人機(jī)界面的技術(shù)發(fā)展史

1、    人機(jī)界面的技術(shù)發(fā)展史    人機(jī)界面的技術(shù)發(fā)展史    類別：傳感與控制      1.1人機(jī)交互（Human-Computer Interaction,HCI） 人機(jī)交互技術(shù)(Human-Computer Interaction Techniques)是指通過計算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)對話的技術(shù)。它包括機(jī)器通過輸出或顯示設(shè)備給人提供大量有關(guān)信息及提示請示等，人通過輸入設(shè)備給機(jī)器輸入有關(guān)

2、信息及提示請示等，人通過輸入設(shè)備給機(jī)器輸入有關(guān)信息，回答問題等。人機(jī)交互技術(shù)是計算機(jī)用戶界面設(shè)計中的重要內(nèi)容之一。它與認(rèn)知學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有密切的聯(lián)系。 1946年：由指示燈和機(jī)械開關(guān)組成的操縱界面 1980年代：由終端和鍵盤組成的字符界面 1990年代：由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面(GUI)， PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所見即所得 21世紀(jì)：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的應(yīng)用(發(fā)展方向) 1.2 人機(jī)交互的發(fā)展 人機(jī)交互（Human-Computer Interactio

3、n,HCI），就是人與機(jī)器的交互，本質(zhì)上是指人與計算機(jī)的交互，或者可以理解為人與含有計算機(jī)的機(jī)器的交互。為了以下討論方便，我們現(xiàn)把計算機(jī)和含有計算機(jī)的機(jī)器，通稱為計算機(jī)。人機(jī)交互研究的最終目的在于探討如何使所設(shè)計的計算機(jī)能幫助人們更安全，更高效地完成所需的任務(wù)。 自1946年世界上第一臺數(shù)字計算機(jī)ENIAC誕生以來，計算機(jī)技術(shù)取得了驚人的發(fā)展。但計算機(jī)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(kuò)展，因此它仍然受到人的支配，控制，操縱和管理。在計算機(jī)所完成的任務(wù)中，有大量是人與計算機(jī)配合共同完成的。在這種情況下，人與計算機(jī)需要進(jìn)行相互間的通信，即所謂的人機(jī)交互。其實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)之間

4、通信的硬，軟件系統(tǒng)即為交互系統(tǒng)。 交互系統(tǒng)通常包括計算機(jī)通過輸出或顯示設(shè)備給人提供大量信息及提示，以及人通過輸入設(shè)備向計算機(jī)輸入有關(guān)信息，問題回答等。從計算機(jī)早期的面板開關(guān)，顯示燈和穿孔紙帶等交互裝置，發(fā)展到今天的視線跟蹤，語音識別，手勢輸入，感覺反饋等具有多種感知能力的交互裝置。人機(jī)界面經(jīng)歷了手工操作，命令語言和圖形用戶界面（GUI）的三個階段。 人機(jī)交互的發(fā)展大致可以分為四個階段： 初創(chuàng)期（1929-1970）1959年美國學(xué)者B.Shackel從人在操縱計算機(jī)時如何才能減輕疲勞出發(fā)，提出了被認(rèn)為是人機(jī)界面的第一篇文獻(xiàn)的關(guān)于計算機(jī)控制臺設(shè)計的人機(jī)工程學(xué)的論文。1960年，Liklider

5、JCK首次提出人機(jī)緊密共棲（Human-Computer Close Symbiosis）的概念，被視為人機(jī)界面學(xué)的啟蒙觀點(diǎn)。1969年在英國劍橋大學(xué)召開了第一次人機(jī)系統(tǒng)國際大會，同年第一份專業(yè)雜志國際人機(jī)研究（IJMMS）創(chuàng)刊?？梢哉f，1929年是人機(jī)界面學(xué)發(fā)展史的里程碑。 奠基期（1970-1979）此時期出現(xiàn)了兩件重要的事件：（1）從1970年到1973年出版了四本與計算機(jī)相關(guān)的人機(jī)工程學(xué)專著，為人機(jī)交互界面的發(fā)展指明了方向。（2）在1970年成立了兩個HCI研究中心：一個是英國的Loughbocough大學(xué)的HUSAT研究中心，另一個是美國Xerox公司的Palo Alto研究中心。

6、發(fā)展期（1980-1995）20世紀(jì)80年代初期，學(xué)術(shù)界相繼出版了六本專著，對最新的人機(jī)交互研究成果進(jìn)行了總結(jié)。人機(jī)交互學(xué)科逐漸形成了自己的理論體系和實(shí)踐范疇的架構(gòu)。理論體系方面，從人機(jī)工程學(xué)獨(dú)立出來，更加強(qiáng)調(diào)認(rèn)知心理學(xué)以及行為學(xué)和社會學(xué)的某些人文科學(xué)的理論指導(dǎo)；實(shí)踐范疇方面，從人機(jī)界面（人機(jī)接口）拓延開來，強(qiáng)調(diào)計算機(jī)對于人的反饋交互作用。人機(jī)界面一詞被人機(jī)交互所取代。HCI中的I，也由Interface(界面/接口)變成了Interaction(交互)。 提高期 （1996- ）20世紀(jì)90年代后期以來，隨著高速處理芯片，多媒體技術(shù)和Internet Web技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，人機(jī)交互的研

7、究重點(diǎn)放在了智能化交互，多模態(tài)（多通道）-多媒體交互，虛擬交互以及人機(jī)協(xié)同交互等方面，也就是放在以人為在中心的人機(jī)交互技術(shù)方面。 交互的方式人機(jī)交互過程實(shí)際上是一個輸入和輸出的過程，人通過人機(jī)界面向計算機(jī)輸入指令，計算機(jī)經(jīng)過處理后把輸出結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。人和計算機(jī)之間的輸入和輸出的形式是多種多樣的，因此交互的形式也是多樣化的，包括：數(shù)據(jù)交互、圖像交互、語音交互、行為交互等。 13 人機(jī)交互與人機(jī)界面的關(guān)系 人機(jī)交互是指人與機(jī)器的交互，本質(zhì)上是人與計算機(jī)的交互?；蛘邚母鼜V泛的角度理解：人機(jī)交互是指人與含有計算機(jī)的機(jī)器的交互。具體來說，人機(jī)交互用戶與含有計算機(jī)機(jī)器之間的雙向通信，以一定的符號和動作來

8、實(shí)現(xiàn)，如擊鍵，移動鼠標(biāo)，顯示屏幕上的符號/圖形等。這個過程包括幾個子過程：識別交互對象-理解交互對象-把握對象情態(tài)-信息適應(yīng)與反饋等；而人機(jī)界面是指用戶與含有計算機(jī)的機(jī)器系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，是人機(jī)雙向信息交互的支持軟件和硬件。這里界面定義為通信的媒體或手段，它的物化體現(xiàn)是有關(guān)的支持軟件和硬件，如帶有鼠標(biāo)的圖形顯示終端等。 交互是人與機(jī)-環(huán)境作用關(guān)系/狀況的一種描述。界面是人與機(jī)-環(huán)境發(fā)生交互關(guān)系的具體表達(dá)形式。交互是實(shí)現(xiàn)信息傳達(dá)的情境刻畫，而界面是實(shí)現(xiàn)交互的手段。在交互設(shè)計子系統(tǒng)中，交互是內(nèi)容/靈魂，界面是形式/肉體；然而在大的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)中，交互和界面，都只是解決人機(jī)關(guān)系的一種手段，不

9、是最終目的，其最終目的是解決和滿足人的需求。 交互設(shè)計是從屬于產(chǎn)品系統(tǒng)的，是對成功的產(chǎn)品設(shè)計的一種強(qiáng)有力的支持與完善。 如果利用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，交互設(shè)計是從屬于產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的子系統(tǒng)。 14 操作界面Operator Interfaces 人機(jī)界面 Human Machine Interface 在工業(yè)自動化中的應(yīng)用人機(jī)界面（Human-Machine Interface），是人與機(jī)器進(jìn)行交互的操作方式，即用戶與機(jī)器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。好的人機(jī)界面美觀易懂、操作簡單且具有引導(dǎo)功能，使用戶感覺愉快、興趣增強(qiáng)，從而提高使用效率。 狹義的人機(jī)界面（Human Computer

10、Interface）是計算機(jī)學(xué)科中最年青的分支學(xué)科之一。它是計算機(jī)科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)兩大科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它涉及當(dāng)前許多熱門的計算機(jī)技術(shù)，如人工智能、自然語言處理、多媒體系統(tǒng)等，同時也是吸收了語言學(xué)、工業(yè)設(shè)計、人機(jī)工程學(xué)和社會學(xué)的研究成果，是一門交叉性、邊緣性、綜合性的學(xué)科。隨著計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，計算機(jī)已經(jīng)變成一種商品，可以裝在人們的口袋里，用來幫助人們處理日常的辦公業(yè)務(wù)和生活事務(wù)，自然的人機(jī)界面與和諧的人機(jī)環(huán)境已逐步變成信息世界關(guān)心的焦點(diǎn)，尤其是在競爭激烈的市場環(huán)境之中，人性化的用戶界面更是計算機(jī)或者內(nèi)藏計算機(jī)的各類裝置贏得客戶的重要品質(zhì)。廣大的軟件研制人員和計算機(jī)用戶愈為迫切地需要符

11、合簡單、自然、友好、一致原則的人機(jī)界面。 人機(jī)界面的發(fā)展 手工操作:最早的計算機(jī)采用 命令通行無阻:DOS等操作系統(tǒng)采用 圖形用戶界面:Windows系列采用 人機(jī)界面的設(shè)計和開發(fā)在整個系統(tǒng)的研制中占40%60%的比重。 多媒體人機(jī)交互方式: 輸入 鍵盤輸入:傳統(tǒng)方式 鼠標(biāo)輸入:圖形用戶界面的重要輸入方式 手寫輸入:手寫漢字識別,平板電腦 語音輸入 觸摸屏輸入 數(shù)字化儀輸入:適用于CAD/CAM系統(tǒng) 掃描輸入:條形碼、掃描儀、光電閱讀器 三維輸入：數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、力矩球等 視覺輸入：攝像設(shè)備。機(jī)器人的視覺 輸出 顯示終端輸出：重要工具。 聲響輸出：聲波 打印輸出：標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備之一 三維輸出

12、：產(chǎn)生三維輸出的設(shè)備有投影顯示器、頭盔顯示器、電視眼境等 多媒體人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 軟件界面設(shè)計：多媒體化 自然語言人機(jī)交互 輸入輸出裝置的設(shè)計 計算機(jī)輔助設(shè)計和制造（Computer Aided design CAD/Computer aided manufacturing CAM） 現(xiàn)今的操作界面系統(tǒng)比以往的都要復(fù)雜，對他們所監(jiān)控的處理過程提供更高精度的監(jiān)視和控制。其功能可以從一個PLC終端到一個強(qiáng)大的處理平臺。在它的基礎(chǔ)形態(tài)中，界面可以做數(shù)據(jù)處理，并可以以任意一種方式發(fā)送信息給操作者，從文本信息到生動的圖形。如今，由于技術(shù)的推進(jìn)，應(yīng)用規(guī)模也日益增大。雖然OI正被開發(fā)適應(yīng)更多的需求，然而

13、用戶仍然不斷地提出更多的要求。 15 工業(yè)自動化人機(jī)界面發(fā)展模式概括： （一）狹長線設(shè)計 Advantech自動化公司的 TPC-1260觸摸式平板計算機(jī)提供一個功能強(qiáng)大的、冷運(yùn)行處理器在一個無風(fēng)扇、狹長線設(shè)計中。該器件具有12.1-in. SVGA TFT LCD，耐久觸摸屏，自由軸儲存和一個Transmeta Crusoe 5400 處理器。它提供在板的128MB DRAM和一個緊湊的flash驅(qū)動器。該部件支持Windows XP/CE，具有一個保護(hù)等級為NEMA 4/IPC 65前面板AL-Mg腔體，使得它適合粗糙的環(huán)境。為了在軸自由度不是臨界的地方應(yīng)用，可以使用狹長型器件。 UXGA

14、分辨率顯示器 Ann Arbor 技術(shù)公司的webLink21高功能工業(yè)計算機(jī)集成一個大的UXGA 21-in.顯示器。模擬耐久性觸摸屏具有NEMA4保護(hù)等級的鋁制前斜面為標(biāo)準(zhǔn)型。主要特性包括：1.7 GHz Pentium 4處理器、DDR RAM （upgradable to 1 GB）、在板100/10 BaseT以太網(wǎng)端口、CD-ROM、4USB 端口、附加 6 開放式PCI 插槽。增強(qiáng)的RAM、DVD驅(qū)動器、附加USB端口和NEMA 4X 不銹鋼斜面是其中的選項(xiàng)。 （二）綜合接受能力 GE Fanuc公司推出的快速面板控制和清晰視覺解決方案合并帶有Cimplicity機(jī)器編輯軟件的Q

15、uickPanel系列觸摸屏和Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)。在單獨(dú)平臺上的包容能力提供增強(qiáng)的生產(chǎn)能力和成本效能。觸摸屏在一個合并有自動化軟件的硬件平臺上呈現(xiàn)靈活的、可擴(kuò)展性能。Cimplicity機(jī)器編輯器一個開放的、集成軟件包，適合機(jī)器級編程、監(jiān)控和數(shù)據(jù)捕獲和故障監(jiān)測以推動應(yīng)用軟件的開發(fā)。 （三）透明訪問 Omron電子公司S高級操作界面從單個屏幕上訪問信息從PLC到遠(yuǎn)離的三個網(wǎng)絡(luò)。信息可以從一個以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、ControllerLink網(wǎng)絡(luò)（Omron的專有網(wǎng)絡(luò)），同時上行到兩個串行端口。HMI特有4通道視頻輸入模塊去顯示來自視覺檢測傳感器的照相機(jī)圖象。連通性給予用戶廣泛

16、的網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)，梯形監(jiān)控工具可以監(jiān)控PLC梯形圖程序從一個系統(tǒng)菜單，而不需要膝上型電腦或PC。NS保護(hù)等級為NEMA 4。 （四）擴(kuò)展的觸模式面板 AutomationDirect 公司的EXTouch觸摸面板的擴(kuò)展系列包括8，10和15-in.狹長器件。狹長型面板使用FDA兼容的塑形材料和觸摸覆蓋物組成，包括1/4-in。FDA兼容O形墊圈。典型的模塊帶有內(nèi)置的數(shù)據(jù)通路附加接受能力和以太網(wǎng)選擇卡。10和15-in.面板帶有Modbus Plus、DeviceNet、Profibus或Ethernet I/P接受能力。市場起始定價為419美元，可選擇彩色或黑白兩種。 （五）可編程人機(jī)界面 Xy

17、com Automation公司推出的GP2x01系列觸摸式可編程操作界面GP2x01系列觸摸式可編程操作界面可以運(yùn)行在決大多數(shù)環(huán)境中。該器件特有鋁制殼體結(jié)構(gòu)，保護(hù)等級為NEMA 4x，Class 1，Div2危險區(qū)域認(rèn)證，緊湊的閃卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄并直接提高了配置軟件。該器件支持一個寬范圍的流行的串行通訊驅(qū)動器，可選擇的通訊擴(kuò)展模塊提供網(wǎng)絡(luò)接口，可連接DeviceNet、Profibus、Modbus Plus、AB數(shù)據(jù)通路plus、AB遠(yuǎn)程I/O，另外附加標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/RS-485網(wǎng)絡(luò)。 （六）基于文本的HMI Square D/Schneider電氣公司推出的Telemecanique

18、 Magelis XBT-N操作界面Square D/Schneider電氣公司的Telemecanique Magelis XBT-N操作界面被設(shè)計為簡單并可重復(fù)的機(jī)器。保護(hù)等級為NEMA 4X適合室外使用，UL Class 1, Div. 2危險場所保護(hù)，該線性化、小型化基于文本的HMI易于安裝和編程。四種規(guī)格呈現(xiàn)出高的功能性，并且特有快速響應(yīng)時間。來自于鍵盤的操作者行為或來自PLC的要求完成時間少于30ms。操作面板使用軟件設(shè)置鍵進(jìn)行客戶化定制，開放的標(biāo)準(zhǔn)確保了它同Schneider電氣公司和其他第三方組件的兼容性。 16 操作界面Operator Interfaces 人機(jī)界面 Hum

19、an Machine Interface 和人機(jī)工程學(xué)的關(guān)系 界面是否符合人機(jī)工程學(xué)原理？你的操作員接口終端是否會給你帶來痛楚？我不是指只是由于不能正確發(fā)揮功能而引起的失望和沮喪。我指的是真實(shí)的感同身受的痛楚，如同任何真正的計算機(jī)終端，一個HMI會遭遇到健康以及與安全有關(guān)的使用問題等。當(dāng)結(jié)合HMI工作時，一般說來，正確的符合人機(jī)工程學(xué)不是工程師們內(nèi)心首先考慮的事情，然而，不關(guān)心人機(jī)工程學(xué)原理會導(dǎo)致作業(yè)成本上升的后果，這還沒有提到眼睛的過度疲勞，腕關(guān)節(jié)綜合癥及扭傷等。 什么是人機(jī)工程學(xué)？有許多的定義，但本質(zhì)上這是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)。Microsoft的Encarta網(wǎng)上百科全書定義人機(jī)工程學(xué)為：這是

20、一門科學(xué)，它涉及機(jī)器產(chǎn)品和系統(tǒng)的設(shè)計，其目的是使用它們的人能最大化地感到安全，舒適和有效。專職的人機(jī)工程學(xué)認(rèn)證部門（The Board of Certification in Professional at Ergonomics, BCPE）稱之為“關(guān)于人類能力、人類局限性和人類特點(diǎn)等一系列設(shè)計時要考慮的知識”。不管你如何定義，人機(jī)工程學(xué)在每一個HMI應(yīng)用中扮演著重要的角色，影響操作員如何有效地使用產(chǎn)品。更重要的是因不遵守人機(jī)工程學(xué)而引起的傷害，此外，與工作場所有關(guān)的人機(jī)工程學(xué)傷害可能是代價昂貴的員工索賠要求以及工作時間損失的根源。 人機(jī)工程學(xué)，各有各的不同，能以各種方式向HMI產(chǎn)品提出有關(guān)人機(jī)工程學(xué)方面的挑戰(zhàn)。包括，但不僅限于，肌肉骨架和視力困難等。Bill Martin, Rockwell Automation公司PanelView Plus 700/1500產(chǎn)品經(jīng)理說：“對于HMI設(shè)備，有兩個有關(guān)人機(jī)工程學(xué)的問題應(yīng)考慮：抗強(qiáng)光屏幕和容易操作的按鈕。如抗強(qiáng)光外罩等器件降低對眼睛的壓力，當(dāng)它積滿塵?；虮慌K污時很容易卸除或更換，操作員使用抗強(qiáng)光外罩不僅保護(hù)視力，也由于其方便和易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)?！彼^續(xù)說：“很多操作員使用觸摸屏是因?yàn)橛|摸屏更容易得心應(yīng)