第一章緒論任課教師：榮乾課程安排總學時 48 理論學時 32 實踐學時 16授課時間：從第三周到第十二周課程目的和任務 目的:研究“以人為本”的人機交互技術，設計優(yōu)秀人機交互界面。任務：通過學習認知心理學和人機工程學，建立正確的認識論和方法論，通過設計具體的技術方案并加以實施來理解和掌握在人機交互與界面設計中的各個方面的知識與技能，并靈活運用，更好的培養(yǎng)實踐能力。

人機交互的概念人機交互的研究內容人機交互的發(fā)展歷史人機交互的應用人機交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是關于設計、評價和實現(xiàn)供人們使用的交互式計算機系統(tǒng)，且圍繞這些方面的主要現(xiàn)象進行研究的科學（ACMSIGCHI，1992，第6頁）當前人機交互技術的比計算機硬件和軟件技術的發(fā)展要滯后很多。人機交互的主要方式?jīng)]有發(fā)生明顯變化。人機交互技術是21世紀信息領域需要解決的重大課題。例如，美國二十一世紀信息技術計劃中的基礎研究內容定為四項，即軟件、人機界面、網(wǎng)絡、高性能計算。人機交互概念有廣義和狹義的區(qū)別廣義上講，人機交互以實現(xiàn)自然、高效、和諧的人機關系為目的，研究開發(fā)新的人機交互設備、技術和理論，以實現(xiàn)無處不在計算（普適計算）環(huán)境下的以用戶為中心的交互式計算機系統(tǒng)，使其能夠增強人的創(chuàng)造力，解放人類的大腦、改善人與人之間的交流與協(xié)作人機交互從技術上講（狹義的），主要是研究人與計算機之間的信息交換，它主要包括人到計算機和計算機到人的信息交換兩部分人們如何借助鍵盤、鼠標、操縱桿、眼動跟蹤器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、壓力筆等設備，用手、腳、聲音、姿勢或身體的動作、眼睛甚至腦電波等向計算機傳遞信息計算機如何通過打印機、繪圖儀、顯示器、頭盔式顯示器（HMD）、音箱、力反饋等輸出設備給人提供信息人機交互和人機界面是兩個不同的概念人機交互是指用戶與計算機系統(tǒng)之間的通信，它是人與計算機之間各種符號和動作的雙向信息交換人機界面是指人類用戶與計算機系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，它是人機雙向信息交換的支持軟件和硬件這里“界面”定義為通信的媒體或手段，人機交互是通過一定的人機界面來實現(xiàn)的，在界面開發(fā)過程中，有時把它們作為同義詞使用人機交互與人機界面人機交互是一門綜合學科，與認知心理學、人機工程學、多媒體技術、虛擬現(xiàn)實密切相關。認知心理學研究人們如何獲得外部世界信息，信息在人腦內如何表示并轉化為知識，知識怎樣存儲又如何用來指導人們的注意和行為。將人看作是一個信息加工的系統(tǒng)，認知就是信息加工，包括感覺輸入的編碼、貯存和提取的全過程。涉及心理活動的全過程---從感覺到知覺、識別、注意、學習、記憶、概念的形成、思維、表象、回憶、語言、情緒發(fā)展和過程。了解認知心理學原理可以指導人們進行人機交互界面設計。人機工程學把人—機—環(huán)境系統(tǒng)作為研究的基本對象，運用生理學、心理學和其它有關學科知識，根據(jù)人和機器的條件和特點，合理分配人和機器承擔的操作職能，并使之相互適應，從而為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境，使工效達到最優(yōu)的一門綜合性學科。多媒體技術是利用計算機對文本、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等多種信息集成在一起的技術。動畫、音頻、視頻等動態(tài)媒體，大大豐富了計算機表現(xiàn)信息的形式，提高了用戶接受信息的效率。多媒體帶來的信息冗余性還可以消除人機通信過程中的歧義性。多通道（視線、語音、表情等）人機交互研究的興起，將進一步提高計算機的信息識別、理解能力，提高人機交互的效率和用戶友好性，將人機交互技術和用戶界面設計引向更高的境界。虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實技術是借助于計算機技術及硬件設備，建立具有高度真實感的虛擬環(huán)境，使人們通過視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等感官在其中看、聽、觸、聞起來像真實的，以產(chǎn)生身臨其境的感覺的一種技術。自然和諧的交互方式是虛擬現(xiàn)實技術的一個重要研究內容，其目的是使人能以聲音、動作、表情等自然方式與虛擬世界中的對象進行交互。增強現(xiàn)實技術把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過科學技術模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實世界被人類感官所感知,從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗,這種技術叫做增強現(xiàn)實技術,簡稱AR技術。

人機交互界面表示模型與設計方法（ModelandMethodology）一個交互界面的好壞，直接影響到軟件開發(fā)的成敗。友好人機交互界面的開發(fā)離不開好的交互模型與設計方法。因此，研究人機交互界面的表示模型與設計方法，是人機交互的重要研究內容之一?？捎眯苑治雠c評估（UsabilityandEvaluation）可用性是人機交互系統(tǒng)的重要內容，它關系到人機交互能否達到用戶期待的目標，以及實現(xiàn)這一目標的效率與便捷性。人機交互系統(tǒng)的可用性分析與評估的研究主要涉及到支持可用性的設計原則和可用性的評估方法等。多通道交互技術（Multi-Modal）在多通道交互中，用戶可以使用語音、手勢、眼神、表情等自然的交互方式與計算機系統(tǒng)進行通信。多通道交互主要研究多通道交互界面的表示模型、多通道交互界面的評估方法以及多通道信息的融合等。認知與智能用戶界面（IntelligentUserInterface，IUI）智能用戶界面的最終目標是使人機交互和人－人交互一樣自然、方便。上下文感知、眼動跟蹤、手勢識別、三維輸入、語音識別、表情識別、手寫識別、自然語言理解等都是認知與智能用戶界面需要解決的重要問題。群件（Groupware）群件是指幫助群組協(xié)同工作的計算機支持的協(xié)作環(huán)境，主要涉及個人或群組間的信息傳遞、群組中的信息共享、業(yè)務過程自動化與協(xié)調，以及人和過程之間的交互活動等。目前與人機交互技術相關的研究主要包括：群件系統(tǒng)的體系結構、計算機支持交流與共享信息的方式、交流中的決策支持工具、應用程序共享以及同步實現(xiàn)方法等內容。Web設計（Web-Interaction）重點研究Web界面的信息交互模型和結構，Web界面設計的基本思想和原則，Web界面設計的工具和技術，以及Web界面設計的可用性分析與評估方法等內容。移動界面設計（MobileandUbicomp）移動計算（MobileComputing）、無處不在計算（UbiquitousComputing）等對人機交互技術提出了更高的要求，面向移動應用的界面設計問題已成為人機交互技術研究的一個重要應用領域。針對移動設備的便攜性、位置不固定性和計算能力有限性以及無線網(wǎng)絡的低帶寬高延遲等諸多的限制，研究移動界面的設計方法，移動界面可用性與評估原則，移動界面導航技術，以及移動界面的實現(xiàn)技術和開發(fā)工具，是當前的人機交互技術的研究熱點之一。人機交互的發(fā)展過程，也是人適應計算機到計算機不斷地適應人的發(fā)展過程。它經(jīng)歷了幾個階段：圖形用戶界面自然和諧的交互命令行語言命令交互階段計算機語言經(jīng)歷了由最初的機器語言，而后是匯編語言，直至高級語言的發(fā)展過程。這個過程也可以看作早期的人機交互的一個發(fā)展過程。圖形用戶界面（GUI）交互階段圖形用戶界面（GraphicalUserInterface，GUI）的出現(xiàn)，使人機交互方式發(fā)生了巨大變化。GUI的主要特點是桌面隱喻、WIMP技術、直接操縱和“所見即所得”。桌面隱喻:指用戶界面中用人們熟悉的桌面上的圖例清楚地表示計算機可以處理的能力。所見即所得：在WYSIWYG交互界面中，其所顯示的用戶交互行為與應用程序最終產(chǎn)生的結果是一致的。WIMP：人機交互領域最普遍的電腦互動界面：包括視窗、圖標、菜單、定位設備。直接操縱：指可以把操作的對象、屬性、關系顯式地表示出來，用光筆、鼠標、觸摸屏或數(shù)據(jù)手套等指點設備直接從屏幕上獲取形象化命令與數(shù)據(jù)的過程。與命令行界面相比，圖形用戶界面的人機交互自然性和效率都有較大的提高。圖形用戶界面很大程度上依賴于菜單選擇和交互小組件（Widget）。圖形用戶界面給有經(jīng)驗的用戶造成不方便，他們有時傾向使用命令鍵而不是選擇菜單，且在輸入信息時用戶只能使用手這一種輸入通道。圖形用戶界面需要占用較多的屏幕空間，并且難以表達和支持非空間性的抽象信息的交互。自然和諧的人機交互階段隨著虛擬現(xiàn)實、移動計算、無處不在計算等技術的飛速發(fā)展，自然和諧的人機交互方式得到了一定的發(fā)展。基于語音、手寫體、姿勢、視線跟蹤、表情等輸入手段的多通道交互是其主要特點，其目的是使人能以聲音、動作、表情等自然方式進行交互操作。筆式交互設備語音交互設備視覺交互設備虛擬環(huán)境中的交互設備觸覺交互設備人機界面發(fā)展中最有影響的事件和成果1963年發(fā)明鼠標器的美國斯坦福研究所的道格·恩格勒巴特，他預言鼠標器比其他輸入設備都好，并在超文本系統(tǒng)、導航工具方面會有杰出的成果。10年后鼠標器經(jīng)Xerox研究中心改進后，成為影響當代計算機使用的最重要成果。恩格爾巴特并沒有因為他的發(fā)明而成為百萬富翁、乃至億萬富翁。因為鼠標的發(fā)明是用美國政府的資金在斯坦福研究所完成的，所以鼠標的專利權屬于政府。1998年，美國總統(tǒng)克林頓授予他國家技術獎章，表彰他為計算機應用做出的貢獻。最早的鼠標的外形是一只小木頭盒子，其工作原理是由它底部的小球帶動樞軸轉動，繼而帶動變阻器改變阻值來產(chǎn)生位移信號，并將信號傳至主機。人機界面發(fā)展中最有影響的事件和成果1963年美國麻省理工學院的伊凡·蘇澤蘭開創(chuàng)了計算機圖形學的新領域，此前的計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，所以計算機圖形學的建立具有重要的意義。他發(fā)明的Sketchpad是有史以來第一個交互式繪圖程序，奠定了計算機圖形學、GUI（圖形界面）和CAD的基礎。他還是虛擬現(xiàn)實技術的先驅，VLSI設計方面的大師。人機界面發(fā)展中最有影響的事件和成果1989年蒂姆·伯納斯·李在日內瓦的CERN（歐洲原子核研究會）用HTML及HTTP開發(fā)了WWW網(wǎng)，隨后出現(xiàn)了各種瀏覽器（網(wǎng)絡用戶界面），使因特網(wǎng)飛速發(fā)展起來。人機交互的發(fā)展趨勢在未來的計算機系統(tǒng)中，將更加強調“以人為本”、“自然、和諧”的交互方式，以實現(xiàn)人機高效合作。概括的講，新一代的人機交互技術的發(fā)展將主要圍繞以下幾個方面：1.

集成化人機交互將呈現(xiàn)出多樣化、多通道交互的特點。桌面和非桌面界面，可見和不可見界面，二維與三維輸入，直接與間接操縱，語音、手勢、表情、眼動、唇動、頭動、肢體姿勢、觸覺、嗅覺、味覺以及鍵盤、鼠標等交互手段將集成在一起，是新一代自然、高效的交互技術的一個發(fā)展方向。人機交互的發(fā)展趨勢2.網(wǎng)絡化無線互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的快速發(fā)展，對人機交互技術提出了更高的要求。新一代的人機交互技術需要考慮在不同設備、不同網(wǎng)絡、不同平臺之間的無縫過渡和擴展，支持人們通過跨地域的網(wǎng)絡（有線與無線、電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等）在世界上任何地方用多種簡單的自然方式進行人機交互，而且包括支持多個用戶之間以協(xié)作的方式進行交互.人機交互的發(fā)展趨勢3.智能化目前，用戶使用鍵盤和鼠標等設備進行的交互輸入都是精確的輸入，但人們的動作或思想等往往并不很精確，人類語言本身也具有高度模糊性，人們在生活中常常習慣于使用大量的非精確的信息交流。因此，在人機交互中，使計算機更好地自動捕捉人的姿態(tài)、手勢、語音和上下文等信息，了解人的意圖，并做出合適的反饋或動作，提高交互活動的自然性和高效性，使人－機之間的交互像人－人交互一樣自然、方便，是計算機科學家正在積極探索的新一代交互技術的一個重要內容。人機交互的發(fā)展趨勢4.

標準化目前，在人機交互領域，ISO已正式發(fā)布了許多的國際標準，以指導產(chǎn)品設計、測試和可用性評估等。但人機交互標準的設定是一項長期而艱巨的任務，并隨著社會需求的變化而不斷變化。制造業(yè)位于法國Velizy城的汽車協(xié)同設計中心的標志雪鐵龍（PSA）公司利用3DVIAVirtools技術作為工業(yè)仿真系統(tǒng)的整合平臺，采用主動式立體Barco‘sI-Space5的CAVE洞穴式顯示系統(tǒng)與BarcoCADWall被動式單通道立體投影系統(tǒng)，德國的A.R.T.光學跟蹤系統(tǒng)以及Haption6D35-45和INCA力反饋系統(tǒng)，用于汽車設計的檢視、虛擬裝配與協(xié)同項目的檢測等等。教育科研由伊利諾州大學芝加哥分校電子可視化實驗室EVL和交互計算環(huán)境實驗室CEL合作的敘事式沉浸的建設者及協(xié)同環(huán)境

(NarrativeImmersiveConstructionist/CollaborativeEnvironments)，簡稱NICE項目教育科研科視設計并安裝的全沉浸式ChristieTotalVIEW?CAVE（圖1-7），用于在威斯康星州Pier的密爾沃基舉辦的著名的DiscoveryWorld展覽。這套被DiscoveryWorld稱為“人機交互式虛擬教育”（HIVE）系統(tǒng)運用了3D投影顯示技術——Mirage系列投影機，實現(xiàn)了的沉浸式3D環(huán)境，使參觀者能夠獲得關于生活環(huán)境的“近似真實”體驗。軍事軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術演練和培訓領域是刺激交互技術發(fā)展的源動力，從早期的飛機駕駛員培訓到今天的軍事戰(zhàn)略和戰(zhàn)術演習仿真等。使用計算機仿真技術不僅降低成本而且可方便地改變環(huán)境和條件，適用于特殊，危險等環(huán)境。F-35是第一種在座艙里取消了平視顯示器(HUD)的量產(chǎn)戰(zhàn)斗機，F(xiàn)-35的飛行員將在其頭盔綜合顯示器(HMD)面罩上的虛擬平顯上讀取所有數(shù)據(jù)。生活指紋識別和人臉表情識別技術廣泛應用于人們日常生活的通信過程或者安全保護。生活蘋果iPhone采用多種交互技術，其中在iPhone4s上搭載的Siri語音助手是一項具有特色的功能，通過語音交互來幫助人們更好的操控手機。文