第6章-人机界面设计课件

第六章人机交互界面设计

第六章人机交互界面设计1人机界面（Human-ComputerInterface，HCI）是计算机直接与人打交道的途径，是计算机系统的重要组成部分，它的开发工作量占系统开发工作量的40-60%。人机界面（Human-ComputerInterface26.1人机界面设计的历史、现状和未来

6.1.1人机界面设计的历史世界上第一台数字计算机ENIAC在1946年由美国宾夕法尼亚大学摩尔学院诞生当时人机界面的主要特点是由设计者本人（或同事）来使用计算机，他们采用手工操作的方法控制计算机。6.1人机界面设计的历史、现状和未来6.1.1人机界面设计36.1人机界面设计的历史、现状和未来

50年代中期，通用程序设计语言的出现，为计算机的广泛应用提供了极为重要的工具，也改善了人与计算机的交互。在人机界面上出现了用于多任务批处理的作业控制语言。1963年MIT成功开发了第一个分时系统CTSS，采用了多个终端和编辑程序。在出现交互显示终端后，广泛采用了“命令行”作业语言。典型例子:DOS,UNIX等特点:需记忆命令，易出错，输出单调，信息量少6.1人机界面设计的历史、现状和未来50年代中期，通用程序46.1人机界面设计的历史、现状和未来

80年代苹果公司首先将图形用户界面（GUI-GraphicsUserInterface）引入微机领域，推出的Macintosh以其全鼠标、下拉菜单操作和直观的图形界面，引发了微机人机界面的历史性的变革。微软公司推出了Windows系统，从Windows3.0发展到今天得Windows2003,使得GUI被应用于用户面更广的个人计算机平台。图形界面的特点是人们不需要去记忆和敲打繁琐的命令，只需要通过鼠标直接操纵界面。6.1人机界面设计的历史、现状和未来80年代苹果公司首先将56.1人机界面设计的历史、现状和未来

6.1.2人机界面的现状现阶段图形用户界面仍然是当前用户界面的主流，广泛应用于各档台式微机和图形工作站。比较成熟的商品化系统有Apple的Macintosh、IBM的PM（PresentationManager）、Microsoft的Windows和运行于Unix环境的X-Window、OpenLook和OSF/Motif等。当前各类图形用户界面的共同特点是以窗口管理系统为核心，使用键盘和鼠标器作为输入设备。窗口管理系统除基于可重叠多窗口管理技术外，广泛采用的另一核心技术是事件驱动（Event-Driven）技术。6.1人机界面设计的历史、现状和未来6.1.2人机界面的66.1人机界面设计的历史、现状和未来

6.1.3人机界面的未来1.多通道用户界面国外研究设计键盘、鼠标之外的输入通道主要是语音和自然语言、手势、书写和眼动方面。6.1人机界面设计的历史、现状和未来6.1.3人机界面的未7手写汉字识别中科院自动化所开发的“汉王笔”手写汉字识别系统，经过近20年的研究和开发，已能识别27000汉字，当用非草写汉字、以每分钟12个汉字的速度书写时，识别率可达99.8%。我国现在已约有300万手写汉字识别系统的用户。

手写汉字识别中科院自动化所开发的“汉王笔”手写汉字识别系统，8笔式交互技术在笔式交互技术研究中，中国科学院软件所人机交互技术与智能信息处理实验室在笔式交互软件开发平台、面向教学的笔式办公套件（包括课件制作、笔式授课、笔式数学公式计算器、笔式简谱制作等）、面向儿童的神笔马良系统的开发应用方面均有出色的工作，其中不少已经实用化、产品化。

笔式交互技术在笔式交互技术研究中，中国科学院软件所人机交互9基于笔的字处理EasyEditor基于笔的字处理EasyEditor10手写数学公式手写数学公式11中文语音识别IBM/ViaVoice连续中文语音识别系统经过不断改进，已广泛应用于Office/XP的中文版等办公软件和应用软件中，在中文语音识别领域有重要影响。中国科学院自动化所“汉语连续语音听写系统”的特点是建立了基于决策树的上下文相关模型；针对连续语音中声调之间的协同发音问题，建立了相应的变调模型；建立了与识别系统配套的自适应平台，降低35%左右音节误识率；提出了领域自适应方法，通过较少的领域语料，可得到较好的领域自适应模型和字典中文语音识别IBM/ViaVoice连续中文语音识别系统12手语识别和合成中国科学院计算所研制成功了基于多功能感知的中国手语识别与合成系统，它采用数据手套可识别大词汇量（5177个）的手语词。该系统建立了中国手语词库。对于给定文本句子(可由正常人话语转换而成)，自动合成相应的人体运动数据。最后用计算机人体动画技术，将运动数据应用于虚拟人，由虚拟人完成合成的手语运动。它可输出大词汇量的手语词，为中国聋哑人的教育、生活提供了有用的辅助工具，使他们用手语与正常人的交流成为可能。手语识别和合成中国科学院计算所研制成功了基于多功能感知的中13视线跟踪（眼动）技术视线跟踪（眼动）技术由于其可能代替键盘输入、鼠标移动的功能，可能达到“所视即所得”(WhatYouLookatisWhatYouGet),因而对残疾人和飞行员等使用有极大的吸引力。视线跟踪技术，一是研究高质量的眼动跟踪设备，二是如何构造易于操作的用户界面。眼动跟踪设备有强迫式与非强迫式、穿戴式与非穿戴式、接触式与非接触式之分。眼动跟踪设备的精度和对用户的限制和干扰是一对尖锐的矛盾。视线跟踪（眼动）技术视线跟踪（眼动）技术由于其可能代替键盘14视线跟踪（眼动）技术目前一类产品是采用头戴微型摄像头的设备，它用来获取两眼瞳孔（或角膜）中视点。其采样率、精度高，可靠。另一类是在PC机前装了两个微型摄像头的设备，精度不高，适合残疾人操作计算机使用。视线跟踪（眼动）技术目前一类产品是采用头戴微型摄像头的设备，15触觉通道的力反馈装置新一代力反馈感应技术主要有TouchSense触觉感应技术和G-ForceTilte动作感应技术两种。TouchSense触觉感应技术主要用在鼠标/轨迹球等产品中，而动作感应技术(G-ForceTilte)则主要用在动感游戏控制器中。用在非游戏的高精度触觉反馈装置中，最著名的是由MIT人工智能实验室MassieandSalisbury开发、美国SensAbleTechnologies公司生产的Phantom触觉反馈（6自由度）设备和Ghost软件开发包。由于高精度，它已广泛用于军事、医学、机器人、教学、虚拟现实等各类应用中。触觉通道的力反馈装置新一代力反馈感应技术主要有TouchS16

触觉通道的力反馈装置触觉通道的力反馈装置17生物特征识别技术生物特征识别技术(Biometrics)是受到广泛关注的一类新兴识别技术。早期通过对人的指纹识别来确定人的身份，因而指纹识别被广泛应用于安全、公安等部门。随着反恐斗争的日显重要，各国正在对其他人体特征进行广泛研究，希望尽快找到快速、准确、方便、廉价的身份识别方法。眼睛虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、人脸、DNA等的人类特征研究和开发正引起政府、企业、研究单位的广泛注意。生物特征识别技术生物特征识别技术(Biometrics)是受18唇读、人脸表情识别唇读、人脸表情识别是又一个人机交互技术的热点。唇读将人们说话的语音和嘴唇变化的形态结合起来，以便更准确地获取人们表达的意图、感情和愿望等。人脸表情识别的模型和方法也在不断改进。

唇读、人脸表情识别唇读、人脸表情识别是又一个人机交互技术的19自然语言理解自然语言理解始终是自然人机交互的最重要目标，虽然目前在语言模型、语料库、受限领域应用等方面均有进展外，由于它的难度（自然语言的不规范性等），自然语言理解仍是计算机科学家和语言学家的一个长项研究目标。自然语言理解自然语言理解始终是自然人机交互的最重要目标，虽然202.虚拟现实技术虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并在其中操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。2.虚拟现实技术虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能21虚拟现实是一种先进的人机界面，它通过给用户提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作。根据虚拟现实技术所应用的对象不同，其作用可表现为不同的形式。该技术的主要特征有以下几方面：虚拟现实是一种先进的人机界面，它通过给用户提供诸如视觉、听觉22多感知性（Multi-Sensory）——所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。浸没感（Immersion）——又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。交互性（Interactivity）——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。构想性（Imagination）——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。多感知性（Multi-Sensory）——所谓多感知是指除了23立体眼镜头盔式显示器（HMD）双目全方位监视器（BOOM）墙式显示屏的自动声像虚拟环境（CAVE）三维鼠标三维跟踪球三维游戏杆头动位置检测器数据手套数据衣服三维显示设备三维输入设备位置跟踪设备立体眼镜三维显示设备三维输入设备位置跟踪设备24三维扫描设备：有接触式和非接触式、手持和固定、不同精度之分，可按不同应用环境和精度要求来选取。为使用方便，非接触式三维手持激光扫描仪很受一般用户青睐。

触觉和力反馈装置：触觉和力反馈装置已经有大批不同价位的产品出现在市场，成为军事、医学、游戏等应用领域的新型交互设备。

三维扫描设备：有接触式和非接触式、手持和固定、不同精度之分，25虚拟现实和三维交互设备三维显示界面：多伦多大学和AliasWavefront公司合作研究的新三维显示界面，采用了新型的“真”三维Volumetric显示器。它不需要戴立体眼镜或戴上装有显示器的头盔，而是直接用肉眼看到真三维效果。虚拟现实和三维交互设备三维显示界面：多伦多大学和Alias266.2人类因素所谓“人的因素”有三层含义：人对感知过程的认识，包括视觉、阅读时的认知心理、记忆、归纳与演泽推理等；用户已有的技能和行为方式；用户所要求完成的整个任务以及用户对人机交互部分的特殊要求。6.2人类因素所谓“人的因素”有三层含义：276.2.1人类感知基础人通过感官认识客观世界，因此，设计人机界面要充分考虑视觉、触觉和听觉的作用，这样才能使用户有效地从系统获取信息，并存入人的记忆中，然后用归纳和演绎的方法进行推理。大多数人机界面都在可视介质上实现。用户从界面提取到的信息存入人脑中。人脑由一个短期记忆系统和一个长期记忆系统组成。大多数人遇到问题时并不进行形式的演绎和归纳推理，而是使用一组启发式策略。因此，设计人机界面时还应便于用户积累有关交互工作的经验，同时要注意这些启发式策略的一致性。6.2.1人类感知基础人通过感官认识客观世界，因此，设计人机286.2.2用户技巧设计人机界面时应该就用户技能对用户进行分类：1.新手用户2.平均用户（普通用户）3.专家用户4.偶然用户用户的类型并不是一成不变的。因此，要做用户特性测量，以帮助设计者选择适合于大多数用户使用的界面类型和支持级别。6.2.2用户技巧设计人机界面时应该就用户技能对用户进行分类29用户特性度量用户特性的度量与用户使用模式及观测到的用户群体能力有关。

用户使用的频度：即系统是否经常使用。

用户是否能够自由选用界面：所有的界面都应当是良好的。

用户对计算机的熟悉程度：对计算机的熟悉程度决定了要使用户达到熟练程度需要多少训练。用户特性度量用户特性的度量与用户使用模式及观测到的用户群体能30用户知识：有些用户已有相当多的计算机编程和操作的知识。他们需要一种灵活的可编程的或命令语言的界面。

用户思维能力：这是对用户的综合知识和智力的衡量。

用户的生理能力和技能：主要指人的视觉、听觉、认知及记忆等方面的特点。因此，应该在这一方面去收集信息。用户知识：有些用户已有相当多的计算机编程和操作的知识。他们需31用户群体的度量可以用打分的办法来简单地度量。

平均值反映了用户群体的平均特性。

标准偏差反映了用户群体的差异大小，主要用于判断用户界面对不同类型的用户的适应范围。用户群体的度量可以用打分的办法来简单地度量。32图书馆的计算机借阅系统由于图书馆的馆员将每天使用这个系统，因此他们使用系统的频度很高。他们以前几乎没有人使用过计算机，也没有人有自动化图书馆借阅系统和计算机系统的知识。他们的绝大多数的智力水平在中等以上。图书馆的计算机借阅系统由于图书馆的馆员将每天使用这个系统，因33用户特性表用户特性表346.2.3任务与用户的特殊要求用户要求人机界面能提供一个他早已熟悉，并感到亲切自然的环境。

尽管每个应用所要求的具体任务千差万别，但大致可分为下面几类：通信型任务：使信息从生产者传递到使用者的活动；对话型任务：使用户能指挥和控制与系统交互的活动；认知型任务：获得信息即可执行的活动，或与系统功能关联的活动；控制型任务：允许用户对信息及其他任务处理的顺序进行控制的活动。6.2.3任务与用户的特殊要求用户要求人机界面能提供一个他早356.3人机界面风格（1）就用户界面的具体形式而言，过去经历了批处理、联机终端（命令接口）、菜单等多通道——多媒体用户界面和虚拟现实系统。（2）就用户界面中信息载体类型而言，经历了以文本为主的字符用户界面（CUI）、以二维图形为主的图形用户界面（GUI）和多媒体用户界面，计算机与用户之间的通信带宽不断提高。（3）就计算机输出信息的形式而言，经历了以符号为主的字符命令语言、以视觉感知为主的图形用户界面、兼顾听觉感知的多媒体用户界面和综合运用多种感观（包括触觉等）的虚拟现实系统。6.3人机界面风格（1）就用户界面的具体形式而言，过去经历366.4人机界面设计过程

人机界面的设计过程可分为下面几个步骤：创建系统功能的外部模型；确定为完成此系统功能，人和计算机应分别完成的任务；考虑界面设计中的典型问题；借助CASE工具构造界面原型和最终实现设计模型；从质量的角度对界面进行评估。6.4人机界面设计过程人机界面的设计过程可分为下376.4.1界面设计的模型在人机界面的设计过程中先后涉及四个模型由软件工程师创建的设计模型；由人机工程师（或软件工程师）创建的用户模型；终端用户对未来系统的假想；系统实现后得到的系统映象。一般来说，这四个模型之间差别很大，界面设计时要充分平衡四者之间的差异，导出一个协调一致的界面。

6.4.1界面设计的模型在人机界面的设计过程中先后涉及四个模38系统感觉是终端用户在脑海里对系统产生的印象。系统映象包括基于计算机系统的外在表示（界面的观感）和所有支撑信息（书、手册、录像带、帮助文件），一般来说，若系统映象能与系统感觉吻合，用户就会对系统感到满意并能有效地使用它。系统感觉是终端用户在脑海里对系统产生的印象。396.4.2任务分析与建模界面设计的任务分析也使用逐步求精或面向对象的方法，不过是将该方法应用到了人的活动中。

任务可以以两种方式应用：一种是从实际出发，通过对原有的处于手工或半手工状态下的应用系统剖析，将其映射为在人机界面上执行的一组类似的任务。另一种是通过研究系统的需求规格说明，导出一组与设计模型、用户模型和系统假想相协调的用户任务。6.4.2任务分析与建模界面设计的任务分析也使用逐步求精或面40任务分配在每个任务中，动作要分配给计算机、用户或者二者。一般地，用户承担需要创造、判断和探索的任务，而计算机承担重复检查、计算和数据处理的任务。数据录入、数据恢复和决策支持是混合任务。这些混合的任务需要通过人和计算机交互来共同完成。任务分配在每个任务中，动作要分配给计算机、用户或者二者。41任务分配产生两个网络。一个是人的任务网络，一个是计算机的任务网络。人的任务网络说明如何安装、操作和使用系统，它最后将形成操作过程和用户手册的基础计算机的任务网络则描述计算机应担负的工作。这两种网络都可以用数据流图来设计。任务分配产生两个网络。一个是人的任务网络，一个是计算机的任务42进行任务分析，工程师必须首先定义任务并对任务分类，我们可以用逐步求精的方法实现。例如，一个小软件公司想要为室内设计人员建立一个计算机辅助设计系统，通过对设计人员工作的观察，工程师注意到，室内设计主要包括以下一些活动：家具布局、材料选择、墙面和窗面的选择、对用户的展示、商定价格和购买，其中每项任务又可分成子任务。进行任务分析，工程师必须首先定义任务并对任务分类，我们可以用43例如，家具布局可以分为：（1）基于房间格局画出楼层平面图；（2）将门窗放在适当的位置；（3）用家具模板在平面图上画出家具轮廓；（4）将家具轮廓放到最合适的位置；（5）标出所有家具轮廓；（6）画出尺寸以确定位置；（7）画出客户的视图。对于其他每个主要任务也可以进行类似划分。这七个子任务还可以进一步细分，前六个子任务的完成可以通过用户界面来操纵信息和执行动作而进行，而第七个子任务则由软件自动完成，这一任务基本不需要用户干预。例如，家具布局可以分为：（1）基于房间格局画出楼层平面图；（44另一种分析方法采用了面向对象的观点。工程师观察室内设计人员使用的物理对象以及施加在每个对象上的动作，室内设计人员可以“选择”适当家具模板，将其“移动”到合适的位置，“画出”家具模板的轮廓等等。界面的设计模型不必描述每个动作的实现细节，但必须定义出完成最后结果的用户任务（在这里就是“在平面图上画出家具轮廓”）。另一种分析方法采用了面向对象的观点。工程师观察室内设计人员使45一旦任务分析已经完成，终端用户所需的所有任务（或对象和动作）已经被详细标识，界面设计活动就开始了。界面设计过程的步骤可以按照以下方式进行：（１）确定任务的目标和含义；（２）将每个目标/含义映射为一系列特定动作；（３）说明这些动作将来在界面上执行的顺序；（４）指明各个系统状态，即上述各动作序列中每个动作在界面上执行时，界面呈现的形式；（５）定义控制机制，即便于用户修改系统状态的一些设置和操作；（６）说明控制机制怎样作用于系统状态；（７）指明用户应怎样根据界面上反映出的信息解释系统的状态。一旦任务分析已经完成，终端用户所需的所有任务（或对象和动作）466.4.3界面设计的一般问题

1.系统响应时间系统响应时间指从用户完成某个控制动作（例如，按回车键或点击鼠标），到软件给出预期的响应（输出信息或做动作）之间的这段时间。系统响应时间有两个重要属性，分别是长度和易变性。变性指系统响应时间相对于平均响应时间的偏差。6.4.3界面设计的一般问题1.系统响应时间472.用户帮助设施

常见的帮助设施可分为集成的和附加的两类。集成的帮助设施从一开始就设计在软件里面，通常，它对用户工作内容是敏感的，因此用户可以从与刚刚完成的操作有关的主题中选择一个请求帮助。附加的帮助设施是在系统建成后再添加到软件中的，在多数情况下，它实际上是一种查询能力有限的联机用户手册。人们普遍认为，集成的帮助设施优于附加的帮助设施。

2.用户帮助设施常见的帮助设施可分为集成的和附加的两类。48具体设计帮助设施时，必须解决下述的一系列问题：（1）在用户与系统交互期间，是否在任何时候都能获得关于系统任何功能的帮助信息？有两种选择：提供部分功能的帮助信息和提供全部功能的帮助信息。（2）用户怎样请求帮助？有3种选择：帮助菜单，特殊功能键和HELP命令。（3）怎样显示帮助信息？有3种选择：在独立的窗口中，指出参考某个文档（不理想）和在屏幕固定位置显示简短提示。（4）用户怎样返回到正常的交互方式中？有两种选择：屏幕上的返回按钮和功能键。（5）怎样组织帮助信息？有3种选择：平面结构、信息的层次结构和超文本结构。具体设计帮助设施时，必须解决下述的一系列问题：493.出错信息处理

出错信息和警告信息，是出现问题时交互式系统给出的“坏消息”。出错信息设计得不好，将向用户提供无用的甚至误导的信息，反而会加重用户的挫折感。3.出错信息处理出错信息和警告信息，是出现问题时交互式系50第6章-人机界面设计课件51一般说来，交互式系统给出的出错信息或警告信息，应该具有下述属性。（1）信息应该使用用户可以理解的术语描述问题。（2）信息应该提供有助于从错误中恢复的建设性意见。（3）信息应该指出错误可能导致哪些负面后果，以便用户检查是否出现了这些问题，并在确实出现问题时及时解决。（4）信息应该伴随着听觉上或视觉上的提示，例如，在显示信息时同时发出警告铃声，或者信息用明显表示出错的颜色显示。（5）信息不能带有指责色彩，也就是说，不能责怪用户。一般说来，交互式系统给出的出错信息或警告信息，应该具有下述属524.命令交互

在提供命令交互方式时，必须考虑下列设计问题。（1）是否每个菜单选项都有对应的命令？（2）采用何种命令形式？有3种选择：控制序列，功能键和键入命令。（3）学习和记忆命令的难度有多大？忘记了命令怎么办？（4）用户是否可以定制或缩写命令？在理想的情况下，所有应用软件都有一致的命令使用方法。4.命令交互在提供命令交互方式时，必须考虑下列设计问题。536.4.4构造界面原型一旦设计模型被创建，它就被实现成一个原型。为了适应这种迭代的过程，用于界面设计和原型开发的工具应运而生。这些工具被称为用户界面工具箱或用户界面开发系统（UIDS）。

现在大多数的可视化编程工具，如VisualC++、VisualBasic、Delphi等都可以进行界面设计。6.4.4构造界面原型一旦设计模型被创建，它就被实现成一个54由于采用了预包装的软件构件来建立用户界面，UIDS提供了以下机制：管理输入设备，比如鼠标和键盘；确认用户输入；处理错误和显示出错消息；提供反馈，比如自动的输入响应；提供帮助和提示；处理窗口、域和窗口内的滚动；建立应用软件和界面间的连接；将应用程序与界面管理功能分离；允许用户定制界面。由于采用了预包装的软件构件来建立用户界面，UIDS提供55第6章-人机界面设计课件566.4.5界面设计的评估评估可以从非正式的“测试驱动”（如用户可以临时提供一些反馈）到正式的设计研究（比如按照统计学的方法向一定量的用户发放评估问题表）。用户界面评估的周期如图6.5所示。6.4.5界面设计的评估评估可以从非正式的“测试驱动”（如用57第6章-人机界面设计课件58为了收集定性的数据，问题表可以分发给原型界面的用户，问题的答案可以是：简单的是/否选择、程度、百分比。例如：你认为界面中按钮的布局是否合理？学习本系统操作的难易程度（难度为1到5）？与其它你曾用过的界面相比，你对该界面的评价如何（百分比表示）？如果需要定量的数据，就必须进行某种形式的定时研究分析，观察用户对界面交互的使用。为了收集定性