人机交互技术 课件3人机交互模型

人机交互技术第一章

人机交互概述人机交互模型人机交互框架模型

在人机交互领域的模型研究方面，较早提出的一个有影响的模型是Norman的执行-评估循环模型。Norman将人机交互过程分为执行和评估两个阶段，其中包括建立目标、形成意图、动作描述、执行动作、理解系统状态、解释系统状态与根据目标和意图评估系统的状态七个步骤。修正后的Norman模型

Abowd和Beale在1991年修正了Norman模型，这个模型为了同时反映交互系统中用户和系统的特征，将交互分为系统、用户、输入和输出四个部分一个交互周期中有目标建立、执行、表示和观察四个阶段，图中每一个有向弧线表示了这四个阶段，每一个阶段对应着一中描述语言到另一种描述语言的翻译过程。一个交互周期以用户的目标建立阶段开始。

人机界面模型

人机界面模型是人机界面软件的程序框架，它从理论上和总体上描述了用户和计算机的交互活动。随着人机界面功能的增长，人机界面的设计也变得复杂，交互式应用系统中界面代码占70%以上。人机界面模型主要任务有任务分析模型、对话控制模型、结构模型和面向对象模型等。

任务分析模型基于所要求的系统功能进行用户和系统活动的描述和分析；对话控制模型用于描述人机交互过程的时间和逻辑序列，即描述人机交互过程的动态行为过程；结构模型从交互系统软件结构观点来描述人机界面的构成部件，它把人机交互中的各因素，如提示符、错误信息、光标移动、用户输入、确认、图形、文本等有机地组织起来；面向对象模型是为支持直接操纵的图形用户界面而发展起来的，它可以把人机界面中的显示和交互组合成一体作为一个基本的对象，也可以把显示和交互分离为两类对象，建立起相应的面向对象模型。

人机界面结构模型

Seeheim模型

Seeheim模型是一种界面和应用明确分离的软件结构，该结构于1985年在德国的Seeheim举行的国际人机界面管理系统研讨会上首先提出。该模型分为应用接口部件、对话控制部件和表示部件三个部件。

Arch模型

Arch模型是1992年在Seeheim模型基础上提出来的。由领域特定部件、领域适配部件、对话部件、表示部件和交互工具箱部件五部分组成。

对话部件：负责任务排队，领域适配器部件是协调对话部件和领域特定部件之间的通讯。

交互工具箱部件：是实现与终端用户的物理交互，表示部件是协调对话部件和交互工具箱部件之间的通讯。

领域特定部件：是控制、操作及检索与领域有关的数据。

面向对象的用户界面交互模型常见的面向对象的用户界面交互模型包括MVC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年提出的面向对象的交互式系统概念模型，该模型是在Smalltalk编程语言环境下提出来的。由控制器、视图和模型三类对象组成。

模型：表示应用对象的状态属性和行为。

视图：负责对象的可视属性描述。

控制器：是处理用户的输入行为并给控制器发送事件。

优点：（1）可以为一个模型在运行时同时建立和使用多个视图。（2）视图与控制器的可接插性，允许更换视图和控制器对象，而且可以根据需求动态的打开或关闭、甚至在运行期间进行对象替换。（3）模型的可移植性，因为模型是独立于视图的，所以可以把一个模型独立地移植到新的平台工作。MVC的优点与缺点缺点：（1）增加了系统结构和实现的复杂性。对于简单的界面，严格遵循MVC，使模型、视图与控制器分离，会增加结构的复杂性，并可能产生过多的更新操作，降低运行效率。（2）视图与控制器间过于紧密连接。视图与控制器是相互分离但又却是联系紧密的部件，如果视图没有控制器的存在，其应用是很有限的。（3）视图对模型数据的低效率访问。依据模型操作接口的不同，视图可能需要对此调用才能获得足够的显示数据。PAC模型是Coutaz于1987年提出的一种叫做多智能体的交互式系统概念模型。PCA模型PAC模型和MVC模型之间有四个重要的区别:

（1）PAC模型Agent将应用功能与陈述、输入和输出行为封装在一个对象中。

（2）PAC模型用一个独立的控制器来保持应用语义用户界面之间的一致性。

（3）PAC模型没有基于任何一种编程环境。

（4）PAC模型将控制器独立出来，更加符合UIMS的设计思想，可以用来表示用户界面不同的功能部分。

用户概念模型

用户概念模型：是一种用户能够理解的系统描述，它使用一组集成的构思和概念，描述系统应该做什么、如何运作、外观如何等。人机系统设计的首要任务是建立明确的、具体的概念模型。概念模型可以分为基于活动的概念模型和基于对象的概念模型两大类。

基于活动的概念模型

指示类模型：描述的是用户通过指示系统应该做什么来完成自己的任务，例如，用户可向某个系统发出指示，要求打印文件。在Windows和其他GUI系统中，用户则使用控制键，或者鼠标选择菜单项来发出指令。指示类型或者支持快速、有效的交互，因此，特别适合于重复性的活动，用于操作多个对象。

对话模型的概念模型：是基于“人与系统的对话”模式设计的，它与“指示”类型的模型不同。“对话”是一个双向的通信过程，其系统更像是一个交互伙伴，而不仅仅是执行命令的机器，最适合用于那些用户系用查找特定类型的信息，或者系统讨论问题的应用。实际的“对话”方式可采用各种形式，如电话银行、订票、搜索引擎和援助系统。

操作与导航概念模型：利用用户在现实世界中积累的知识来操作对象或穿越某个虚拟空间。例如，用户通过移动、选择、打开、关闭、缩放等方式来操作虚拟对象。也可以使用这些活动的扩展方式，即现实世界中不可能的方式来操作对象或穿越虚拟空间，例如，有些虚拟世界允许用户控制自身的移动，或允许一个物体变成另一个物体。

搜索与浏览概念模型：搜索与浏览概念模型的思想是使用媒体去发掘和浏览信息，网页和电子商务网站都是基于这个概念模型的应用。基于对象的概念模型

对象类型的概念模型是基于对象的模型。这类模型要更为具体，侧重于特定对象在特定环境中的使用方式，通常是对物理世界的模拟。例如，“电子表格”就是一个非常成功的基于对象的概念模型。基于对象的概念模型有“界面比拟”和“交互范型”。

“界面比拟”是采用比拟的方法将交互界面的概念模型与某个（或某些）物理实体之间存在着的某些方面的相似性体现在交互界面设计中。“界面比拟”将人们的习惯或熟知的事物同交互界面中的新概念结合起来，“桌面”和“电子表格”既可以归类为基于对象的概念模型，同时也是界面比拟的例子。

交互范型（InteractionParadigm）是人们在构思交互设计时的某种主导思想或思考方式。交互设计领域的主要交互范型就是开发桌面应用——面向监视器、键盘和鼠标的单用户使用等。随着无线、移动技术和手持设备的出现，已开发出各种新的交互范型。这些交互范型已经“超越桌面”。如无处不在的计算技术，渗透性计算技术、可穿戴的计算技术、物理/虚拟环境集成技术等等。GOMS预测模型

目标操作方法和选择行为模型（GoalOperatorMethodSelection，GOMS）是人机交互领域最著名的预测模型，是用于分析交互系统中用户复杂性的建模技术，主要被软件设计者用于建立用户行为模型。它采用“分而治之”的思想，将一个任务进行多层次的细化，通过目标（Goal）、操作（Operator）、方法（Method）以及选择规则（Selectionrule）四个元素来描述用户行为。GOMS模型

目标是用户执行任务最终想要得到的结果。它可以在不用的抽象层次中定义。如“编辑一篇文章”，高层次的目标可以定义为“编辑文章”，低层次的目标可以定义为“删除字符”，一个高层次的目标可以分解为若干个低层次目标。

操作是任务分析到最底层时的行为，是用户为了完成任务所必须执行的基本动作，如双击鼠标左键、按下回车等。在GOMS模型中它们是原子动作，不能再被分解。一般情况下，假设用户执行每个动作需要一个固定的时间，并且这个时间间隔是与上下文无关的，如点击一下鼠标按键需要0.20秒的执行时间，即操作花费的时间与用户正在完成什么样的任务或当前的操作环境没有关系。

方法是描述如何完成目标的过程。一个方法本质上来说是一个内部算法，用来确定子目标序列及完成目标所需要的操作。如在Windows操作系统下关闭一个窗口有三种方法：可以从菜单中选择CLOSE菜单项，可以使用鼠标点击右上角的“X”按钮，也可以按ALT+F4。在GOMS中，这三个子目标的分解分别称为MOUSE-CLOSE方法和F4方法。图给出GOMS模型中关闭窗口这一目标的方法描述。关闭窗口行为描述实例

选择规则是用户要遵守的判定规则，是已确定在特定环境下所使用的方法。当有多个方法可供选择时，GOMS中并不认为这是一个随机的选择，而是尽量预测可能会使用哪个方法，这就需要根据特定用户、系统状态、目标细节来预测。CMOS模型GOMS模型的应用：（1）选出最高层的用户目标。实例中EDITING任务的最高层目标是EDIT-MANUSCRIPT。（2）写出具体的完成目标的方法，即激活子目标。实例中EDIT-MANUSCRIPT的方法是完成目标EDIT-UNIT-TASK，这也同时激活了子目标EDIT-UNIT-TASK。（3）写出子目标的方法。这是一个递归的过程，一直分解到最底层操作时停止。从实例的层次描述中可以了解到如何通过目标分解的递归调用获得子目标的方法，如目标EDIT-UNIT-TASK分解为ACQUIRE-UNIT-TASK和EXECUTE-NUIT-TASK两个子目标，并通过顺序执行这两个子目标的方法完成目标EDIT-UNIT-TASK。然后通过递归调用，又得到了完成目标ACQUIRE-UNIT-TASK的操作序列，这样这层目标也就分解结束；而目标EXECUTE-NUIT-TASK又得到了子目标序列，因此还需要进一步分解，直到全部成为操作序列为止。

基建层次模型

击键层次模型（KLM）可对用户执行情况进行量化预测，能够比较使用不同策略完成任务的时间。量化预测的主要好处是便于比较不同的系统，以确定何种方案能最有效地支持特定任务。击键层次模型的内容

Card等人在KLM模型上施加的约束是KLM模型只能应用到一个给定的计算机系统和一项给定的任务。同时，与GOMS模型类似，KLM的应用要求任务执行过程中不出现差错，并且完成任务的方法事先已经确定。也就是说，KLM能够用来预计任务差错执行的时间。KLM模型由操作符、编码方法、放置M操作符的启发规则组成。击键层次模型的局限型

正如Card等人的初衷，KLM模型高度关注人机交互方面，其目的是为执行标准任务的时间进行建模。但KLM没有考虑到错误、学习型、功能性、回忆、专注程度、疲劳、可接受性等问题。不过Card等人也指出，虽然KLM模型没有考虑用户出错的情况，但是如果知道弥补方法，KLM模型同样可以预测执行弥补任务的时间。

动态特性建模

状态转移网络

状态转移网络（StateTransitionNetwork，STN）用于描述用户和系统之间的对话已经有很多年的历史，它的第一次使用可以追溯到20世纪60年代后期，在20世纪70年代后期开发为一种工具。STN可被用于探讨菜单、图标和工具条等屏幕元素，还可以展示对外围设备的操作。状态转移网络最常用的形式是状态转移图（StateTransitionDiagram，STD）。状态转移图是有向图，图中的节点表示系统的各种状态，图中的边表示状态之间可能的转移。状态转移图示例

事件1使用户从状态1到状态2，事件4使用户从状态3’到状态2’。STN还可以表示手柄、鼠标等外围设备的操作。这样可以帮助设计者确定的设备在应用中是否合适，还可以指导用于新型界面的指点设备的开发。

三态模型

三态模型能够揭示设备固有的状态和状态之间的转移。交互设计者使用设备的三态模型帮助确定任务和设备的相互关系，并为特定的交互设计选择合适的I/O设备，不具有特定任务所需的状态的设备在设计过程中的初期就被排除在外。

指点设备可以使用被称为三态模型的特殊STN图来表示所具有的特殊状态，即跟踪运动、拖动运动和无反馈运动。其