人机交互论文

浅谈人机交互技术

一.概述

自计算机以一个庞然大物的笨拙体态出现直到现在，它已经越来越紧密地融入了人们的日常生活，并已经被公认为解决医疗、教育、科研、环保等各类重大社会问题不可或缺的重要工具。随着技术的飞速发展，人们在自然语言理解、多通道交互、笔式交互以及智能用户界面等方面开展了很多工作。由于计算机科学发展水平的限制、在计算机和人类之间还存在一条鸿沟。人机交互( Human Computer Interaction，HCI)。就是连接人和计算机的桥梁，它使人和机器的关系已从“人围着机器转”向“机器围着人转”的方向发展，变得更加自然、和谐。

人机交互是研究人与计算机之间通过相互理解的交流与通信，在最大程度上为人们完成信息管理，服务和处理等功能，使计算机正真成为人们工作学习的和谐助手的一门技术科学。鉴于它对科技发展的重要性，研究如何实现自然，便利和无所不在的人机交互，成为现代信息技术，人工智能技术研究的至高目标，也是数学，信息科学，智能科学，神经科学，以及生理、心理科学多科学交叉的新结合点，并将引导着二十一世纪前期信息和计算机研究的热门方向。

1.2人机交互的发展历程

人机交互作为计算机科学研究领域中一个重要组成部分，其发展历程已经经历了半个多世纪，并且取得了很大的进步和提高。从计算机的诞生之日起，人机交互技术的发展已经经历了三个阶段：命令语言界面：这一阶段所使用的主要交互工具为键盘及字符显示器，交互的内容主要有字符、文本和命令，交互过程显得呆板和单调。图形用户界面：这一阶段所使用的主要交互工具为鼠标及图形显示器，交互的内容主要有字符、图形和图像。70年代发明的鼠标，极大地改善了人机之间的交互方式。应该说，鼠标和窗口系统的出现，是人机交互技术发展历史上的一次技术革命。自然人机交互：多通道用户界面；智能人机交互；感知人机交互；多媒体人机交互等。

1.3人机交互的三个因素

人机交互技术主要由人的因素、交互设备和交互软件三个方面组成：人机交互技术分为精确交互技术和非精确交互技术。精确交互方法是指：能完全说明人机交互的目的，系统能精确地确定用户的输入，键盘、鼠标、触摸屏都是精确精确交互设备。非精确交互方法有话音、姿势、头部追踪、凝视等。目前出现了许多新型交互设备，包括3D控制器、3D空间跟踪、语音识别、姿势识别、有Polhemus 定位器、数据手套、视线跟踪装置等。

1.4人机交互的主要内容

多通道交互，它是指一种利用多通道与计算机通信的人际交互方式，通道包括人表达意图、致谢动作或感知反馈信息的各种通信方式（如语言、眼神、脸部表情、唇动、手动、头动、肢体姿势、触觉、文字、图像、符号等），多通道交互的正确率远远高于单通道交互的结果。

普适计算，也称为无所不在的计算，它所追求的目标是无所不在的信息访问和信息服务，它的物质基础无所不在的设备和无所不在的网络连接。

虚拟现实和三维交互。虚拟现实通过对客观世界的信息建模、人与虚拟环境的自然交互，实时地向用户提供逼真的感知信息，使人类可以不受时空和生理条件的限制，去感知和研究复杂事件在各种遐想条件下的发生和发展过程，从而为人类认识世界和改进世界提供了全能的方法和手段。

可穿戴计算机和可移动手持设备交互。为了在有限的工作空间提供各种信息工具的无缝集成，系统必须提供一种自然、非强制的方法来提供功能，以便让人的注意力集中在手上的任务，而不被系统所分心。

总的来说，人机交互本质上是认知过程，人机交互理论是以认知科学为理论基础。人机积极哦爱护系统是一个闭环系统，人机交互研究是以系统科学作为人机交互研究的框架的方法学。同时，人机交互是以信息技术作为用户界面的技术

基础，通过信息系统的建模、形式化描述、整合算法、评估方法以及软件框架等信息技术最终实现和应用人机交互理论。

1.5人机交互的重要性

目前CPU的处理能力已不是制约计算机应用和发展的障碍，最关键的制约因素是人机交互技术。人机交互是研究人、计算机以及它们之间相互影响的技术，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口。作为一门交叉性、边缘性、综合性的学科，人机交互是计算机行业竞争的焦点从硬件转移到软件之后，又一个新的、重要的研究领域。

当前，人机交互正朝着自然和谐的人机交互技术和用户界面的方向发展。本期技术专题将从多角度阐述人机交互的最新发展及应用状况，包括多通道用户界面、笔式用户界面、智能用户界面和三维交互中的多种关键技术，特别是对人机交互中的用户模型、用户界面模型、多通道交互信息整合、笔式交互技术、人机交互软件体系结构等进行了深入的阐述。

人机交互技术是和计算机的发展相辅相成的，一方面计算机速度的提高使人机交互技术的实现变为可能，另一方面人机交互对计算机的发展起着引领作用。正是人机交互技术造就了辉煌的个人计算机时代（20世纪八、九十年代），鼠标、图形界面对PC的发展起到了巨大的促进作用。

人机交互是计算机系统的重要组成部分，是当前计算机行业竞争的焦点，它的好坏直接影响计算机的可用性和效率，影响人们日常生活和工作的质量和效率。计算机处理速度和性能的迅猛提高并没有相应提高用户使用计算机交互的能力，其中一个重要原因就是缺少一个与之相适应的高效、自然的人-计算机界面。人机交互是未来IT的核心技术。随着中国逐渐成为世界的IT中心，中国也将成为人机交互技术的发展中心，而人机交互正的发展为中国软件的腾飞提供了机会。发展平民可用技术、实现以人为本的计算是21世纪计算机发展的目标。

人机交互涉及许多热门的计算机科学和技术，如人工智能、自然语言处理、可用性工程、多媒体系统等，同时也吸收了心理学、认知科学、语言学、人机工程学、社会学的研究成果。

人机交互影响最终用户的使用、计算机的推广，以至人们的工作和生活，它是计算机系统的重要组成部分，它的开发工作量极大（占系统的40%-60%），加上不同人群对界面的要求不全相同，因而人机界面是计算机研制中的一个最困难的部分。人机交互技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题。美国总统信息技术顾问委员会的“21世纪的信息技术报告”中指出，“现在40%以上的家庭拥有计算机，然而，对于大多数美国人来说，计算机仍然难以使用。”调查表明，由于不理解计算机正在做什么，用户浪费了12%以上的上机时间。报告将“人机交互和信息管理”列为新世纪4项重点发展的信息技术之一。在我国这种人机交互方面的问题更是不容乐观，特别是许多掌握了农业领域知识的农村科技人员，在使用电脑吧领域知识转化为对应的知识库时，往往感到难度很大，适应能力欠缺。为了改进这种不尽人意的状况，我国973、S-863、十五计划均将人机交互列入为主要内容。

1.6人机交互模型和设计方法

模型在人机交互领域中十分重要，用的很多，类型也很多。“以用户为中心的设计”方法近年来已被国际上广泛采用，主要特征：用户的积极参与，对用户及其任务要求的清除了解；在用户和技术之间适当分配功能；反复设计解决方案；多学科设计。主要设计活动：了解并确定使用背景；确定用户和组织要求；提出设计解决方案；根据要求评价设计。J.Carrol的“基于剧情的设计方法”目前在具体交互设计中被广泛使用。该方法从用户的观点详细的给出，交互过程的全部角色（人、设备、数据源、系统等），各种场景的假设，剧情的描述，某种形式（如用事件表来刻画用户动作、设备响应、事件叙述、事件处理、动作结果等）的人际对话逐步分解，其它各种条件（如协议、同步、例外事件等）。由于该方法符合人的认知过程，在较高层次上描述了用户的意图，又便于实现，因而在大量交互系统设计中被采用。基于知识的概念模型，几年来年采用上下文、基于知

识的概念模型逐渐受到人重视。这种建模方法汲取了“以用户为中心的设计”方法和“基于剧情的设计方法”的一些特点，期望在更高层次上建模。

1.7人机交互的应用分析

可用性是交互式系统的重要质量指标，ISO 9241-11国际标准对可用性作了如下定义：产品在特定使用环境下为特定用户用于特定用途时所具有的有效性、效率和用户主观满意度。可用性的概念包含三方面内容。首先，有用性和有效性，即产品能否实现一定的功能以及交互界面能否有效支持产品功能；其次，交互效率，包括交互过程的安全性、用户绩效、出错频率及严重性、易学性等因素；最后，用户对产品的满意度。可用性概念的提出改变了人们对交互过程的认识，以用户为中心的界面设计思想逐步深入人心。

1.8人机交互界面范式的进化

伴随着计算机技术的飞速发展，人机接口技术也在不断改进: 从早期的穿孔纸带、面板开关和显示灯等交互装置，发展到今天的视线追踪、语音识别、感觉反馈等具有多种感知能力的交互装置。用户界面的发展历经了批处理、命令行、图形界面三个阶段，现在的研究和开发重点已经放在了Post-WIMP界面上。

一.批处理界面

在计算机发展的初期，人们通过批处理的方式使用计算机，这一阶段的用户界面是使用穿孔卡片作为输入设备，行式打印机作为输出设备。这只是用户界面的雏形阶段。

二.命令行界面

在计算机发展的早期，人机之间的通信是通过机器语言完成的，人们使用穿孔纸带等方式完成与机器的交流。而后出现了汇编语言和高级语言，这些语言中逐渐引入了不同层次的自然语言特性，人们可以较为容易地记忆这些语言。

在20世纪60年代中期出现的交互终端和分时系统中，已经开始考虑如何提供给用户方便实用的界面，这些系统提供了问答式对话、文本菜单或者命令语言进行交互，这个时期的人机界面称为命令行界面(Command Line Interface，CLI)。

尽管熟练掌握命令语言后，人们能够灵活高效地操纵计算机，但是人们通常需要对语言进行大量记忆，在使用中很容易产生错误。

三.图形用户界面

从20世纪60年代开始，由于超大规模集成电路的发展、高分辨率显示器和鼠标的出现，人机界面进入了图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)的时代。图形用户界面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: 界面隐喻(Metaphor)是指用现实世界中已经存在的事物为蓝本，对界面组织和交互方式的比拟。将人们对这些事物的知识（如与这些事物进行交互的技能）运用到人机界面中来，从而减少用户必需的认知努力。界面隐喻是指导用户界面设计和实现的基本思想。桌面隐喻采用办公的桌面作为蓝本，把图标放置在屏幕上，用户不用键入命令，只需要用鼠标选择图标就能调出一个菜单，用户可以选择想要的选项。

WIMP技术: WIMP界面可以看作是命令行界面后的第二代人机界面，是基于图形方式的。WIMP界面蕴含了语言和文化无关性，并提高了视觉搜索效率，通过菜单、小装饰(Widget)等提供了更丰富的表现形式。

直接操纵: 直接操纵用户界面(Direct Manipulation User Interface)是Schneiderman在1983年提出来的，特点是对象可视化、语法极小化和快速语义反馈。在直接操纵形式下，用户是动作的指挥者

1.9展望

21世纪人机交互的主题，在技术方面，用户界面工具：界面开发工具决定了主流应用软件的界面风格；无处不在需要的交互式计算；能在需要的任何时间、地点提供半透明人机交互；实现非常和谐人与机器的交互。