人機交互論文.doc

武漢工程大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院課程報告課程名稱： 人機交互的軟件工程方法 報告題目： 人機交互的進展及未來 學(xué)生學(xué)號： 0805060313 專業(yè)班級： 08雙特3班 學(xué)生姓名： 劉云 學(xué)生成績： 2011年6月報告題目 人機交互的進展及未來劉云（0805060313）（武漢工程大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院 軟件工程專業(yè) 08級3班）摘 要：隨著以計算科學(xué)為核心的人機交互，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，人機交互技術(shù)產(chǎn)生了巨大的影響，并且還將繼續(xù)影響全人類的生活。本文敘述了人機交互的最近進展和發(fā)展歷史，闡述了它們的主要內(nèi)容，尤其是我國的一些優(yōu)秀成果 ,包括多通道交互、交互模型、虛擬現(xiàn)實和三維交互、可穿戴計算和移動計算、智能空間、標(biāo)準(zhǔn)化 ;并結(jié)合我國的實際情況，指出了我國人機交互的發(fā)展方向，論述了無所不在計算等對人機交互提出的未來所面臨的挑戰(zhàn)。一個好的用戶界面不僅是要滿足用戶對功能的需求，還要讓用戶能夠簡單、愉悅的使用。據(jù)現(xiàn)在統(tǒng)計，語音無庸置疑地成為人與計算機等信息設(shè)備進行交互的最重要的人機界面。關(guān)鍵詞:人機交互；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；進展；歷史；用戶界面自1946年世界上第一臺數(shù)字計算機eniac誕生以來，計算機技術(shù)取得了驚人的發(fā)展。計算機不僅作為一種普通的計算工具為人們所使用，而且在新的產(chǎn)業(yè)革命中，與通信技術(shù)、新材料技術(shù)等結(jié)合在一起，扮演著一個重要的角色?，F(xiàn)代計算機已經(jīng)應(yīng)用在社會生活的各個領(lǐng)域，它可以代替人做大量重復(fù)性的工作，它在這方面的能力，有的已大大超過了人。但計算機仍然是一種工具，一種高級的工具，它是人腦、人手、人眼等的擴展，因此它仍然受到人的支配、控制、操縱和管理。現(xiàn)在越來越多，各式各樣的技術(shù)和產(chǎn)品在不斷的淘汰和更新，總結(jié)它們盛、衰的緣由，可以得出這樣一個規(guī)律，即：凡有助于縮小人機隔閡，有助于建立和諧人機環(huán)境的理論、方法、技術(shù)和產(chǎn)品都具有強大的生命力。例如，大規(guī)模并行處理（massively parallel processing）、多媒體（multimedia）、開放系統(tǒng)（open system）、面向?qū)ο螅╫bject-oriented）、網(wǎng)絡(luò)計算（network computing）和嵌入式計算（embedded computing）等，均因為在建立和諧人機環(huán)境方面成效顯著，而成為當(dāng)今的主流技術(shù)。所謂建立和諧的人機環(huán)境，決不僅限于設(shè)計并實現(xiàn)一個友好的人機界面和靈活的交互功能，其最終目的是：從人在應(yīng)用計算機的過程中增長了知識，發(fā)展到計算機在被人應(yīng)用的過程中優(yōu)化了功能：從計算機系統(tǒng)“初解人意”逐步發(fā)展成計算機系統(tǒng)能夠“善解人意”。用戶在開始時都極力追求“更快、更高、更全|”的計算機，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展和信息應(yīng)用系統(tǒng)的普及，用戶已經(jīng)致力于尋求更為“好用、適用、易用”的計算機的“學(xué)問”一起增長，這種“人機智能共增”的技術(shù)水平和應(yīng)用結(jié)果是計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展到一個新的階段的重要標(biāo)志之一。在以計算機或類計算機為核心的電子產(chǎn)品時代，人機交互技術(shù)正成為各國研究的重點之一。計算機發(fā)展的早期，人機交互的主要特點是人去適應(yīng)現(xiàn)在看來是十分笨拙的計算機，例如多數(shù)計算機是二進制機器，人們就使用二進制的機器語言編寫程序地，人們用各種開關(guān)、指示燈、卡片上的孔來表示數(shù)據(jù)或指令進行人機交互。采用依賴于機器的方法來使用計算機是十分不方便的，但當(dāng)時計算機尚未大批生產(chǎn)，只是在軍事或研究部門單獨研制使用，而且多數(shù)計算機的使用者往往就是設(shè)計者本人，或者在設(shè)計者的單位內(nèi)使用。那么人機交互究竟是什么呢？所謂人機交互（human-computer interaction, hci），是研究人、計算機及它們間相互影響的技術(shù)。而用戶界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。人機交互和用戶界面有緊密的聯(lián)系，但又是兩個不同的概念：前者強調(diào)的是技術(shù)和模型，后者是計算機的關(guān)鍵組成部分。計算機是20世紀(jì)的一項偉大發(fā)明，它對21世紀(jì)人類生活的各個方面將帶來深刻影響。計算機的發(fā)展歷史，不僅是處理器速度、存儲器容量飛速提高的歷史，也是不斷改善人機交互技術(shù)的歷史。人機交互技術(shù)，如鼠標(biāo)器、窗口系統(tǒng)、超文本、瀏覽器，已對計算機的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，而且還將繼續(xù)影響全人類的生活。人機交互技術(shù)是當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)競爭的一個焦點，世界各國都將人機交互技術(shù)作為重點研究的一項關(guān)鍵技術(shù)。美國總統(tǒng)信息技術(shù)顧問委員會的“21世紀(jì)的信息技術(shù)報告”中將“人機交互和信息管理”列為新世紀(jì)4項重點發(fā)展的信息技術(shù)（還包括軟件、可伸縮信息基礎(chǔ)設(shè)施、高端計算）之一，它的目標(biāo)是研制“能聽、能說、能理解人類的計算機”，并指出“現(xiàn)在美國40%以上的家庭擁有計算機，然而，對于大多數(shù)美國人來說，計算機仍然難以使用。調(diào)查，由于不理解計算機正在做什么，用戶浪費了12%以上的上機時間。更好的人機交互將使計算機易于使用，并使使用者更愉快，因而可提高生產(chǎn)率，考慮到現(xiàn)在經(jīng)常使用計算機的人數(shù)多，研制這種計算機的回報將非常巨大。最理想的是，人們可以和計算機交談，而不像現(xiàn)在這樣僅限于窗口、圖標(biāo)、鼠標(biāo)，指針（wimp）界面”。微軟中國（后改為亞洲）研究院從成立一開始，就將新一代人機交互技術(shù)作為其主要研究方向。acm圖靈獎1992年獲得者、微軟研究院軟件總工程師butler lampson在題為“二十一世紀(jì)的計算研究”報告中指出“計算機有三個作用：第一是模擬；第二個是計算成本機可以幫助人們進行通信；第三個是互動，也就是與實際世界的交流”；“人們希望計算機能夠看、聽、講，甚至比人做得更好，并能夠進行實時處理”。我國國家自然科學(xué)基金會、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）等項目指南中，均將先進的人機交互、虛擬現(xiàn)實技術(shù)列為予以特別關(guān)注的資助項目。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、移動計算無所不在計算等飛速發(fā)展，對人機交互技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求，同時也提供了許多新的機遇。計算機系統(tǒng)的擬人化，以虛擬現(xiàn)實為代表；計算機的微型化、隨身化和嵌入化，以手持電腦、智能手機為代表，將是計算機兩個重要的應(yīng)用趨勢。人機交互技術(shù)是其中的瓶頸技術(shù)。以人為中心、自然、高效將是發(fā)展新一代人機交互的主要目標(biāo)。人類自然形成的與自然界溝通的認知習(xí)慣和形式必定是人機交互的發(fā)展方向?！蔽④泟?chuàng)始人比爾.蓋茨如是說。因此，研究者們也正在努力讓未來的計算機能聽、能看、能說、能感覺。過去，一直都是人類去適應(yīng)計算機，學(xué)習(xí)計算機語言；未來，計算機將朝著適應(yīng)人類的方向發(fā)展，計算機要理解人類的語言和動作。在人機交互的發(fā)展中，一大批專家為此做出了卓越的貢獻，下面是最有影響的一些事件和成果：（1）1945年，美國羅斯福總統(tǒng)的科學(xué)顧問bush(18941974)在大西洋月刊上發(fā)表的“as we may think”的著名論文，提出了應(yīng)采用設(shè)備或技術(shù)來幫助科學(xué)家檢索、記錄、分析及傳輸各種信息的新思路和名為“memex”的一種工作站構(gòu)想，影響著一大批最著名計算機科學(xué)家。（2）1963年，美國麻省理工學(xué)院sutherland開創(chuàng)了計算機圖形學(xué)的新領(lǐng)域，并獲1988年acm圖靈獎。他還在1968年開發(fā)了頭盔式立體顯示器，成為現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要基礎(chǔ)。（3）1963年，美國斯坦福研究所的engelbart發(fā)明了鼠標(biāo)器，他預(yù)言鼠標(biāo)器比其他輸入設(shè)備都好，并在超文本系統(tǒng)、導(dǎo)航工具方面取得了杰出的成果（augmented human intellect project），獲1997年acm圖靈獎。10年后，鼠標(biāo)器經(jīng)過不斷地改進，成為影響當(dāng)代計算機使用的最重要成果。（4）20世紀(jì)70年代，當(dāng)時在xerox研究中心的alan kay提出了smalltalk面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等思想，并發(fā)明了重疊式多窗口系統(tǒng)，后經(jīng)蘋果、微軟、麻省理工學(xué)院等單位的不斷研究和開發(fā)，形成了目前廣泛使用的圖形用戶界面的標(biāo)準(zhǔn)范式。（5）1989年，tim berners-lee在日內(nèi)瓦的cern用html及www網(wǎng)，隨后出現(xiàn)了各種瀏覽器（網(wǎng)絡(luò)用戶界面），使互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展起來。（6）20世紀(jì)90年代，美國麻省理工學(xué)院negroponte（他早在30年前提出了“交談式計算機”概念）領(lǐng)導(dǎo)的媒體實驗室在新一代多通道用戶界面方面（包括語音、手勢、智能體等）做了大量開創(chuàng)性的工作。他是暢銷書數(shù)字化生存（being digital）的作者。（7）20世紀(jì)90年代，美國xerox公司parc的首席科學(xué)家mark weiser(19521999),首先提出“無所不在計算（ubiquitous computing）”思想，并在此領(lǐng)域估了大量開拓性的工作。下面我們來看看人機交互的進展：（1）自然、高效的多通道交互多通道交互（multi-modal interaction, mmi）是近年來迅速發(fā)展的一種人機交互準(zhǔn)則，也推動了互聯(lián)網(wǎng)時代信息產(chǎn)業(yè)（包括移動計算、移動通信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等）的快速發(fā)展。mmi是指“一種使用多種通道與計算機通信的人機交互方式。通道（modality）涵蓋了用戶表達意圖、執(zhí)行動作或感知反饋信息的各種通信方法，如言語、眼神、臉部表情、唇動、手動、手勢、頭動、肢體姿勢、觸覺、嗅覺或味覺等”，采用這種方式的計算機用戶界面稱之為“多通道用戶界面”。（2）人機交互模型和設(shè)計方法模型在人機交互領(lǐng)域中十分重要，用得很多，類型也很多。一類是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，討論界面在系統(tǒng)中的地位和分解，我們稱它為“界面結(jié)構(gòu)模型”。其典型的例子是將界面分成三部分（表示部件、對話控制、應(yīng)用接口）的seeheim模型。另一類是從系統(tǒng)設(shè)計的角度來了解用戶的“用戶特性模型”。它分析不同用戶的特點，以提高系統(tǒng)的針對性和適應(yīng)性，增強界面?zhèn)€性化和提高效率。其典型例子是按照用戶對系統(tǒng)、領(lǐng)域的這里討論的是從認知科學(xué)出發(fā)，分析用戶如何和計算機互動的“人機交互模型”，即行為模型。任務(wù)分析模型就是其中的一例。近年來，國際上已廣泛采用“以用戶為中心的設(shè)計（user centered design, ucd）方法，該方法已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織機構(gòu)（iso）作為正式標(biāo)準(zhǔn)以人為中心的交互系統(tǒng)設(shè)計過程而發(fā)布。ucd方法的主要特征是用戶的積極參與，對用戶及其任務(wù)要求的清楚了解；在用戶和技術(shù)之間適當(dāng)分配功能；反復(fù)設(shè)計解決方案；多學(xué)科設(shè)計，其主要設(shè)計活動是了解并確定使用背景；確定用戶和組織要求；提出設(shè)計解決方案；根據(jù)要求評價設(shè)計。在具體交互設(shè)計中，目前廣泛使用carroll的“基于劇情的設(shè)計（scenario-based design）方法。（3）虛擬現(xiàn)實和三維交互二維圖形用戶界面的一個發(fā)展方向是在桌面上顯示三維效果，同時虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要特征是它的立體的沉浸感，并構(gòu)造三維用戶界面（3d-ui），人們先后發(fā)明了立體眼鏡、頭盔式顯示器、雙目全方位監(jiān)視器、墻式顯示屏的自動聲像虛擬環(huán)境等。它們已廣泛用于不同需求、不同平臺的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。（4）智能空間及智能用戶界面智能空間（smart space）是指一個嵌入了計算、信息設(shè)備和多通道傳感器的工作空間。由于在物理空間中嵌入了計算機視覺、語音識別、墻面投影等mimi能力，使隱藏在視線之外的計算機可以識別這個物理空間中人的姿態(tài)、手勢、語音和上下文等信息，進而判斷出人的意圖并做出合適的反饋或動作，幫助人們更加有效地工作，提高人們的生活質(zhì)量。這個物理空間可以是一張辦公桌、一個教室或一幢住宅。由于在智能空間里用戶能方便地訪問信息和獲得計算機的服務(wù)，因而可高效地單獨工作或與他人協(xié)同工作?；仡櫲祟惖臍v史,人類生存空間中的信息最開始是存貯在紙張、大腦、物體等介質(zhì)上。是計算機構(gòu)建了一個01空間，它像一個有強大引力的黑洞，將人類生存空間中的各式各樣的信息都逐漸吸進去變成010101，黑洞用這些010101通過一些基本運算產(chǎn)生新的010101, 并可將這些010101組成一些虛構(gòu)的圖象呈現(xiàn)在人們面前,甚至將人類生存的世界也開始建成010101的代碼。人機交互研究已經(jīng)歷了兩個界限分明的時代，第一代是以文本為基礎(chǔ)的交互, 如菜單、命令、對話等，難用且不靈活。第二代則是直接操作界面，它引出更自然的視覺通信交互。是交互多媒體集成方法，需要大量使用語言，自然語言和高級圖形，也可使用其它交互媒體，如人的動作、手勢和三維圖像等。 隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展,在某一天圖形用戶界面也會被新的虛擬界面淘汰,新一代的用戶界面將向用戶提供身臨其境和多感覺通道體驗,在你煩惱的時候，想吹海風(fēng)、聽海浪、看雪山、小橋流水、將臥室的窗戶推開，而不論你在哪里！計算機都將會為你完成這一切，計算機模擬人類感覺的世界而生成一種世界，這里的“世界”是指具有真實感的立體圖形，它既可以是某種特定現(xiàn)實世界的真實再現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。操作者可以通過視覺、聽覺、觸覺、力覺等與之交互，從而能產(chǎn)生“身臨其境”場景。簡介: 這種虛擬的現(xiàn)實是以用戶對界面的需求變化為出發(fā)點，使用戶界面的外在形式和內(nèi)部機制能符合不同用戶的需要，這就是以用戶為中心的設(shè)計思想。非特定人的連續(xù)語音識別技術(shù)將使計算機能理解人們的要求，是一種重要的輸入界面和手段?，F(xiàn)在我們已經(jīng)有的魚眼技術(shù)使屏幕觀察（或光標(biāo)）位置附近的內(nèi)容被放大，便于用戶觀察。在傳統(tǒng)的人機系統(tǒng)中，人被認為是操作者，人去適應(yīng)機器；在一般的人機系統(tǒng)中，人被稱為用戶，能與機器對話，但無主動控制能力；而在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人才是主動的參與者，機器將對人的各種動作做出反應(yīng)。另外計算機可以充分利用它的感覺和運動通道的互補特性來捕捉用戶的意向，從而增進人機交互中的自然性。人的感覺通道有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和平衡等；人的運動通道有手、嘴、眼、頭、足及身體等?，F(xiàn)在，計算機操作時，人的眼和手十分累，效率也不高。若將聽、說和手、眼等協(xié)同動作，采用多通道、以自然方式交互，可以實現(xiàn)高效人機通信，也可以由人或機器選擇最佳反應(yīng)通道，從而不會使某一通道負擔(dān)過重。并且由于人們的動作或思想往往并不很精確，計算機應(yīng)該理解人的要求，甚至于糾正人的錯誤，而不需要人通過鍵盤或者鼠標(biāo)做出精確的操作。實現(xiàn): 一個未來的界面能使最終用戶能完全投入于自己要完成的工作，無需耗費精力于界面操作，甚至進入一個同現(xiàn)實完全一樣的虛擬世界，為此模型的建立至關(guān)重要。需要利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及人機界面的基本理論知識、多通道用戶界面的關(guān)鍵技術(shù)、vrml、軟件工程，知識工程的原型方法及其它相關(guān)知識來進行。使用:虛擬現(xiàn)實是針對某一類型的人而設(shè)計的,計算機預(yù)先記錄了用戶需要進行的操作,并且在人活動的空間自動感應(yīng),接受用戶發(fā)出的命令,人不再需要對著電腦屏幕,用鼠標(biāo)鍵盤等工具發(fā)出命令.只需要一個手勢甚至只是腦子里面形成這個命令,計算機就可以智能的作出準(zhǔn)確的操作,隨著技術(shù)的發(fā)展,電腦甚至可以直接從人的大腦提取命令信息,不需要任何介質(zhì),計算機通過檢測人的腦波等信號,形成命令,完成操作,并且將結(jié)果反饋到人的大腦。除了上述的虛擬技術(shù)以外，據(jù)現(xiàn)在統(tǒng)計，在日常生活中人類的溝通大約有75左右是通過語音來完成的，語音無庸置疑地成為人與計算機等信息設(shè)備進行交互的最重要的人機界面。語音識別技術(shù)的研究工作始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過近半個世紀(jì)來的發(fā)展，語音識別技術(shù)開始走出實驗室，進入到社會生活的各個領(lǐng)域。語音聽寫技術(shù)（即大詞匯量連續(xù)語音識別技術(shù)）始終是語音識別研究的核心問題，基于這一技術(shù)的產(chǎn)品也是語音識別系列技術(shù)產(chǎn)品在大眾中知名度最高的一種。這個領(lǐng)域國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些商業(yè)化的產(chǎn)品，其中比較有代表性的是ibm公司的via voice和dragon公司的naturally speaking。語音識別技術(shù)的另一重要應(yīng)用是用在各種產(chǎn)品的命令導(dǎo)航中，它