人機(jī)交互技術(shù)課件

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緒論1.1什麼是人機(jī)交互

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資訊技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)人類生產(chǎn)、生活帶來(lái)了廣泛而深刻的影響。“上網(wǎng)衝浪”、“數(shù)碼相機(jī)”、PDA、“優(yōu)盤”、“彩屏手機(jī)”、“藍(lán)牙技術(shù)”等新產(chǎn)品、新概念層出不窮，不斷衝擊著人們的視聽。這些高科技成果為人們帶來(lái)便捷、快樂(lè)的同時(shí)，也促進(jìn)著人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展。作為資訊技術(shù)的重要內(nèi)容，人機(jī)交互技術(shù)比電腦硬體和軟體技術(shù)的發(fā)展要滯後許多，已成為人類運(yùn)用資訊技術(shù)深入探索和認(rèn)識(shí)客觀世界的瓶頸。因此，人機(jī)交互技術(shù)已成為21世紀(jì)資訊領(lǐng)域亟需解決的重大課題，引起了世界許多國(guó)家的高度重視。*

在美國(guó)21世紀(jì)資訊技術(shù)計(jì)畫中，將軟體、人機(jī)交互、網(wǎng)路、高性能計(jì)算列為基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容。美國(guó)國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)計(jì)畫也把人機(jī)交互列為軟體技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一。 我國(guó)“973”計(jì)畫專案“虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)理論、演算法及其實(shí)現(xiàn)”中，將虛擬環(huán)境的真實(shí)感知與自然交互理論與方法作為資訊技術(shù)中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。*

人機(jī)交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是關(guān)於設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和實(shí)現(xiàn)供人們使用的互動(dòng)式電腦系統(tǒng)，且圍繞這些方面主要現(xiàn)象進(jìn)行研究的科學(xué)（ACMSIGCHI，1992，第6頁(yè)）。狹義的講，人機(jī)交互技術(shù)主要是研究人與電腦之間的資訊交換，它主要包括人到電腦和電腦到人的資訊交換兩部分。

對(duì)於前者，人們可以借助鍵盤、滑鼠、操縱桿、數(shù)據(jù)服裝、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電腦傳遞資訊；對(duì)於後者，電腦通過(guò)印表機(jī)、繪圖儀、顯示器、頭盔式顯示器（HMD）、音箱等輸出或顯示設(shè)備給人提供資訊。*

它涉及到電腦科學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和社會(huì)學(xué)以及人類學(xué)等諸多學(xué)科，是資訊技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，並將繼續(xù)對(duì)資訊技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

人機(jī)介面（Human-MachineInterface，HMI）作為電腦系統(tǒng)的重要組成部分，主要是指人類與電腦系統(tǒng)之間的通信方式，它是人機(jī)雙向資訊交換的支持軟體和硬體。交互設(shè)計(jì)（InteractionDesign）指的是“設(shè)計(jì)支持人們?nèi)粘９ぷ髋c生活的交互產(chǎn)品”，具體的講就是關(guān)於創(chuàng)建新的用戶體驗(yàn)的問(wèn)題，其目的是增強(qiáng)和擴(kuò)充人們工作、通訊及交互的方式。

*1.2人機(jī)交互與其他學(xué)科的關(guān)係人機(jī)交互技術(shù)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)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)技術(shù)與人機(jī)交互技術(shù)相互交叉和滲透，其關(guān)係如圖1-1所示。*多媒體技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)認(rèn)知心理學(xué)人機(jī)工程學(xué)圖1-1人機(jī)交互與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)係人機(jī)交互技術(shù)*1.2.1認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)知心理學(xué)（CognitivePsychology）是20世紀(jì)50年代中期在西方興起的一種心理學(xué)思潮，在20世紀(jì)70年代成為西方心理學(xué)的一個(gè)主要研究方向。它研究人的高級(jí)心理過(guò)程，主要是認(rèn)識(shí)過(guò)程，如注意、知覺(jué)、表像、記憶、思維和語(yǔ)言等，從心理學(xué)的觀點(diǎn)研究人機(jī)交互的原理。該領(lǐng)域研究包括如何通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)等接受和理解來(lái)自周圍環(huán)境的資訊的感知過(guò)程，以及通過(guò)人腦進(jìn)行記憶、思維、推理、學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題等人的心理活動(dòng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程。其中人腦的認(rèn)知模型——神經(jīng)元網(wǎng)路及其模型，已經(jīng)成為新一代電腦、人工智慧等領(lǐng)域中最熱門的研究課題之一。認(rèn)知心理學(xué)在人機(jī)介面設(shè)計(jì)方面具有非常重要作用，是人機(jī)交互技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。*1.2.2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)係，以保證人們安全、健康、舒適地工作，從而提高整個(gè)系統(tǒng)工效的新興邊緣科學(xué)。在人機(jī)介面學(xué)處?kù)冻鮿?chuàng)和奠基階段的時(shí)候，人機(jī)工程學(xué)是最活躍、最主要的分支，曾經(jīng)對(duì)人機(jī)介面學(xué)的發(fā)展做出過(guò)很大的貢獻(xiàn)。經(jīng)典的人機(jī)工程學(xué)稱為硬體人機(jī)工程學(xué)，主要集中在對(duì)人體能力、人體限制及其他與設(shè)計(jì)相關(guān)的人體特性資訊的應(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。軟體人機(jī)工程學(xué)（SoftwareErgonomics）研究軟體和軟體介面，側(cè)重於運(yùn)用和擴(kuò)充軟體工程的理論和原理，對(duì)軟體人機(jī)介面進(jìn)行分析、描述、設(shè)計(jì)和評(píng)估等。*

主要解決有關(guān)人類思維與資訊處理的有關(guān)問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)理論、標(biāo)準(zhǔn)化、增強(qiáng)軟體的可用性的方法等，使軟體（電腦）與人的對(duì)話能夠滿足人的思維模式與數(shù)據(jù)處理的要求，實(shí)現(xiàn)軟體的高可用性。同認(rèn)知心理學(xué)一樣，人機(jī)工程學(xué)也是人機(jī)交互技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。*1.2.3多媒體技術(shù)一般的，多媒體技術(shù)是指將正文、聲音、圖形、靜止圖像、動(dòng)態(tài)圖像等與計(jì)算集成在一起的技術(shù)。多媒體技術(shù)通過(guò)引入動(dòng)畫、音頻、視頻等動(dòng)態(tài)媒體，大大豐富了電腦表現(xiàn)資訊的形式，拓寬了電腦輸出的帶寬，提高了用戶接受資訊的效率，使人們可以得到更直觀的資訊，從而簡(jiǎn)化了用戶的操作，擴(kuò)展了應(yīng)用範(fàn)圍。多媒體資訊在人機(jī)交互中的巨大潛力主要在於它能提高人對(duì)資訊表現(xiàn)形式的選擇和控制能力，同時(shí)也能提高資訊表現(xiàn)形式與人的邏輯和創(chuàng)造能力的結(jié)合程度，在串行、符號(hào)資訊以及並行、聯(lián)想資訊方面擴(kuò)展人的資訊處理能力。多媒體資訊比單一媒體資訊對(duì)人具有更大的吸引力，有利於人對(duì)資訊的主動(dòng)探索而不是被動(dòng)接受。*

另外，由於多媒體所帶來(lái)的資訊冗餘性，重複使用別的媒體或並行使用多種媒體可消除人機(jī)通信過(guò)程中的多義性及雜訊。多媒體技術(shù)豐富了資訊的表現(xiàn)形式，不過(guò)目前多媒體技術(shù)的研究基本上限於資訊的存儲(chǔ)和傳輸方面，而對(duì)於媒體資訊理解的研究並不充分。與人工智慧技術(shù)結(jié)合，開展媒體理解和推理研究將改變這種現(xiàn)狀。另一方面，多通道人機(jī)交互研究的興起，將進(jìn)一步提高電腦的資訊識(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)和用戶介面設(shè)計(jì)引向更高境界。多通道和多媒體都蘊(yùn)含了多種通信通道的使用，區(qū)別在於系統(tǒng)內(nèi)部資訊所處的抽象層次的不同。多通道系統(tǒng)力求對(duì)語(yǔ)義的理解。*

它對(duì)用戶的原始輸入在較高的層次上進(jìn)行解釋、分析和綜合，提取語(yǔ)義內(nèi)容，達(dá)到對(duì)用戶的某種理解。然後，從較高的表現(xiàn)層次上傳達(dá)給用戶最恰當(dāng)?shù)幕仞?，它?cè)重於資訊的理解和解釋。而多媒體系統(tǒng)則側(cè)重於資訊的表現(xiàn)，表現(xiàn)為在電腦的控制下產(chǎn)生、操縱、表現(xiàn)、存儲(chǔ)和傳送—些獨(dú)立的資訊，這些資訊至少是通過(guò)一種連續(xù)或離散媒體進(jìn)行編碼的。*1.2.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）就是借助於電腦技術(shù)及硬體設(shè)備，建立高度真實(shí)感的虛擬環(huán)境，使人們通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)等感官在其中看、聽、觸、聞起來(lái)像真實(shí)的，以產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)的一種技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有別於其他電腦應(yīng)用技術(shù)的三個(gè)鮮明特徵：真實(shí)感、沉浸感和交互性。其中，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?jī)?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。*

目前，人們除了致力於研究開發(fā)友好的用戶介面，還發(fā)明了大量的三維交互設(shè)備，如立體眼鏡、WorkBench、頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示器（CAVE）、牆式大螢?zāi)涣Ⅲw顯示器、數(shù)據(jù)服裝、位置跟蹤器、眼動(dòng)跟蹤器、觸覺(jué)和力回饋裝置、三維掃描設(shè)備、三維滑鼠、三維跟蹤球、三維遊戲桿、數(shù)據(jù)手套等。虛擬現(xiàn)實(shí)中的交互是虛擬現(xiàn)實(shí)核心研究?jī)?nèi)容之一，但人機(jī)交互並不是虛擬現(xiàn)實(shí)的全部，複雜場(chǎng)景的建模、繪製等技術(shù)，也是虛擬現(xiàn)實(shí)非常重要的研究?jī)?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，但並不是唯一的媒介，手機(jī)、PDA、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備，也需要更方便、快捷、人性化的交互手段。*1.3人機(jī)交互的研究?jī)?nèi)容人機(jī)交互的研究?jī)?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Web、移動(dòng)計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面的應(yīng)用研究與開發(fā)，主要包括：1.

人機(jī)交互介面表示模型與設(shè)計(jì)方法（ModelandMethodology）一個(gè)交互介面的好壞，直接影響到軟體開發(fā)的成敗。友好人機(jī)交互介面的開發(fā)離不開好的交互模型與設(shè)計(jì)方法。因此，研究人機(jī)交互介面的表示模型與設(shè)計(jì)方法，是人機(jī)交互的重要研究?jī)?nèi)容之一。*圖1-2人機(jī)交互三元素*

2.可用性分析與評(píng)估（UsabilityandEvaluation）可用性是人機(jī)交互系統(tǒng)的重要內(nèi)容，它關(guān)係到人機(jī)交互能否達(dá)到用戶期待的目標(biāo)，以及實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的效率與便捷性。人機(jī)交互系統(tǒng)的可用性分析與評(píng)估的研究主要涉及到支持可用性的設(shè)計(jì)原則和可用性的評(píng)估方法等。3.多通道交互技術(shù)（Multi-Modal）在多通道交互中，用戶可以使用語(yǔ)音、手勢(shì)、眼神、表情等自然的交互方式與電腦系統(tǒng)進(jìn)行通信。多通道交互主要研究多通道交互介面的表示模型、多通道交互介面的評(píng)估方法以及多通道資訊的融合等。其中，多通道整合是多通道用戶介面研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。*4.認(rèn)知與智能用戶介面（RecognitionandIntelligentUserInterface）智能用戶介面（IntelligentUserInterface，IUI）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(yǔ)音識(shí)別、表情識(shí)別、手寫識(shí)別、自然語(yǔ)言理解等都是認(rèn)知與智能用戶介面需要解決的重要問(wèn)題。5.

虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment）中的人機(jī)交互“以人為本”的、自然和諧的人機(jī)交互理論和方法是虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究?jī)?nèi)容之一。通過(guò)研究視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等多通道資訊融合的理論和方法、協(xié)同交互技術(shù)以及三維交互技術(shù)等，建立具有高度真實(shí)感的虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生“身臨其境”的感覺(jué)。*6.

Web設(shè)計(jì)（Web-Interaction）重點(diǎn)研究Web介面的資訊交互模型和結(jié)構(gòu)，Web介面設(shè)計(jì)的基本思想和原則，Web介面設(shè)計(jì)的工具和技術(shù)，以及Web介面設(shè)計(jì)的可用性分析與評(píng)估方法等內(nèi)容。7.

移動(dòng)介面設(shè)計(jì)（MobileandUbicomp）移動(dòng)計(jì)算（MobileComputing）、普適計(jì)算（UbiquitousComputing）等對(duì)人機(jī)交互技術(shù)提出了更高的要求，面向移動(dòng)應(yīng)用的介面設(shè)計(jì)問(wèn)題已成為人機(jī)交互技術(shù)研究的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的便攜性、位置不固定性和計(jì)算能力有限性以及無(wú)線網(wǎng)路的低帶寬高延遲等諸多的限制，研究移動(dòng)介面的設(shè)計(jì)方法，移動(dòng)介面可用性與評(píng)估原則，移動(dòng)介面導(dǎo)航技術(shù)，以及移動(dòng)介面的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和開發(fā)工具，是當(dāng)前的人機(jī)交互技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。*

8.群件（Groupware）群件是指幫助群組協(xié)同工作的電腦支持的協(xié)作環(huán)境，主要涉及個(gè)人或群組間的資訊傳遞、群組中的資訊共用、業(yè)務(wù)過(guò)程自動(dòng)化與協(xié)調(diào)，以及人和過(guò)程之間的交互活動(dòng)等。目前與人機(jī)交互技術(shù)相關(guān)的研究主要包括：群件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、電腦支持交流與共享資訊的方式、交流中的決策支持工具、應(yīng)用程式共用以及同步實(shí)現(xiàn)方法等內(nèi)容。*1.4人機(jī)交互的發(fā)展歷史及趨勢(shì)1.4.1發(fā)展歷史作為電腦系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，人機(jī)交互一直伴隨著電腦的發(fā)展而發(fā)展。人機(jī)交互的發(fā)展過(guò)程，也是人適應(yīng)電腦到電腦不斷地適應(yīng)人的發(fā)展過(guò)程。它經(jīng)歷了幾個(gè)階段：1．語(yǔ)言命令交互階段電腦語(yǔ)言經(jīng)歷了由最初的機(jī)器語(yǔ)言，而後是組合語(yǔ)言，直至高級(jí)語(yǔ)言的發(fā)展過(guò)程。這個(gè)過(guò)程也可以看作早期的人機(jī)交互的一個(gè)發(fā)展過(guò)程。*

早期的人機(jī)交互是通過(guò)命令語(yǔ)言進(jìn)行的，人機(jī)之間通過(guò)語(yǔ)言中的輸入輸出功能完成交互。最初，人機(jī)交互的方式是採(cǎi)用手工操作輸入機(jī)器語(yǔ)言指令（二進(jìn)位機(jī)器代碼）來(lái)控制電腦。這種形式很不符合人的習(xí)慣，既耗費(fèi)時(shí)間，又容易出錯(cuò)，只有非常專業(yè)的專家才能做到。後來(lái)，出現(xiàn)了FORTRAN、PASCAL、COBOL等語(yǔ)言，使人們可以用比較習(xí)慣的符號(hào)形式描述計(jì)算過(guò)程，交互操作由受過(guò)一定訓(xùn)練的程式員即可完成。這一時(shí)期，程式員可採(cǎi)用批處理作業(yè)語(yǔ)言或交互命令語(yǔ)言的方式和電腦打交道，雖然要記憶許多命令和熟練地敲鍵盤，但已可用較方便的手段來(lái)調(diào)試程式、瞭解電腦執(zhí)行情況。*60年代中期，命令行介面（CommandLineInterface，CLI）開始出現(xiàn)，通過(guò)這種人機(jī)介面，人們可以通過(guò)問(wèn)答式對(duì)話、文本菜單或命令語(yǔ)言等方式來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互。命令行介面可以看作第一代人機(jī)介面。在這種介面中，人被看成操作員，機(jī)器只做出被動(dòng)的反應(yīng)，人只能用手操作鍵盤的方式輸入數(shù)據(jù)和命令資訊，介面輸出只能為靜態(tài)字元。因此，這種人機(jī)介面交互的自然性較差。

圖1-3命令行介面概念模型*

2.圖形用戶介面（GUI）交互階段圖形用戶介面（GraphicalUserInterface，GUI）的出現(xiàn)，使人機(jī)交互方式發(fā)生了巨大變化。GUI的主要特點(diǎn)是桌面隱喻、WIMP(Windows、Icon、Menu、PointingDevice)技術(shù)、直接操縱和“所見(jiàn)即所得（WhatYouSeeIsWhatYouGet，WYSIWYG）”。由於GUI簡(jiǎn)單易學(xué)、減少了鍵盤操作，因而使不懂電腦的普通用戶也可以熟練地使用，開拓了用戶人群，使電腦技術(shù)得到了廣泛普及。

GUI技術(shù)的起源可以追溯到60年代美國(guó)麻省理工學(xué)院的Sutherland(電腦圖形學(xué)的奠基人)的工作。其發(fā)明的Sketchpad首次引入了菜單、不可重疊的瓦片式窗口、圖示，並採(cǎi)用光筆進(jìn)行繪圖操作。*圖1-4WIMP介面概念模型

*1964年美國(guó)科學(xué)家道格拉斯·恩格爾巴特（DouglasEnglebart）在加利福尼亞製作了第一只滑鼠器——只有一個(gè)按鍵，外殼用木頭精心雕刻而成，底部有金屬滾輪，當(dāng)時(shí)並不被重視。直到1979年12月，施樂(lè)PRAC研究中心的科學(xué)家拉瑞·泰斯勒（L.Tesler）演示了窗口、圖示、菜單，還有隨著”滑鼠器“移動(dòng)的游標(biāo)，滑鼠的重大歷史意義在這一刻才真正得到顯示。

70年代施樂(lè)公司在Alto電腦上首次開發(fā)了位映像圖形顯示技術(shù)，為開發(fā)可重疊窗口、彈出式菜單、菜單條等提供了可能。這些工作奠定了目前圖形用戶介面的基礎(chǔ)，形成了以窗口（Windows）、圖示（Icon）、菜單（Menu）和指點(diǎn)裝置（PointingDevice）為基礎(chǔ)的第二代人機(jī)介面，即WIMP介面。*

1984年Apple公司仿照施樂(lè)PRAC研究中心的技術(shù)開發(fā)出了新型Macintosh個(gè)人電腦，將WIMP技術(shù)引入到微機(jī)領(lǐng)域，這種全部基於滑鼠及下拉式菜單的操作方式和直觀的圖形介面引發(fā)了微機(jī)人機(jī)介面的歷史性變革。

與命令行介面相比，圖形用戶介面的人機(jī)交互自然性和效率都有較大的提高。圖形用戶介面很大程度上依賴於菜單選擇和交互小組件（Widget）。經(jīng)常使用的命令大都通過(guò)滑鼠來(lái)實(shí)現(xiàn)?；篁?qū)動(dòng)的人機(jī)介面使得初學(xué)者易於使用，但重複性的菜單選擇會(huì)給有經(jīng)驗(yàn)的用戶造成不方便，他們有時(shí)傾向使用命令鍵而不是選擇菜單，且在輸入資訊時(shí)用戶只能使用手這一種輸入通道。另外，圖形用戶介面需要佔(zhàn)用較多的螢?zāi)豢臻g，並且難以表達(dá)和支持非空間性的抽象資訊的交互。

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3．自然和諧的人機(jī)交互階段當(dāng)前，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，對(duì)人機(jī)交互技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求，同時(shí)也提供了許多新的機(jī)遇。在這一階段，自然和諧的人機(jī)交互方式得到了一定的發(fā)展?；墩Z(yǔ)音、手寫體、姿勢(shì)、視線跟蹤、表情等輸入手段的多通道交互是其主要特點(diǎn)，其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。在自然和諧的人機(jī)交互的發(fā)展過(guò)程中，人們除了致力於研究開發(fā)友好的逼真的三維用戶介面，基於聲音、動(dòng)作、表情等多種通道的自然交互方式，還發(fā)明了大量的新交互設(shè)備，如電腦圖形學(xué)的先驅(qū)、美國(guó)麻省理工學(xué)院的Sutherland早在1968年開發(fā)了頭盔式立體顯示器，成為現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。*圖1-5多通道人機(jī)介面概念模型*1982美國(guó)加州VPL公司開發(fā)出了第一副數(shù)據(jù)手套，用於指示等簡(jiǎn)單手勢(shì)的輸入；該公司在1992年還推出了Eyephone液晶顯示器；同樣在1992年，Defanti等提出了一種四面的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境——CAVE系統(tǒng)等。目前，對(duì)於人類重要的自然交互方式——語(yǔ)音和筆的交互技術(shù)，包括手寫識(shí)別、筆式交互、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、數(shù)字墨水（DigitalInk）等，其發(fā)展已經(jīng)有了很大的成效，如中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所開發(fā)了“漢王筆”手寫漢字識(shí)別系統(tǒng)；微軟亞洲研究院發(fā)明了數(shù)字墨水技術(shù)；中國(guó)科學(xué)院人機(jī)交互技術(shù)與智能資訊處理實(shí)驗(yàn)室研製的筆式交互軟體開發(fā)平臺(tái)等工作；IBM公司的ViaVoice，把語(yǔ)音技術(shù)應(yīng)用到PDA、智能汽車上。*

微軟也把語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)集成到了多個(gè)領(lǐng)軍產(chǎn)品中，包括Office和WindowsXP，其最新的語(yǔ)音識(shí)別伺服器軟體SpeechServer準(zhǔn)備在2004年上半年發(fā)佈。其中不少已經(jīng)商品化，市場(chǎng)前景廣闊。另外，20世紀(jì)90年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院Negroponte(尼葛洛龐蒂)領(lǐng)導(dǎo)的媒體實(shí)驗(yàn)室在新一代多通道用戶介面方面做了大量開創(chuàng)性的工作。*1.4.2發(fā)展趨勢(shì)在未來(lái)的電腦系統(tǒng)中，將更加強(qiáng)調(diào)“以人為本”、“自然、和諧”的交互方式，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)高效合作。概括的講，新一代的人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展將主要圍繞以下幾個(gè)方面：1.

集成化人機(jī)交互將呈現(xiàn)出多樣化、多通道交互的特點(diǎn)。桌面和非桌面介面，可見(jiàn)和不可見(jiàn)介面，二維與三維輸入，直接與間接操縱，語(yǔ)音、手勢(shì)、表情、眼動(dòng)、唇動(dòng)、頭動(dòng)、肢體姿勢(shì)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)以及鍵盤、滑鼠等交互手段將集成在一起，是新一代自然、高效的交互技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。*2002年2月，W3C（WorldWideWebConsortium）國(guó)際組織成立了“多通道交互”工作小組（MultimodalInteractionWorkingGroup），開發(fā)W3C新的一類支持移動(dòng)設(shè)備MMI的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。目前已有42家大型IT企業(yè)或單位參加該小組，參與制定“多通道交互”的相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該小組成員覆蓋了幾乎所有電腦軟硬體、移動(dòng)通信、家電的大型廠商。*

卡耐基-梅隆大學(xué)INTERACTIVESYSTEMLABSINTERACT專案包括如下子課題*

2.網(wǎng)路化無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)人機(jī)交互技術(shù)提出了更高的要求。新一代的人機(jī)交互技術(shù)需要考慮在不同設(shè)備、不同網(wǎng)路、不同平臺(tái)之間的無(wú)縫過(guò)渡和擴(kuò)展，支持人們通過(guò)跨地域的網(wǎng)路（有線與無(wú)線、電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等）在世界上任何地方用多種簡(jiǎn)單的自然方式進(jìn)行人機(jī)交互，而且包括支持多個(gè)用戶之間以協(xié)作的方式進(jìn)行交互。另外，網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展也為人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展提供了很好的機(jī)遇。*

3.智能化目前，用戶使用鍵盤和滑鼠等設(shè)備進(jìn)行的交互輸入都是精確的輸入，但人們的動(dòng)作或思想等往往並不很精確，人類語(yǔ)言本身也具有高度模糊性，人們?cè)谏钪谐３Ａ?xí)慣於使用大量的非精確的資訊交流。因此，在人機(jī)交互中，使電腦更好地自動(dòng)捕捉人的姿態(tài)、手勢(shì)、語(yǔ)音和上下文等資訊，瞭解人的意圖，並做出合適的回饋或動(dòng)作，提高交互活動(dòng)的自然性和高效性，使人－機(jī)之間的交互像人－人交互一樣自然、方便，是電腦科學(xué)家正在積極探索的新一代交互技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容。*4.

標(biāo)準(zhǔn)化目前，在人機(jī)交互領(lǐng)域，ISO已正式發(fā)佈了許多的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試和可用性評(píng)估等。但人機(jī)交互標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，並隨著社會(huì)需求的變化而不斷變化。*

習(xí)題.1.1什麼是人機(jī)交互技術(shù)？1.1.2簡(jiǎn)單介紹人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展歷史。1.1.3簡(jiǎn)單介紹人機(jī)交互技術(shù)與其它相關(guān)學(xué)科的關(guān)係。

1.4簡(jiǎn)單介紹人機(jī)交互技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。

交互設(shè)備*主要內(nèi)容輸入設(shè)備：文本輸入設(shè)備；圖像輸入設(shè)備；指點(diǎn)輸入設(shè)備等；輸出設(shè)備：顯示器；聲音的輸出；數(shù)字紙等虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的交互設(shè)備*3.1文本輸入設(shè)備文本輸入是人與電腦交互的一個(gè)重要組成部分，同時(shí)也是一項(xiàng)繁重的工作。鍵盤輸入是最常見(jiàn)、最主要的文本輸入方式。手寫以及語(yǔ)音等一些更自然的交互方式也可為文本輸入提供輔助手段。*3.1.1鍵盤鍵盤是文本輸入的最重要手段，而鍵盤佈局對(duì)於文本輸入的速度和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。為了提高鍵盤在某些場(chǎng)合下的使用舒適度，許多鍵盤在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還加入了更多人性化的考慮。*1.鍵盤的佈局

QWERTY鍵盤佈局19世紀(jì)70年代，Sholes發(fā)明了QWERTY鍵盤佈局，其名稱來(lái)源於該佈局方式最上行前6個(gè)英文字母，最常用的幾個(gè)字母安置在相反方向，最大限度放慢敲鍵速度以避免卡鍵。這種佈局方式依然是今天最為常見(jiàn)的排列方式，成為一種事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。DUORAK鍵盤佈局20世紀(jì)20年代的DUORAK鍵盤佈局，據(jù)推測(cè)可以大大減少手指移動(dòng)距離，從而大大提高輸入速度，但由於受到傳統(tǒng)QWERTY佈局的影響，沒(méi)有成為主流的鍵盤佈局。*2.人性化設(shè)計(jì)的鍵盤

(1)人體工程學(xué)鍵盤是在標(biāo)準(zhǔn)鍵盤基礎(chǔ)上將指法規(guī)定的左手鍵區(qū)和右手鍵區(qū)這兩大板塊左右分開，並形成一定角度，這樣可使操作者不必有意識(shí)的夾緊雙臂，從而保持一種比較自然的形態(tài)，這種設(shè)計(jì)的鍵盤被微軟公司命名為自然鍵盤（NaturalKeyboard）。*(1)人體工程學(xué)鍵盤(圖例1)*圖3-1人體工程學(xué)鍵盤：固定於椅子上的鍵盤(1)人體工程學(xué)鍵盤(圖例2)*圖3-1人體工程學(xué)鍵盤：固定於桌面上的鍵盤2.人性化設(shè)計(jì)的鍵盤

（2）多功能集成鍵盤這類鍵盤集成了滑鼠、無(wú)線等功能，在鍵盤佈局以及外觀設(shè)計(jì)方面，針對(duì)遊戲、上網(wǎng)流覽等常用娛樂(lè)功能做了改進(jìn)。鍵盤正上方設(shè)計(jì)的快捷鍵，包括

“IE主頁(yè)”、“打開檔夾”、“查找檔”和“進(jìn)入信箱”等12個(gè)，許多操作可以一鍵完成。鍵盤的無(wú)線接收器採(cǎi)用USB介面，安裝使用也非常方便。

*2.人性化設(shè)計(jì)的鍵盤

*圖3-2BTC9019URF無(wú)線遊戲鍵盤*圖3-2BTC9019URF無(wú)線遊戲鍵盤2.人性化設(shè)計(jì)的鍵盤3.1.2手寫設(shè)備手寫筆板+手寫筆:是手寫系統(tǒng)中一個(gè)很重要的部分。有線筆:手寫筆尾部均有一根電纜與手寫板相連，從手寫板上輸入電源。無(wú)線筆:借助於一些特殊技術(shù)而不需要任何電源。無(wú)線筆的優(yōu)點(diǎn)是攜帶和使用起來(lái)非常方便，同時(shí)也較少出現(xiàn)故障。手寫筆一般還帶有兩個(gè)或三個(gè)按鍵，其功能相當(dāng)於滑鼠按鍵，這樣在操作時(shí)不需要在手寫筆和滑鼠之間來(lái)回切換。*3.1.2手寫設(shè)備*圖3-3漢王筆手寫系統(tǒng)3.1.2手寫設(shè)備手寫板主要分類：電阻式壓力手寫板：幾乎已經(jīng)被淘汰電磁式感應(yīng)手寫板：目前市場(chǎng)主流產(chǎn)品電容式觸控手寫板：市場(chǎng)的新生力量，具有耐磨損、使用簡(jiǎn)便、敏感度高等優(yōu)點(diǎn)，是今後手寫板的發(fā)展趨勢(shì)。*3.1.2手寫設(shè)備手寫板的一些通用的評(píng)測(cè)指標(biāo)壓感級(jí)數(shù)：手寫板可以感應(yīng)到筆在手寫板上的力度的級(jí)別，最高為512級(jí)。精度：精度又稱解析度，指的是單位長(zhǎng)度上所分佈的感應(yīng)點(diǎn)數(shù)，精度越高對(duì)手寫的反映越靈敏，對(duì)手寫板的要求也越高書寫面積：是手寫板一個(gè)很直觀的指標(biāo)，手寫板區(qū)域越大，書寫的迴旋餘地就越大，運(yùn)筆也就更加靈活方便，輸入速度往往會(huì)更快，當(dāng)然其價(jià)格也相應(yīng)更高。書寫面板的尺寸大體有以下幾種：76mm×51mm、76mm×114mm、10mm×13mm和11mm×15mm*3.1.2手寫設(shè)備手寫漢字識(shí)別軟體除了硬體外，手寫筆和手寫板的另一項(xiàng)核心技術(shù)是手寫漢字識(shí)別軟體，目前各類手寫筆的識(shí)別技術(shù)都已相當(dāng)成熟，識(shí)別率和識(shí)別速度也能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。*3.1.3語(yǔ)音輸入設(shè)備語(yǔ)音輸入為文本輸入提供了更加自然的交互手段，也許在將來(lái)，我們能夠真正拋棄鍵盤，實(shí)現(xiàn)和電腦的“對(duì)話”。在語(yǔ)音錄入過(guò)程中所涉及的設(shè)備主要麥克風(fēng)和聲卡（見(jiàn)3.5節(jié)）*3.2圖像輸入設(shè)備圖像輸入是人與電腦交互的另外一個(gè)重要組成部分。掃描器可以快速地實(shí)現(xiàn)圖像輸入，且經(jīng)過(guò)對(duì)圖像的分析與識(shí)別，可以得到文字、圖形等內(nèi)容；而攝像頭則是捕捉動(dòng)態(tài)場(chǎng)景最常用的工具。*3.2.1掃描器掃描器作為光電、機(jī)械一體化的高科技產(chǎn)品，自問(wèn)世以來(lái)憑藉其獨(dú)特的數(shù)位化“圖像”採(cǎi)集能力，低廉的價(jià)格以及優(yōu)良的性能，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，目前已成為電腦不可缺少的圖文輸入工具之一，被廣泛地應(yīng)用於圖形、圖像處理的各個(gè)領(lǐng)域。*1.掃描器的簡(jiǎn)單工作原理

*

掃描器對(duì)圖像畫面進(jìn)行掃描時(shí)，光源將光線照射到待掃描的圖像原稿上，產(chǎn)生反射光或透射光，然後經(jīng)反光鏡組反射到線性光電轉(zhuǎn)換的電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）。中。CCD圖像感測(cè)器根據(jù)反射光線強(qiáng)弱的不同轉(zhuǎn)換成不同大小的電流，經(jīng)模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即產(chǎn)生一行圖像數(shù)據(jù)。 同時(shí)，在控制電路的控制下，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)皮帶，從而驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和CCD掃描裝置在傳動(dòng)導(dǎo)軌上與待掃原稿做相對(duì)平行移動(dòng)，將待掃圖像原稿逐條線掃入，最終完成全部原稿圖像的掃描。對(duì)於彩色圖像，掃描器在掃描時(shí)，首先生成分別對(duì)應(yīng)於紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色的三幅圖像，然後將這三幅圖像合成。*圖3-4掃描器掃描過(guò)程簡(jiǎn)圖2.掃描器的性能指標(biāo)(1)解析度:掃描器的解析度決定了最高掃描精度

;在掃描圖像時(shí)，掃描解析度設(shè)得越高，生成的圖像的效果就越精細(xì)，生成的圖像檔也越大。DPI是指用掃描器輸入圖像時(shí)，在每英寸上得到的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。掃描器的解析度等於其光學(xué)部件的解析度加上其自身通過(guò)硬體及軟體進(jìn)行處理分析所得到的解析度;解析度為1200DPI的掃描器，往往其光學(xué)部分的解析度只占400～600DPI。擴(kuò)充部分的解析度由硬體和軟體聯(lián)合生成，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)電腦對(duì)圖像進(jìn)行分析，對(duì)空白部分進(jìn)行插值處理所產(chǎn)生的;*2.掃描器的性能指標(biāo)(2)掃描速度:掃描速度決定了掃描器的工作效率.一般而言，以300DPI的解析度掃描一幅A4幅面的黑白二值圖像，時(shí)間少於10秒鐘，相同情況下，掃描灰度圖，約需10秒左右，而如果使用三次掃描成像的彩色掃描器，則要2~3分鐘。*3.平板式掃描器的結(jié)構(gòu)目前大部分的掃描器都屬於平板式掃描器，主要由上蓋、原稿臺(tái)、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分、機(jī)械傳動(dòng)部分組成（如圖3-5）。*機(jī)蓋導(dǎo)軌滑桿稿臺(tái)齒輪鏈條步進(jìn)電機(jī)圖3-5平板式掃描器結(jié)構(gòu)3.2.2數(shù)碼攝像頭1.數(shù)碼攝像頭的用途數(shù)碼攝像頭可以直接捕捉影像，然後通過(guò)電腦的串口、並口或者USB介面?zhèn)魉偷诫娔X裏。數(shù)碼攝像頭沒(méi)有存儲(chǔ)裝置和其他附加控制裝置，只有一個(gè)感光部件、簡(jiǎn)單的鏡頭和不太複雜的數(shù)據(jù)傳輸線路，造價(jià)低廉。*3.2.2數(shù)碼攝像頭2.衡量數(shù)碼攝像頭的關(guān)鍵因素感光元器件大多為CCD,CCD的成像往往通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確;應(yīng)用在攝像、圖像掃描等對(duì)於圖像品質(zhì)要求較高的應(yīng)用中,價(jià)格高附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS）大多應(yīng)用在一些低端視頻應(yīng)用中，價(jià)格低像素?cái)?shù)：像素?cái)?shù)是影響圖像品質(zhì)的重要指標(biāo)，也是判斷攝像頭性能優(yōu)劣的重要條件。早期產(chǎn)品以10萬(wàn)像素的居多，目前則以35萬(wàn)像素為主*3.2.2數(shù)碼攝像頭2.衡量數(shù)碼攝像頭的關(guān)鍵因素解析度：分為照像解析度和視頻解析度

：有352×288、320×240、176×144、160×120等規(guī)格一般產(chǎn)品的最高解析度可以達(dá)到640×480視頻速度：視頻速度和視頻解析度是直接相關(guān)的，基本成反比關(guān)係如640×480解析度可達(dá)12.5幀／秒（FramesPerSecond，F(xiàn)PS），

352×288的解析度可得到30FPS，真正獲取流暢的視頻

鏡頭：鏡頭性能的重要條件是它的調(diào)焦範(fàn)圍以及靈敏性等因素，好的攝像頭，應(yīng)該有較為寬廣的調(diào)焦範(fàn)圍和較高的靈敏性*數(shù)碼攝像頭產(chǎn)品如圖3-6所示的攝像頭（創(chuàng)新VideoBlasterWebCam），可以用16.7兆顏色進(jìn)行即時(shí)視頻捕捉；解析度為352×288時(shí)速度最快達(dá)30幀每秒，解析度為640×480時(shí)達(dá)15幀每秒；支持160×120、176×144、320×240、352×288、和640×480解析度的靜態(tài)圖像捕捉；鏡頭免調(diào)焦距。**圖3-6創(chuàng)新VideoBlasterWebCam及其控制介面3.3指點(diǎn)輸入設(shè)備指點(diǎn)設(shè)備常用於完成一些定位和選擇物體的交互任務(wù)。物體可能處?kù)兑痪S、二維、三維或更高維的空間中，而選擇與定位的方式可以是直接選擇，或通過(guò)操作螢?zāi)簧系挠螛?biāo)來(lái)完成。*3.3.1滑鼠1963年，美國(guó)科學(xué)家DouglasEnglebart發(fā)明了滑鼠器（如圖3-7左）。他最初的想法是為了讓電腦輸入操作變得更簡(jiǎn)單、容易。第一只滑鼠器的外殼是用木頭精心雕刻而成的，整個(gè)滑鼠器只有一個(gè)按鍵，在底部安裝有金屬滾輪，用以控制游標(biāo)的移動(dòng)。1984年，蘋果公司把經(jīng)過(guò)改進(jìn)的滑鼠器安裝在Lisa微電腦上，從而使滑鼠器聲名顯赫，它與鍵盤一道成為電腦系統(tǒng)中必備的輸入裝置。*1.最初的滑鼠和現(xiàn)在常用的滑鼠*2.滑鼠的分類1）機(jī)械式滑鼠(半光學(xué)滑鼠)工作原理：在機(jī)械式滑鼠底部有一個(gè)可以自由滾動(dòng)的球，在球的前方及右方裝置兩個(gè)支成90度角的編碼器滾軸，移動(dòng)滑鼠時(shí)小球隨之滾動(dòng)，便會(huì)帶動(dòng)旁邊的滾軸，前方的滾軸記錄前後滑動(dòng)，右方的滾軸記錄左右滑動(dòng)，兩軸一起移動(dòng)則代表非垂直及水準(zhǔn)方向的滑動(dòng)。編碼器由此識(shí)別滑鼠移動(dòng)的距離和方位，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)傳給電腦，以確定游標(biāo)在螢?zāi)簧系恼_位置。

*2.滑鼠的分類2）光電式滑鼠

工作原理:利用一塊特製的光柵板作為位移檢測(cè)元件，光柵板上方格之間的距離為0.5mm?；笃鲀?nèi)部有一個(gè)發(fā)光元件和兩個(gè)聚焦透鏡，發(fā)射光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦後從底部的小孔向下射出，照在滑鼠器下麵的光柵板上，再反射回滑鼠器內(nèi)。當(dāng)在光柵板上移動(dòng)滑鼠器時(shí)，由於光柵板上明暗相間的條紋反射光有強(qiáng)弱變化，滑鼠器內(nèi)部將強(qiáng)弱變化的反射光變成電脈衝，對(duì)電脈衝進(jìn)行計(jì)數(shù)即可測(cè)出滑鼠器移動(dòng)的距離。

*3.滑鼠與電腦的介面串行介面設(shè)計(jì)(梯形9針介面)；隨著PC機(jī)器上串口設(shè)備的逐漸增多，串口滑鼠逐漸被採(cǎi)用新技術(shù)的PS/2介面滑鼠所取代(小圓形介面)；隨著即插即用概念的提出，使得採(cǎi)用USB介面的滑鼠成為主流；而對(duì)於一些有專業(yè)要求的用戶而言，採(cǎi)用紅外線信號(hào)來(lái)與電腦傳遞資訊的無(wú)線滑鼠也成為一種專業(yè)時(shí)尚。*4.滑鼠的按鍵從按鍵而言，依次經(jīng)歷了兩鍵、三鍵時(shí)代。隨著INTERNET的普及，人們發(fā)現(xiàn)，在滑鼠上加上一個(gè)小小的輪軸更便於流覽網(wǎng)頁(yè)，這樣，又出現(xiàn)了滾輪滑鼠，目前的滑鼠以三鍵滾輪滑鼠為主（如圖3-7右）。雖然滑鼠的發(fā)展速度和其他輸入設(shè)備相比似乎慢了許多，但是滑鼠對(duì)電腦操作帶來(lái)的巨大便利，決定了其在短時(shí)間內(nèi)是難以被完全替代的。*3.3.2觸摸板（Touchpad）

觸摸板能夠在一定的區(qū)域內(nèi)（通常是50~75毫米長(zhǎng)度）感應(yīng)接觸，將這種接觸信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給電腦處理。目前，觸摸板已應(yīng)用到筆記本電腦上，可以替代滑鼠。觸摸板通過(guò)電容感應(yīng)來(lái)獲知用戶的手指移動(dòng)情況，對(duì)手指熱量並不敏感。

同滑鼠相比，觸摸板的使用更加靈活，在使用過(guò)程中，通過(guò)更多的配置，可以得到更強(qiáng)的功能。

*觸摸板以及觸摸板的配置

*圖3-8觸摸板以及觸摸板的配置3.3.3控制桿

控制桿很適宜於跟蹤目的（即追隨螢?zāi)簧弦粋€(gè)移動(dòng)的目標(biāo)）的原因是移動(dòng)對(duì)應(yīng)的游標(biāo)所需的位移相對(duì)較小，同時(shí)易於變換方向。

控制桿的移動(dòng)導(dǎo)致螢?zāi)簧嫌螛?biāo)的移動(dòng)。根據(jù)兩者移動(dòng)的關(guān)係，可以將其分為兩大類：位移定位和壓力定位。對(duì)於位移定位的遊戲桿，螢?zāi)簧系挠螛?biāo)依據(jù)遊戲桿的位移而移動(dòng)，

**3.3.4光筆

光筆是一種較早用於繪圖系統(tǒng)的交互輸入設(shè)備，它能使用戶在螢?zāi)簧现更c(diǎn)某個(gè)點(diǎn)以執(zhí)行選擇、定位或其他任務(wù)。光筆和圖形軟體相配合，可以在顯示器上完成繪圖，修改圖形和變換圖形等複雜功能（如圖3-10）。

光筆的形狀和普通鋼筆相似，它由透鏡、光導(dǎo)纖維、光電元件、放大整形電路和接觸開關(guān)組成（如圖3-11）。**圖3-10光筆的使用光筆的的原理圖*光筆的優(yōu)缺點(diǎn)

光筆的優(yōu)點(diǎn)不需要特殊的顯示幕幕，與觸摸屏的設(shè)備相比較，價(jià)格便宜許多；在一些不適宜使用滑鼠的地方，可以起到替代作用。光筆的缺點(diǎn)手和筆跡可能將遮擋螢?zāi)粓D像的一部分；會(huì)造成手腕的疲勞；光筆不能檢測(cè)黑暗區(qū)域內(nèi)的位置；會(huì)因房間背景光的影響，光筆產(chǎn)生誤讀現(xiàn)象。*3.3.5觸摸屏

觸摸屏作為一種特殊的電腦外設(shè)，提供了一種簡(jiǎn)單、方便、自然的人機(jī)交互方式，在某些應(yīng)用中，可以代替滑鼠或鍵盤。觸摸屏目前主要應(yīng)用於公共資訊的查詢，如電信、稅務(wù)、銀行、電力等部門的業(yè)務(wù)查詢，城市街頭的資訊查詢。此外還可以應(yīng)用於工業(yè)控制、軍事指揮、電子遊戲、點(diǎn)歌點(diǎn)菜、多媒體教學(xué)等方面。*觸摸屏的分類可以把觸摸屏分為四種：電阻式電容感應(yīng)式紅外線式（圖3-12）表面聲波式。每一類觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

*紅外線式觸摸屏及相關(guān)技術(shù)參數(shù)*原理：紅外線螢?zāi)活愋停浩矫娼馕龆龋╠pi）：1600×1200尺寸（英寸）：19透光率：>92%感應(yīng)力度：可感知100g觸摸力圖3-12觸摸屏及相關(guān)技術(shù)參數(shù)3.3.6手寫液晶屏

手寫液晶屏是液晶矩陣顯示技術(shù)和高靈敏度電磁壓感技術(shù)的完美結(jié)合，可以在螢?zāi)簧现苯佑脡焊泄P實(shí)現(xiàn)高精度的選取、繪圖、設(shè)計(jì)製作。液晶螢?zāi)簧铣司邆湟话愕囊壕э@示幕的特徵以外，在最上面還附有一層特製保護(hù)層，確保在書寫過(guò)程中，螢?zāi)槐３制秸蛔冃?，液晶原?lái)的畫質(zhì)毫不受損，同時(shí)具有高耐久性。

*手寫液晶屏*3.3.7眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)允許用戶僅僅通過(guò)凝視的手段來(lái)控制電腦選擇物體。目前來(lái)看，眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)需要利用較為複雜的硬體設(shè)備以及軟體演算法。

*一個(gè)眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)示例*圖3-14眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)工作原理首先，用四個(gè)L形的紅外線發(fā)光器，在眼睛裏產(chǎn)生一些亮點(diǎn)；然後利用一個(gè)廣角攝像頭獲取臉部圖像，快速確定眼睛的位置，再利用一個(gè)視野較小，解析度較高的攝像頭拍攝眼睛的高解析度圖像；最後，分析眼睛的圖像,計(jì)算瞳孔中心和亮點(diǎn)的位置，通過(guò)計(jì)算瞳孔中心和亮點(diǎn)確定的向量，確定視線方向。*3.3.8游標(biāo)鍵--非連續(xù)定位裝置

選擇菜單或者編輯文本過(guò)程中游標(biāo)移動(dòng)時(shí)，只需要上、下、左、右?guī)讉€(gè)方向的控制，這時(shí)候僅需要簡(jiǎn)單的游標(biāo)鍵就可以了。鍵盤上都有光標(biāo)鍵，在windows等圖形用戶介面和滑鼠出現(xiàn)之前，游標(biāo)鍵是一般字元介面最重要的定位方式。目前，在一些應(yīng)用中，特別是一些簡(jiǎn)單交互介面或一些文本編輯系統(tǒng)中，游標(biāo)鍵作為一種簡(jiǎn)單、自然的方式，仍然發(fā)揮著重要的作用。

*3.4顯示設(shè)備

顯示器是電腦的重要輸出設(shè)備，是人機(jī)對(duì)話的重要工具。它的主要功能是接收主機(jī)發(fā)出的資訊，經(jīng)過(guò)一系列的變換，最後以光的形式將文字和圖形顯示出來(lái)。在交互的電腦系統(tǒng)中，沒(méi)有顯示器的情況是非常少見(jiàn)的，只出現(xiàn)在某些非傳統(tǒng)的應(yīng)用中。

*3.4.1位圖顯示

光柵掃描型（Rasterscan）顯示器，以點(diǎn)陣形式表示圖形，採(cǎi)用專門的幀緩衝區(qū)存放點(diǎn)陣，緩衝區(qū)按照矩形網(wǎng)格排列，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)顯示器上的一個(gè)象素。由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描，當(dāng)掃描到顯像管表面時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的緩衝區(qū)中的值，顯示不同的灰度和顏色（如圖3-15），此類顯示技術(shù)稱為位圖（Bitmap）顯示。

*1.位圖與光柵顯示

*螢?zāi)蛔鴺?biāo)系光柵顯示器的圖形表現(xiàn)能力，是通過(guò)光柵圖形元素來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為此建立了以螢?zāi)唤馕龆葹榛A(chǔ)的二維圖形整數(shù)坐標(biāo)系，稱為螢?zāi)蛔鴺?biāo)系。它的垂直方向?yàn)閅軸，水準(zhǔn)方向?yàn)閄軸，原點(diǎn)在螢?zāi)坏淖笊辖?，單位為象素的直徑（即點(diǎn)距）。

*3.4.2顯示技術(shù)

1.陰極射線管（CRT）顯示器

結(jié)構(gòu)*3.4.2顯示技術(shù)工作方式電子束從左向右，從上向下掃描螢光屏，產(chǎn)生一幅幅光柵，每一條從左向右的直線稱為掃描線，每一幅光柵稱為一幀。掃描方式分逐行和隔行掃描方式。隔行掃描方式把一幀光柵分為兩次掃描：先掃偶數(shù)行掃描線，再掃奇數(shù)行掃描線。逐行掃描比隔行掃描擁有更穩(wěn)定顯示效果。

*液晶顯示器2.液晶-等離子顯示器在充電條件下，液晶能改變分子排列，繼而造成光線的扭曲或折射液晶顯示器工作原理是通過(guò)能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來(lái)自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。

LCD比CRT顯示器具有更好的圖像清晰度，畫面穩(wěn)定性和更低的功率消耗，但液晶材質(zhì)粘滯性比較大，圖像更新需要較長(zhǎng)回應(yīng)時(shí)間，因此不適合顯示動(dòng)態(tài)圖象*等離子顯示器等離子顯示器誕生於二十世紀(jì)60年代，它採(cǎi)用等離子管作為發(fā)光材料，1個(gè)等離子管負(fù)責(zé)一個(gè)像素的顯示：等離子管內(nèi)的氖氙混合氣體在高壓電極的刺激下產(chǎn)生紫外線，紫外線照射塗有三色螢光粉的玻璃板，螢光粉受激發(fā)出可見(jiàn)光。*3.4.3數(shù)字紙

數(shù)字紙是一種仍處?kù)对囼?yàn)階段的顯示技術(shù)。數(shù)字紙是一種薄的，柔軟的介質(zhì)，如同一般的電腦螢?zāi)灰粯樱梢岳秒娮觾x器在上面書寫，不同的是，即使沒(méi)有了能量，它也能保存已經(jīng)書寫的內(nèi)容。

有若干技術(shù)應(yīng)用於數(shù)字紙的研究。其中之一是將介質(zhì)的表面佈滿小的球體，一面是黑色的，另一面是白色的。電子進(jìn)入介質(zhì)後，會(huì)使得小球旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出黑色或白色。當(dāng)電子信號(hào)消失後，小球保持其最後的朝向。目前的數(shù)字紙的解析度可以到達(dá)100dpi，並可以顯示不同的灰度和顏色。

*3.5語(yǔ)音交互設(shè)備

語(yǔ)音作為一種重要的交互手段，日益受到人們的重視。人們可以使用固定電話或移動(dòng)電話以及PC、PDA和其他智能設(shè)備通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成等交互技術(shù)，以及語(yǔ)音流覽、智能資訊處理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人服務(wù)和商業(yè)服務(wù)的語(yǔ)音應(yīng)用。在美國(guó)、日本，語(yǔ)音互聯(lián)已成為簡(jiǎn)易終端接入互聯(lián)網(wǎng)的主要方式之一。對(duì)於語(yǔ)音的交互，耳機(jī)、麥克風(fēng)以及聲卡是最基本的設(shè)備。

*3.5.1耳麥

1.耳機(jī)及指標(biāo)耳機(jī)結(jié)構(gòu)：耳機(jī)結(jié)構(gòu)可以分為封閉式、開放式、半開放式三種頻響範(fàn)圍：耳機(jī)能夠放送出的頻帶的寬度，國(guó)際電工委員會(huì)IEC581-10標(biāo)準(zhǔn)中高保真耳機(jī)的頻響範(fàn)圍應(yīng)當(dāng)能夠包括50Hz到12500Hz之間

靈敏度指在同樣響度的情況下，需要輸入功率的大小，靈敏度越高所需要的輸入功率越小*3.5.1耳麥1.耳機(jī)及指標(biāo)阻抗是耳機(jī)交流阻抗的簡(jiǎn)稱，臺(tái)式機(jī)或功放、VCD、DVD、電視等器械上，常用到的是高阻抗耳機(jī)，各種可攜式隨身聽，例如CD、MD或MP3，一般會(huì)使用低阻抗耳機(jī)

諧波失真是一種波形失真，在耳機(jī)指標(biāo)中有標(biāo)示，失真越小，音質(zhì)也就越好。一般的耳機(jī)應(yīng)當(dāng)小於或略等於0.5%。*3.5.1耳麥2.麥克風(fēng)及指標(biāo)耳機(jī)佩戴有麥克風(fēng)。為了過(guò)濾背景雜音，達(dá)到更好的識(shí)別效果，許多麥克風(fēng)採(cǎi)用了NCAT（NoiseCancelingAmplificationTechnology）專利技術(shù)。NCAT技術(shù)結(jié)合特殊機(jī)構(gòu)及電子回路設(shè)計(jì)以達(dá)到消除背景噪音，強(qiáng)化單一方向聲音（只從配戴者嘴部方向）的收錄效果，是專為各種語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音交互軟體設(shè)計(jì)的，提供精確音頻輸入的技術(shù)，採(cǎi)用NCAT/NCAT2技術(shù)的麥克風(fēng)會(huì)著重採(cǎi)集處?kù)墩ＵZ(yǔ)音頻段（介於350Hz7000Hz）的音頻信號(hào)，從而降低環(huán)境噪音的干擾。*3.5.1耳麥微軟設(shè)計(jì)的GameVoice可以方便地實(shí)現(xiàn)同時(shí)與多個(gè)人對(duì)話，與不同的個(gè)人對(duì)話，以及通過(guò)語(yǔ)音命令控制遊戲的功能。*圖3-17GameVoice3.5.2聲音合成設(shè)備-聲卡

1.聲卡的功能是一種安裝在電腦中的最基本的聲音合成設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)聲波／數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的硬體，可把來(lái)自話筒、磁帶、光碟的原始聲音信號(hào)加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機(jī)、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音機(jī)、答錄機(jī)等聲響設(shè)備，完成對(duì)聲音資訊進(jìn)行錄製與回放。2.聲卡的結(jié)構(gòu)聲卡可分為模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部分:模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將麥克風(fēng)等聲音輸入設(shè)備採(cǎi)集到的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號(hào)；而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電腦使用的數(shù)字聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為耳機(jī)、音箱等設(shè)備能使用的模擬信號(hào)。

*3.5.2聲音合成設(shè)備-聲卡3.聲卡擁有的介面：LINEOUT（或者SPKOUT）用於連接音箱耳機(jī)等外部揚(yáng)聲設(shè)備，實(shí)現(xiàn)聲音回放；MICINOUTMICIN用於連接麥克風(fēng)，實(shí)現(xiàn)錄音功能；LINEINLINEIN則是把外部設(shè)備的聲音輸入到聲卡中遊戲桿（外部MIDI設(shè)備介面）*3.5.2聲音合成設(shè)備-聲卡4.與聲卡相關(guān)的重要概念

聲音的採(cǎi)樣採(cǎi)樣的位數(shù)決定了聲音採(cǎi)集的品質(zhì)。採(cǎi)樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度，這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄製和回放的聲音也越真實(shí)。16位聲卡能將聲音分為64K個(gè)精度單位進(jìn)行處理，而8位聲卡只能處理256個(gè)精度單位，造成較大的信號(hào)損失採(cǎi)樣的頻率採(cǎi)樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對(duì)聲音信號(hào)的採(cǎi)樣次數(shù)，採(cǎi)樣頻率越高則聲音的還原就越真實(shí)越自然。在當(dāng)今的主流聲卡上，採(cǎi)樣頻率一般分為22.05KHz、44.1KHz、48KHz三個(gè)等級(jí)*3.5.2聲音合成設(shè)備-聲卡聲道數(shù)聲音在錄製過(guò)程中被分配到兩個(gè)獨(dú)立的聲道，從而達(dá)到了很好的聲音定位效果，用戶可以清晰地分辨出各種樂(lè)器來(lái)自的方向，從而使音樂(lè)更富想像力，更加接近於臨場(chǎng)感受。四聲道環(huán)繞音頻技術(shù)較好實(shí)現(xiàn)了三維音效，四聲道環(huán)繞規(guī)定了4個(gè)發(fā)音點(diǎn)：前左、前右，後左、後右，聽眾則被包圍在這中間。MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface）檔MIDI檔是一種描述性的“音樂(lè)語(yǔ)言”，非常小巧，它將所要演奏的樂(lè)曲資訊用字節(jié)描述，例如“在某一時(shí)刻，使用什麼樂(lè)器，以什麼音符開始，以什麼音調(diào)結(jié)束，加以什麼伴奏”等等。MIDI檔只是一種對(duì)樂(lè)曲的描述，本身不包含任何可供回放的聲音資訊。*3.5.2聲音合成設(shè)備-聲卡波表合成波表（WAVETABLE）將各種真實(shí)樂(lè)器所能發(fā)出的所有聲音（包括各個(gè)音域、聲調(diào)）錄製下來(lái)，存貯為一個(gè)波表檔。播放時(shí)，根據(jù)MIDI檔記錄的樂(lè)曲資訊向波表發(fā)出指令，從“表格

”中逐一找出對(duì)應(yīng)的聲音資訊，經(jīng)過(guò)合成、加工後回放出來(lái)。採(cǎi)用真實(shí)樂(lè)器的採(cǎi)樣，所以效果較好。一般波表的樂(lè)器聲音資訊都以44.1KHz、16Bit的精度錄製，以達(dá)到最真實(shí)回放效果。理論上，波表容量越大合成效果越好。

*3.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的交互設(shè)備

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求電腦可以即時(shí)顯示一個(gè)三維場(chǎng)景，用戶可以在其中自由的漫遊，並能操縱虛擬世界中一些虛擬物體。因此，除了一些傳統(tǒng)的控制和顯示設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還需要一些特殊的設(shè)備和交互手段，來(lái)滿足虛擬系統(tǒng)中的顯示、漫遊以及物體操縱等任務(wù)。*3.6.1三維空間定位設(shè)備

三維交互設(shè)備最基本的特點(diǎn)是具有六個(gè)自由度。常見(jiàn)的三維輸入設(shè)備主要有以下幾種：1.空間跟蹤定位器2.數(shù)據(jù)手套（DataGlove）3.三維滑鼠4.觸覺(jué)和力回饋器

*3.6.1三維空間定位設(shè)備1.空間跟蹤定位器空間跟蹤定位器或稱三維空間感測(cè)器（如圖3-18）是一種能即時(shí)地檢測(cè)物體空間運(yùn)動(dòng)的裝置，可以得到物體在六個(gè)自由度上相對(duì)於某個(gè)固定物體的位移，包括：X、Y、Z座標(biāo)上的位置值，以及圍繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)值（轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰、搖擺）。這種三維空間感測(cè)器對(duì)被檢測(cè)的物體必須是無(wú)干擾的，也就是說(shuō)，不論這種感測(cè)器是基於何種原理或使用何種技術(shù)，它都不應(yīng)當(dāng)影響被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，因而稱為“非接觸式感測(cè)器”。**圖3-18空間跟蹤定位器空間跟蹤定位器的主要的性能指標(biāo)：定位精度：指感測(cè)器所測(cè)出的位置與實(shí)際位置的差異位置修改速率：指感測(cè)器在一秒鐘內(nèi)所能完成的測(cè)量次數(shù)延時(shí)：指被檢測(cè)物體的某個(gè)動(dòng)作與感測(cè)器測(cè)出該動(dòng)作時(shí)間的間隔需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題如何減少顫抖、漂移、噪音在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中廣泛使用的感測(cè)器類型：低頻磁場(chǎng)式：在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，這種感測(cè)器常被用來(lái)安裝在數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器上。超聲式：*3.6.1三維空間定位設(shè)備2.數(shù)據(jù)手套（DataGlove）數(shù)據(jù)手套一般由很輕的彈性材料構(gòu)成，緊貼在手上。整個(gè)系統(tǒng)包括位置、方向感測(cè)器和沿每個(gè)手指背部安裝的一組有保護(hù)套的光纖導(dǎo)線，它們檢測(cè)手指和手的運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)手套將人手的各種姿勢(shì)、動(dòng)作通過(guò)手套上所帶的光導(dǎo)纖維感測(cè)器，輸入電腦中進(jìn)行分析。這種手勢(shì)可以是一些符號(hào)表示或命令，也可以是動(dòng)作。手勢(shì)所表示的含義可由用戶加以定義。在虛擬環(huán)境中，操作者通過(guò)數(shù)據(jù)手套可以用手去抓或推動(dòng)虛擬物體，以及做出各種手勢(shì)命令。

**圖3-19數(shù)據(jù)手套3.6.1三維空間定位設(shè)備3.三維滑鼠三維滑鼠能夠感受用戶在六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，包括三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)。其裝置比較簡(jiǎn)單：一個(gè)蓋帽放在帶有一系列開關(guān)的底座上。轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)小球或側(cè)方向推動(dòng)這個(gè)小球時(shí)，如向上拉它、向下壓它，使它向前或向後等。三維滑鼠將用戶的這些動(dòng)作傳送給電腦，從而進(jìn)一步控制虛擬環(huán)境中的物體的運(yùn)動(dòng)。*3.6.1三維空間定位設(shè)備*圖3-20三維滑鼠Logitech公司的Magellan3DController，它可提供x,y,z,a,b,c六個(gè)自由度，並附有九個(gè)按鈕。Magellan的外觀設(shè)計(jì)充分考慮了功效學(xué)的原則，用戶長(zhǎng)時(shí)間操作不容易感到疲勞，用戶只要輕輕搓動(dòng)其上的蓋帽便可在螢?zāi)簧掀揭坪托D(zhuǎn)三維物體，鬆手後蓋帽會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到初始位置。3.6.1三維空間定位設(shè)備4.觸覺(jué)和力回饋器(振動(dòng)觸感式回饋器)*圖3-21VirtualTechnology公司的觸覺(jué)回饋手套3.6.1三維空間定位設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須提供觸覺(jué)回饋，以便使用戶感覺(jué)到仿佛真的摸到了物體。但是由於人的觸覺(jué)非常敏感，精度一般的裝置根本無(wú)法滿足要求。

另外，對(duì)於觸覺(jué)和力回饋器，還要考慮到模擬力的真實(shí)性、施加到人手上是否安全以及裝置是否便於攜帶並讓用戶感到舒適等問(wèn)題。目前已經(jīng)有一些關(guān)於力學(xué)回饋手套、力學(xué)回饋操縱桿、力學(xué)回饋筆、力學(xué)回饋表面等裝置的研究

*3.6.1三維空間定位設(shè)備手指觸覺(jué)回饋器的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)視覺(jué)、氣壓感、振動(dòng)觸覺(jué)、電子觸覺(jué)和神經(jīng)肌肉模擬等方法。

其中電子觸覺(jué)回饋器是向皮膚回饋寬度和頻率可變的電脈衝，而神經(jīng)肌肉模擬回饋是直接刺激皮層，這些方法都很不安全，較安全的方法是氣壓式和振動(dòng)觸感式的回饋器。

*3.6.2沉浸感顯示設(shè)備

1.立體視覺(jué)

由於人類從客觀世界獲得的資訊80%（60%視覺(jué)，聽覺(jué)20%，其他20%）以上來(lái)自視覺(jué)，因而視覺(jué)溝通就成為多感知虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，立體視覺(jué)技術(shù)也就成為虛擬現(xiàn)實(shí)的一種極重要的支撐技術(shù)。

人是通過(guò)右眼和左眼所看到物體的細(xì)微差異來(lái)感知物體的深度，從而識(shí)別出立體圖像的。立體影像生成技術(shù)主要有兩種：主動(dòng)式立體模式和被動(dòng)式立體模式。

*3.6.2沉浸感顯示設(shè)備顯示模式主動(dòng)式模式：用戶的左右眼影像將按照順序交替顯示，用戶使用LCD立體眼鏡保持與立體影像的同步，這種模式可以產(chǎn)生高質(zhì)量的立體效果。被動(dòng)式系統(tǒng)需要使用兩套顯示設(shè)備以及投影設(shè)備分別生成左右眼影像並進(jìn)行投影，不同的投影分別使用不同角度的偏振光來(lái)區(qū)別左右眼影像，用戶使用偏振光眼鏡保持立體影像的同步。*3.6.2沉浸感顯示設(shè)備2.立體顯示系統(tǒng)頭盔式顯示器（HeadMountedDisplay，HMD，）是一種立體圖形顯示設(shè)備，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接受來(lái)自主機(jī)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景資訊。

目前最常用的頭盔顯示器是基於液晶顯示原理的，最早如美國(guó)VPL公司於1992年推出的Eyephone，它在頭上裝有一個(gè)解析度為360×240象素的液晶顯示器，其視野為水準(zhǔn)100度。

**圖3-22頭盔式顯示器3.6.2沉浸感顯示設(shè)備頭盔分單通道和雙通道兩種:單通道的頭盔顯示器上裝有一個(gè)液晶顯示器並顯示同一幅圖像；雙通道的頭盔顯示器上裝有兩個(gè)液晶顯示器，左邊的液晶屏顯示來(lái)自主控電腦生成的左眼圖像，右邊的液晶顯示幕顯示來(lái)自主控電腦生成的右眼圖像，每一幅的圖像的顯示刷新速度都在60Hz以上，兩幅圖像在兩個(gè)液晶屏之間快速切換顯示，根據(jù)立體成像原理，觀察者就可以看到立體圖像

*3.6.2沉浸感顯示設(shè)備頭盔式顯示器使用方式為頭戴式，輔以空間跟蹤定位器可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景輸出效果的觀察，同時(shí)觀察者可做空間上的移動(dòng)，如自由行走、旋轉(zhuǎn)等。兩個(gè)顯示幕幕處?kù)队脩襞宕鞯念^盔中，分別覆蓋用戶雙眼的視野，使得用戶只能夠感知來(lái)自電腦所生成的圖像，沉浸感極強(qiáng)。*3.6.2沉浸感顯示設(shè)備改進(jìn)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境：吊桿式雙筒全方位監(jiān)視器（BinocularOmni-OrientationMonitor，BOOM）BOOM把兩個(gè)獨(dú)立的CRT顯示器捆綁在一起，用戶可以用手操縱顯示器的位置，以觀察一個(gè)可移動(dòng)、寬視角的虛擬空間。BOOM的顯著優(yōu)點(diǎn)是解析度較高，高端產(chǎn)品的解析度是1280×1024像素。BOOM的另外優(yōu)點(diǎn)包括：沒(méi)有延遲和雜訊，對(duì)用戶無(wú)佩戴重量方面的負(fù)擔(dān)。**圖3-23BOOM顯示系統(tǒng)洞穴式顯示環(huán)境

（CaveAutomaticVirtualEnvironment，CAVE）這是一種四面的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。系統(tǒng)在支持多用戶的同時(shí)，給用戶提供了前所未有的，帶有震撼性的沉浸感對(duì)於處在系統(tǒng)內(nèi)的用戶來(lái)說(shuō)，投影螢?zāi)粚⒎謩e覆蓋用戶的正面、左右以及底面視野，構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為10英尺的立方體?？梢栽试S多人走進(jìn)CAVE中，用戶戴上立體眼鏡便能從空間中任何方向看到立體的圖像。CAVE實(shí)現(xiàn)了大視角、全景、立體、且支持5～10人共用的一個(gè)虛擬環(huán)境。

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圖

3-24CAVE顯示環(huán)境

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圖

3-24CAVE顯示原理

洞穴式顯示環(huán)境l

它可提供180o的寬視域和2000×2000以上的高解析度；l

它允許用戶在虛擬空間中走動(dòng)，而不用佩戴笨重的設(shè)備；l

它允許在同一個(gè)環(huán)境中存在多個(gè)用戶，而且用戶間可以自然地交互；l

一次能顯示大型模型，如汽車、房屋等，而HMD則需要頭部運(yùn)動(dòng)才能看到完整的模型。*Cave系統(tǒng)示例Workbench是一種單投影面的系統(tǒng)，立體影像通過(guò)鏡子的折射投影到一個(gè)水準(zhǔn)的投影平面，用戶在此工作平面上與虛擬物體進(jìn)行交互*多投影面系統(tǒng)

相對(duì)於單投影面系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多投影面系統(tǒng)能夠涵蓋更多的用戶視野範(fàn)圍，提供更好的沉浸感，所以多投影面系統(tǒng)也成為沉浸式虛擬環(huán)境的主要發(fā)展方向。對(duì)原來(lái)單投影面的Workbench進(jìn)行雙投影面的改進(jìn)，在水準(zhǔn)投影面的基礎(chǔ)上增加額外的垂直投影面，可以進(jìn)一步增加用戶的虛擬視野範(fàn)圍。

*PowerWall系統(tǒng)

Minnesota大學(xué)在1994年提出的PowerWall系統(tǒng)是由多個(gè)投影面層疊或並排形成單個(gè)面積較大的投影平面，它能提供高解析度大面積範(fàn)圍的影像，主要被應(yīng)用於科學(xué)數(shù)據(jù)可視化，或面向多用戶展示工作（圖3-25左）。

**圖3-25PowerWall*圖3-25WORKBENCH6個(gè)投影面的CAVE系統(tǒng)能夠完全覆蓋用戶的視野範(fàn)圍，使用戶能夠完全沉浸於所生成的虛擬環(huán)境。另外，也有投影到圓柱狀或環(huán)繞投影面的系統(tǒng)，主要應(yīng)用於虛擬劇場(chǎng)，提供對(duì)多用戶的支持。*3.6.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

山東大學(xué)考古數(shù)字博物館綜合利用前面介紹的各種虛擬設(shè)備，可以在此基礎(chǔ)上完成一些較為複雜的應(yīng)用。山東大學(xué)構(gòu)建了一套基於桌面的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，並用於山東大學(xué)考古數(shù)字博物館（圖3-26）

**圖3-26山東大學(xué)考古數(shù)字博物館的場(chǎng)景與交互*用戶漫遊系統(tǒng)跟蹤器立體眼鏡/頭盔音箱手勢(shì)位置語(yǔ)音命令傳統(tǒng)命令通道理解整合立體圖像三維音效麥克風(fēng)滑鼠/鍵盤數(shù)據(jù)手套圖3-27數(shù)字博物館的系統(tǒng)架構(gòu)圖3-27展示了該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。兩個(gè)跟蹤器分別固定在用戶的手套和身體上固定在身體上的跟蹤器跟蹤用戶的轉(zhuǎn)動(dòng)，控制用戶在場(chǎng)景中漫遊的方向；附著在手套上的跟蹤器跟蹤手相對(duì)於身體的相對(duì)位置。如果手與虛擬空間中的物體發(fā)生碰撞，則利用數(shù)據(jù)手套檢測(cè)用戶的手勢(shì)命令，判斷用戶是否要抓取物體。語(yǔ)音命令可以輔助用戶在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行漫遊。

*協(xié)同工作的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景Michigan大學(xué)的支持異地用戶協(xié)同工作的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景利用多種顯示環(huán)境，構(gòu)建了如圖3-28所示，三個(gè)網(wǎng)路用戶分別使用BOOM（左上），CAVE（右上），以及HMD（右下）系統(tǒng)在同一個(gè)場(chǎng)景中進(jìn)行交互，每個(gè)用戶看到的虛擬場(chǎng)景都是根據(jù)自己的視點(diǎn)計(jì)算得到的，用戶通過(guò)自己在虛擬環(huán)境中的替身(avatar)同其他用戶交互。每個(gè)用戶同時(shí)可以使用不同的交互設(shè)備同其他用戶自由的交流與協(xié)作。

**圖3-28支持異地協(xié)同工作的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境

人機(jī)交互技術(shù)*4.1人機(jī)交互技術(shù)概述

人機(jī)交互技術(shù)發(fā)生的歷史及發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)用戶介面的具體形式分為批處理聯(lián)機(jī)終端(命令介面)文本菜單WIMP介面多媒體用戶介面多通道用戶介面和虛擬現(xiàn)實(shí)用戶介面*4.1人機(jī)交互技術(shù)概述人機(jī)交互技術(shù)發(fā)生的歷史及發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)根據(jù)用戶介面中資訊載體的類型文本為主的字元用戶介面(CUI)二維圖形為主的圖形用戶介面(GUI)多媒體用戶介面*4.1人機(jī)交互技術(shù)概述人機(jī)交互技術(shù)發(fā)生的歷史及發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)電腦輸出資訊的形式以符號(hào)為主的字元介面以視覺(jué)感知為主的圖形用戶介面兼顧聽覺(jué)感知的多媒體用戶介面綜合運(yùn)用多種感觀(包括觸覺(jué)等)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)*4.1人機(jī)交互技術(shù)概述人機(jī)交互技術(shù)發(fā)生的歷史及發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)人機(jī)介面中的資訊維度，人機(jī)交互技術(shù)可以分為：一維資訊(主要指文本流，如早期電傳式終端)二維資訊(主要是二維圖形技術(shù)，利用了色彩、形狀、紋理等資訊)三維資訊(主要是三維圖形技術(shù)，但顯示技術(shù)仍利用二維平面為主)和多維資訊(多通道的多維資訊)空間*4.1人機(jī)交互技術(shù)概述人機(jī)交互技術(shù)發(fā)生的歷史及發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)人機(jī)交互中採(cǎi)用的語(yǔ)言形式語(yǔ)言:形式語(yǔ)言是一種人工語(yǔ)言，特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、嚴(yán)密、高效。類自然語(yǔ)言:類自然語(yǔ)言則是介於電腦語(yǔ)言和自然語(yǔ)言之間。自然語(yǔ)言:自然語(yǔ)言的語(yǔ)法成分有更多的規(guī)則，具有多義性、微妙、豐富、靈活的特點(diǎn)。*4.2命令行和文本菜單技術(shù)

4.2.1命令行

真正意義上的人機(jī)交互開始於聯(lián)機(jī)終端的出現(xiàn)。用戶輸入文本命令，系統(tǒng)也以文本的形式表示對(duì)命令的回應(yīng)。這種人機(jī)介面稱為命令行介面。

**

圖4-1命令行介面概念模型命令行交互介面操作系統(tǒng)MS-DOS是文本命令行交互介面。

例如，需要將所有擴(kuò)展名為“.AAA”的檔替換為擴(kuò)展名為“.BBB”，如果在“我的電腦”或“WINDOWS資源管理器”中，需要一個(gè)一個(gè)地去查找、改名，操作的局限性是顯而易見(jiàn)的。利用命令rename[drive:][path]filename1filename2或ren[drive:][path]filename1filename2，使用通配符“*”或“？”，就可以方便地更改一組檔案名或擴(kuò)展名。

*命令行交互介面不同的操作系統(tǒng)要用不同的命令進(jìn)入命令行介面。在Win9x/Me的開始菜單中的運(yùn)行程式中鍵入“command”命令，可進(jìn)入命令行介面。在Win2000/NT的開始菜單中的運(yùn)行程式中鍵入“cmd”命令，可進(jìn)入命令行介面。

批處理檔（也稱為批處理程式或腳本）。批處理檔是無(wú)格式的文本檔，包含一條或多條命令，檔擴(kuò)展名為

bat或cmd。

*4.2.2文本菜單

字元介面下的菜單方式：在菜單方式下用戶必須在有限的一組選項(xiàng)中進(jìn)行識(shí)別和選擇，更多的是回應(yīng)而不是發(fā)出命令。用戶不必記憶功能命令，縮短了用戶的培訓(xùn)時(shí)間，減少用戶的擊鍵次數(shù)，錯(cuò)誤處理能力也有了顯著提高。

在這種介面中，人還是被看成操作員，機(jī)器做出被動(dòng)的反應(yīng)，人只能使用手這一交互通道用鍵盤輸入選擇資訊，通過(guò)視覺(jué)通道獲取資訊，介面輸出只能為靜態(tài)的文本字元。

*文本菜單的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基於文本菜單的系統(tǒng)主要包括兩方面的工作：菜單的生成和顯示，內(nèi)部流程的控制及錯(cuò)誤處理?！纠?-2】圖書管理程式的主菜單的Java語(yǔ)言代碼。*importjava.io.*;publicclassMenuDemo{staticvoiddisplay_maintenace_menu(){System.out.print(“\n\n\t\t<<維護(hù)子菜單>>\n\n”);System.out.println(“\t1--註冊(cè)借書者”);System.out.println(“\t2--註冊(cè)圖書”);

…….System.out.println(“\t0--返回主菜單”);}publicstaticvoidmain(Stringargs[])throwsException{booleanquit=false;charch;do{display_mainmenu();ch=(char)System.in.read();switch(ch) {…….//調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)

}}while(!quit);Sytem.in.read();}}*4.3圖形用戶介面

圖形用戶介面又稱為WIMP介面，由窗口(windows)、圖示(icons)、菜單m)、指點(diǎn)設(shè)備(pointingdevice)四位一體，形成桌面(desktop)

，如圖4-2所示。圖形用戶介面是當(dāng)前用戶介面的主流，廣泛應(yīng)用於各檔臺(tái)式微機(jī)和圖形工作站。比較成熟的商品化系統(tǒng)有Apple的Macintosh、IBM的PM(PresentationManager)、Microsoft的Windows和運(yùn)行於Unix環(huán)境的X-Window、OpenLook和OSF/Motif等。**圖4-2WIMP介面概念模型

4.3圖形用戶介面圖形用戶介面的共同特點(diǎn)是以窗口管理系統(tǒng)為核心，使用鍵盤和滑鼠器作為輸入設(shè)備。窗口管理系統(tǒng)除了基於可重疊多窗口管理技術(shù)外，廣泛採(cǎi)用的另一核心技術(shù)是事件驅(qū)動(dòng)(event-driven)技術(shù)。*4.3圖形用戶介面WIMP介面可看作是第二代人機(jī)介面，是基於圖形方式的人機(jī)介面。在WIMP介面中，人被稱為用戶，人機(jī)通過(guò)對(duì)話進(jìn)行工作。用戶只能使用手這一種交互通道輸入資訊，通過(guò)視覺(jué)通道獲取資訊。在WIMP介面中，介面的輸出可以為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的二維圖形或圖像等資訊。*4.3圖形用戶介面這種方式能同時(shí)輸出不同種類的資訊，用戶也可以在幾個(gè)工作環(huán)境中切換而不丟失幾個(gè)工作之間的聯(lián)繫，通過(guò)菜單可以執(zhí)行控制型和對(duì)話型任務(wù)。由於引入了圖示、按鈕和滾動(dòng)條技術(shù)，大大減少鍵盤輸入，提高了交互效率?；痘蠛蛨D形用戶介面的交互技術(shù)極大地推動(dòng)了電腦技術(shù)的普及。

*4.3.1圖形用戶介面的主要思想圖形用戶介面的三個(gè)重要思想1．桌面隱喻(desktopmetaphor)2．所見(jiàn)即所得（WhatYouSeeIsWhatYouGet，WYSIWYG）

3．直接操縱(directmanipulation)*1.桌面隱喻(desktopmetaphor)

桌面隱喻是指在用戶介面中用人們熟悉的桌面上的圖例清楚地表示電腦可以處理的能力。圖形具有一定的文化和語(yǔ)言獨(dú)立性，可以提高搜索目標(biāo)的效率。圖形用戶介面中的圖例可以代表對(duì)象、動(dòng)作、屬性或其他概念。

隱喻的表現(xiàn)方法:靜態(tài)圖示動(dòng)畫視頻

*隱喻的分類：直接隱喻：隱喻本身就帶有操縱的對(duì)象如Word繪圖工具中的圖示，每種圖示分別代表不同的圖形繪製操作。工具隱喻：代表所使用的工具如用磁片圖示隱喻存盤操作、用印表機(jī)圖示隱喻列印操作等，這種隱喻設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、形象直觀，應(yīng)用也最為普遍。過(guò)程隱喻：其通過(guò)描述操作的過(guò)程來(lái)暗示該操作如Word中的撤銷和恢復(fù)圖示。*晦澀的隱喻不僅不能增加可用性，反而會(huì)弄巧成拙。隱喻的主要缺點(diǎn)：需要佔(zhàn)用螢?zāi)豢臻g難以表達(dá)和支持比較抽象的資訊。

*2.所見(jiàn)即所得（WYSIWYG）在WYSIWYG交互介面中顯示的用戶交互行為與應(yīng)用程式最終產(chǎn)生的結(jié)果是一致的。

非WYSIWYG的編輯器，用戶只能看到文本的控制代碼，對(duì)於最後的輸出結(jié)果缺乏直觀的認(rèn)識(shí)。

WYSIWYG的一些弊端：如果螢?zāi)坏目臻g或顏色的配置方案與硬體設(shè)備所提供的配置不一樣，在兩者之間就很難產(chǎn)生正確的匹配。文本處理器都提供了定義章、節(jié)、小節(jié)等的標(biāo)記，這些標(biāo)記顯式地標(biāo)明瞭對(duì)象的屬性，但並不是用戶最終輸出結(jié)果的一部分。

*3.直接操縱(directanipulation)

直接操縱是指可以把操作的對(duì)象、屬性、關(guān)係顯式地表示出來(lái)，用光筆、滑鼠、觸摸屏或數(shù)據(jù)手套等指點(diǎn)設(shè)備直接從螢?zāi)簧汐@取形象化命令與數(shù)據(jù)的過(guò)程。直接操縱的對(duì)象是命令、數(shù)據(jù)或是對(duì)數(shù)據(jù)的某種操作。

*直接操縱的特性

1.

直接操縱的對(duì)象是動(dòng)作或數(shù)據(jù)的形象隱喻形象隱喻應(yīng)該與其實(shí)際內(nèi)容相近，使用戶能通過(guò)螢?zāi)簧系碾[喻直接想像或感知其內(nèi)容。2.

用指點(diǎn)和選擇代替鍵盤輸入用指點(diǎn)和選擇代替鍵盤輸入有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是操作簡(jiǎn)便，速度快捷。3.

操作結(jié)果立即可見(jiàn)操作結(jié)果立即可見(jiàn)，用戶可以及時(shí)