIGCHI，1992，第6頁）當(dāng)前人機(jī)交互技術(shù)的比計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展要滯后很多。人機(jī)交互的主要方式?jīng)]有發(fā)生明顯變化。人機(jī)交互技術(shù)是21世紀(jì)信息領(lǐng)域需要解決的重大課題。例如，美國二十一世紀(jì)信息技術(shù)計(jì)劃中的基礎(chǔ)研究內(nèi)容定為四項(xiàng)，即軟件、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算。人機(jī)交互概念有廣義和狹義的區(qū)別廣義上講，人機(jī)交互以實(shí)現(xiàn)自然、高效、和諧的人機(jī)關(guān)系為目的，研究開發(fā)新的人機(jī)交互設(shè)備、技術(shù)和理論，以實(shí)現(xiàn)無處不在計(jì)算（普適計(jì)算）環(huán)境下的以用戶為中心的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使其能夠增強(qiáng)人的創(chuàng)造力，解放人類的大腦、改善人與人之間的交流與協(xié)作人機(jī)交互從技術(shù)上講（狹義的），主要是研究人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換，它主要包括人到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)到人的信息交換兩部分人們?nèi)绾谓柚I盤、鼠標(biāo)、操縱桿、眼動(dòng)跟蹤器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、壓力筆等設(shè)備，用手、腳、聲音、姿勢或身體的動(dòng)作、眼睛甚至腦電波等向計(jì)算機(jī)傳遞信息計(jì)算機(jī)如何通過打印機(jī)、繪圖儀、顯示器、頭盔式顯示器（HMD）、音箱、力反饋等輸出設(shè)備給人提供信息人機(jī)交互和人機(jī)界面是兩個(gè)不同的概念人機(jī)交互是指用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信，它是人與計(jì)算機(jī)之間各種符號和動(dòng)作的雙向信息交換人機(jī)界面是指人類用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，它是人機(jī)雙向信息交換的支持軟件和硬件這里“界面”定義為通信的媒體或手段，人機(jī)交互是通過一定的人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)的，在界面開發(fā)過程中，有時(shí)把它們作為同義詞使用人機(jī)交互與人機(jī)界面人機(jī)交互是一門綜合學(xué)科，與認(rèn)知心理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)密切相關(guān)。認(rèn)知心理學(xué)研究人們?nèi)绾潍@得外部世界信息，信息在人腦內(nèi)如何表示并轉(zhuǎn)化為知識，知識怎樣存儲又如何用來指導(dǎo)人們的注意和行為。將人看作是一個(gè)信息加工的系統(tǒng)，認(rèn)知就是信息加工，包括感覺輸入的編碼、貯存和提取的全過程。涉及心理活動(dòng)的全過程---從感覺到知覺、識別、注意、學(xué)習(xí)、記憶、概念的形成、思維、表象、回憶、語言、情緒發(fā)展和過程。了解認(rèn)知心理學(xué)原理可以指導(dǎo)人們進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。人機(jī)工程學(xué)把人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)作為研究的基本對象，運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)和其它有關(guān)學(xué)科知識，根據(jù)人和機(jī)器的條件和特點(diǎn)，合理分配人和機(jī)器承擔(dān)的操作職能，并使之相互適應(yīng)，從而為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境，使工效達(dá)到最優(yōu)的一門綜合性學(xué)科。多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對文本、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫、視頻等多種信息集成在一起的技術(shù)。動(dòng)畫、音頻、視頻等動(dòng)態(tài)媒體，大大豐富了計(jì)算機(jī)表現(xiàn)信息的形式，提高了用戶接受信息的效率。多媒體帶來的信息冗余性還可以消除人機(jī)通信過程中的歧義性。多通道（視線、語音、表情等）人機(jī)交互研究的興起，將進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的信息識別、理解能力，提高人機(jī)交互的效率和用戶友好性，將人機(jī)交互技術(shù)和用戶界面設(shè)計(jì)引向更高的境界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)及硬件設(shè)備，建立具有高度真實(shí)感的虛擬環(huán)境，使人們通過視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等感官在其中看、聽、觸、聞起來像真實(shí)的，以產(chǎn)生身臨其境的感覺的一種技術(shù)。自然和諧的交互方式是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要研究內(nèi)容，其目的是使人能以聲音、動(dòng)作、表情等自然方式與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實(shí)世界被人類感官所感知,從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn),這種技術(shù)叫做增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),簡稱AR技術(shù)。

人機(jī)交互界面表示模型與設(shè)計(jì)方法（ModelandMethodology）一個(gè)交互界面的好壞，直接影響到軟件開發(fā)的成敗。友好人機(jī)交互界面的開發(fā)離不開好的交互模型與設(shè)計(jì)方法。因此，研究人機(jī)交互界面的表示模型與設(shè)計(jì)方法，是人機(jī)交互的重要研究內(nèi)容之一?？捎眯苑治雠c評估（UsabilityandEvaluation）可用性是人機(jī)交互系統(tǒng)的重要內(nèi)容，它關(guān)系到人機(jī)交互能否達(dá)到用戶期待的目標(biāo)，以及實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的效率與便捷性。人機(jī)交互系統(tǒng)的可用性分析與評估的研究主要涉及到支持可用性的設(shè)計(jì)原則和可用性的評估方法等。多通道交互技術(shù)（Multi-Modal）在多通道交互中，用戶可以使用語音、手勢、眼神、表情等自然的交互方式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。多通道交互主要研究多通道交互界面的表示模型、多通道交互界面的評估方法以及多通道信息的融合等。認(rèn)知與智能用戶界面（IntelligentUserInterface，IUI）智能用戶界面的最終目標(biāo)是使人機(jī)交互和人－人交互一樣自然、方便。上下文感知、眼動(dòng)跟蹤、手勢識別、三維輸入、語音識別、表情識別、手寫識別、自然語言理解等都是認(rèn)知與智能用戶界面需要解決的重要問題。群件（Groupware）群件是指幫助群組協(xié)同工作的計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作環(huán)境，主要涉及個(gè)人或群組間的信息傳遞、群組中的信息共享、業(yè)務(wù)過程自動(dòng)化與協(xié)調(diào)，以及人和過程之間的交互活動(dòng)等。目前與人機(jī)交互技術(shù)相關(guān)的研究主要包括：群件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)支持交流與共享信息的方式、交流中的決策支持工具、應(yīng)用程序共享以及同步實(shí)現(xiàn)方法等內(nèi)容。Web設(shè)計(jì)（Web-Interaction）重點(diǎn)研究Web界面的信息交互模型和結(jié)構(gòu)，Web界面設(shè)計(jì)的基本思想和原則，Web界面設(shè)計(jì)的工具和技術(shù)，以及Web界面設(shè)計(jì)的可用性分析與評估方法等內(nèi)容。移動(dòng)界面設(shè)計(jì)（MobileandUbicomp）移動(dòng)計(jì)算（MobileComputing）、無處不在計(jì)算（UbiquitousComputing）等對人機(jī)交互技術(shù)提出了更高的要求，面向移動(dòng)應(yīng)用的界面設(shè)計(jì)問題已成為人機(jī)交互技術(shù)研究的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。針對移動(dòng)設(shè)備的便攜性、位置不固定性和計(jì)算能力有限性以及無線網(wǎng)絡(luò)的低帶寬高延遲等諸多的限制，研究移動(dòng)界面的設(shè)計(jì)方法，移動(dòng)界面可用性與評估原則，移動(dòng)界面導(dǎo)航技術(shù)，以及移動(dòng)界面的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和開發(fā)工具，是當(dāng)前的人機(jī)交互技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。人機(jī)交互的發(fā)展過程，也是人適應(yīng)計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)不斷地適應(yīng)人的發(fā)展過程。它經(jīng)歷了幾個(gè)階段：圖形用戶界面自然和諧的交互命令行語言命令交互階段計(jì)算機(jī)語言經(jīng)歷了由最初的機(jī)器語言，而后是匯編語言，直至高級語言的發(fā)展過程。這個(gè)過程也可以看作早期的人機(jī)交互的一個(gè)發(fā)展過程。圖形用戶界面（GUI）交互階段圖形用戶界面（GraphicalUserInterface，GUI）的出現(xiàn)，使人機(jī)交互方式發(fā)生了巨大變化。GUI的主要特點(diǎn)是桌面隱喻、WIMP技術(shù)、直接操縱和“所見即所得”。桌面隱喻:指用戶界面中用人們熟悉的桌面上的圖例清楚地表示計(jì)算機(jī)可以處理的能力。所見即所得：在WYSIWYG交互界面中，其所顯示的用戶交互行為與應(yīng)用程序最終產(chǎn)生的結(jié)果是一致的。WIMP：人機(jī)交互領(lǐng)域最普遍的電腦互動(dòng)界面：包括視窗、圖標(biāo)、菜單、定位設(shè)備。直接操縱：指可以把操作的對象、屬性、關(guān)系顯式地表示出來，用光筆、鼠標(biāo)、觸摸屏或數(shù)據(jù)手套等指點(diǎn)設(shè)備直接從屏幕上獲取形象化命令與數(shù)據(jù)的過程。與命令行界面相比，圖形用戶界面的人機(jī)交互自然性和效率都有較大的提高。圖形用戶界面很大程度上依賴于菜單選擇和交互小組件（Widget）。圖形用戶界面給有經(jīng)驗(yàn)的用戶造成不方便，他們有時(shí)傾向使用命令鍵而不是選擇菜單，且在輸入信息時(shí)用戶只能使用手這一種輸入通道。圖形用戶界面需要占用較多的屏幕空間，并且難以表達(dá)和支持非空間性的抽象信息的交互。自然和諧的人機(jī)交互階段隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)計(jì)算、無處不在計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，自然和諧的人機(jī)交互方式得到了一定的發(fā)展?；谡Z音、手寫體、姿勢、視線跟蹤、表情等輸入手段的多通道交互是其主要特點(diǎn)，其目的是使人能以聲音、動(dòng)作、表情等自然方式進(jìn)行交互操作。筆式交互設(shè)備語音交互設(shè)備視覺交互設(shè)備虛擬環(huán)境中的交互設(shè)備觸覺交互設(shè)備人機(jī)界面發(fā)展中最有影響的事件和成果1963年發(fā)明鼠標(biāo)器的美國斯坦福研究所的道格·恩格勒巴特，他預(yù)言鼠標(biāo)器比其他輸入設(shè)備都好，并在超文本系統(tǒng)、導(dǎo)航工具方面會有杰出的成果。10年后鼠標(biāo)器經(jīng)Xerox研究中心改進(jìn)后，成為影響當(dāng)代計(jì)算機(jī)使用的最重要成果。恩格爾巴特并沒有因?yàn)樗陌l(fā)明而成為百萬富翁、乃至億萬富翁。因?yàn)槭髽?biāo)的發(fā)明是用美國政府的資金在斯坦福研究所完成的，所以鼠標(biāo)的專利權(quán)屬于政府。1998年，美國總統(tǒng)克林頓授予他國家技術(shù)獎(jiǎng)?wù)?，表彰他為?jì)算機(jī)應(yīng)用做出的貢獻(xiàn)。最早的鼠標(biāo)的外形是一只小木頭盒子，其工作原理是由它底部的小球帶動(dòng)樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)變阻器改變阻值來產(chǎn)生位移信號，并將信號傳至主機(jī)。人機(jī)界面發(fā)展中最有影響的事件和成果1963年美國麻省理工學(xué)院的伊凡·蘇澤蘭開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的新領(lǐng)域，此前的計(jì)算機(jī)主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的建立具有重要的意義。他發(fā)明的Sketchpad是有史以來第一個(gè)交互式繪圖程序，奠定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、GUI（圖形界面）和CAD的基礎(chǔ)。他還是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的先驅(qū)，VLSI設(shè)計(jì)方面的大師。人機(jī)界面發(fā)展中最有影響的事件和成果1989年蒂姆·伯納斯·李在日內(nèi)瓦的CERN（歐洲原子核研究會）用HTML及HTTP開發(fā)了WWW網(wǎng)，隨后出現(xiàn)了各種瀏覽器（網(wǎng)絡(luò)用戶界面），使因特網(wǎng)飛速發(fā)展起來。人機(jī)交互的發(fā)展趨勢在未來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，將更加強(qiáng)調(diào)“以人為本”、“自然、和諧”的交互方式，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)高效合作。概括的講，新一代的人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展將主要圍繞以下幾個(gè)方面：1.

集成化人機(jī)交互將呈現(xiàn)出多樣化、多通道交互的特點(diǎn)。桌面和非桌面界面，可見和不可見界面，二維與三維輸入，直接與間接操縱，語音、手勢、表情、眼動(dòng)、唇動(dòng)、頭動(dòng)、肢體姿勢、觸覺、嗅覺、味覺以及鍵盤、鼠標(biāo)等交互手段將集成在一起，是新一代自然、高效的交互技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。人機(jī)交互的發(fā)展趨勢2.網(wǎng)絡(luò)化無線互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的快速發(fā)展，對人機(jī)交互技術(shù)提出了更高的要求。新一代的人機(jī)交互技術(shù)需要考慮在不同設(shè)備、不同網(wǎng)絡(luò)、不同平臺之間的無縫過渡和擴(kuò)展，支持人們通過跨地域的網(wǎng)絡(luò)（有線與無線、電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等）在世界上任何地方用多種簡單的自然方式進(jìn)行人機(jī)交互，而且包括支持多個(gè)用戶之間以協(xié)作的方式進(jìn)行交互.人機(jī)交互的發(fā)展趨勢3.智能化目前，用戶使用鍵盤和鼠標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行的交互輸入都是精確的輸入，但人們的動(dòng)作或思想等往往并不很精確，人類語言本身也具有高度模糊性，人們在生活中常常習(xí)慣于使用大量的非精確的信息交流。因此，在人機(jī)交互中，使計(jì)算機(jī)更好地自動(dòng)捕捉人的姿態(tài)、手勢、語音和上下文等信息，了解人的意圖，并做出合適的反饋或動(dòng)作，提高交互活動(dòng)的自然性和高效性，使人－機(jī)之間的交互像人－人交互一樣自然、方便，是計(jì)算機(jī)科學(xué)家正在積極探索的新一代交互技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容。人機(jī)交互的發(fā)展趨勢4.

標(biāo)準(zhǔn)化目前，在人機(jī)交互領(lǐng)域，ISO已正式發(fā)布了許多的國際標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測試和可用性評估等。但人機(jī)交互標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)，并隨著社會需求的變化而不斷變化。制造業(yè)位于法國Velizy城的汽車協(xié)同設(shè)計(jì)中心的標(biāo)志雪鐵龍（PSA）公司利用3DVIAVirtools技術(shù)作為工業(yè)仿真系統(tǒng)的整合平臺，采用主動(dòng)式立體Barco‘sI-Space5的CAVE洞穴式顯示系統(tǒng)與BarcoCADWall被動(dòng)式單通道立體投影系統(tǒng)，德國的A.R.T.光學(xué)跟蹤系統(tǒng)以及Haption6D35-45和INCA力反饋系統(tǒng)，用于汽車設(shè)計(jì)的檢視、虛擬裝配與協(xié)同項(xiàng)目的檢測等等。教育科研由伊利諾州大學(xué)芝加哥分校電子可視化實(shí)驗(yàn)室EVL和交互計(jì)算環(huán)境實(shí)驗(yàn)室CEL合作的敘事式沉浸的建設(shè)者及協(xié)同環(huán)境

(NarrativeImmersiveConstructionist/CollaborativeEnvironments)，簡稱NICE項(xiàng)目教育科研科視設(shè)計(jì)并安裝的全沉浸式ChristieTotalVIEW?CAVE（圖1-7），用于在威斯康星州Pier的密爾沃基舉辦的著名的DiscoveryWorld展覽。這套被DiscoveryWorld稱為“人機(jī)交互式虛擬教育”（HIVE）系統(tǒng)運(yùn)用了3D投影顯示技術(shù)——Mirage系列投影機(jī)，實(shí)現(xiàn)了的沉浸式3D環(huán)境，使參觀者能夠獲得關(guān)于生活環(huán)境的“近似真實(shí)”體驗(yàn)。軍事軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)演練和培訓(xùn)領(lǐng)域是刺激交互技術(shù)發(fā)展的源動(dòng)力，從早期的飛機(jī)駕駛員培訓(xùn)到今天的軍事戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)演習(xí)仿真等。使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅降低成本而且可方便地改變環(huán)境和條件，適用于特殊，危險(xiǎn)等環(huán)境。F-35是第一種在座艙里取消了平視顯示器(HUD)的量產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)，F(xiàn)-35的飛行員將在其頭盔綜合顯示器(HMD)面罩上的虛擬平顯上讀取所有數(shù)據(jù)。生活指紋識別和人臉表情識別技術(shù)廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹耐ㄐ胚^程或者安全保護(hù)。生活蘋果iPhone采用多種交互技術(shù)，其中在iPhone4s上搭載的Siri語音助手是一項(xiàng)具有特色的功能，通過語音交互來幫助人們更好的操控手機(jī)。文