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EUDTPFA：一个面向终端用户的笔式表单应用开发工具1. 绪论- 研究背景与意义- 研究现状与不足- 研究目标与内容2. 需求分析- 面向终端用户的特点与需求- 笔式表单应用的需求与特点- 需求分析方法与结果3. 系统设计- 系统总体架构设计- 用户界面设计- 数据库设计- 功能模块设计4. 技术实现- 开发环境与工具选择- 系统的具体实现过程- 遇到的主要问题及解决方法5. 实验与结果分析- 系统测试方法与结果- 用户调查分析- 优化与改进方案6. 总结与展望- 本文研究成果总结- 可能的未来研究方向- 对应用的展望与意义的分析一、绪论在信息化时代，各种应用软件不断涌现，而简单易用的应用软件备受用户欢迎，尤其是面向终端用户的应用软件更是具有广阔市场。
笔式表单应用软件是智能产品的重要组成部分，它们由于采用人机交互的方式，可以帮助用户简单、快捷地完成复杂或繁琐的操作任务。
笔式表单应用的主要特点是方便、灵活、易用和适应性强，因此，成为了用户广泛使用并推崇的应用软件之一。
然而，目前大多数笔式表单应用软件的开发还是由技术人员完成，虽然程序操作流程比以往简化了，但对于普通用户而言，仍然需要提供更加直观、易用的应用软件开发工具，这既是用户需求的体现，也是软件发展的趋势。
因此，一个面向终端用户的笔式表单应用开发工具的研究就显得尤为重要。
本文主要研究目标在于设计与实现面向终端用户的笔式表单应用开发工具。
采用体系结构和开发工具，这个工具可以帮助用户方便地制定和设计笔式表单应用，使得用户可以直接使用简单易用的输入手写方式来快速地创建和管理笔式表单应用，从而提高用户的工作效率和质量，并且使得用户在使用中获得较好的用户体验。
本文的内容主要分为五章，首先对笔式表单应用开发工具的研究背景与意义进行了介绍，说明了该研究的重要性和必要性；接着对相关研究现状与不足进行了剖析，为本文的研究提供了理论依据；然后阐述了笔式表单应用的需求与特点以及面向终端用户的特点与需求，为后续的设计和实现提供了具体的指导；其次介绍了系统设计和技术实现方案，包括系统总体架构设计、用户界面设计、数据库设计和功能模块设计等；最后通过实验和结果分析，对系统进行了测试和用户调查分析，并给出了优化和改进方案，进一步验证了该工具的实用价值和可行性。
浅谈人机交互技术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。
但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。
为了消除这条鸿沟，人们创造了人机交互( Human Computer Interaction，HCI)技术——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，并且使其变得更加自然、和谐。
换句话说它其实就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。
当然在这门大型技术科学中还包括了许多小型的技术，例如本文作为例子讲的UI界面设计技术等。
什么是界面技术呢？界面设计不仅仅是单纯地从美学角度考虑如何地进行排版布局，他是纯粹的科学性的艺术设计，也是充满人文关怀的的心理学的综合应用。
界面设计者根据受众人群、使用场景、使用方式，综合认知心理学、人体工程学、色彩设计等多重理论基础并最终为用户的方便使用而设计，是纯粹的科学性的艺术设计。
中国当前的软件产品，在UI设计方面可谓弱中之弱。
在大多数产品开发中对编码的偏重是显而易见的，产品急速推广无暇顾及设计的美观。
往往是产品已经投放市场，当界面遭到用户非议的时候，才会想到花上可怜的一点时间和金钱把产品做以“美化”，美化仅仅是在表面做工以得到用户的全盘的服帖的接受，可能中国网民的绝大多数并不具备对UI设计的鉴别能力，但是对美的感知是人生而有之的。
而要想设计出完美的UI界面，则必须遵循以下原则：1.有条理的布局注意力是网络上最优价值的货币。
在通常情况下，用户若是不能在几秒钟知道网站是做什么的，他往往会转而访问其他网站。
所以你必须迅速地告诉访问者你的网站是做什么的，为什么要在你的网站上花费时间，在此有条理的布局就是抢夺注意力最有效的手段之一。
笔式用户界面戴国忠田丰普适计算使得计算技术的使用方式发生了彻底地改变，它的终极目标是使人获得真正的效率。
同时，普适计算使得计算变得“不可见”。
通过采用普适计算技术，可以做到根据用户此时此地的需要，提供不同类型的服务形式，使人们可以通过方便自然的交互活动获取需要的信息和服务。
当前计算机的社会角色仍是辅助人与人之间进行的信息交流，信息交流的主要形式仍是文字。
纸笔方式因其丰富的表达能力以及便携的特性，使它成为文字交流中最普遍的方式。
从人类的发展和人的成长过程来看，人与人之间的交流方式经历了从情感发展到语言、再到纸笔文字、然后到目前的电子信息交流方式等几个阶段。
而人与计算设备之间的交流方式，恰好与上述方式的发展进程相反。
因受自身技术的制约，人与计算设备之间逐步从电子信息交流方式、发展到纸笔方式、再到语言交流方式、最终可能到情感交流方式。
而从目前和未来若干年来看，纸笔交互方式无疑是普适计算的一个主要形态。
笔式用户界面的研究现状从社会科学和认知科学的角度来看，笔式交互基于纸笔交互的思想，模拟了人们日常的纸笔工作环境。
这种交互方式非常自然，可以帮助人们在日常工作中轻松地进行各种文档的处理、思想的捕捉、观点的交流、事件的记录、思维活动的辅助等等。
从技术的角度而言，笔式交互方式具有便携、可移动的特点，可以方便人们在不同的时间和地点，来灵活地进行交流。
同时相应硬件设备和软件技术的发展，以及认知心理学、人机功效学等相关学科的相互促进，也使得笔式交互的研究成为热点。
总而言之，笔式交互方式的研究帮助人们在保持自然工作方式的同时，可以充分利用强大的计算资源。
在这种方式下，人们在同计算资源的交流过程中无需增加很多认知和交互负担，只需要保持原有的工作方式即可。
笔式交互固有的非精确性和强的信息表达能力，使得它有利于表达思想的快速原型和进行自然的交流。
作为笔式用户界面研究的一个重要标志，1991年，施乐Palo Alto研究中心（Xerox PARC）研制了一个白板大小的、可以用专用笔进行直接交互的笔交互设备（LiveBoard），它可以用于会议室和教室，并开发了基于该交互设备的软件，提出了许多现代笔式用户界面研究的基本思想和概念。
与此同时该公司的马克·威瑟（Mark Weiser）提出了“普适计算”的思想，笔式用户界面是该计算环境的一个主要的人机界面形态，从而将研究工作推向了高潮。
美国麻省理工（MIT）的多模式界面AGENTS项目包含了研究智能笔技术的内容，该项目将智能笔技术和其它的多模式输入技术如语音识别和表情识别等结合起来，以提高用户界面的交互效率和自然性。
卡内基梅隆大学（CMU）人机交互学院将笔交互的支持嵌入了工具箱系统GARNET，同时设计实现了通过勾画设计图形用户界面原型的工具SILK。
加州大学伯克利分校（UC Berkeley）GUIR实验室开展了大量的笔式用户界面研究，其中以基于笔的设计工具为主，如网站的设计DENIM，同时也设计实现了支持笔交互界面开发的工具系统SA TIN。
在欧洲，MIAMI是欧盟信息技术研究计划（ESPRIT）的一个基础研究项目，其研究领域包括语音识别、笔式输入和手写体等。
这项研究对来自不同通道的信息进行综合处理的问题，它将对未来的信息技术产品产生全面的影响。
在日本，许多大大小小的公司，如Wacom、东芝、日立、NEC、索尼等，纷纷投资研究开发笔式输入技术。
“笔式输入技术研究会”由日本东京电机大学发起，于1993年7月成立。
会员们来自几所大学及十几所公司的专门从事笔输入的专家，他们定期专门探讨笔输入技术，对产学研的结合起了重要的作用。
东京电机大学人机交互实验室近年来一直注重PDA用户界面设计的研究，受到国际同行们的关注。
笔式用户界面的研究内容目前笔式用户界面相关的研究大都集中在利用模式识别的方法，将笔作为文字输入的手段，或者将笔作为鼠标的一种替代品。
笔的应用还停留在鼠标的层次上，界面形态还停留在传统的WIMP1形式上。
因此这些研究成果无法从根本上解决目前使用计算机的难题。
要解决这一难题，必须将笔式输入上升到界面软件的高度，在理论，方法和应用三个层次进行研究，形成笔式界面软件开发的理论基础、开发方法和支撑环境，并针对不同的应用领域进行笔式界面软件的设计和开发。
只有这样，才能将自然、和谐与高效的笔式交流方式深入到人们的日常生活中，对中国人而言还要实现人机环境中汉字文明的回归和飞跃。
我们的总体目标是在笔式界面软件领域，从理论、方法和应用三个层次进行深入的研究，建立一套笔式界面软件的软件开发方法，构造软件框架、软件平台和软件设计工具，研究笔1Windows, Icons, Menus, PointingDevic窗口、图标、菜单、点击设备式界面软件中的核心算法，构造笔式个人信息管理系统；并在此基础上，针对个人办公领域，研究和开发适于领导、普通大众、教师等不同人群使用的笔式自由办公平台套件。
具体的工作将分成四个主要的阶段：笔式界面软件的开发方法研究、笔式界面软件的开发环境研究、笔式界面软件中的核心算法研究以及构造笔式个人信息管理系统和笔式自由办公平台套件。
笔式界面软件的开发方法包括基于场景的设计方法、基于界面设计工具的原型化软件设计方法、软件体系结构设计、以构件为中心原型演变式的软件生成、以用户为中心的迭代式开发过程以及设计评估方法等多个环节组成。
这套软件工程方法将指导我们进行笔式界面软件的开发。
同时，这套软件工程方法将在应用的开发过程中不断地进行补充和完善。
笔式界面软件开发环境包括软件平台、算法库和软件设计工具三个主要的部分。
笔式界面软件平台的构建通过分析建立笔式交互任务的生成框架来进行。
它建立在PIBG2交互范式的基础上，用于支持笔式界面软件的开发。
笔式界面软件平台支持具有连续性、多维性和隐含性的笔式交互。
在笔式界面软件平台中包含了“纸”、框等多种交互组件，定义了“纸”、框和内容三个层次之间的静态结构和动态交互机制。
开发者开发笔式界面软件时，可以用笔式界面软件平台来建立整体的软件框架和交互机制，并有选择地在系统中添加平台中所提供的交互组件。
这样，开发者的精力将会集中在应用领域的内容上。
笔式界面软件中的核心算法主要有Ink理解算法、手势识别算法、数学公式识别算法等。
Ink理解算法包括呈现、处理、信息单元提取整理和识别等。
该算法能够生成铅笔、钢笔和毛笔三种笔锋风格；实现笔迹的除噪和光顺；实现信息单元的图文分离，文字笔迹的字与行的提取；实现图形笔迹的分类、拟合等。
手势识别算法包括以用户为中心的手势符号设计、手势识别算法的研究以及手势使用效果的评估三个方面。
数学公式的识别算法主要包括：符号切分（对于用户输入的笔划集合，根据如何的标准和算法把它切分为一个个子集合，每个子集合构成一个符号）、字符识别（对于一个符号，计算它对应于某个字符的匹配度）和结构分析(对于符号切分得到的二维分布的符号，如何利用它们之间的位置、大小关系以及数学规则，将它们分析为排版语言表示的数学公式)。
笔式界面设计工具建立在笔式界面软件平台之上，它为程序员和最终用户提供自然的纸笔设计方式，使程序员和用户可以方便地构造各种类型的笔式界面软件。
同时，考虑到界面设计工具中的自动化程度以及为程序员提供更加灵活的方式等因素，需要在界面设计工具中2Physical object, Icons, Buttons and Gesture-实体对象、图标按钮和手势给程序员提供相应的接口，可以使程序员在需要时调用笔式界面软件平台或者更加底层的功能。
笔式用户界面的设计和生成是以笔式用户界面描述语言形式的数据为处理核心。
这种基于数据驱动模式的功能结构具有非常大的灵活性和扩展性。
同时，通过语言所提供的描述以及界面元素管理器中所提供的功能，整个系统支持数据共享，是一种隐式事件调用的结构，事件的发送往往通过在数据中定义相应的事件通道来进行，这样确保了消息和接收者之间的低耦合性，便于模块内部数据的更改和扩充。
个人信息管理负责帮助用户进行信息的组织、管理和查询。
个人办公系统的各个功能模块都需要基于个人信息管理来构建。
我们将建立一个笔式的个人信息管理系统。
该系统可以分成三个主要的层次，包括交互界面层、功能模块层和资源管理层。
交互界面层负责完成同用户进行纸笔交互的功能，将用户的输入转变为相应的交互任务传给功能模块层，同时以笔式用户界面的形式输出功能模块的执行结果。
功能模块层是由面向不同领域，不同用户的各种功能模块组成，这些模块用来完成不同的办公任务。
各个功能模块之间是相互独立的，系统可以根据需要组合不同的功能模块，同时可以扩展新的功能模块。
资源管理层负责对办公套件的各类资源进行统一的组织和管理。
我们将在未来几年内主要针对非IT专业人员的科技人员或干部的日常工作来开发出一个笔式办公套件，满足他们日常办公的需要。
笔式用户界面的界面范式针对笔式用户界面，我们提出了PIBG范式。
范式中的P(Physical object)、IB(Icons, Buttons)、G(Gesture)分别与WIMP范式的W(windows-窗口)、I(icons-图标)M(menus-菜单)、P(pointing systems-点击)相对应。
在PIBG范式中，承载应用信息的交互组件由窗口（Window）变为物理对象（Physical Object），P是这一类交互组件的统称，主要包括“纸”（Paper）和框架（Frame）两类交互组件。
IB表示此范式中与具体语义无关的直接操纵组件，I代表图标（Icon），B代表按钮（Button）。
在此范式中摒弃了菜单（Menu）类的交互组件，尽量多地使用图标（Icon）和按钮（Button），这样可以大大增加直接操纵在整个交互方式中的比例，提高系统的操作效率。
G表示手势（Gesture），是指此范式中所采用的主要的交互方式。
与WIMP交互方式比较，用户的交互动作由鼠标的点击（Mouse Pointing）变为笔的手势（Pen Gesture）。
PIBG范式并没有在各个方面完全替代WIMP范式，它保留了Icon、Button等直接操纵组件，但从信息呈现和交互方式两个最为主要的方面有了根本性的改变。
PIBG范式采用Pen/Paper隐喻，模拟人们数千年来形成并熟悉的纸笔交互环境来构造界面的呈现方式。
鼠标是一种视觉与动作分离的设备，用户必须在注视屏幕上的光标运动的同时，判断处于视线范围之外的鼠标运动情况。
这种视觉和动作的分离造成用户需要更多的注意力去协调两者的关系。
而在笔的交互方式下，用户视觉和动作统一，大大地减轻了用户的认知负担。
从运动形式上来说，操作鼠标主要运用小臂和腕部肌肉，运动幅度较大，而且鼠标重量大，稳定性好，因此做直线运动快速准确，适合Menu的选择和点击。
