人机交互基础教程第1章

第一章绪论任课教师：荣乾课程安排总学时 48 理论学时 32 实践学时 16授课时间：从第三周到第十二周课程目的和任务 目的:研究“以人为本”的人机交互技术，设计优秀人机交互界面。任务：通过学习认知心理学和人机工程学，建立正确的认识论和方法论，通过设计具体的技术方案并加以实施来理解和掌握在人机交互与界面设计中的各个方面的知识与技能，并灵活运用，更好的培养实践能力。

人机交互的概念人机交互的研究内容人机交互的发展历史人机交互的应用人机交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是关于设计、评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面的主要现象进行研究的科学（ACMSIGCHI，1992，第6页）当前人机交互技术的比计算机硬件和软件技术的发展要滞后很多。人机交互的主要方式没有发生明显变化。人机交互技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题。例如，美国二十一世纪信息技术计划中的基础研究内容定为四项，即软件、人机界面、网络、高性能计算。人机交互概念有广义和狭义的区别广义上讲，人机交互以实现自然、高效、和谐的人机关系为目的，研究开发新的人机交互设备、技术和理论，以实现无处不在计算（普适计算）环境下的以用户为中心的交互式计算机系统，使其能够增强人的创造力，解放人类的大脑、改善人与人之间的交流与协作人机交互从技术上讲（狭义的），主要是研究人与计算机之间的信息交换，它主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分人们如何借助键盘、鼠标、操纵杆、眼动跟踪器、位置跟踪器、数据手套、压力笔等设备，用手、脚、声音、姿势或身体的动作、眼睛甚至脑电波等向计算机传递信息计算机如何通过打印机、绘图仪、显示器、头盔式显示器（HMD）、音箱、力反馈等输出设备给人提供信息人机交互和人机界面是两个不同的概念人机交互是指用户与计算机系统之间的通信，它是人与计算机之间各种符号和动作的双向信息交换人机界面是指人类用户与计算机系统之间的通信媒体或手段，它是人机双向信息交换的支持软件和硬件这里“界面”定义为通信的媒体或手段，人机交互是通过一定的人机界面来实现的，在界面开发过程中，有时把它们作为同义词使用人机交互与人机界面人机交互是一门综合学科，与认知心理学、人机工程学、多媒体技术、虚拟现实密切相关。认知心理学研究人们如何获得外部世界信息，信息在人脑内如何表示并转化为知识，知识怎样存储又如何用来指导人们的注意和行为。将人看作是一个信息加工的系统，认知就是信息加工，包括感觉输入的编码、贮存和提取的全过程。涉及心理活动的全过程---从感觉到知觉、识别、注意、学习、记忆、概念的形成、思维、表象、回忆、语言、情绪发展和过程。了解认知心理学原理可以指导人们进行人机交互界面设计。人机工程学把人—机—环境系统作为研究的基本对象，运用生理学、心理学和其它有关学科知识，根据人和机器的条件和特点，合理分配人和机器承担的操作职能，并使之相互适应，从而为人创造出舒适和安全的工作环境，使工效达到最优的一门综合性学科。多媒体技术是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息集成在一起的技术。动画、音频、视频等动态媒体，大大丰富了计算机表现信息的形式，提高了用户接受信息的效率。多媒体带来的信息冗余性还可以消除人机通信过程中的歧义性。多通道（视线、语音、表情等）人机交互研究的兴起，将进一步提高计算机的信息识别、理解能力，提高人机交互的效率和用户友好性，将人机交互技术和用户界面设计引向更高的境界。虚拟现实技术虚拟现实技术是借助于计算机技术及硬件设备，建立具有高度真实感的虚拟环境，使人们通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等感官在其中看、听、触、闻起来像真实的，以产生身临其境的感觉的一种技术。自然和谐的交互方式是虚拟现实技术的一个重要研究内容，其目的是使人能以声音、动作、表情等自然方式与虚拟世界中的对象进行交互。增强现实技术把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验,这种技术叫做增强现实技术,简称AR技术。

人机交互界面表示模型与设计方法（ModelandMethodology）一个交互界面的好坏，直接影响到软件开发的成败。友好人机交互界面的开发离不开好的交互模型与设计方法。因此，研究人机交互界面的表示模型与设计方法，是人机交互的重要研究内容之一。可用性分析与评估（UsabilityandEvaluation）可用性是人机交互系统的重要内容，它关系到人机交互能否达到用户期待的目标，以及实现这一目标的效率与便捷性。人机交互系统的可用性分析与评估的研究主要涉及到支持可用性的设计原则和可用性的评估方法等。多通道交互技术（Multi-Modal）在多通道交互中，用户可以使用语音、手势、眼神、表情等自然的交互方式与计算机系统进行通信。多通道交互主要研究多通道交互界面的表示模型、多通道交互界面的评估方法以及多通道信息的融合等。认知与智能用户界面（IntelligentUserInterface，IUI）智能用户界面的最终目标是使人机交互和人－人交互一样自然、方便。上下文感知、眼动跟踪、手势识别、三维输入、语音识别、表情识别、手写识别、自然语言理解等都是认知与智能用户界面需要解决的重要问题。群件（Groupware）群件是指帮助群组协同工作的计算机支持的协作环境，主要涉及个人或群组间的信息传递、群组中的信息共享、业务过程自动化与协调，以及人和过程之间的交互活动等。目前与人机交互技术相关的研究主要包括：群件系统的体系结构、计算机支持交流与共享信息的方式、交流中的决策支持工具、应用程序共享以及同步实现方法等内容。Web设计（Web-Interaction）重点研究Web界面的信息交互模型和结构，Web界面设计的基本思想和原则，Web界面设计的工具和技术，以及Web界面设计的可用性分析与评估方法等内容。移动界面设计（MobileandUbicomp）移动计算（MobileComputing）、无处不在计算（UbiquitousComputing）等对人机交互技术提出了更高的要求，面向移动应用的界面设计问题已成为人机交互技术研究的一个重要应用领域。针对移动设备的便携性、位置不固定性和计算能力有限性以及无线网络的低带宽高延迟等诸多的限制，研究移动界面的设计方法，移动界面可用性与评估原则，移动界面导航技术，以及移动界面的实现技术和开发工具，是当前的人机交互技术的研究热点之一。人机交互的发展过程，也是人适应计算机到计算机不断地适应人的发展过程。它经历了几个阶段：图形用户界面自然和谐的交互命令行语言命令交互阶段计算机语言经历了由最初的机器语言，而后是汇编语言，直至高级语言的发展过程。这个过程也可以看作早期的人机交互的一个发展过程。图形用户界面（GUI）交互阶段图形用户界面（GraphicalUserInterface，GUI）的出现，使人机交互方式发生了巨大变化。GUI的主要特点是桌面隐喻、WIMP技术、直接操纵和“所见即所得”。桌面隐喻:指用户界面中用人们熟悉的桌面上的图例清楚地表示计算机可以处理的能力。所见即所得：在WYSIWYG交互界面中，其所显示的用户交互行为与应用程序最终产生的结果是一致的。WIMP：人机交互领域最普遍的电脑互动界面：包括视窗、图标、菜单、定位设备。直接操纵：指可以把操作的对象、属性、关系显式地表示出来，用光笔、鼠标、触摸屏或数据手套等指点设备直接从屏幕上获取形象化命令与数据的过程。与命令行界面相比，图形用户界面的人机交互自然性和效率都有较大的提高。图形用户界面很大程度上依赖于菜单选择和交互小组件（Widget）。图形用户界面给有经验的用户造成不方便，他们有时倾向使用命令键而不是选择菜单，且在输入信息时用户只能使用手这一种输入通道。图形用户界面需要占用较多的屏幕空间，并且难以表达和支持非空间性的抽象信息的交互。自然和谐的人机交互阶段随着虚拟现实、移动计算、无处不在计算等技术的飞速发展，自然和谐的人机交互方式得到了一定的发展。基于语音、手写体、姿势、视线跟踪、表情等输入手段的多通道交互是其主要特点，其目的是使人能以声音、动作、表情等自然方式进行交互操作。笔式交互设备语音交互设备视觉交互设备虚拟环境中的交互设备触觉交互设备人机界面发展中最有影响的事件和成果1963年发明鼠标器的美国斯坦福研究所的道格·恩格勒巴特，他预言鼠标器比其他输入设备都好，并在超文本系统、导航工具方面会有杰出的成果。10年后鼠标器经Xerox研究中心改进后，成为影响当代计算机使用的最重要成果。恩格尔巴特并没有因为他的发明而成为百万富翁、乃至亿万富翁。因为鼠标的发明是用美国政府的资金在斯坦福研究所完成的，所以鼠标的专利权属于政府。1998年，美国总统克林顿授予他国家技术奖章，表彰他为计算机应用做出的贡献。最早的鼠标的外形是一只小木头盒子，其工作原理是由它底部的小球带动枢轴转动，继而带动变阻器改变阻值来产生位移信号，并将信号传至主机。人机界面发展中最有影响的事件和成果1963年美国麻省理工学院的伊凡·苏泽兰开创了计算机图形学的新领域，此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，所以计算机图形学的建立具有重要的意义。他发明的Sketchpad是有史以来第一个交互式绘图程序，奠定了计算机图形学、GUI（图形界面）和CAD的基础。他还是虚拟现实技术的先驱，VLSI设计方面的大师。人机界面发展中最有影响的事件和成果1989年蒂姆·伯纳斯·李在日内瓦的CERN（欧洲原子核研究会）用HTML及HTTP开发了WWW网，随后出现了各种浏览器（网络用户界面），使因特网飞速发展起来。人机交互的发展趋势在未来的计算机系统中，将更加强调“以人为本”、“自然、和谐”的交互方式，以实现人机高效合作。概括的讲，新一代的人机交互技术的发展将主要围绕以下几个方面：1.

集成化人机交互将呈现出多样化、多通道交互的特点。桌面和非桌面界面，可见和不可见界面，二维与三维输入，直接与间接操纵，语音、手势、表情、眼动、唇动、头动、肢体姿势、触觉、嗅觉、味觉以及键盘、鼠标等交互手段将集成在一起，是新一代自然、高效的交互技术的一个发展方向。人机交互的发展趋势2.网络化无线互联网、移动通信网的快速发展，对人机交互技术提出了更高的要求。新一代的人机交互技术需要考虑在不同设备、不同网络、不同平台之间的无缝过渡和扩展，支持人们通过跨地域的网络（有线与无线、电信网与互联网等）在世界上任何地方用多种简单的自然方式进行人机交互，而且包括支持多个用户之间以协作的方式进行交互.人机交互的发展趋势3.智能化目前，用户使用键盘和鼠标等设备进行的交互输入都是精确的输入，但人们的动作或思想等往往并不很精确，人类语言本身也具有高度模糊性，人们在生活中常常习惯于使用大量的非精确的信息交流。因此，在人机交互中，使计算机更好地自动捕捉人的姿态、手势、语音和上下文等信息，了解人的意图，并做出合适的反馈或动作，提高交互活动的自然性和高效性，使人－机之间的交互像人－人交互一样自然、方便，是计算机科学家正在积极探索的新一代交互技术的一个重要内容。人机交互的发展趋势4.

标准化目前，在人机交互领域，ISO已正式发布了许多的国际标准，以指导产品设计、测试和可用性评估等。但人机交互标准的设定是一项长期而艰巨的任务，并随着社会需求的变化而不断变化。制造业位于法国Velizy城的汽车协同设计中心的标志雪铁龙（PSA）公司利用3DVIAVirtools技术作为工业仿真系统的整合平台，采用主动式立体Barco‘sI-Space5的CAVE洞穴式显示系统与BarcoCADWall被动式单通道立体投影系统，德国的A.R.T.光学跟踪系统以及Haption6D35-45和INCA力反馈系统，用于汽车设计的检视、虚拟装配与协同项目的检测等等。教育科研由伊利诺州大学芝加哥分校电子可视化实验室EVL和交互计算环境实验室CEL合作的叙事式沉浸的建设者及协同环境

(NarrativeImmersiveConstructionist/CollaborativeEnvironments)，简称NICE项目教育科研科视设计并安装的全沉浸式ChristieTotalVIEW™CAVE（图1-7），用于在威斯康星州Pier的密尔沃基举办的著名的DiscoveryWorld展览。这套被DiscoveryWorld称为“人机交互式虚拟教育”（HIVE）系统运用了3D投影显示技术——Mirage系列投影机，实现了的沉浸式3D环境，使参观者能够获得关于生活环境的“近似真实”体验。军事军事战略战术演练和培训领域是刺激交互技术发展的源动力，从早期的飞机驾驶员培训到今天的军事战略和战术演习仿真等。使用计算机仿真技术不仅降低成本而且可方便地改变环境和条件，适用于特殊，危险等环境。F-35是第一种在座舱里取消了平视显示器(HUD)的量产战斗机，F-35的飞行员将在其头盔综合显示器(HMD)面罩上的虚拟平显上读取所有数据。生活指纹识别和人脸表情识别技术广泛应用于人们日常生活的通信过程或者安全保护。生活苹果iPhone采用多种交互技术，其中在iPhone4s上搭载的Siri语音助手是一项具有特色的功能，通过语音交互来帮助人们更好的操控手机。文