普适计算与人机交互PPT课件

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Mark Weiser
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软件工程系
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软件工程系
普适计算思想的发展
❖ 强调把计算机嵌入到环境或日常工具中去，让计 算机本身从人们的视线中消失，让人们注意的中 心回归到要完成的任务本身。
❖ Weiser的思想在90年代后期开始在国际上得到广 泛关注和接受，目前已经成为一个极具活力和影 响力的研究领域。
❖ 重要标志：
1. 1999年开始的Ubicomp国际会议、 2. 2000年开始的Pervasive Computing国际会议、 3. 2002年IEEE Pervasive Computing期刊的创刊。
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普适计算的定义
❖目前尚未有明确定义，但目标都是“要建立 一个充满计算和通信能力的环境，同时使这 个环境与人们逐渐地融合在一起”。
其集中的体现就是互联网的发展；
❖ 计算机在计算能力和存储容量提高的同时体积 也越来越小，其发展趋势是把计算能力嵌入到 各种设备中去，而且这些设备可联网使用。
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传统的计算模式
❖以计算机为中心的计算：
1.计算机的使用方法不符合人类的习惯； 2.为了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过于烦
琐；
❖基于桌面的使用模式：
❖普适计算概念的正式提出是1991年Mark Weiser在《Scientific American》的“The Computer for the 21st Century”论文中。
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新的计算模式
❖第三代 普适计算（Pervasive Computing或 Ubiquitous Computing）
Radio Hub
Location Services
Wireless LAN

无界面交互的未来展望
无界面交互技术将进一步发展， 实现人与机器之间的自然交互，
无需任何物理设备或屏幕。
通过手势、语音、生物特征等识 别技术，机器能够理解人的意图 并做出相应的反应，实现更加智
能和高效的人机交互。
无界面交互技术的发展将为未来 的智能生活带来更多的便利和创 新，例如智能家居、智能交通等
易用性
简化操作流程，降低使用难度，让用 户能够快速上手并高效地完成任务。
定制化
提供一定程度的定制化服务，满足不 同用户的个性化需求和偏好。
交互设计工具
线框图
原型设计
使用线框图来规划和展示产品的布局、界 面元素和交互流程。
创建产品原型，模拟真实产品的交互效果 ，以便在实际开发前进行测试和验证。
用户测试
04
THANKS
感谢观看
领域的应用。
05
人机交互课程实践
设计一个简单的网页交互
总结词：了解网页交互设计的基本原则和技巧 ，包括布局、导航、信息架构等。
01
确定网页的目标和受众，以便设计出符合 用户需求和习惯的界面。
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02
详细描述
04
选择合适的布局和颜色方案，确保网页整 体风格统一、易于识别。
பைடு நூலகம்
设计清晰的导航结构，使用户能够快速找 到所需内容。
多模态交互时代
随着技术的不断进步，人机交互正朝着多模态交互的方向发展，即通 过多种方式与计算机进行交互，如手势、眼动、语音等。
02
人机交互基础知识
交互设计原则
用户为中心
设计始终以用户的需求和体验为出发点，确 保产品的易用性和满足用户期望。
可用性
确保产品功能和交互方式对用户来说是可用 的，避免出现误操作和信息混淆。

何为普适计算？ 普适计算的产生及其特点 普适计算的实现及关键技术 普适计算的应用
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何为普适计算？
普适计算（Ubiquitous computing）：
目前尚未有明确定 义。但目标都是信息空 间与物理空间的融为一 体的计算，而计算机本 身则从人们的视线里消 失。在普适计算的模式 下，人们能够在任何时 间、任何地点、以任何 方式进行信息的获取与 处理。
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普适计算的应用
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普适计算的应用
2、可穿戴技术
可穿戴技术主要探索和创 造能直接穿在身上、或是 整合进用户的衣服或配件 的设备的科学技术。 可 穿 戴 技 术 是 20 世 纪 60 年 代，美国麻省理工学院媒 体实验室提出的创新技术， 利用该技术可以把多媒体、 传感器和无线通信等技术 嵌入人们的衣着中，可支 持手势和眼动操作等多种 交互方式。
5、永恒的 eternal
用户可以随地以各种接入手段进入同 一信息 世界； 计算和通信能力存在于我们生活的世 界中， 用户能 够感觉 到它和 作用于 它; 用户和计算均可按需自由移动; 计算和通信服务可按用户需要和运行 条件提 供充分 的灵活 性和自 主性； 系统在开启以后再也不会死机或需要 重起 部件可以因需要 出错或升级来去，但整个系统则永远可 用。
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普适计算及其应用
结束语
正在涌动的新技术浪潮给普适计算发展提供 了新的契机。现有的基础设施、软硬件环境、各 种支撑技术、计算能力、新材料打造了优越的 “硬”条件；大数据、丰富的云端服务、弹性互 动的社交网络构成的“软环境”则将用户、物理 环境与计算系统紧密联系在一起。以人、机、物 三元深度融合为途径进一步打造“围绕人的计 算”。

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体感交互
Leap Motion
Leap motion 视频
返回
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?设备的易用性VS. 高性能
Tricycles Versus
Bicycles
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实物交互
例
1 ： 热 气 球
例
2 ：
拼
卡
学
汉 语
眼动控制车
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人机交互技术的发展趋势
在未来的计算机系统中，将更加强调“以人为 本”、“自然、和谐”的交互方式，以实现人 机高效合作 ➢ 集成化 ➢ 网络化 ➢ 智能化 ➢ 标准化
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图形用户界面阶段
输入、输出设备以及界面技术的发展，催生 了使用图形用户界面的个人计算机(PC)！
Mac是全球首款使用图形用 户界面驱动的个人计算机； 是今天所有PC界面的基础
• PC的出现使人机交互界面的需求面临多样化的选 择，并向多通道、多媒体、智能化的方向发展。
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多通道、多媒体交互阶段
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人机交互的研究内容
人机交互与认知心理学、人机工程学、多媒体技术和虚拟现实 与增强现实技术以及图像处理、模式识别、计算机视觉和物联 网等密切相关。其中，认知心理学与人机工程学是人机交互技 术的理论基础，而多媒体技术和虚拟现实与增强现实技术等与 人机交互技术相互交叉和渗透
多媒体技术
虚拟与增强 现实技术
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人机交互的研究内容
人机交互的研究内容十分广泛，涵盖了建 模、设计、评估等理论和方法以及在计算 机支持的协同工作、信息搜索与可视化、 超媒体与万维网、普适计算与增强现实等 方面的交互设计技术，主要包括：
• 人机交互界面表示模型与设计方法（Model and Methodology）

LiveCam_基于增强现实的汽车的导航系统 基于增强现实的汽车的导航系统
汽车的挡风玻璃就 是导航计算机的显 示和接口 驾驶员可同时看到
–
–
现实世界中的道 路 计算机产生的导 航信息
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从IBM的”到处显示”到 的 到处显示” Sony的自校正投影仪 的自校正投影仪
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三维空间中的人机交互 人机交互：
计算，通信，传感集成的信息设备
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手机上可显示各种信息： •语言翻译 •小孩找玩伴
手腕显示器 • 电子邮件 •天气预报
家具是计算机，桌面是接口
First generation Second Generation
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Mitsubishi Electric Research Labs Cambridge Research
–
Three type of interactions
– – –
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服务层次上的对偶
用户在物理空间中的各种活动和事件
–
具有时间－空间特性的动态过程 对偶关系可建立在时－空流各个抽象层次的对应点上 可在物理空间中进行检索 体育视频的分析 白板获取系统
信息空间中的多模态时－空流的档案
– –
基于内容和事件的视频索引和检索
–
“物理－信息”对偶空间
物理空间－ 物理空间－>信息空间的对偶是建立对应关 系
–从现实物理空间中获取各种数据和信息 –
“对应”的层次：特征，表面，物体（包括物体 对应” 对应 之间的关系），动作，事件，场景，描述，上下 文等各个层次。
信息空间－ 信息空间－>物理空间对偶关系的建立
–向现实物理空间中的任何地方提供数据

人机界面（Human-Machine Interface，HMI）作为计算机系统 的重要组成部分，主要是指人类与计算机系统之间的通信方式，它 是人机双向信息交换的支持软件和硬件。
交互设计（Interaction Design）指的是“设计支持人们日常 工作与生活的交互产品”，具体的讲就是关于创建新的用户体验的 问题，其目的是增强和扩充人们工作、通讯及交互的方式。
虚拟现实中的交互是虚拟现实核心研究内容之一，但人机交互并 不是虚拟现实的全部，复杂场景的建模、绘制等技术，也是虚拟现 实非常重要的研究内容。虚拟现实为人机交互的研究提供了很好的 契机和媒介，但并不是唯一的媒介，手机、PDA、笔记本电脑等移 动设备，也需要更方便、快捷、人性化的交互手段。
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人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）是关于设计、 评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面主要 现象进行研究的科学（ACM SIGCHI，1992，第6页）。
狭义的讲，人机交互技术主要是研究人与计算机之间的信 息交换，它主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分。
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6. Web设计（Web-Interaction） 重点研究Web界面的信息交互模型和结构，Web界面设计的基本
思想和原则，Web界面设计的工具和技术，以及Web界面设计的可用 性分析与评估方法等内容。
7. 移动界面设计（Mobile and Ubicomp） 移 动 计 算 （ Mobile Computing ） 、 普 适 计 算 （ Ubiquitous
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8. 群件（Groupware） 群件是指帮助群组协同工作的计算机支持的协作环境，主要涉 及个人或群组间的信息传递、群组中的信息共享、业务过程自动化 与协调，以及人和过程之间的交互活动等。目前与人机交互技术相 关的研究主要包括：群件系统的体系结构、计算机支持交流与共享 信息的方式、交流中的决策支持工具、应用程序共享以及同步实现 方法等内容。

人机交互技术第1章
人机交互的概念 人机交互的研究内容 人机交互的发展历史 人机交互的应用
◦ 人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）是关
于设计、评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，且 围绕这些方面的主要现象进行研究的科学。
1.2 人机交互研究内容
◦ 人机交互界面表示模型与设计方法（Model and Methodology）
一个交互界面的好坏，直接影响到软件开发的成败。友好人机 交互界面的开发离不开好的交互模型与设计方法。因此，研究 人机交互界面的表示模型与设计方法，是人机交互的重要研究 内容之一。
◦ 可用性分析与评估（Usability and Evaluation）
1.4 HCI的应用
教育科研
◦ 科视设计并安装的全沉浸式Christie TotalVIEW™ CAVE（图1-7），用于 在威斯康星州Pier的密尔沃基举办的 著名的Discovery World展览。这套 被Discovery World称为“人机交互式 虚拟教育”（HIVE）系统运用了3D投 影显示技术——Mirage系列投影机， 实现了的沉浸式3D环境，使参观者能 够获得关于生活环境的“近似真实”体验。
1.4 HCI的应用
军事
◦ 军事战略战术演练和培训领域是刺激交互技术发展的源动 力，从早期的飞机驾驶员培训到今天的军事战略和战术演 习仿真等。使用计算机仿真技术不仅降低成本而且可方便 地改变环境和条件，适用于特殊，危险等环境。
◦ 群件（Groupware）
群件是指帮助群组协同工作的计算机支持的协作环境，主要 涉及个人或群组间的信息传递、群组中的信息共享、业务过 程自动化与协调，以及人和过程之间的交互活动等。目前与 人机交互技术相关的研究主要包括：群件系统的体系结构、 计算机支持交流与共享信息的方式、交流中的决策支持工具、 应用程序共享以及同步实现方法等内容。

人机交互课程课件
汇报人： 2023-12-03
contents
目录
• 人机交互概述 • 人机交互基础知识 • 人机交互技术 • 人机交互应用场景 • 人机交互设计原则与案例 • 人机交互未来趋势与挑战
01
CATALOGUE
人机交互概述
定义与概念
定义
人机交互是指人与计算机之间进 行交互和信息交换的过程。
人机交互应用场景
智能家居
智能家居控制系统
通过人机交互技术，实现 对家居设备的智能化控制 ，如灯光、空调、电视等 。
语音识别与交互
利用语音识别技术，实现 与家居设备的语音交互， 方便用户操作。
智能安防与监控
通过人机交互技术，实现 家庭安全监控、智能门锁 等功能，提高家庭安全防 范能力。
虚拟现实
人机界面设计
利用人机交互技术，实现智能辅助诊断与治疗系统的人机交互，提高诊断和治疗水平。
康复训练与评估
通过人机交互技术，实现康复训练和评估系统的控制和交互，帮助患者进行有效的康复训 练。
05
CATALOGUE
人机交互设计原则与案例
设计原则
一致性
遵循一致的设计语言和规范， 使用户在跨平台、跨设备上都 能轻松地理解和使用产品。
人机交互未来趋势与挑战
技术创新与发展趋势
01
人工智能与机器学习
人工智能和机器学习技术的发展将推动人机交互方式的创新，例如语音
识别、自然语言处理、计算机视觉等技术将更好地服务于人机交互。
02
5G与物联网
5G和物联网技术的发展将为人机交互带来更多可能性，例如通过智能
设备实现更高效、更自然的交互。
03
虚拟现实与增强现实

• 清华大学徐光祐教授等的定义是:“普适计算是信 息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人 们可以随时随地、透明地获得数字化的服务。”
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“随时随地”和“透明”
• “随时随地”：指人们可以在工作、生活的 现场就可以获得服务,而不需要离开这个现场， 去端坐在一个专门的计算机面前，即像空气 一样无所不在；
• 重要标志： 1999年开始，Ubicomp国际会议、 2000年开始，Pervasive Computing国际会议、 2002年，IEEE Pervasive Computing期刊的创刊。
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提示
• 我们必须认识到普适计算不仅仅是一个计 算问题
• 普适计算环境中的社会问题，包括受到普 适计算影响的个人、集体和组织的行为应 受到关注
• 90年代以来计算技术的飞速发展蕴 育了新的计算模式。
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传统的计算模式
• 以计算机为中心的计算： 1、计算机的使用方法不符合人类的习惯； 2、为了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过 于烦琐；
• 基于桌面的使用模式： 1、用户要使用计算机，就需要坐在计算机面前； 2、本质上说是一种私有模式，难以适应一个用户可 能在不同地点和环境，甚至在移动过程中使用多台计 算设备进行工作的情况。
• 计算机在计算能力和存储容量提高 的同时体积也越来越小，其发展趋 势是把计算能力嵌入到各种设备中 去，而且这些设备可联网使用。
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计算模式的发展
• 计算模式（Computing Paradigm） 在20世纪80年代经历了从主机计算 (Mainframe Computing)到桌面计 算(Desktop Computing)的革新。

3、基于Web的软件服务构架（即通过 传统的B/S构架所提供各种服务）
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普适计算的特征
• 普适计算最重要的两个特征： • 间断连接 • 轻量计算（即计算资源相对有限）。 • 普适计算的软件技术就是要实现在这
种环境下的事务和数据处理。
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• 在信息时代，普适计算可以降低设备使用的复 杂程度，使人们的生活更轻松、更有效率。
• 计算机在计算能力和存储容量提高 的同时体积也越来越小，其发展趋 势是把计算能力嵌入到各种设备中 去，而且这些设备可联网使用。
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计算模式的发展
• 计算模式（Computing Paradigm） 在20世纪80年代经历了从主机计算 (Mainframe Computing)到桌面计 算(Desktop Computing)的革新。
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信息空间和物理空间的融合
2、自发的交互
信息空间： 存在于计算机和网络中的
数字化的信息、服务、 计算和通信
1、绑定
融合
物理空间： 真实存在的物理世界
普适计算
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绑定和自发的交互
• 绑定：信息空间中的对象与物理空间中 的物体建立相互的对应，使这个物体成 为访问信息空间中服务的直接入口。
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从两个相对方向看自发的交互
• 信息空间的状态改变映射到物理空 间中，其最主要形式是数字化信息 可以无缝地叠加在物理空间中/上。
• 例子： • 已经广泛采用的各种电器上的显示屏； • E-Ink公司正在研究的电子纸； • IBM研究院的Everywhere Display；
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普适计算-实现和人机交互 的关键 技术
内容
•什么是普适计算 -信息空问集成和融入到物理空间
-u物理-信息”对W空闹 •什么是和i皆人机交五
-普适计算成立和进人机交互的环境
-对w空间是接达计葬的人机交五的基础
普适计算是21世纪的计算模式
普适计算一计算模式的第三个浪潮
MMM-算
分:r式计算
V
TT鼻
I 窪L 1 he 1 \ ei v w 11i
三维空间中的人机交互
•人机交五:
-单台计算机交五—> 与信忠变仰 (cyber space)的交i • Human Cyber Space Interaction
-所有的计箅节点都联网 -用户不明确与哪台计箅机交互
-用 户災有崽识到在交互(implicit interaction)
系统级的对偶
•智能空间
-接口g次上的对偶关系 •电子H板 • 7生交打的以曲会议和虚拟助理交互的墙曲 •作氽系统wa份iH别SU
-功能层次上的对偶 •记氽为仃结构的芯媒休流
-闩板I.的注籽、 -ft卟屮解扣幻作的叫抽4像
-学生的提屻等都
-系统层次h的对偶关系 *後含人机交互即以觉察上F义计B
系统层的对偶
G板获取系统 (Whiteboard Capture System)
Cuncrrt
Strokes
■
VCR& Tim^lirn ? Control
*
Key Frame Thumbnaits
Future Strokes
feri/er
• Physical space
-Meeting
» Spatial temporal sequence m physical space

ห้องสมุดไป่ตู้
／ 犎 狌 犿 犪 狀犆 狅 犿 狌 狋 犲 狉 犐 狀 狋 犲 狉 犪 犮 狋 犻 狅 狀犳 狅 狉犝 犫 犻 狌 犻 狋 狅 狌 狊 犘 犲 狉 狏 犪 狊 犻 狏 犲犆 狅 犿 狌 狋 犻 狀 狅 犱 犲 狆 狇 狆 犵犕
ＸＵ Ｇ ｕ ａ ｎ Ｙ ｏ ｕ ＡＯ Ｌ ｉ ｎ Ｍ ｉ Ｈ ＩＹ ｕ ａ ｎ Ｃ ｈ ｕ ｎ ＨＡＮＧ Ｘ ｉ ａ ｎ Ｔ Ｓ Ｚ ｇ ｇ
１ ０ ４ ２
计 算 机 学 报
２ ０ ０ ７年
１］ 提出了普适 计 算 （ ） 的 概 念［ ｕ ｂ ｉ ｕ ｉ ｔ ｏ ｕ ｓｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ． ｑ ｐ ｇ
普适计算的研究 目 标 是 要 把 计 算 交 织 （ ） ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｗ ｅ ａ ｖ ｅ 到物理空 间 中 ， 也就是把信息空间（ ） 与 ｃ ｂ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｙ ｐ 人们生活的物理空 间 相 集 成 和 融 合 ． 他认为新一代 计算机应该具有以 下 特 征 ： 它是许多高度分散和互 通常是融入 自 然 环 境 中 的 ， 不可见（ ） 联的 ， ｉ ｎ ｖ ｉ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ 的和不需要人们有 意 识 操 作 或 注 意 力 的 计 算 机 ． 这 样的计算机才能向人们提供无所不在的计算和信息 从人机交互的角度来看 ， 这就意味着需要把人 服务 ． 机接口从仅限于计算机面前扩展到整个三维物理空 有人认为从人机交互 （ ） 的角 度 ， 普 适 计算 就 间． ＣＨ Ｉ 是试图通过把计算接口扩展到用户生活环境中去以 打破用户与 计 算 服 务 之 间 传 统 模 式 的 努 力 ① ． 当计 并且事实 算机接口与我们的 生 活 环 境 融 合 在 一 起 ， 我们需要研究全新的人机交互概 上成为不可见时 ， 念． 我们把这种新型的人机交互称为 “ 三维物理空间 中的人机交互 ” （ 在 以 下 的 讨 论 中， 当不会引起误解 时， 可简称为 “ 物理空间中的人机交互 ” ） ． 在传 统 的 桌 面 计 算 模 式 下 ， 虽然人机交互也发 但这时物理的因素 ， 例如用户的位 生在物理空间中 ． 置以及与计算机之 间 的 距 离 等 ， 只要用户能操作键 盘和鼠标这样的输入／输出设备 ， 就不是影响人机交 而在普适计算的模式下 ， 计算机接口将与 互的因素 ． 这时用户和环境的物理因 用户的生活环境相 融 合 ． 素就将成为交互中的重要因素 ． 例如 ， 系统应该允许 用户使用离他最近 的 接 口 ， 并以最适合于他面临的 这时用户在三维空间中 任务的方式进行信 息 交 互 ． 的位置及 其 周 围 环 境 就 成 为 人 机 交 互 中 的 重 要 因 与此同时 ， 由于用户在生活和工作中需要在物理 素． 空间中自由地移动 ， 这意味着人机交互是在动态环 境中进行的 ． 正是由于这些特点 ， 使得物理空间中的 我们将在第３节中对 人机交互具有一系 列 的 特 点 ． 此做详细讨论 ． 如上所述 ， 普适计算是全新的计算模式 ， 需要有 与之相适应 ， 革新的人机交互理论和 技 术 ， 这就是物 理空间中的人机交互理论和技术 ． 在对它进行深入研 首先需要对普适计算的概念做简要的清理 ． 究以前 ， 众所周 知 ， 为 了 克 服 桌 面 计 算 模 式 的 局 限 性， 除了 Ｗ 简写 ｅ ｉ ｓ ｅ ｒ提出的 Ｕ ｂ ｉ ｕ ｉ ｔ ｏ ｕ ｓｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｑ ｐ ｇ（ 为Ｕ ） 以外 ， 研究者还 提 出 了 Ｐ ｂ ｉ ｃ ｏ ｍ ｅ ｒ ｖ ａ ｓ ｉ ｖ ｅｃ ｏ ｍ ｐ （ 简写为 Ｐ 从文字上看 Ｕ ｕ ｔ ｉ ｎ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍ ． ｂ ｉ ｕ ｉ ｔ ｏ ｕ ｓ ｐ ｇ ｐ） ｑ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｅ ｒ ｖ ａ ｓ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｐ ｇ与 Ｐ ｐ ｇ 这两个术语只有 微小的差别 ： Ｕ ｂ ｉ ｕ ｉ ｔ ｏ ｕ ｓ的意 思 是 无 所 不 在 ， Ｐ ｅ ｒ ｖ ａ ｑ