人计交互界面整理

3. 人机交互界面设计基础 .

 人机交互（Human-Computer Interaction, HCI) 在美国通常称为机人交互 CHI(Computer-Human Interaction)

MMS( Man - Machine Studies)

是研究人、计算机以及它们间相互影响的技术

“关于设计、评价和实现供人们使用的交互式计算系统，是研究围绕这些方面主要现象的学科” ——ACM SIGCHI,1992

 用户界面（User Interface, UI): 是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分

TAG:人机交互界面设计基础

TEXT: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( Human Computer Interaction，HCI)。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。

人机交互技术几十年来经历了几个不同的主要发展阶段和典型风格。当前，占统治地位的图形用户界面(WIMP/GUI)正遭受不断的批评，而新的交互技术尚不成熟和普及，于是人们更为热衷于争论未来的人机界面“可能是什么样子”而且莫衷一是。在此，我们也想加入这种讨论的行列，根据几年来研究工作的心得发表一些看法，谈谈什么是理想人机交互风格。我们的出发点处于人机工程学这个大背景，遵循人机工程学的基本观点，在“以人为中心”前提下强调人机配合。

让我们先考察在人机工程学出现之前人类如何对待工具。不管某个具体工具的设计者在某个具体时期如何理解人与工具的关系，就人类劳动(尤其是制造和使用工具)的历史长河而言，人类是在努力不懈地改造和驯服自然，而工具的制造和完善都是在服从这种目的的前提下进行的。就使用特定工具是否需要经过训练以及所需训练的程度如何，也是不一而论的。人的技能有简单与复杂之分，也许人人都能学会打字，但未必人人都能学会驾驶航天飞机。

较为合理的看法是“自然人机交互是利用人的日常技能进行的”，强调无需特别训练或不需要训练。但究竟什么是“日常技能”以及日常技能是否都是不经训练或稍作训练即可获得呢?语言(特别是书面语言)是必须经过训练的，音乐、绘画、生产工艺等莫不如此。我们认为，人从日常环境走向计算环境时原本具有的技能便是所谓的“日常技能”。可见这是一个相对的概念，其中并不细究是否需训练的问题。所以我们不能以是否需要训练来衡量人机交互技术的好坏。人机工程学并不否定训练，避免训练或减少训练是人们的愿望，但能否做到并不完全由人的主观意志决定，应根据人机交互任务的目的、特点、场合以及实现成本等因素来决定人机交流应达到的自然性程序。

也许对于早期的“纯粹”的计算机问题和为数极少的计算机专家而言，命令语言及程序语言界面是足够的。但是当计算机大量应用于CAD/CAM、字处理、MIS等非数值计算领域之后，需要进行大量几何的、空间的、非数值的、非符号的信息处理手段，此时形式语言界面的复杂性、抽象性，对记忆负荷要求等限制了计算机应用的深入和普及，随之直接操纵给用户界面技术应运而生并广受欢迎。我们相信，形式语言不会消失，当然也不能强迫所有用户都接受它。这正如数学语言并不会被其它形式的语言(如图形的、手势的)所取代，虽然心理学家尝试在数学教育中大量利用非数学手段；又如流行音乐与高雅音乐各分秋色，听众各有所好。目前，直接操纵界面不但没有彻底取代形式语言界面，而且其自身也表现出许多局限性。而基于语言的对话式交互方式又重新开始受到重视，只是对话语言不再限于单纯的形式语言，而是引入了自然语言或类自然语言对话，如所谓的第四代语言，甚至引入基于语音的人机对话。基于形式语言、自然语言或类自然语言的用户界面本质上都是命令驱动的，其基本模式与直接操作用户界面相反。这两种本质不同的人机交互模式在人类的日常活动中都存在其对应的形式，分别对应于语言的和非语言的交际活动，后者泛指形体语言，包括姿势，情态、触摸、近体、标志等。语言具有后天习得性，有口头语言和书面语言两种，书面语言需要正规和专门的教育和训练才能掌握。

我们认为，自然人机交互模式是以直接操纵为主的、与命令语言特别是自然语言共存的人机交互形式。理想的人机交互模式就是“用户自由”。

三维人机交互技术 中国科学院软件研究所 吕晨阳 戴国忠

三维人机交互技术不同于传统的WIMP图形交互技术。首先,三维交互技术采用六自由度

输入设备。所谓六自由度,指沿三维空间X、Y、Z轴平移和绕X、Y、Z轴旋转,而现在流行的用于桌面型图形界面的交互设备,如鼠标、轨迹球、触摸屏等只有两个自由度(沿平面X、Y轴平移)。由于自由度的增加,使三维交互的复杂性大大提高。其次,窗口、菜单、图符和传统的二维光标在三维交互环境中会破坏空间感,同时,也使交互过程非常不自然,因此,有必要研究新的交互方式。

早期的三维交互环境大多采用传统的WIMP界面,这主要是由于WIMP界面的实现比真正的三维用户界面要容易得多。进入90年代以后,随着三维交互图形学和虚拟现实技术研究的深入,三维人机交互技术日益得到重视。人们在三维交互设备、三维交互方式、三维交互环境的软件结构等方面,进行了很多有益的探索。

三维交互设备

三维交互设备最基本的特点是具有六个自由度。目前,三维交互设备还处于探索阶段,还

没有一种输入装置能像二维图形界面中的鼠标那样处于主流地位。现有的被广泛应用的三维输入设备主要有以下几种:

?span>浮动鼠标(Flying Mouse) 类似于标准的计算机鼠标,但当它离开桌面后就成为一个 六自由度探测器,大多数浮动鼠标器的内部都装有电磁探测器。Logitech 3D浮动鼠标利用内构式超声波接受器和具有发射器的固定基座来测量鼠标离开桌面后的位置和方向。这种接收器还可用于虚拟现实系统的声音输入。

?span>手持式操纵器(Wand) 手持式操纵器包含一个位置跟踪探测器和几个按钮,专门适于

手中使用。它类似于浮动鼠标,但没有鼠标球,因此,不能在桌面上滚动。

?span>力矩球,也称空间球(Space Ball) 手持式操纵器和浮动鼠标的问题之一是用户必须

将设备拿在手中,而力矩球是一种可提供六自由度的桌面设备,它安装在一个小型的固定平台上,可以扭转、压下、拉出和来回摇摆等。力矩球通常使用发光二极管和光接收器进行测量

。

?span>数据手套(Data Glove) 数据手套可以捕捉手指和手腕的相对运动,提供各种手势信

号。它也包括一个六自由度探测器,用以跟踪手的实际位置和方向。数据手套被广泛应用于虚拟现实系统中。在虚拟环境中,操作者通过数据手套可以用手去抓或推动虚拟物体,做出各种手势命令。

除此之外,眼动交互技术(Eye Movement-based Interaction Technique)、手势识别(G

esture Recognition)已成为学术界的研究热点。

三维交互方式

三维用户界面必须便于用户在三维空间中通过观察、比较和一系列操作来改变三维空间

的状态。在三维用户界面中,用户主要通过以下两种交互方式在三维空间中进行操作:

1.直接操作(Direct Manipulation)

如同在二维图形用户界面中用户通过鼠标进行直接操作一样,一个由六自由度三维输入

装置控制的三维光标将使三维交互操作更加自然和方便。由于三维光标存在于三维空间中,因而有许多新的问题需要解决。

首先,三维光标必须有深度感,即必须考虑光标与观察者的距离,物体离观察者近的时候

较大,离观察者远的时候较小。

其次,必须确定光标在三维空间的方向。这种定向应自然而且方便操作。例如,如果用户

用光标点取了一个三维物体,而光标的指向却背离该物体,显然会使用户感觉很不自然。又如,为了便于用户转动对称的三维物体(立方体、圆锥、球体等),可以使光标在遇到一个对称物体时即指向其自然的旋转轴线方向。

另外,为了保持三维用户界面的空间感,光标在遇到三维物体时不能进入物体内部。

由此可见,三维光标的实现需要大量的相关计算,对硬件的要求较高,编程接口也比二维

光标复杂得多,由于这些原因,一些三维用户界面仍然采用二维光标。但二维光标在三维视觉空间中很不自然,而且由于二维光标只有两个自由度,用它来完成三维空间中六自由度的交互操作不仅不自然,且十分复杂,因此,三维用户界面的研究者和开发者普遍认为,三维光标在三维用户界面中是十分必要的。采用三维光标的另一好处是可以使各种各样的三维交互设备在用户界面中有统一的表示形式。

2.三维Widgets

另一种被广泛采用的三维交互方式是通过三维Widget进行交互操作。三维Widget是从X

-Windows中的Widget(如菜单、按钮等)概念引申而来的,即三维画面中的一些小工具,用户可以直接控制它们,使画面或画面中的三维对象发生改变,这就好象工人拿着螺丝刀拧螺丝一样。现有的一些三维Widget包括在三维空间中漂浮的菜单、用于点取物体的手形图符、平移和旋转指示器、透视墙等。

三维Widget现在仍处于探索阶段,许多三维用户界面的研究者正在设计和试验各种不同