课件1-人机界面与人机交互

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人机界面
信息接受 输入 输出 显示器
环境
人的决策
人 输出
机 输入
机器本体
环境
控制
控制器
人机界面
图1.1 人机系统模型
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二、人机交互与其他学科的关系
人机交互与认知心理学、人机工程学、多媒体技术和虚拟
现实与增强现实技术密切相关。其中，认知心理学与人机 工程学是人机交互技术的理论基础，而多媒体技术和虚拟 现实与增强现实技术与人机交互技术相互交叉和渗透
3-自然和谐的人机交互阶段：
随着虚拟现实、移动计算、普适计算等 技术的飞速发展，自然和谐的人机交互 方式得到了一定的发展。
基于语音、手写体、姿势、视线跟踪、
表情等输入手段的多通道交互 自然方式进行交互操作
目的是使人能以声音、动作、表情等
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人机界面发展中最有影响的事件和成果
重大课题。例如，美国二十一世纪信息技术 计划中的基础研究内容定为四项，即软件、 人机界面、网络、高性能计算。
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人机交互技术是21世纪信息领域需要解决的
人机交互概念有广义和狭义的区别
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广义人机交互
广义上讲，人机交互以实现自然、高效、和谐的
人机关系为目的，与之相关的理论和技术都在其 研究范畴，是计算机科学，心理学，认知科学以 及社会学等学科的交叉学科
沉浸感（immersion） 交互性（interaction） 构想性（imagination）
自然和谐的交互方式是虚拟现实技术的一个重要
研究内容，其目的是使人能以声音、动作、表情 等自然方式与虚拟世界中的对象进行交互（三维 交互）
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虚拟现实技 术
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多媒体技术是指将文本、声音、图形、图
像、视频等集成在一起的技术
动画、音频、视频等动态媒体，大大丰富了计 算机表现信息的形式，拓宽了计算机输出的带 宽，提高了用户接受信息的效率 多媒体带来的信息冗余性可消除人机通信过程 中的歧义性及噪声 目前多媒体技术的研究基本上限于信息的存储 和传输方面，媒体理解和推理研究较少
多媒体技术 人机交互技术 虚拟与增强 现实技术
认知心理学
人机工程学
人机交互与其他相关学科的关系
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认知心理学（Cognitive Psychology）
研究人们如何获得外部世界信息，信息在人
脑内如何表示并转化为知识，知识怎样存储 又如何用来指导人们的注意和行为
涉及心理活动的全部过程——从感觉到知觉、识 别、注意、学习、记忆、概念的形成、思维、表 象、回忆、语言、情绪和发展过程 信息加工心理学是现代认知心理学的主流 用计算机信息处理过程来类比人的认知过程 了解认知心理学原理可以指导人们进行人机交互 界面设计 可用性、用户心理、用户行为
计算机语言经历了由最初的机器语言，
而后是汇编语言，直至高级语言的发 展过程。这个过程也可以看作早期的 人机交互的一个发展过程
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2-图形用户界面交互阶段：
图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）
的出现，使人机交互方式发生了巨大变化。
桌面隐喻、WIMP技术、直接操纵和所见即所得。
1、1945年美国罗斯福总统的科学顾问 Vannever Bush(1894-1974)在《大西洋月 刊》上发表的“As We May Think”的著名 论文，提出了应采用设备或技术帮助科学 家来检索、记录、分析及传输各种信息的 明确目标和名为“Memex”的一种工作站构 想，这一目标和构想影响着过去和当今的 一大批最著名计算机科学家
人机交互和人机界面是两个不同的概念
人机交互是指用户与计算机系统之间的通信，它是人 与计算机之间各种符号和动作的双向信息交换
人机界面是指人类用户与计算机系统之间的通信媒体 或手段，它是人机双向信息交换的支持软件和硬件 这里“界面”定义为通信的媒体或手段， 人机交互是通过一定的人机界面来实现的，在界面开 发过程中，有时把它们作为同义词使用
研究开发新的人机交互设备、技术和理论，以实
现无处不在计算（ubiquitous computing）环境 下的以用户为中心的交互式计算机系统，使其能 够增强人的创造力，解放人类的大脑、改善人与 人之间的交流与协作
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狭义人机交互
人机交互从技术上讲（狭义的） ，主要是研究人
与计算机之间的信息交换，它主要包括人到计算 机和计算机到人的信息交换两部分
三维交互设备： 如立体眼镜、WorkBench、头盔式显示器、CAVE、
柱形或球形立体显示器、立体音频输出设备； 位置跟踪器、眼动跟踪器、三维扫描设备、三维鼠 标、三维跟踪球、三维游戏杆、数据手套； 触觉和力反馈装置、可穿戴计算机等
复杂场景的建模、实时高度真实感绘制等技术， 也是虚拟现实非常重要的研究内容。 虚拟现实为人机交互的研究提供了很好的契机 和媒介
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三、人机交互的发展历史
人机交互一直伴随着计算机的发展而发展。
人机交互的发展过程，也是人适应计算机 到计算机不断地适应人的发展过程。它经 历了几个阶段： 1.语言命令交互阶段 2.图形用户界面（GUI）交互阶段 3.自然和谐的人机交互阶段（现状）
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1-语言命令交互阶段：
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增强现实技术 （Augmented Reality, AR）
增强现实技术融合了虚拟环
境与真实环境，其在交互性 与可视化方法方面开辟了一 个崭新的领域；而虚拟现实 使用虚拟环境取代了真实环 境 增强现实是把虚拟的信息叠 加在真实场景中，在人的周 围环境中再现出来，虚实结 合，能够达到以假乱真的地 步，完全给人逼真的感觉 。 在增强现实环境中交互是实 时的。
人们如何借助键盘、鼠标、操纵杆、眼动跟踪器、位 置跟踪器、数据手套、压力笔等设备，用手、脚、声 音、姿势或身体的动作、眼睛甚至脑电波等向计算机 传递信息 计算机如何通过打印机、绘图仪、显示器、头盔式显 示器（HMD）、音箱、力反馈等输出设备给人提供信 息
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人机交互与人机界面
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四、人机交互的研究内容
人机交互的研究内容十分广泛，涵盖了建
模、设计、评估等理论和方法以及在计算 机支持的协同工作、信息搜索与可视化、 超媒体与万维网、普适计算与增强现实等 方面的交互设计技术，主要包括：
人机交互界面表示模型与设计方法 一个交互界面的好坏，直接影响到软件开发的成败。
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4、20世纪70年代当时在Xerox研究中心的 Alan Kay 发明了重叠式多窗口系统，并提出了Smalltalk面 向对象程序设计等思想。 5、1989年 Tim Berners-Lee在日内瓦的CERN用 HTML及HTTP开发了WWW网，随后出现了各种浏览器 （网络用户界面），使因特网飞速发展起来。 6、20世纪90年代美国麻省理工学院 N.Negroponte （他早在30年前就提出了“交谈式计算机”概念） 领导的媒体实验室在新一代多通道人机界面方面 （包括语音、手势、智能体等），做了大量开创 性的工作。
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多通道人机交互研究的兴起，将进一步提高计 算机的信息识别、理解能力，提高人机交互的 效率和用户友好性，将人机交互技术和用户界 面设计引向更高境界
多通道系统力求对语义的理解，侧重于信息
的理解和解释； 多媒体系统则侧重于信息的表现
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视觉 味觉 嗅觉 触觉 听觉
理论
了解人机交互的一些新技术，如语音、手写识别、眼动 跟踪等技术 掌握人机交互的界面模型，如用户模型、任务模型、表 现模型等 学习计算机支持的协同工作、信息搜索与可视化、超媒 体与万维网、普适计算与增强现实等内容
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教材及参考书

Human-Computer Interaction (3rd Edition)
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人机工程学（Ergonomics）
人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有
关知识，研究人、机器、环境相互间的合理关 系，以保证人们安全、健康、舒适地工作，从 而提高整个系统工效的交叉学科
早期人机工程学是最活跃、最主要的分支 硬件人机工程学 对人体能力、人体限制及其他与设计相关的人体特性信息
的应用，以满足设计、分析、测试与评价、标准化，以及 系统控制的要求
软件人机工程学（Software Ergonomics） 研究软件和软件界面，侧重于运用和扩充软件工程的理论
和原理，对软件人机界面进行分析、描述、设计和评估
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人机工程学示例
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多媒体技术
Alan Dix 等，Prentice Hall，2004。
用户界面设计----有效的人机交互策略（第三版）
张国印、李健利等译，电子工业出版社，2004年


人机界面设计
周苏等编著
人机交互技术----原理与应用
孟祥旭、 李学庆编著，清华大学出版社，2004
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第1章 人机界面与人机交互
“计算机支持的协同工作已成为一个多学科交叉 的新兴的研究领域 CSCW是要研究在计算机技术支持的环境下， 特别是在计算机网络环境下，一个群体如何协 同工作完成一项共同的任务。它的目标是要设 计出能支持各种各样的协同工作的工具、环境 与应用系统
智能用户界面的最终目标是使人机交互和人－人交互 一样自然、方便。上下文感知、眼动跟踪、手势识别、 三维输入、语音识别、表情识别、手写识别、自然语 言理解等都是认知与智能用户界面需要解决的重要问 题。
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计算机支持的协同工作（Computer
Supported Cooperative Work--CSCW）
与命令行界面相比，图形用户界面的人机交互自然
性和效率都有较大的提高。图形用户界面很大程度 上依赖于菜单选择和交互小组件（Widget）。 另外，图形用户界面需要占用较多的屏幕空间，并 且难以表达和支持非空间性的抽象信息的交互。
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图形用户界面使得初学者易于使用，但效率并不高
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友好人机交互界面的开发离不开好的交互模型与设 计方法
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多通道交互技术
在多通道交互中，用户可以使用语音、手势、眼神、 表情等自然的交互方式与计算机系统进行通信。多通 道交互主要研究多通道交互界面的表示模型、多通道 交互界面的评估方法以及多通道信息的融合等。
智能用户界面
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人机界面设计
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课程目标
基础
了解人机交互的含义，人机交互的研究内容及发展趋势 了解并掌握认知心理学、人机工程学在人机界面设计的 作用，并在此基础上能够进行人机交互界面评价 了解普遍流行的各种交互设备，包括文本输入设备、图 像输入设备、指点输入设备和显示设备等
65% 20% 3% 2%
多 样 性
10%
集 成 性
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虚拟现实技术（Virtual Reality, VR）
虚拟现实就是借助于计算机技术及硬件设备，建
立高度真实感的虚拟环境，使人们通过视觉、听 觉、触觉、味觉、嗅觉等感官在其中看、听、触、 闻起来像真实的，以产生身临其境的感觉的一种 技术。
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本章内容
本章主要介绍以下内容：
人机交互的概念 人机交互与其他学科的关系 人机交互技术的发展历史 人机交互的研究内容 人机交互技术的发展趋势
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一、人机交互概念
人机交互（Human-Computer Interaction, HCI）
是关于设计、评价和实现供人们使用的交互 式计算机系统且围绕这些方面进行研究的科 学。
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2、1963年发明鼠标器的美国斯坦福研究所的 D.Engleberg，他预言鼠标器比其他输入设备都 好，并在超文本系统、导航工具方面会有杰出的 成果。10年后鼠标器经Xerox研究中心改进后，成 为影响当代计算机使用的最重要成果 3、1963年美国麻省理工学院I.Sutherland开创了计 算机图形学的新领域，随后美国布朗大学A.Van Dam等人组织了SIGGRAPH。I.Sutherland还在1968 年开发了头盔式显示器。