課件1-人機(jī)界面與人機(jī)交互

2023/9/151人機(jī)界面設(shè)計(jì)豐艷青島科技大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2023/9/152課程目標(biāo)基礎(chǔ)：了解人機(jī)交互的含義，人機(jī)交互的研究內(nèi)容及發(fā)展趨勢(shì)了解并掌握認(rèn)知心理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)在人機(jī)界面設(shè)計(jì)的作用，并在此基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行人機(jī)交互界面評(píng)價(jià)了解普遍流行的各種交互設(shè)備，包括文本輸入設(shè)備、圖像輸入設(shè)備、指點(diǎn)輸入設(shè)備和顯示設(shè)備等理論：了解人機(jī)交互的一些新技術(shù)，如語音、手寫識(shí)別、眼動(dòng)跟蹤等技術(shù)掌握人機(jī)交互的界面模型，如用戶模型、任務(wù)模型、表現(xiàn)模型等學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作、信息搜索與可視化、超媒體與萬維網(wǎng)、普適計(jì)算與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等內(nèi)容2023/9/153教材及參考書Human-ComputerInteraction(3rdEdition)AlanDix等，PrenticeHall，2004。 用戶界面設(shè)計(jì)----有效的人機(jī)交互策略（第三版）張國印、李健利等譯，電子工業(yè)出版社，2004年人機(jī)界面設(shè)計(jì)周蘇等編著人機(jī)交互技術(shù)----原理與應(yīng)用孟祥旭、李學(xué)慶編著，清華大學(xué)出版社，20042023/9/154第1章

人機(jī)界面與人機(jī)交互2023/9/155本章內(nèi)容人機(jī)交互的概念人機(jī)交互與其他學(xué)科的關(guān)系人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展歷史人機(jī)交互的研究內(nèi)容人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2023/9/156一、人機(jī)交互概念人機(jī)交互（Human-ComputerInteraction,HCI）是關(guān)于設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和實(shí)現(xiàn)供人們使用的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)且圍繞這些方面進(jìn)行研究的科學(xué)。人機(jī)交互技術(shù)是21世紀(jì)信息領(lǐng)域需要解決的重大課題。例如，美國二十一世紀(jì)信息技術(shù)計(jì)劃中的基礎(chǔ)研究內(nèi)容定為四項(xiàng)，即軟件、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算。人機(jī)交互概念有廣義和狹義的區(qū)別2023/9/157廣義人機(jī)交互廣義上講，人機(jī)交互以實(shí)現(xiàn)自然、高效、和諧的人機(jī)關(guān)系為目的，與之相關(guān)的理論和技術(shù)都在其研究范疇，是計(jì)算機(jī)科學(xué)，心理學(xué)，認(rèn)知科學(xué)以及社會(huì)學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科研究開發(fā)新的人機(jī)交互設(shè)備、技術(shù)和理論，以實(shí)現(xiàn)無處不在計(jì)算（ubiquitouscomputing）環(huán)境下的以用戶為中心的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使其能夠增強(qiáng)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2023/9/158狹義人機(jī)交互人機(jī)交互從技術(shù)上講（狹義的），主要是研究人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換，它主要包括人到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)到人的信息交換兩部分：人們?nèi)绾谓柚I盤、鼠標(biāo)、操縱桿、眼動(dòng)跟蹤器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、壓力筆等設(shè)備，用手、腳、聲音、姿勢(shì)或身體的動(dòng)作、眼睛甚至腦電波等向計(jì)算機(jī)傳遞信息。計(jì)算機(jī)如何通過打印機(jī)、繪圖儀、顯示器、頭盔式顯示器、音箱、力反饋等輸出設(shè)備給人提供信息。2023/9/159人機(jī)交互與人機(jī)界面人機(jī)交互和人機(jī)界面是兩個(gè)不同的概念人機(jī)交互是指用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信，它是人與計(jì)算機(jī)之間各種符號(hào)和動(dòng)作的雙向信息交換人機(jī)界面是指人類用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，它是人機(jī)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(jī)交互是通過一定的人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)的，在界面開發(fā)過程中，有時(shí)把它們作為同義詞使用2023/9/1510圖1.1人機(jī)系統(tǒng)模型2023/9/1511二、人機(jī)交互與其他學(xué)科的關(guān)系人機(jī)交互與認(rèn)知心理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)密切相關(guān)。其中，認(rèn)知心理學(xué)與人機(jī)工程學(xué)是人機(jī)交互技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人機(jī)交互技術(shù)相互交叉和滲透虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)多媒體技術(shù)認(rèn)知心理學(xué)人機(jī)工程學(xué)人機(jī)交互與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系人機(jī)交互技術(shù)2023/9/15121、認(rèn)知心理學(xué)研究人們?nèi)绾潍@得外部世界信息，信息在人腦內(nèi)如何表示并轉(zhuǎn)化為知識(shí)，知識(shí)怎樣存儲(chǔ)又如何用來指導(dǎo)人們的注意和行為。涉及心理活動(dòng)的全部過程——從感覺到知覺、識(shí)別、注意、學(xué)習(xí)、記憶、概念的形成、思維、表象、回憶、語言、情緒和發(fā)展過程信息加工心理學(xué)是現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)的主流用計(jì)算機(jī)信息處理過程來類比人的認(rèn)知過程了解認(rèn)知心理學(xué)原理可以指導(dǎo)人們進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)可用性、用戶心理、用戶行為2023/9/15132、人機(jī)工程學(xué)人機(jī)工程學(xué)是運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)和醫(yī)學(xué)等有關(guān)知識(shí)，研究人、機(jī)器、環(huán)境相互間的合理關(guān)系，以保證人們安全、健康、舒適地工作，從而提高整個(gè)系統(tǒng)工效的交叉學(xué)科硬件人機(jī)工程學(xué)對(duì)人體能力、人體限制及其他與設(shè)計(jì)相關(guān)的人體特性信息的應(yīng)用，以滿足設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試與評(píng)價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)化，以及系統(tǒng)控制的要求軟件人機(jī)工程學(xué)研究軟件和軟件界面，側(cè)重于運(yùn)用和擴(kuò)充軟件工程的理論和原理，對(duì)軟件人機(jī)界面進(jìn)行分析、描述、設(shè)計(jì)和評(píng)估2023/9/1514人機(jī)工程學(xué)示例：2023/9/15153、多媒體技術(shù)多媒體技術(shù)是指將文本、聲音、圖形、圖像、視頻等集成在一起的技術(shù)。動(dòng)畫、音頻、視頻等動(dòng)態(tài)媒體，大大豐富了計(jì)算機(jī)表現(xiàn)信息的形式，拓寬了計(jì)算機(jī)輸出的帶寬，提高了用戶接受信息的效率。多媒體帶來的信息冗余性可消除人機(jī)通信過程中的歧義性及噪聲。目前多媒體技術(shù)的研究基本上限于信息的存儲(chǔ)和傳輸方面，媒體理解和推理研究較少。2023/9/1516多通道人機(jī)交互研究的興起，將進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的信息識(shí)別、理解能力，提高人機(jī)交互的效率和用戶友好性，將人機(jī)交互技術(shù)和用戶界面設(shè)計(jì)引向更高境界多通道交互系統(tǒng)力求對(duì)語義的理解，側(cè)重于信息的理解和解釋；多媒體系統(tǒng)則側(cè)重于信息的表現(xiàn)2023/9/151765%20%10%2%3%視覺味覺嗅覺觸覺聽覺1+1〉2多樣性集成性2023/9/15184、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)就是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)及硬件設(shè)備，建立高度真實(shí)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(shí)的，以產(chǎn)生身臨其境的感覺的一種技術(shù)。沉浸感（immersion）交互性（interaction）構(gòu)想性（imagination）自然和諧的交互方式是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要研究內(nèi)容，其目的是使人能以聲音、動(dòng)作、表情等自然方式與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互（三維交互）2023/9/1519虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2023/9/1520三維交互設(shè)備：如立體眼鏡、WorkBench、頭盔式顯示器、CAVE、柱形或球形立體顯示器、立體音頻輸出設(shè)備；位置跟蹤器、眼動(dòng)跟蹤器、三維掃描設(shè)備、三維鼠標(biāo)、三維跟蹤球、三維游戲桿、數(shù)據(jù)手套；觸覺和力反饋裝置、可穿戴計(jì)算機(jī)等復(fù)雜場(chǎng)景的建模、實(shí)時(shí)高度真實(shí)感繪制等技術(shù)，也是虛擬現(xiàn)實(shí)非常重要的研究內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)為人機(jī)交互的研究提供了很好的契機(jī)和媒介。2023/9/15215、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境，其在交互性與可視化方法方面開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域；而虛擬現(xiàn)實(shí)使用虛擬環(huán)境取代了真實(shí)環(huán)境增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是把虛擬的信息疊加在真實(shí)場(chǎng)景中，在人的周圍環(huán)境中再現(xiàn)出來，虛實(shí)結(jié)合，能夠達(dá)到以假亂真的地步，完全給人逼真的感覺。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中交互是實(shí)時(shí)的。2023/9/1522三、人機(jī)交互的發(fā)展歷史人機(jī)交互一直伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展。人機(jī)交互的發(fā)展過程，也是人適應(yīng)計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)不斷地適應(yīng)人的發(fā)展過程。它經(jīng)歷了幾個(gè)階段：1.語言命令交互階段2.圖形用戶界面（GUI）交互階段3.自然和諧的人機(jī)交互階段（現(xiàn)狀）2023/9/15231-語言命令交互階段：計(jì)算機(jī)語言經(jīng)歷了由最初的機(jī)器語言，而后是匯編語言，直至高級(jí)語言的發(fā)展過程。這個(gè)過程也可以看作早期的人機(jī)交互的一個(gè)發(fā)展過程2023/9/15242-圖形用戶界面交互階段：圖形用戶界面（GraphicalUserInterface，GUI）的出現(xiàn)，使人機(jī)交互方式發(fā)生了巨大變化。桌面隱喻、WIMP技術(shù)、直接操縱和所見即所得。與命令行界面相比，圖形用戶界面的人機(jī)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）。圖形用戶界面使得初學(xué)者易于使用，但效率并不高另外，圖形用戶界面需要占用較多的屏幕空間，并且難以表達(dá)和支持非空間性的抽象信息的交互。2023/9/15253-自然和諧的人機(jī)交互階段：

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)計(jì)算、普適計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，自然和諧的人機(jī)交互方式得到了一定的發(fā)展?；谡Z音、手寫體、姿勢(shì)、視線跟蹤、表情等輸入手段的多通道交互目的是使人能以聲音、動(dòng)作、表情等自然方式進(jìn)行交互操作2023/9/1526人機(jī)界面發(fā)展中最有影響的事件和成果1、1945年美國羅斯?？偨y(tǒng)的科學(xué)顧問VanneverBush(1894-1974)在《大西洋月刊》上發(fā)表的“AsWeMayThink”的著名論文，提出了應(yīng)采用設(shè)備或技術(shù)幫助科學(xué)家來檢索、記錄、分析及傳輸各種信息的明確目標(biāo)和名為“Memex”的一種工作站構(gòu)想，這一目標(biāo)和構(gòu)想影響著過去和當(dāng)今的一大批最著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家2023/9/15272、1963年發(fā)明鼠標(biāo)器的美國斯坦福研究所的D.Engleberg，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)航工具方面會(huì)有杰出的成果。10年后鼠標(biāo)器經(jīng)Xerox研究中心改進(jìn)后，成為影響當(dāng)代計(jì)算機(jī)使用的最重要成果3、1963年美國麻省理工學(xué)院I.Sutherland開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的新領(lǐng)域，隨后美國布朗大學(xué)A.VanDam等人組織了SIGGRAPH。I.Sutherland還在1968年開發(fā)了頭盔式顯示器。2023/9/15284、20世紀(jì)70年代當(dāng)時(shí)在Xerox研究中心的AlanKay發(fā)明了重疊式多窗口系統(tǒng)，并提出了Smalltalk面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等思想。5、1989年TimBerners-Lee在日內(nèi)瓦的CERN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(luò)用戶界面），使因特網(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N.Negroponte（他早在30年前就提出了“交談式計(jì)算機(jī)”概念）領(lǐng)導(dǎo)的媒體實(shí)驗(yàn)室在新一代多通道人機(jī)界面方面（包括語音、手勢(shì)、智能體等），做了大量開創(chuàng)性的工作。2023/9/1529四、人機(jī)交互的研究內(nèi)容人機(jī)交互的研究內(nèi)容十分廣泛，涵蓋了建模、設(shè)計(jì)、評(píng)估等理論和方法以及在計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作、信息搜索與可視化、超媒體與萬維網(wǎng)、普適計(jì)算與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方面的交互設(shè)計(jì)技術(shù)，主要包括：人機(jī)交互界面表示模型與設(shè)計(jì)方法一個(gè)交互界面的好壞，直接影響到軟件開發(fā)的成敗。友好人機(jī)交互界面的開發(fā)離不開好的交互模型與設(shè)計(jì)方法2023/9/1530多通道交互技術(shù)在多通道交互中，用戶可以使用語音、手勢(shì)、眼神、表情等自然的交互方式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(píng)估方法以及多通道信息的融合等。智能用戶界面智能用戶界面的最終目標(biāo)是使人機(jī)交互和人－人交互一樣自然、方便。上下文感知、眼動(dòng)跟蹤、手勢(shì)識(shí)別、三維輸入、語音識(shí)別、表情識(shí)別、手寫識(shí)別、自然語言理解等都是認(rèn)知與智能用戶界面需要解決的重要問題。2023/9/1531計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（ComputerSupportedCooperativeWork--CSCW）“計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作已成為一個(gè)多學(xué)科交叉的新興的研究領(lǐng)域CSCW是要研究在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持的環(huán)境下，特別是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，一個(gè)群體如何協(xié)同工作完成一項(xiàng)共同的任務(wù)。它的目標(biāo)是要設(shè)計(jì)出能支持各種各樣的協(xié)同工作的工具、環(huán)境與應(yīng)用系統(tǒng)2023/9/1532信息搜索與可視化隨著數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)多樣性的增加，對(duì)信息集合的搜索和可視化日益重要。信息搜索包括：數(shù)據(jù)庫查詢、文本文檔的短語搜索、照片搜索、地圖搜索、圖案或圖標(biāo)的搜索、聲音搜索、視頻搜索和動(dòng)畫搜索等。信息可視化是一種計(jì)算方法，它將符號(hào)形式轉(zhuǎn)化為幾何形式，使研究人員能夠觀察所做的模擬與計(jì)算。可視化提供了一種查看原來不可見事物的方法。2023/9/1533超媒體與萬維網(wǎng)網(wǎng)頁中可以包含圖形、圖像、聲音以及由Java或虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(VRML