人机界面设计研究_

第二章文献综述2.1人机界面概述2.1.1人机界面定义人机界面存在于人—物信息交流的过程，甚至可以说，人物信息交流的一切领域都属于人机界面，它的内涵是极其广泛的。

它反映着人—物之间的关系。

人机界面（Human-Machine Interface），是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。

好的人机界面操作简单、美观易懂，且具有引导功能，使用户感觉愉悦、兴趣浓厚，从而提高使用效率。

自20世纪90年代，人机交互界面作为一个独立、重要的研究领域，日益受到各界人士的广泛关注。

2.1.1.1广义人机界面广义的人机界面是指，人与机器之间存在一个相互作用的“面”，称为人—机界面，人与机器之间的信息交流和控制活动都发生在这个界面上。

机器通过各种显示作用于人，实现与人的信息传递；人通过眼、耳等感觉器官接收来自机器的信息，经过人脑的加工处理，做出反应，从而实现人—机的信息交互。

我们可以把人机界面看作是一个交互系统，在分析人机界面系统模型时，建立并分析人的行为模型，从而建立并分析人机界面系统。

所以，人机界面的设计直接关系到人机关系的合理性。

人机界面的研究主要是：显示与控制。

（如图2.1所示）图2.1 人机系统模型2.1.1.2狭义人机界面狭义的人机界面是指计算机系统内的人机界面（Human-Computer Interface，HCI），又指人机接口、用户界面（User Interface）。

它是计算机科学的一个分支。

人机界面是人与计算机之间信息传递的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。

它是计算机科学与认知心理学两大科学相结合的产物，涉及到计算机技术，如人工智能、自然语言处理、多媒体系统等，同时也吸收了语言学、人机工程学、图形艺术、社会学的研究成果。

近年来，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，人机界面设计和开发已经成为国际计算机界最活跃的研究领域。

计算机系统是由计算机的硬件、软件和人构成的系统，人与硬件和软件结合 构成了人机界面。

人机界面设计师的主要作用是协调计算机硬界面与软界面之间的关系。

（如图2.2所示）图2.2计算机系统中的界面设计问题2.1.2人机界面的起源与发展2.1.2.1人机界面的起源回顾人类的发展史，不难看出，自从人类为改造自身的生存环境而进行劳动 起，“自由”的交流关系就存在了。

人与人之间的交流；人与工具之间的交流 无处不在。

随着技术的不断进步，这种关系也得到了进一步的发展，产生了不 同空间、不同时间的人与人、人与机的不同交流。

这种交流形式导致了“界面”这种非物质化客体的产生。

人机界面学是由面向人的学科和面向计算机的学科组成的综合性学科。

其中 面向人的知识和方法主要来源于人机工程学、心理学、哲学、生物学、医学等。

随着机械化、自动化和电子化的高度发展，人的影响越来越大，人机协调问题 也越来越被重视。

经验和教训提醒人们更加重视机器的设计，使机器的操作能 更加适应大多数普通人的操作能力。

这种机器适应人的策略，引起了特定领域 内的工程师和生物科学家的广泛合作。

人机界面学中面向计算机系统的知识和 方法主要来源于物理、电学、电子工程、控制工程、系统工程、信息论和数理 逻辑等。

计算机技术的发展，为人机界面设计奠定了基础，并拓展了研究领域。

2.1.2.2人机界面学的发展人机界面的发展主要包括硬件人机界面的发展和软件人机界面的发展。

随着电子技术和计算机技术的发展，二者逐步走一体化，成为人机界面系统的一部分。

a.硬件人机界面学的发展硬件人机界面学的发展阶段是以人类社会的三次工业革命来划分，即工业革 命、电子技术的出现以及信息革命。

工业革命以前，人类造物以手工业为主。

18世纪末，在英国兴起的工业革命 使得机器生产逐步代替了手工生产，从而改变了人类的生产、设计方式。

20世纪40年代末，电子技术的出现，使得电子装置的小型化成为可能，机器化大生产逐步走向小型化、电子化。

这为二次大战后，在自动化生产和信息处理中起着关键作用的计算机的广泛使用开辟了道路。

二战后的设计更多地结合了工程技术、心理学、人机工程学、美学、社会学等学科。

计算机技术和网络技术的迅猛发展带来了信息化浪潮。

信息化对我们的生活方式产生了巨大的影响。

我们生产、生活的实践经验，已经脱离了物质化层面，进入了虚拟的网络空间。

这时的设计，逐步从物质化设计，转向信息化设计。

虚拟设计、网络化设计逐步成为设计的主流。

人与机器的交互多通道化、虚拟化，人与人之间的交互网络化、虚拟化。

b.软件人机界面学的发展计算机技术的迅速发展，导致了计算机的应用领域迅速膨胀，从而促进了软 件人机界面的发展。

时至今日，计算机和信息技术已经深入到现代社会的各个角 落。

相应地，计算机用户已经从少数计算机专家发展成为一支由各行各业的专业 人员组成的庞大的用户群体。

作为专门研究计算机用户的一门学科，人机界面学 随之迅速地发展起来。

软件人机界面经历了命令行界面、图形用户界面、多通道 人机界面三个阶段。

2.2人机界面学的相关理论2.2.1认知心理学的研究美国Emory University 的心理学教授奈色（Ulric Neisser）于1967年出版了《认知心理学》，引起了心理学界的广泛注意。

他把认知心理学定义为：研 究人怎样学习、构成、存储和使用知识。

接着，1972年内威（Allen Newell）和 西蒙（Herbert Imon）提出了详细的思维和解决问题的模型S，形成了认知科学。

1979年8月在圣迭哥德加州大学举行了第一届认知科学的学会会议。

会上将认知 科学定义为：用计算机等手段对人思维和行动的客观研究。

它来源于心理学、语 言学、神经学、人类学、人工智能和哲学，从而形成了一门新的学科。

它的方法 是采用计算机模拟法研究人的思维和行动。

广义的认知心理学包括结构主义心理学和心理主义学派、信息加工心理学。

狭义的是指信息加工心理学。

它们的共同特点是强调研究意识、研究认识的高级 过程。

其中结构认知心理学派认为支配智慧行为的心理结构可以用高度抽象的、形式化的逻辑语言进行描述。

心理主义学派强调的是图式和材料的重新建造在记 忆中的作用。

而信息加工心理学将人看作是一个信息加工的系统，认为认知就是 信息加工，包括感觉输入的变换、简约、加工、储存和使用的过程。

人对知识的 获得也是人对信息输入、转换、存储、提高的过程。

人的认识的各种具体形式是 整个信息加工的不同阶段。

人类的信息加工模型。

（如图2.3）图2.3 信息加工模型从图上我们看到信息经过感觉系统被短暂的保存在原始的感觉形式中。

它经过控制系统进入短时记忆和长时记忆即信息存储。

保存在长时记忆中的信息被提取到短时记忆中，并且通过问题决策、解决等过程，实现当前的工作任务。

认知心理学最新的应用领域是人机界面设计和信息设计。

了解并遵循认知心理学的原理是进行人机界面设计的基础，人机界面设计主要是依据理论指导设计。

一方面防止出错，另一方面可以提高工作效率。

为了使设计满足用户的要求、适应于人的自然特性，设计师必须既要了解人的感觉器官（视觉、听觉、触觉）是如何接收信息的，也要了解人是怎样理解、处理信息的，以及学习记忆有哪些过程，人又是如何推理的等等。

2.2.1.1感觉信号的检测感觉信号的检测是信息加工的第一步。

我们的视、听、嗅、味、触觉等，可被视为连锁事件的第一环节，这包括信息的编码、储存、转换和思维，最后，对信息做出反应；反之，这种反应又提供新的感觉线索，可引起新的循环。

图2.4信息加工的阶段如图2.4，我们可以知道在人类所能检测到范围的物理能刺激着感觉系统、可被转换成神经能、短暂地留在感觉库中，并可能被传送到记忆系统中进行加工，其结果引起反应，此反应又可以成为进一步加工的刺激场的一部分。

2.2.1.2视觉视觉是人与周围世界发生联系的最重要的感觉通道。

外界80%的信息都是通 过视觉获得的，视觉显示器也是人机系统中用的最多的人机界面。

a.视觉生理系统眼睛作为人类认识活动中最有效的感官，它在信息传达和接收中起着举足轻 重的作用。

人类视觉系统的生理构造、特性和相关参数对我们的研究提供了科学依据。

人的眼睛是一个大约23mm的球状体，光线经角膜、瞳孔进入眼内，通过睫状肌的调节作用，远近不同的对象都能在视网膜上聚焦形成清楚的视像。

视觉过程是：来自物体的光线，经过瞳孔投射在视网膜上，光能由感受器（感光细胞）转化为神经冲动的生物电能，神经冲动沿视神经传到脑，在第一个神经元的突触处，产生了大量的神经冲动，传到眼睛各控制中枢，以控制瞳孔大小、水晶体曲率和眼球运动，眼睛与脑之间的反馈系统控制眼睛注视目标，以保证获得足够的信息资料。

与此同时，神经冲动继续向脑的高级部位运行，达到大脑皮层，产生人们个体所体验的外部世界的“视觉形象”。

大脑皮层还产生新的神经冲动引起相应的思维、情感等，并发生运动神经指令，因而个体做出反应。

b.视觉过程视觉过程包括：“看”和“看见”。

按照实际常使用的视觉过程，口语中所谓的“看见”，一般包含以下6个心理过程（例如在人群中寻找某人）： 视觉寻找（visual search）：在视场内各处巡视。

看哪里存在人或人群。

视觉能忽略无关的其他各种视觉信息，只寻找人群。

发现（detection）：从观察到的各种对象中发现人或人群，而忽略其他信息。

当视觉探测到的各种刺激信号与预测的基本一直时，视觉就会固定跟随此视觉信号。

分辨（discrimination）：在若干相似的人或人群中分辨要找的对象。

当发现几个相似的刺激信号时，需进一步探测区分各个信号的细节。

识别（recognition）：根据视觉特征信息或细节信息的区别，识别目标信号的含义。

确认（identification）：确认捕获的对象就是要寻找的人，这样与记忆中存储的信息进行比较。

记忆搜索（memory search）：上述各个过程中，都要把视觉获得的信息与记忆中的信息进行比较，为此要先搜索记忆。

c.视觉模式识别外界刺激作用于感觉器官，人们辨认出对象的形状和色彩时，就完成了对视 觉模式的识别。

目前对视觉模式识别的整个过程，主要有以下几个理论。

1.格式塔（Gestalt）心理学格式塔心理学的模式识别是基于对刺激的整个模式的知觉，其中主要是：（如图2.5）① 接近性原则：某些距离较短或互相接近的部分，容易组成整体。

在图（a）中，圆点被看成四个纵行，因为圆点的排列在垂直方向上比水平方向上明显接近。

②相似性原则：人们容易将相似的物体看作一个整体。

如图（b）③连续性原则：从图c中可以看到两条线，一条从a到b，另一条从c到d 。

这是因为从a到b的线条比从a到d的线条具有更好的连续性。

④完整和闭合性原则：彼此相属的部分，容易组合成整体；反之，彼此不 相属的部分，容易被分割开来。