人機交互設計課程報告---談人機交互技術

1、<p><b>　　談人機交互技術</b></p><p>　　在未來，也許我們僅僅用手指點一下，就能夠讓計算機知道應該將一個文件夾移動到另一個文件夾中，這是完全可能成為現(xiàn)實的。也許，我們能夠讓計算機在距離我們最近的彩色打印機上打印出在旅游途中拍攝的照片，而無需向它提供更多的配置信息。</p><p>　　盡管這些對我們來說還只是一種幻想，但麻省理工學院(M

2、IT)的研究人員卻在與計算機進行交互的新方法，把我們的這些幻想變?yōu)楝F(xiàn)實。MIT計算機科學和人工智能實驗室(LCS)的 </p><p>　　首席科學家斯蒂芬表示，在LCS，有200-300名研究人員在對這個被稱作“Oxygen聯(lián)盟工程”的計劃中的各個子項目進行研究。他說，這一計劃的目標就是讓人與計算機使用人類的自然語言與計算機進行交互。</p><p>　　該計劃中包含許多子項目，除了上面

3、提到的項目外，還包括有自然語言理解、多語種間的翻譯、能夠將圖象從白板轉換到圖象應用程序中的計算機輔助設計工具、自動配置的分布式無線網(wǎng)絡以及能夠為流媒體自動分配資源的系統(tǒng)。</p><p>　　斯蒂芬指出，盡管他不能確定使用這些技術的產(chǎn)品會在何時上市銷售，但他表示，一些研究已經(jīng)開始進行了。他說，我們只負責開發(fā)技術，營銷產(chǎn)品不是我們的任務。一些產(chǎn)品可能需要數(shù)年的時間才能面世。</p><p>

4、　　美國國防部先進技術研究局對這一計劃提供了部分資金，該計劃的研究人員還與象惠普、諾基亞和菲利浦等私營公司進行了緊密的合作。這一計劃的大部分研究成果將免費向公眾開放，有些技術則會申請專利。</p><p>　　斯蒂芬表示，他希望由這一計劃開發(fā)的技術能夠改變人們與計算機進行交互的方式。他說，我們的希望是人們將更多地從新技術中獲益，而無需關心這些技術。他認為電就屬于這樣一種技術，它總是默默無聞地為所有人服務。我們希望

5、計算技術也能夠成為這樣一種技術。</p><p>　　斯蒂芬指出，從長遠來看，這一計劃的成果可能不僅僅限于使用更簡單的計算機。他說，我們希望這種技術在提高生產(chǎn)力的同時，使人們享受更舒適的生活。</p><p>　　未來計算機技術會是什么樣子的？上面的案例應該會給我們提示：人機交互技術在將來可以使計算機更加簡單；在未來，人機交互技術會使人們享受更舒適的生活。至此，每個人都可以想象到人機交互技

6、術的發(fā)展?jié)摿σ约霸谖磥砩踔潦乾F(xiàn)在的重要地位。那么，什么是人機交互呢?</p><p>　　人機交互（Human-Computer Interaction, HCI）是關于設計、評價和實現(xiàn)供人們使用的交互式計算機系統(tǒng)且圍繞這些方面進行研究的科學。人機交互概念有廣義和狹義的區(qū)別：</p><p>　　廣義上講，人機交互以實現(xiàn)自然、高效、和諧的人機關系為目的，與之相關的理論和技術都在其研究范疇，

7、是計算機科學，心理學，認知科學以及社會學等學科的交叉學科。研究開發(fā)新的人機交互設備、技術和理論，以實現(xiàn)無處不在計算（ubiquitous computing）環(huán)境下的以用戶為中心的交互式計算機系統(tǒng)，使其能夠增強人的創(chuàng)造力，解放人類的大腦、改善人與人之間的交流與協(xié)作。</p><p>　　人機交互從技術上講（狹義的） ，主要是研究人與計算機之間的信息交換，它主要包括人到計算機和計算機到人的信息交換兩部分：</

8、p><p>　?。?）人們如何借助鍵盤、鼠標、操縱桿、眼動跟蹤器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、壓力筆等設備，用手、腳、聲音、姿勢或身體的動作、眼睛甚至腦電波等向計算機傳遞信息</p><p>　?。?）計算機如何通過打印機、繪圖儀、顯示器、頭盔式顯示器（HMD）、音箱、力反饋等輸出設備給人提供信息</p><p>　　人機交互和人機界面是兩個不同的概念：人機交互是指用戶與計算

9、機系統(tǒng)之間的通信，它是人與計算機之間各種符號和動作的雙向信息交換；人機界面是指人類用戶與計算機系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，它是人機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，人機交互是通過一定的人機界面來實現(xiàn)的，在界面開發(fā)過程中，有時把它們作為同義詞使用。</p><p>　　人機交互的研究內容十分廣泛，涵蓋了建模、設計、評估等理論和方法以及在計算機支持的協(xié)同工作、信息搜索與可視化、超媒體與萬

10、維網(wǎng)、普適計算與增強現(xiàn)實等方面的交互設計技術，主要包括：</p><p>　?。?）人機交互界面表示模型與設計方法（Model and Methodology）。一個交互界面的好壞，直接影響到軟件開發(fā)的成敗。友好人機交互界面的開發(fā)離不開好的交互模型與設計方法MDD和MDA。</p><p>　?。?）多通道交互技術（Multi-Modal）。在多通道交互中，用戶可以使用語音、手勢、眼神、表

11、情等自然的交互方式與計算機系統(tǒng)進行通信。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。</p><p>　?。?）智能用戶界面（Intelligent User Interface，IUI）。智能用戶界面的最終目標是使人機交互和人－人交互一樣自然、方便。上下文感知、眼動跟蹤、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知與智能用戶界面需要解決

12、的重要問題。</p><p>　?。?）計算機支持的協(xié)同工作（Computer Supported Cooperative Work--CSCW）?！坝嬎銠C支持的協(xié)同工作已成為一個多學科交叉的新興的研究領域。CSCW是要研究在計算機技術支持的環(huán)境下(CS)，特別是在計算機網(wǎng)絡環(huán)境下，一個群體如何協(xié)同工作完成一項共同的任務(CW)。它的目標是要設計出能支持各種各樣的協(xié)同工作的工具、環(huán)境與應用系統(tǒng)。</p>

13、;<p>　?。?）信息搜索與可視化。隨著數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)多樣性的增加，對信息集合的搜索和可視化日益重要。</p><p>　　信息搜索包括：數(shù)據(jù)庫查詢、文本文檔的短語搜索、照片搜索、地圖搜索、圖案或圖標的搜索、聲音搜索、視頻搜索和動畫搜索等。</p><p>　　信息可視化是一種計算方法，它將符號形式轉化為幾何形式，使研究人員能夠觀察所做的模擬與計算。可視化提供了一種查看原來不

14、可見事物的方法。</p><p>　?。?）超媒體與萬維網(wǎng)。超媒體擴展了傳統(tǒng)的線性文本，給用戶提供了在多個相關內容之間跳轉的機會 。網(wǎng)頁中可以包含圖形、圖像、聲音以及由Java或虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML)所提供的日益逼真的動畫，并且這些網(wǎng)頁可在全世界成千上萬臺計算機服務器上進行傳遞。</p><p>　?。?）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實 （Virtual Reality& Augment

15、ed Reality ）。“以人為本”的、自然和諧的人機交互理論和方法是虛擬現(xiàn)實的主要研究內容之一。</p><p>　　通過研究視覺、聽覺、觸覺等多通道信息融合的理論和方法、協(xié)同交互技術以及三維交互技術等，建立具有高度真實感的虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生“身臨其境”的感覺。</p><p>　?。?）普適計算（Ubiquitous Computing）。普適計算是指通過新一代的設備根據(jù)需要隨時隨地

16、方便地訪問相關信息，并可輕松地對其進行操作，普適計算對人機交互技術提出了更高的要求。</p><p>　　至此，人機交互技術的大致框架浮現(xiàn)出來了，對人機交互也有了基本的認識。我們也可以從它與其他相關學科的關系可以預知其重要性。如下圖：</p><p>　　人機交互與其他相關學科的關系</p><p>　　同時，讓我們看看這六件事情：</p><p

17、>　　1、1945年美國羅斯?？偨y(tǒng)的科學顧問Vannever Bush(1894-1974)在《大西洋月刊》上發(fā)表的“As We May Think”的著名論文，提出了應采用設備或技術幫助科學家來檢索、記錄、分析及傳輸各種信息的明確目標和名為“Memex”的一種工作站構想，這一目標和構想影響著過去和當今的一大批最著名計算機科學家。</p><p>　　2、1963年發(fā)明鼠標器的美國斯坦福研究所的 D.Eng

18、leberg，他預言鼠標器比其他輸入設備都 好，并在超文本系統(tǒng)、導航工具方面會有杰出的成果。10年后鼠標器經(jīng)Xerox研究中心改進后，成為影響當代計算機使用的最重要成果。</p><p>　　3、1963年美國麻省理工學院I.Sutherland開創(chuàng)了計算機圖形學的新領域，隨后美國布朗大學A.Van Dam等人組織了SIGGRAPH。I.Sutherland還在1968年開發(fā)了頭盔式顯示器。</p>

19、<p>　　4、20世紀70年代當時在Xerox研究中心的 Alan Kay發(fā)明了重疊式多窗口系統(tǒng)，并提出了Smalltalk面向對象程序設計等思想。</p><p>　　5、1989年 Tim Berners-Lee在日內瓦的CERN用HTML及HTTP開發(fā)了WWW網(wǎng)，隨后出現(xiàn)了各種瀏覽器（網(wǎng)絡用戶界面），使因特網(wǎng)飛速發(fā)展起來。</p><p>　　6、20世紀90年代美國麻

20、省理工學院 N.Negroponte（他早在30年前就提出了“交談式計算機”概念）領導的媒體實驗室在新一代多通道人機界面方面（包括語音、手勢、智能體等），做了大量開創(chuàng)性的工作。</p><p>　　這些事充分反映了人機交互技術重要的歷史科學地位，同時我們也認識到其潛力的巨大，那么什么才是理想人機交互技術呢？未來的人機交互技術應該是什么樣子的呢？</p><p>　　人機交互技術幾十年來經(jīng)歷

21、了幾個不同的主要發(fā)展階段和典型風格。當前，占統(tǒng)治地位的圖形用戶界面(WIMP/GUI)正遭受不斷的批評，而新的交互技術尚不成熟和普及，于是人們更為熱衷于爭論未來的人機界面“可能是什么樣子”而且莫衷一是。在此，我們也想加入這種討論的行列，根據(jù)幾年來研究工作的心得發(fā)表一些看法，談談什么是理想人機交互風格。我們的出發(fā)點處于人機工程學這個大背景，遵循人機工程學的基本觀點，在“以人為中心”前提下強調人機配合。</p><p&g

22、t;　　讓我們先考察在人機工程學出現(xiàn)之前人類如何對待工具。不管某個具體工具的設計者在某個具體時期如何理解人與工具的關系，就人類勞動(尤其是制造和使用工具)的歷史長河而言，人類是在努力不懈地改造和馴服自然，而工具的制造和完善都是在服從這種目的的前提下進行的。就使用特定工具是否需要經(jīng)過訓練以及所需訓練的程度如何，也是不一而論的。人的技能有簡單與復雜之分，也許人人都能學會打字，但未必人人都能學會駕駛航天飛機。</p><p

23、>　　較為合理的看法是“自然人機交互是利用人的日常技能進行的”，強調無需特別訓練或不需要訓練。但究竟什么是“日常技能”以及日常技能是否都是不經(jīng)訓練或稍作訓練即可獲得呢?語言(特別是書面語言)是必須經(jīng)過訓練的，音樂、繪畫、生產(chǎn)工藝等莫不如此。我們認為，人從日常環(huán)境走向計算環(huán)境時原本具有的技能便是所謂的“日常技能”。可見這是一個相對的概念，其中并不細究是否需訓練的問題。所以我們不能以是否需要訓練來衡量人機交互技術的好壞。人機工程學并不

24、否定訓練，避免訓練或減少訓練是人們的愿望，但能否做到并不完全由人的主觀意志決定，應根據(jù)人機交互任務的目的、特點、場合以及實現(xiàn)成本等因素來決定人機交流應達到的自然性程序。</p><p>　　也許對于早期的“純粹”的計算機問題和為數(shù)極少的計算機專家而言，命令語言及程序語言界面是足夠的。但是當計算機大量應用于CAD/CAM、字處理、MIS等非數(shù)值計算領域之后，需要進行大量幾何的、空間的、非數(shù)值的、非符號的信息處理手段

25、，此時形式語言界面的復雜性、抽象性，對記憶負荷要求等限制了計算機應用的深入和普及，隨之直接操縱給用戶界面技術應運而生并廣受歡迎。我們相信，形式語言不會消失，當然也不能強迫所有用戶都接受它。這正如數(shù)學語言并不會被其它形式的語言(如圖形的、手勢的)所取代，雖然心理學家嘗試在數(shù)學教育中大量利用非數(shù)學手段；又如流行音樂與高雅音樂各分秋色，聽眾各有所好。目前，直接操縱界面不但沒有徹底取代形式語言界面，而且其自身也表現(xiàn)出許多局限性。而基于語言的對話

26、式交互方式又重新開始受到重視，只是對話語言不再限于單純的形式語言，而是引入了自然語言或類自然語言對話，如所謂的第四代語言，甚至引入基于語音的人機對話?；谛问秸Z言、自然語言或類自然語言的用戶界面本質上都是命令驅動的，其基本模式與直接操作用戶界面相反。這兩種本質不同的人機交互模式在人類的日?；顒又卸即嬖谄鋵男问?，分別對應于語言的和</p><p>　　我們認為，自然人機交互模式是以直接操縱為主的、與命令語言特別

27、是自然語言共存的人機交互形式。理想的人機交互模式就是“用戶自由”。</p><p>　　人機交互和計算機用戶界面剛剛走過基于字符方式的命令語言式界面，目前正處于圖形用戶界面時代。但是，計算機科學家并不滿足于這種現(xiàn)狀，他們正積極探索新型風格的人機交互技術。當前語音識別技術和計算機聯(lián)機手寫識別技術的商業(yè)成功讓人們看到了自然人機交互的曙光。虛擬現(xiàn)實和多通道用戶界面的迅速發(fā)展顯示出未來人機交互技術的發(fā)展趨勢是追求所謂“人