人機(jī)交互技術(shù) 課件3人機(jī)交互模型

人機(jī)交互技術(shù)第一章

人機(jī)交互概述人機(jī)交互模型人機(jī)交互框架模型

在人機(jī)交互領(lǐng)域的模型研究方面，較早提出的一個(gè)有影響的模型是Norman的執(zhí)行-評(píng)估循環(huán)模型。Norman將人機(jī)交互過程分為執(zhí)行和評(píng)估兩個(gè)階段，其中包括建立目標(biāo)、形成意圖、動(dòng)作描述、執(zhí)行動(dòng)作、理解系統(tǒng)狀態(tài)、解釋系統(tǒng)狀態(tài)與根據(jù)目標(biāo)和意圖評(píng)估系統(tǒng)的狀態(tài)七個(gè)步驟。修正后的Norman模型

Abowd和Beale在1991年修正了Norman模型，這個(gè)模型為了同時(shí)反映交互系統(tǒng)中用戶和系統(tǒng)的特征，將交互分為系統(tǒng)、用戶、輸入和輸出四個(gè)部分一個(gè)交互周期中有目標(biāo)建立、執(zhí)行、表示和觀察四個(gè)階段，圖中每一個(gè)有向弧線表示了這四個(gè)階段，每一個(gè)階段對(duì)應(yīng)著一中描述語言到另一種描述語言的翻譯過程。一個(gè)交互周期以用戶的目標(biāo)建立階段開始。

人機(jī)界面模型

人機(jī)界面模型是人機(jī)界面軟件的程序框架，它從理論上和總體上描述了用戶和計(jì)算機(jī)的交互活動(dòng)。隨著人機(jī)界面功能的增長(zhǎng)，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)也變得復(fù)雜，交互式應(yīng)用系統(tǒng)中界面代碼占70%以上。人機(jī)界面模型主要任務(wù)有任務(wù)分析模型、對(duì)話控制模型、結(jié)構(gòu)模型和面向?qū)ο竽Ｐ偷取?/p>

任務(wù)分析模型基于所要求的系統(tǒng)功能進(jìn)行用戶和系統(tǒng)活動(dòng)的描述和分析；對(duì)話控制模型用于描述人機(jī)交互過程的時(shí)間和邏輯序列，即描述人機(jī)交互過程的動(dòng)態(tài)行為過程；結(jié)構(gòu)模型從交互系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)來描述人機(jī)界面的構(gòu)成部件，它把人機(jī)交互中的各因素，如提示符、錯(cuò)誤信息、光標(biāo)移動(dòng)、用戶輸入、確認(rèn)、圖形、文本等有機(jī)地組織起來；面向?qū)ο竽Ｐ褪菫橹С种苯硬倏v的圖形用戶界面而發(fā)展起來的，它可以把人機(jī)界面中的顯示和交互組合成一體作為一個(gè)基本的對(duì)象，也可以把顯示和交互分離為兩類對(duì)象，建立起相應(yīng)的面向?qū)ο竽Ｐ汀?/p>

人機(jī)界面結(jié)構(gòu)模型

Seeheim模型

Seeheim模型是一種界面和應(yīng)用明確分離的軟件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)于1985年在德國(guó)的Seeheim舉行的國(guó)際人機(jī)界面管理系統(tǒng)研討會(huì)上首先提出。該模型分為應(yīng)用接口部件、對(duì)話控制部件和表示部件三個(gè)部件。

Arch模型

Arch模型是1992年在Seeheim模型基礎(chǔ)上提出來的。由領(lǐng)域特定部件、領(lǐng)域適配部件、對(duì)話部件、表示部件和交互工具箱部件五部分組成。

對(duì)話部件：負(fù)責(zé)任務(wù)排隊(duì)，領(lǐng)域適配器部件是協(xié)調(diào)對(duì)話部件和領(lǐng)域特定部件之間的通訊。

交互工具箱部件：是實(shí)現(xiàn)與終端用戶的物理交互，表示部件是協(xié)調(diào)對(duì)話部件和交互工具箱部件之間的通訊。

領(lǐng)域特定部件：是控制、操作及檢索與領(lǐng)域有關(guān)的數(shù)據(jù)。

面向?qū)ο蟮挠脩艚缑娼换ツＰ统Ｒ姷拿嫦驅(qū)ο蟮挠脩艚缑娼换ツＰ桶∕VC模型、PAC模型、PAC-Amodeus模型、LIM模型和YORK模型等：

MVC模型PAC模型

MVC模型是1983年提出的面向?qū)ο蟮慕换ナ较到y(tǒng)概念模型，該模型是在Smalltalk編程語言環(huán)境下提出來的。由控制器、視圖和模型三類對(duì)象組成。

模型：表示應(yīng)用對(duì)象的狀態(tài)屬性和行為。

視圖：負(fù)責(zé)對(duì)象的可視屬性描述。

控制器：是處理用戶的輸入行為并給控制器發(fā)送事件。

優(yōu)點(diǎn)：（1）可以為一個(gè)模型在運(yùn)行時(shí)同時(shí)建立和使用多個(gè)視圖。（2）視圖與控制器的可接插性，允許更換視圖和控制器對(duì)象，而且可以根據(jù)需求動(dòng)態(tài)的打開或關(guān)閉、甚至在運(yùn)行期間進(jìn)行對(duì)象替換。（3）模型的可移植性，因?yàn)槟Ｐ褪仟?dú)立于視圖的，所以可以把一個(gè)模型獨(dú)立地移植到新的平臺(tái)工作。MVC的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)缺點(diǎn)：（1）增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。對(duì)于簡(jiǎn)單的界面，嚴(yán)格遵循MVC，使模型、視圖與控制器分離，會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并可能產(chǎn)生過多的更新操作，降低運(yùn)行效率。（2）視圖與控制器間過于緊密連接。視圖與控制器是相互分離但又卻是聯(lián)系緊密的部件，如果視圖沒有控制器的存在，其應(yīng)用是很有限的。（3）視圖對(duì)模型數(shù)據(jù)的低效率訪問。依據(jù)模型操作接口的不同，視圖可能需要對(duì)此調(diào)用才能獲得足夠的顯示數(shù)據(jù)。PAC模型是Coutaz于1987年提出的一種叫做多智能體的交互式系統(tǒng)概念模型。PCA模型PAC模型和MVC模型之間有四個(gè)重要的區(qū)別:

（1）PAC模型Agent將應(yīng)用功能與陳述、輸入和輸出行為封裝在一個(gè)對(duì)象中。

（2）PAC模型用一個(gè)獨(dú)立的控制器來保持應(yīng)用語義用戶界面之間的一致性。

（3）PAC模型沒有基于任何一種編程環(huán)境。

（4）PAC模型將控制器獨(dú)立出來，更加符合UIMS的設(shè)計(jì)思想，可以用來表示用戶界面不同的功能部分。

用戶概念模型

用戶概念模型：是一種用戶能夠理解的系統(tǒng)描述，它使用一組集成的構(gòu)思和概念，描述系統(tǒng)應(yīng)該做什么、如何運(yùn)作、外觀如何等。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是建立明確的、具體的概念模型。概念模型可以分為基于活動(dòng)的概念模型和基于對(duì)象的概念模型兩大類。

基于活動(dòng)的概念模型

指示類模型：描述的是用戶通過指示系統(tǒng)應(yīng)該做什么來完成自己的任務(wù)，例如，用戶可向某個(gè)系統(tǒng)發(fā)出指示，要求打印文件。在Windows和其他GUI系統(tǒng)中，用戶則使用控制鍵，或者鼠標(biāo)選擇菜單項(xiàng)來發(fā)出指令。指示類型或者支持快速、有效的交互，因此，特別適合于重復(fù)性的活動(dòng)，用于操作多個(gè)對(duì)象。

對(duì)話模型的概念模型：是基于“人與系統(tǒng)的對(duì)話”模式設(shè)計(jì)的，它與“指示”類型的模型不同?！皩?duì)話”是一個(gè)雙向的通信過程，其系統(tǒng)更像是一個(gè)交互伙伴，而不僅僅是執(zhí)行命令的機(jī)器，最適合用于那些用戶系用查找特定類型的信息，或者系統(tǒng)討論問題的應(yīng)用。實(shí)際的“對(duì)話”方式可采用各種形式，如電話銀行、訂票、搜索引擎和援助系統(tǒng)。

操作與導(dǎo)航概念模型：利用用戶在現(xiàn)實(shí)世界中積累的知識(shí)來操作對(duì)象或穿越某個(gè)虛擬空間。例如，用戶通過移動(dòng)、選擇、打開、關(guān)閉、縮放等方式來操作虛擬對(duì)象。也可以使用這些活動(dòng)的擴(kuò)展方式，即現(xiàn)實(shí)世界中不可能的方式來操作對(duì)象或穿越虛擬空間，例如，有些虛擬世界允許用戶控制自身的移動(dòng)，或允許一個(gè)物體變成另一個(gè)物體。

搜索與瀏覽概念模型：搜索與瀏覽概念模型的思想是使用媒體去發(fā)掘和瀏覽信息，網(wǎng)頁和電子商務(wù)網(wǎng)站都是基于這個(gè)概念模型的應(yīng)用?；趯?duì)象的概念模型

對(duì)象類型的概念模型是基于對(duì)象的模型。這類模型要更為具體，側(cè)重于特定對(duì)象在特定環(huán)境中的使用方式，通常是對(duì)物理世界的模擬。例如，“電子表格”就是一個(gè)非常成功的基于對(duì)象的概念模型?；趯?duì)象的概念模型有“界面比擬”和“交互范型”。

“界面比擬”是采用比擬的方法將交互界面的概念模型與某個(gè)（或某些）物理實(shí)體之間存在著的某些方面的相似性體現(xiàn)在交互界面設(shè)計(jì)中。“界面比擬”將人們的習(xí)慣或熟知的事物同交互界面中的新概念結(jié)合起來，“桌面”和“電子表格”既可以歸類為基于對(duì)象的概念模型，同時(shí)也是界面比擬的例子。

交互范型（InteractionParadigm）是人們?cè)跇?gòu)思交互設(shè)計(jì)時(shí)的某種主導(dǎo)思想或思考方式。交互設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主要交互范型就是開發(fā)桌面應(yīng)用——面向監(jiān)視器、鍵盤和鼠標(biāo)的單用戶使用等。隨著無線、移動(dòng)技術(shù)和手持設(shè)備的出現(xiàn)，已開發(fā)出各種新的交互范型。這些交互范型已經(jīng)“超越桌面”。如無處不在的計(jì)算技術(shù)，滲透性計(jì)算技術(shù)、可穿戴的計(jì)算技術(shù)、物理/虛擬環(huán)境集成技術(shù)等等。GOMS預(yù)測(cè)模型

目標(biāo)操作方法和選擇行為模型（GoalOperatorMethodSelection，GOMS）是人機(jī)交互領(lǐng)域最著名的預(yù)測(cè)模型，是用于分析交互系統(tǒng)中用戶復(fù)雜性的建模技術(shù)，主要被軟件設(shè)計(jì)者用于建立用戶行為模型。它采用“分而治之”的思想，將一個(gè)任務(wù)進(jìn)行多層次的細(xì)化，通過目標(biāo)（Goal）、操作（Operator）、方法（Method）以及選擇規(guī)則（Selectionrule）四個(gè)元素來描述用戶行為。GOMS模型

目標(biāo)是用戶執(zhí)行任務(wù)最終想要得到的結(jié)果。它可以在不用的抽象層次中定義。如“編輯一篇文章”，高層次的目標(biāo)可以定義為“編輯文章”，低層次的目標(biāo)可以定義為“刪除字符”，一個(gè)高層次的目標(biāo)可以分解為若干個(gè)低層次目標(biāo)。

操作是任務(wù)分析到最底層時(shí)的行為，是用戶為了完成任務(wù)所必須執(zhí)行的基本動(dòng)作，如雙擊鼠標(biāo)左鍵、按下回車等。在GOMS模型中它們是原子動(dòng)作，不能再被分解。一般情況下，假設(shè)用戶執(zhí)行每個(gè)動(dòng)作需要一個(gè)固定的時(shí)間，并且這個(gè)時(shí)間間隔是與上下文無關(guān)的，如點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)按鍵需要0.20秒的執(zhí)行時(shí)間，即操作花費(fèi)的時(shí)間與用戶正在完成什么樣的任務(wù)或當(dāng)前的操作環(huán)境沒有關(guān)系。

方法是描述如何完成目標(biāo)的過程。一個(gè)方法本質(zhì)上來說是一個(gè)內(nèi)部算法，用來確定子目標(biāo)序列及完成目標(biāo)所需要的操作。如在Windows操作系統(tǒng)下關(guān)閉一個(gè)窗口有三種方法：可以從菜單中選擇CLOSE菜單項(xiàng)，可以使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊右上角的“X”按鈕，也可以按ALT+F4。在GOMS中，這三個(gè)子目標(biāo)的分解分別稱為MOUSE-CLOSE方法和F4方法。圖給出GOMS模型中關(guān)閉窗口這一目標(biāo)的方法描述。關(guān)閉窗口行為描述實(shí)例

選擇規(guī)則是用戶要遵守的判定規(guī)則，是已確定在特定環(huán)境下所使用的方法。當(dāng)有多個(gè)方法可供選擇時(shí)，GOMS中并不認(rèn)為這是一個(gè)隨機(jī)的選擇，而是盡量預(yù)測(cè)可能會(huì)使用哪個(gè)方法，這就需要根據(jù)特定用戶、系統(tǒng)狀態(tài)、目標(biāo)細(xì)節(jié)來預(yù)測(cè)。CMOS模型GOMS模型的應(yīng)用：（1）選出最高層的用戶目標(biāo)。實(shí)例中EDITING任務(wù)的最高層目標(biāo)是EDIT-MANUSCRIPT。（2）寫出具體的完成目標(biāo)的方法，即激活子目標(biāo)。實(shí)例中EDIT-MANUSCRIPT的方法是完成目標(biāo)EDIT-UNIT-TASK，這也同時(shí)激活了子目標(biāo)EDIT-UNIT-TASK。（3）寫出子目標(biāo)的方法。這是一個(gè)遞歸的過程，一直分解到最底層操作時(shí)停止。從實(shí)例的層次描述中可以了解到如何通過目標(biāo)分解的遞歸調(diào)用獲得子目標(biāo)的方法，如目標(biāo)EDIT-UNIT-TASK分解為ACQUIRE-UNIT-TASK和EXECUTE-NUIT-TASK兩個(gè)子目標(biāo)，并通過順序執(zhí)行這兩個(gè)子目標(biāo)的方法完成目標(biāo)EDIT-UNIT-TASK。然后通過遞歸調(diào)用，又得到了完成目標(biāo)ACQUIRE-UNIT-TASK的操作序列，這樣這層目標(biāo)也就分解結(jié)束；而目標(biāo)EXECUTE-NUIT-TASK又得到了子目標(biāo)序列，因此還需要進(jìn)一步分解，直到全部成為操作序列為止。

基建層次模型

擊鍵層次模型（KLM）可對(duì)用戶執(zhí)行情況進(jìn)行量化預(yù)測(cè)，能夠比較使用不同策略完成任務(wù)的時(shí)間。量化預(yù)測(cè)的主要好處是便于比較不同的系統(tǒng)，以確定何種方案能最有效地支持特定任務(wù)。擊鍵層次模型的內(nèi)容

Card等人在KLM模型上施加的約束是KLM模型只能應(yīng)用到一個(gè)給定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和一項(xiàng)給定的任務(wù)。同時(shí)，與GOMS模型類似，KLM的應(yīng)用要求任務(wù)執(zhí)行過程中不出現(xiàn)差錯(cuò)，并且完成任務(wù)的方法事先已經(jīng)確定。也就是說，KLM能夠用來預(yù)計(jì)任務(wù)差錯(cuò)執(zhí)行的時(shí)間。KLM模型由操作符、編碼方法、放置M操作符的啟發(fā)規(guī)則組成。擊鍵層次模型的局限型

正如Card等人的初衷，KLM模型高度關(guān)注人機(jī)交互方面，其目的是為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)的時(shí)間進(jìn)行建模。但KLM沒有考慮到錯(cuò)誤、學(xué)習(xí)型、功能性、回憶、專注程度、疲勞、可接受性等問題。不過Card等人也指出，雖然KLM模型沒有考慮用戶出錯(cuò)的情況，但是如果知道彌補(bǔ)方法，KLM模型同樣可以預(yù)測(cè)執(zhí)行彌補(bǔ)任務(wù)的時(shí)間。

動(dòng)態(tài)特性建模

狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)

狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)（StateTransitionNetwork，STN）用于描述用戶和系統(tǒng)之間的對(duì)話已經(jīng)有很多年的歷史，它的第一次使用可以追溯到20世紀(jì)60年代后期，在20世紀(jì)70年代后期開發(fā)為一種工具。STN可被用于探討菜單、圖標(biāo)和工具條等屏幕元素，還可以展示對(duì)外圍設(shè)備的操作。狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)最常用的形式是狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（StateTransitionDiagram，STD）。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是有向圖，圖中的節(jié)點(diǎn)表示系統(tǒng)的各種狀態(tài)，圖中的邊表示狀態(tài)之間可能的轉(zhuǎn)移。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖示例

事件1使用戶從狀態(tài)1到狀態(tài)2，事件4使用戶從狀態(tài)3’到狀態(tài)2’。STN還可以表示手柄、鼠標(biāo)等外圍設(shè)備的操作。這樣可以幫助設(shè)計(jì)者確定的設(shè)備在應(yīng)用中是否合適，還可以指導(dǎo)用于新型界面的指點(diǎn)設(shè)備的開發(fā)。

三態(tài)模型

三態(tài)模型能夠揭示設(shè)備固有的狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。交互設(shè)計(jì)者使用設(shè)備的三態(tài)模型幫助確定任務(wù)和設(shè)備的相互關(guān)系，并為特定的交互設(shè)計(jì)選擇合適的I/O設(shè)備，不具有特定任務(wù)所需的狀態(tài)的設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中的初期就被排除在外。

指點(diǎn)設(shè)備可以使用被稱為三態(tài)模型的特殊STN圖來表示所具有的特殊狀態(tài)，即跟蹤運(yùn)動(dòng)、拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)和無反饋運(yùn)動(dòng)。其