计算机科学导论第11章 人机交互

第11章人机交互2计算机科学导论学习目标了解人机交互技术基础、人机交互模型、人机系统交互界面的构架、数据交互、语音交互、图像交互、行为交互、多媒体系统的人机交互、多媒体计算机的基本特征。掌握人机界面的设计原则和步骤。第11章人机交互3计算机科学导论11.1人机交互11.1.1人机交互技术基础人机交互技术(HumanComputerInteractionTechniques)是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。它包括机器通过输出或显示设备给人们提供大量有关信息及提示、请示等，人们通过输入设备给机器输入有关信息及提示、请示等，人们通过输入设备给机器输入有关信息、回答问题等。4计算机科学导论11.1.1人机交互技术基础人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一。人机交互技术涉及计算机科学与技术、电子科学、人工智能、信息论、控制论、数学、物理学、人机工程学、工业设计、语言学、心理学、伦理学、认知学、社会学、人类学、生物学等学科，是计算机、网络通信、人工智能、分布计算、虚拟现实等信息技术发展到今天必然产生的交叉学科，其应用领域十分广泛，发展前景非常广阔。5计算机科学导论11.1.1人机交互技术基础人机交互技术的发展经历了4个阶段第一阶段(1959-1969年)1959年美国学者B.Shackel从人在操纵计算机时如何才能减轻疲劳出发，撰写了被认为是人机界面的第一篇文献的关于计算机控制台设计的人机工程学的论文。1960年，LikliderJCK首次提出“人机紧密共栖(Human-ComputerCloseSymbiosis)”概念，被视为人机界面学的启蒙观点。1969年在英国剑桥大学召开了第一次人机系统国际大会，同年第一份专业杂志《国际人机研究(IJMMS)》创刊。6计算机科学导论第二阶段(1970-1979年)从1970~1973年出版了4本与计算机相关的人机工程学专著，为人机交互界面的发展指明了方向。在1970年成立了两个HCI研究中心，一个是英国的Loughbocough大学的HUSAT研究中心，另一个是美国Xerox公司的PaloAlto研究中心。11.1.1人机交互技术基础7计算机科学导论第三阶段(1980-1995年)20世纪80年代初期，相继出版了6本专著，对最新的人机交互研究成果进行了总结。人机交互学科逐渐形成了自己的理论体系和实践范畴的架构。理论体系方面，从人机工程学独立出来，更加强调认知心理学以及行为学和社会学的某些人文科学的理论指导；实践范畴方面，从人机界面(人机接口)拓延开来，强调计算机对于人的反馈交互作用。“人机界面”一词被“人机交互”所取代。HCI中的“I”，也由“Interface(界面/接口)”变成了“Interaction(交互)”。11.1.1人机交互技术基础8计算机科学导论第四阶段(1996—至今)20世纪90年代后期以来，随着高速处理芯片、多媒体技术和Web技术的迅速发展和应用，人机交互的研究重点放在了智能化交互、多模态、多通道、多媒体交互、虚拟交互以及人机协同交互等方面，也就是放在“以人为中心”的人机交互技术方面。11.1.1人机交互技术基础9计算机科学导论11.1.2人机交互模型在人机交互领域的模型研究方面，较早提出的一个有影响的模型是Norman的执行—评估循环模型，在这个模型中，Norman将人机交互过程分为执行和评估两个阶段。这个交互模型的建立，指出了交互过程中的某些特点，有助于在概念上理解交互过程。但由于它完全以用户为中心，对于计算机系统而言只考虑到系统的界面部分，因此是一个不完整的模型。10计算机科学导论11.1.2人机交互模型11计算机科学导论人机交互框架模型Abowd和Beale改进了Norman模型并进行了扩充，提出了交互框架模型。这个模型为了同时反映交互系统中用户和系统的特征，将交互分为系统、用户、输入和输出。交互过程表现为信息在4个部分间的流动和对信息描述方式的转换上。11.1.2人机交互模型12计算机科学导论11.1.2人机交互模型13计算机科学导论2．用户概念模型用户概念模型用于提供用户的基本信息，描述用户的信息可以根据设计用途分为3类。用户的个人信息用户的个人信息包括用户的姓名、电话、邮件地址等。由于Post-WIMP界面在移动设备或所有环境中的大量应用，使得系统在完成用户任务的过程中，需要通过用户基本信息或当时环境条件来主动获取上下文信息。用户模型对用户基本信息的描述，提供了提取上下文环境信息的数据。11.1.2人机交互模型14计算机科学导论应用人群信息该信息描述了面向特定领域的用户信息，如用户在完成任务时所处的环境、用户在任务过程中的地位等。这类信息提供用户完成任务流程、操作、环境时的相关信息给开发人员，使开发人员能够根据用户工作的实际情况选择界面的设计方案，并使最后的设计结果真正满足用户的可用性需求。用户与系统的连接信息由于Post-WIMP界面交互的多维性特征，很多系统中的交互源并不一定是使用者自身，也有可能是其他软件系统或智能代理。此类描述信息被用于开发人员了解该类用户与本系统之间的关联协议、数据输入/输出方法等，以便进行系统功能设计。11.1.2人机交互模型15计算机科学导论11.1.3人机系统交互界面的构架命令语言交互界面真正意义上的人机交互开始于联机终端的出现，此时计算机用户与计算机之间可借助一种双方都能理解的语言进行交互式对话。根据语言的特点可分为以下几种。形式语言。形式语言是一种人工语言，其特点是简洁、严密、高效，如应用于数学、化学、音乐、舞蹈等各领域的特殊语言。计算机语言则不仅是操纵计算机的语言，而且是处理语言的语言。自然语言。其特点是具有多义性，且微妙、丰富。类自然语言。类自然语言是计算机语言的一种特例。16计算机科学导论2．图形用户交互界面图形用户界面(GraphicsUserInterface，GUI)是当前用户界面的主流，广泛应用于各种台式微机和图形工作站。比较成熟的商品化系统有Apple的Macintosh、IBM的PM(PresentationManager)、Microsoft的Windows和运行于UNIX环境下的X-Window、OpenLook和OSF/Motif等。11.1.2人机交互模型17计算机科学导论3．多媒体人机交互界面多媒体技术被认为是在智能用户界面和自然交互技术取得突破之前的一种过渡技术。在多媒体用户界面出现之前，用户界面已经经过了从文本向图形的过渡，此时用户界面中只有两种媒体——文本和图形(图像)，它们都是静态的媒体。多媒体技术引入了动画、音频、视频等动态媒体，特别是引入了音频媒体，从而大大丰富了计算机表现信息的形式。11.1.2人机交互模型18计算机科学导论4．多通道人机交互界面多通道用户界面的研究正是为了消除当前WIMP/GUI、多媒体用户界面通信带宽不平衡的瓶颈，综合采用视线、语音、手势等新的交互通道、设备和交互技术，使用户利用多个通道以自然、并行、协作的方式进行人机对话。11.1.2人机交互模型19计算机科学导论5．虚拟现实人机交互界面多通道和多媒体技术的许多应用成果可直接被应用于虚拟现实技术，而虚拟现实技术正是一种以集成为主的技术，其人机界面可以分解为多媒体多通道界面。11.1.2人机交互模型20计算机科学导论11.1.4人机界面的设计设计界面体现了人与物交流信息的本质，也是设计艺术的内涵，它包括了设计的各个方面，明确了设计的目标与程序。人机界面的分类按照设计界面把人机界面分为3类：功能性界面情感性界面环境性界面。21计算机科学导论人机界面的设计原则用户针对性原则减少用户的工作应用程序与人机界面相分离人机界面一致性系统反馈及时性使用图形尽量减少用户记忆及时的出错处理及帮助功能。11.1.4人机界面的设计22计算机科学导论人机界面的设计步骤用户界面设计并不复杂，掌握了用户界面设计的基本步骤，可以提高用户界面的设计质量和效率(1)绘制窗体和消息框流程图(2)制作用户界面原型(3)从用户那里获取反馈信息(4)迭代修改用户界面11.1.4人机界面的设计23计算机科学导论4．人机界面的设计过程创建系统功能的外部模型，设计模型主要是考虑软件的数据结构、总体结构和过程性描述,只有了解用户、了解任务才能设计出好的人机界面。确定为完成此系统功能人和计算机应分别完成的任务。任务分析有两种途径：一种是从实际出发，通过对原有处于手工或半手工状态下的应用系统的剖析，将其映射为在人机界面上执行的一组类似的任务；另一种是通过研究系统的需求规格说明，导出一组与用户模型和系统假想相协调的用户任务。逐步求精和面向对象分析等技术同样适用于任务分析。11.1.4人机界面的设计24计算机科学导论考虑界面设计中的典型问题。设计任何一个人机界面，一般必须考虑系统响应时间、用户求助机制、错误信息处理和命令方式4个方面。借助CASE工具构造界面原型，并真正实现设计模型。软件模型一旦确定即可构造一个软件原型，此时仅有用户界面部分，此原形交用户评审，根据反馈意见修改后再交给用户评审，直至与用户模型和系统假想一致为止。11.1.4人机界面的设计25计算机科学导论充分考虑人文因素。用户是人，计算机系统作为人完成任务的工具，应该使计算机和人组成的人机系统很好地匹配工作。11.1.4人机界面的设计26计算机科学导论5．网络界面设计信息时代中，网络界面设计已成为界面设计的一个重要方面，网络界面作为人机界面设计的一种，是界面设计的外延，由于计算机技术的迅速发展，网络界面设计可以运用计算机图像、声音等多方面技术作为运用手段，进行虚拟与现实的转化，提供图像、声音等多方位的信息。因此，网络界面设计是信息时代设计的重要方面，如何运用现代艺术设计的理念对网络界面进行设计，是从事艺术设计人员所要面临的问题。人性化的设计是网络界面设计的核心，如何根据人的心理、生理特点，运用技术手段，创造简单、友好的界面，是网络界面设计的重点。11.1.4人机界面的设计27计算机科学导论11.1.5数据交互数据交互是人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式，它是人机交互的重要内容和形式。其一般的交互过程是首先由系统向操作者发出提示，提示用户输入及如何输入；接着用户通过输入设备把数据输入计算机；然后，系统响应用户输入，给出反馈信息，并显示在屏幕上(或者以其他方式显示)；同时系统对用户输入进行检查，如有错误就向用户指出，让用户重新输入。不同的数据输入形式决定了数据交互的不同方式。28计算机科学导论数据交互的方式问答式对话数据输入交互。简单易用，但单调，输入速度慢。菜单选择数据输入交互。操作界面的菜单输入方式以及图形交互选项。填表数据输入交互。输入界面是一个待填充的表格，用户可以按照提示填入合适的数据。直接操纵数据输入交互。可通过光标移动进行查找或选择，输入方便，但常有预设范围的限制。11.1.5数据交互29计算机科学导论关键词数据输入交互。在软件的应用过程中，熟练的操作用户，经常用快捷键来辅助操作。条形码数据输入。条形码经条形码读入器识别并读入，并把条形码序列翻译成数据序列。如图书馆中书籍的编号、超市中商品的信息都可以借助条形码实现。光学字符识别。光学字符识别(OpticalCharacterRecognition，OCR)系统可以让计算机通过模式比较来识别一些具有不同字体和大小的印刷体。声音数据输入交互。速度快，不用手和眼。图像数据输入。通过对图像进行特征提取和分析，自动识别限定的标志、字符和编码结构等。11.1.5数据交互30计算机科学导论2．数据交互设备数据输入设备有键盘、鼠标、跟踪球、操纵杆、触摸屏、手写板、光笔、数字化输入板、手势板和三维输入设备等；数据输出设备有显示器和打印机等。11.1.5数据交互31计算机科学导论11.1.6语音交互语言一直被公认为是最自然的、流畅的、方便快捷的信息交