人机界面系统

作者] 侯金奎(潍坊学院计算机科学系)

摘要：本文介绍了人机界面设计的一般过程，人机界面实现的原则，人机界面的风格和对人机界面设计的评价。关键词：人机界面；菜单；风格；软件模型

由于受传统观念的影响，很长一段时间里，人机界面一直不为软件开发人员所重视，认为这纯粹是为了取悦用户而进行的低级活动，没有任何实用价值。评价一个应用软件质量高低的唯一标准，就是看它是否具有强大的功能，能否顺利帮助用户完成他们的任务。近年来，随着计算机硬件技术的迅猛发展，计算机的存储容量、运行速度和可靠性等技术性能指标有了显著的提高，计算机硬件的生产成本却大幅度下跌，个人计算机日益普及。新一代的计算机用户，在应用软件的可操作性以及软件操作的舒适性等方面对应用软件提出了更高的要求除期望所用的软件拥有强大的功能外，更期望应用软件能尽可能的为他们提供一个轻松、愉快、感觉良好的操作环境。这表明，人机界面的质量已成为一个大问题，友好的人机界面设计已经成为应用软件开发的一个重要组成部分。

1人机界面的风格分析

这里所指的人机界面的风格，是指计算机系统的用户界面上控制输入的方法，大致经过了四代的演变：

1.1命令语言：在图形显示、鼠标、高速工作站等技术出现之前，现实可行的界面方式只能是命令和询问方式，通信完全以正文形式并通过用户命令和用户对系统询问的响应来完成。这种方式使用灵活，便于用户发挥其创造性，对熟练的用户有很高的工作效率，但对一般用户来说要求高，易出错，不友善并难于学习，它的错误处理能力也较弱。

1.2菜单选项：这种方式与命令行方式相比不易出错，可以大大缩短用户的培训时间，减少用户的击键次数，可以使用对话管理工具，错误处理能力有了显著提高。但使用起来仍然乏味，可能出现菜单层次过多及菜单选项复杂的情形，必须逐级进行选择，不能一步到位，导致交互速度显得太慢。

1.3面向窗口的点选界面此类界面亦称WIMP界面，即窗口(Windows)、图标(Icons)、菜单(Menus)、指示器(PointingDevice)四位一体，形成桌面(Desktop)。这种方式能同时显示不同种类的信息，使用户可在几个工作环境中切换而不丢失几个工作之间的联系，用户可通过下拉式菜单方便执行控制型和对话型任务，引入图标、按钮和滚动杆技术，大大减少键盘输入，对不精于打字的用户无疑提高了交互效率。

1.4自然语言使用自然语言与应用软件进行通信，把第三代界面技术与超文本、多任务概念结合起来，使用户可同时执行多个任务(以用户的观点)。

随着文字、图形、语音的识别与输术技术的进一步发展，多媒体技术在人机界面开发领域内的进一步发展，自然语言风格的人机界面将得以迅速的发展，最终走向实用化。

2人机界面的设计原则

人机界面设计的好坏与设计者的经验有直接有关系，有些原则对几乎所有良好的

人机界面的设计都是适用的，一般地可从可交互性、信息、显示、数据输入等方面考虑：

原则1：在同一用户界面中，所有的菜单选择、命令输入、数据显示和其他功能应保持风格的一致性。风格一致的人机界面会给人一种简洁、和谐的美感。原则2：对所有可能造成损害的动作，坚持要求用户确认，例如提问“你肯定……?”等，对大多数动作应允许恢复(UNDO)，对用户出错采取宽容的态度。原则3：用户界面应能对用户的决定做出及时的响应，提高对话、移动和思考的效率，最大可能的减少击键次数，缩短鼠标移动距离，避免使用户产生无所适从的感觉。原则4：人机界面应该提供上下文敏感的求助系统，让用户及时获得帮助，尽量用简短的动词和动词短语提示命令。原则5：合理划分并高效使用显示屏。仅显示与上下文有关的信息，允许用户对可视环境进行维护：如放大、缩小图像；用窗口分隔不同种类的信息，只显示有意义的出错信息，避免因数据过于费解造成用户烦恼。原则6：保证信息显示方式与数据输入方式的协调一致，尽量减少用户输入的动作，隐藏当前状态下不可选用的命令，允许用户自选输入方式，能够删除无现实意义的输入，允许用户控制交互过程。

上述原则都是进行人机界面设计应遵循的最基本的原则，除此之外还有许多设计原则应当考虑，比如如何正确的使用颜色等。

3人机界面设计的过程

人机界面的设计过程可分为以下几个步骤：

3.1创建系统功能的外部模型设计模型主要是考虑软件的数据结构、总体结构和过程性描述，界面设计一般只作为附属品，只有对用户的情况(包括年龄、性别、心理情况、文化程度、个性、种族背景等)有所了解，才能设计出有效的用户界面；根据终端用户对未来系统的假想(简称系统假想)设计用户模型，最终使之与系统实现后得到的系统映象(系统的外部特征)相吻合，用户才能对系统感到满意并能有效的使用它；建立用户模型时要充分考虑系统假想给出的信息，系统映象必须准确地反映系统的语法和语义信息。总之，只有了解用户、了解任务才能设计出好的人机界面。

3.2确定为完成此系统功能人和计算机应分别完成的任务

任务分析有两种途径。一种是从实际出发，通过对原有处于手工或半手工状态下的应用系统的剖析，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，导出一组与用户模型和系统假想相协调的用户任务。

逐步求精和面向对象分析等技术同样适用于任务分析。逐步求精技术可把任务不断划分为子任务，直至对每个任务的要求都十分清楚；而采用面向对象分析技术可识别出与应用有关的所有客观的对象以及与对象关联的动作。

3.3考虑界面设计中的典型问题

设计任何一个机界面，一般必须考虑系统响应时间、用户求助机制、错误信息处理和命令方式四个方面。系统响应时间过长是交互式系统中用户抱怨最多的问题，除了响应时间的绝对长短外，用户对不同命令在响应时间上的差别亦很在意，若过于悬殊用户将难以接受；用户求助机制宜采用集成式，避免叠加式系统导致用户求助某项指南而不得不浏览大量无关信息；错误和警告信息必须选用用户明了、含义准确的术语描述，同时还应尽可能提供一些有关错误恢复的建议。此外，

显示出错信息时，若再辅以听觉(铃声)、视觉(专用颜色)刺激，则效果更佳；命令方式最好是菜单与键盘命令并存，供用户选用。

3.4借助CASE工具构造界面原型，并真正实现设计模型软件模型一旦确定，即可构造一个软件原形，此时仅有用户界面部分，此原形交用户评审，根据反馈意见修改后再交给用户评审，直至与用户模型和系统假想一致为止。一般可借助于用户界面工具箱(Userinterfacetoolkits)或用户界面开发系统(Userinterfacedevelopmentsystems)提供的现成的模块或对象创建各种界面基本成分的工作。

4人机界面设计的评价

怎样评价一个人机界面设计质量的优劣，目前还没有一个统一的标准。一般地，评价可以从以下几个主要方面进行考虑：(1)用户对人机界面的满意程度；(2)人机界面的标准化程度；(3)人机界面的适应性和协调性；(4)人机界面的应用条件；(5)人机界面的性能价格比。

目前人们习惯于用“界面友好性”这一抽象概念来评价一个人机界面的好坏，但“但面友好”与“界面不友好”恐怕无人能定一个确切的界线，一般认为一个友好的人机界应该至少具备以下特征：(1)操作简单，易学，易掌握；(2)界面美观，操作舒适；(3)快速反应，响应合理；(4)用语通俗，语义一致。

需指出，一个用户界面设计质量的优劣，最终还得由用户来判定，因为软件是供用户使用的，软件的使用者才是最有发言权的人。

一、引言

工业革命以后，人们的思想中产生了以前没有的两种价值观念：效率和利润，这两种观念深刻地渗透到了机器的基本的设计理念中。为了无限追求机器的效率，机器的功能就成为设计过程中考虑的核心问题。人们在设计中，首先确定下机器的功能，然后再根据剩下的选择余地去补充机器的操作部分。这样操作部分必然受到机器功能的限制，只能跟随机器的功能。这就迫使操作者必须遵循机器的行为方式、运行速度、精度和强度。人成为机器的一个附件，完成机器无法实现的这些输入功能和反馈控制功能。这种设计没有考虑使机器适应人的生理特性。这种设计价值就是“以机器为本”的人机界面设计思想。

20世纪50年代以后，为了数值计算的需要，人们开始研究设计计算机。当初计算机的设计基本延续了“以机器为本”的设计理念，有所不同的是计算机的设计是在当时对人脑研究的成果的基础上进行的。1854 年，布尔发表了《思维规律的研究》，建立了布尔代数。他认为人脑思维是逻辑推理方式，并能用代数计算方法模拟人脑思维演绎过程。1943 年，美国人W.S.McCulloch和W.H.Pitts在《一种神经活动固有的思想逻辑计算》中认为：从原理上可以用运算描述人脑神经元的逻辑过程。1956 年，他俩人又发表了《大脑的具体化》，用数字概念分析大脑皮层的功能和有关的神经元之间的通信。这些理论当时对计算机的产生和发展产生了深远的影响。

计算机作为一个机器产生以后。人们要使用它，就要适应这种机器的特

殊的要求。然而计算机的结构复杂，变化层出不穷，这就导致用户必须花费很长时间不断地学习计算机的操作方法，而学习操作的主要目的就是将人的行为方式转换成机器可以接受的方式。

二、以人为本的人机界面设计思想

（一）设计思想

计算机按照机器的特性去行为，人按照自己的方式去思维和行为。要把人的思维和行为转换成机器可以接受的方式，把机器的行为方式转换成人可以接受的方式，这个转换就是人机界面。使计算机在人机界面上适应人的思维特性和行动特性，这就是“以人为本”的人机界面设计思想。

20世纪80年代以后，人们根据人操作计算机时的知觉特性，开始研究什么样的人机界面能减少用户记忆负担，能减少学习操作的时间，能简化操作方法。从此以后，相继出现了直接操作的图形对象、鼠标和窗口等。

（二）需要具备的知识

人机界面设计需要两方面的知识：计算机技术知识和用户心理学知识。对人机界面设计而言，计算机技术知识是后台知识，用户心理学是前台知识。用户心理学主要包括用户的认知心理学和行为心理学。通过认知心理学中关于人脑力劳动的特性，如记忆、理解、语言交流等方面的研究，使所设计的计算机的人机界面能尽可能地减少人的认知负担。通过行为心理学研究人的行为特性，将人、机器、环境看成一个行动系统。从人的行动特性去设计计算机的操作，使计算机的操作符合人的心理特性。

然而，当前不论是计算机的技术知识，还是人机设计能力，还不能满足这种人机界面设计的需要，还无法真正做到使计算机的行为适应人的行为方式。因此，在考虑人机界面设计时，大多采用了折中功能的设计方法，即尽可能在设计过程的开始就兼顾功能设计和操作界面设计两方面。

三、在实际中的应用

（一）图形和文字在人机交互界面中的应用

人们最常用的表达信息的方法有两种：即文字和画面。从认知特性看，文字是线形结构的。人们一般按照文字的顺序逐字逐句地读。图片是同时呈现平面或三维的结构。

从人认知动机角度，可以把信息分为两类：主题信息和情景信息。主题信息表达核心目的信息，它是动机关注的重点。情景信息描述环境状态和条件，有助于理解事件发生的时间、空间和顺序。一般用文字比较容易表达抽象的主题信息，如法律条文、思想、观点等。用图形比较容易直观地同时表达事物的主题

信息和整个与主题相关的场景。

从人认知的效果上看，人脑往往只记忆自己对一段文字或一幅图形理解的含义，并不记忆文章和画面的细节。这就意味着在设计人机界面时要考虑：在什么情况下用文字，在什么情况下用图形。一般情况，在表示实物时用图形，可以减少用户记忆的负荷，这就是图形用户界面和图标产生的深层原因之一。而在表示逻辑推理时，用文字表达的信息更准确，比图形更符合人的认知特性。

（二）图标的设计过程

利用眼跟踪仪，观察人在屏幕上绘画时，能够发现人的视觉轨迹主要随画面上的主线条运动。以后在人脑回忆中流下的也主要是他对画面理解的主要含义，即表达含义的主要线条，而不是画面的细节。这就意味着设计的图标并不需要复杂的画面。因此在计算机图标设计中，设计者就需要从用户的许多生理特点出发进行思考、调查、设计。一般包括以下一些过程：首先，考虑用什么样的图标表示什么对象。按一般情况来说，图标更适合表示具体事物，但对同一图标所表达的内容不同的人可能有不同的理解；其次，设计图标时还要考虑到人便于对其进行操作。这就要求设计者要考虑图标的大小，在屏幕上的布局等；再次，设计的图标所表示的含义还需要与图标的名称能很好的结合起来，避免出现歧义；最后，所设计出的图标还需要与周围的背景相适应，这就要求设计者要考虑图标的形状、颜色等。这有助于人们对图标的正确、快速识别。

按这些思维模式和步骤，设计者设计出若干图标，然后将这些图标拿到不同类型的用户中去调查。调查用户对图标含义的理解有无异义，调查什么外观的图标用户容易识别，容易理解，还要调查用户对什么样的图标的操作方便，产生的影响深刻等。设计者最后根据用户的反馈意见，进一步对所设计的图标进行修改。

尽管这些过程看起来很复杂，但始终是以人为本。其实道理很简单，因为设计出的图标最终是供用户使用的。

（三）超文本链接的设计思想

1945年，美国人Vannevar Bush在《与我们思维一致》中，按照人大脑生理学的观点提出：人的记忆把各种相关的概念联系在一起，其组织像一个语义网。他认为文字的书写结构应当与人的认知思维方式相似。而书面文字只是一种线性表达方式，只能按照文字书写的顺序表达，不符合人的思维方式和大脑存储知识的结构。人在阅读时，大脑仍然在思维，可能联想到其他有关的人与事，也可能在大脑里出现画面和声音，可能一下跳到很久以前。超文本链接的设计思想，就是模仿大脑存储知识和概念联系结构的特征的基础上设计出来的。现在WWW

中超文本链接不仅可以连接文字，还可以连接图像、声音、动画等多种媒体。由于它能很好地适应人的思维方式，因此使Internet上Web资源的访问量增加如此快。

四、结束语

不同用户对不同的人机界面需求是不同的。本文论述了以人为本的人机界面设计思想、设计方法，给出了几个设计实例。要实现人机界面以人为本，就需要在人机界面设计之前，充分调查研究特定用户群体的思维特性和行为特性，建立起用户模型，并在进行软件的功能设计之前考虑设计人机界面。

参考文献

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