第6章 人机界面设计

触觉和力反馈装置：触觉和力反馈装置已经有大批不同 价位的产品出现在市场，成为军事、医学、游戏等应用领 域的新型交互设备。
虚拟现实和三维交互设备

三维显示界面：多伦多大学和Alias Wavefront公司合作研 究的新三维显示界面，采用了新型的“真”三维 Volumetric显示器。它不需要戴立体眼镜或戴上装有显示 器的头盔，而是直接用肉眼看到真三维效果。
唇读、人脸表情识别


唇读、人脸表情识别是又一个人机交互技术的热点。 唇读将人们说话的语音和嘴唇变化的形态结合起来， 以便更准确地获取人们表达的意图、感情和愿望等。 人脸表情识别的模型和方法也在不断改进。
自然语言理解

自然语言理解始终是自然人机交互的最 重要目标，虽然目前在语言模型、语料 库、受限领域应用等方面均有进展外， 由于它的难度（自然语言的不规范性 等），自然语言理解仍是计算机科学家 和语言学家的一个长项研究目标。
6.1人机界面设计的历史、现状和未来

6.1.1人机界面设计的历史 世界上第一台数字计算机ENIAC在1946 年由美国宾夕法尼亚大学摩尔学院诞生 当时人机界面的主要特点是由设计者本 人（或同事）来使用计算机，他们采用 手工操作的方法控制计算机。
6.1人机界面设计的历史、现状和未来


50年代中期，通用程序设计语言的出现，为计算机的 广泛应用提供了极为重要的工具，也改善了人与计算 机的交互。在人机界面上出现了用于多任务批处理的 作业控制语言。 1963年MIT成功开发了第一个分时系统CTSS，采用了 多个终端和编辑程序。在出现交互显示终端后，广泛 采用了“命令行”作业语言。
2.虚拟现实技术


虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意 义上存在于世界上的任何事物或环境，是实际上可实 现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。 而“虚拟”是指用计算机生成的意思。 因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境， 人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个 环境中，并在其中操作、控制环境，实现特殊的目的， 即人是这种环境的主宰。
图书馆的计算机借阅系统

由于图书馆的馆员将每天使用这个系统，因此他们使 用系统的频度很高。他们以前几乎没有人使用过计算 机，也没有人有自动化图书馆借阅系统和计算机系统 的知识。他们的绝大多数的智力水平在中等以上。
用户特性表
6.2.3任务与用户的特殊要求



用户要求人机界面能提供一个他早已熟悉，并感到亲 切自然的环境。 尽管每个应用所要求的具体任务千差万别，但大致可 分为下面几类： 通信型任务：使信息从生产者传递到使用者的活动； 对话型任务：使用户能指挥和控制与系统交互的活动； 认知型任务：获得信息即可执行的活动，或与系统功 能关联的活动； 控制型任务：允许用户对信息及其他任务处理的顺序 进行控制的活动。
典型例子: DOS,UNIX等 特点: 需记忆命令，易出错，输出单调，信 息量少
6.1人机界面设计的历史、现状和未来


80年代苹果公司首先将图形用户界面（GUI-Graphics User Interface）引入微机领域，推出的Macintosh以其 全鼠标、下拉菜单操作和直观的图形界面，引发了微 机人机界面的历史性的变革。 微软公司推出了Windows系统，从Windows3.0发展到 今天得Windows2003,使得GUI被应用于用户面更广的 个人计算机平台。图形界面的特点是人们不需要去记 忆和敲打繁琐的命令，只需要通过鼠标直接操纵界面。
视线跟踪（眼动）技术
目前一类产品是采用头戴微型 摄像头的设备，它用来获取两眼瞳 孔（或角膜）中视点。其采样率、 精度高，可靠。
另一类是在PC机前装了 两个微型摄像头的设备，精度 不高，适合残疾人操作计算机 使用。
触觉通道的力反馈装置


新一代力反馈感应技术主要有TouchSense触觉感应技 术和G-Force Tilte动作感应技术两种。TouchSense触 觉感应技术主要用在鼠标/轨迹球等产品中，而动作感 应技术(G-Force Tilte)则主要用在动感游戏控制器中。 用在非游戏的高精度触觉反馈装置中，最著名的是由 MIT人工智能实验室Massie and Salisbury开发、美国 SensAble Technologies 公司生产的Phantom触觉反馈 （6自由度）设备和 Ghost软件开发包。由于高精度， 它已广泛用于军事、医学、机器人、教学、虚拟现实 等各类应用中。
视线跟踪（眼动）技术




视线跟踪（眼动）技术由于其可能代替键盘输入、鼠 标移动的功能，可能达到“所视即所得”(What You Look at is What You Get),因而对残疾人和飞行员等使 用有极大的吸引力。 视线跟踪技术，一是研究高质量的眼动跟踪设备，二 是如何构造易于操作的用户界面。 眼动跟踪设备有强迫式与非强迫式、穿戴式与非穿戴 式、接触式与非接触式之分 。 眼动跟踪设备的精度和对用户的限制和干扰是一对尖 锐的矛盾。
触觉通道的力反馈装置
生物特征识别技术



生物特征识别技术(Biometrics)是受到广泛关注的一类新兴 识别技术。 早期通过对人的指纹识别来确定人的身份，因而指纹识别被 广泛应用于安全、公安等部门。 随着反恐斗争的日显重要，各国正在对其他人体特征进行广 泛研究，希望尽快找到快速、准确、方便、廉价的身份识别 方法。眼睛虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、人脸、DNA等 的人类特征研究和开发正引起政府、企业、研究单位的广泛 注意。


用户知识：有些用户已有相当多的计算机编程和操 作的知识。他们需要一种灵活的可编程的或命令语 言的界面。 用户思维能力：这是对用户的综合知识和智力的 衡量。 用户的生理能力和技能：主要指人的视觉、听觉、 认知及记忆等方面的特点。因此，应该在这一方面 去收集信息。

用户群体的度量可以用打分的办法来简单地度量。 平均值反映了用户群体的平均特性。 标准偏差反映了用户群体的差异大小，主要用于 判断用户界面对不同类型的用户的适应范围。
虚拟现实是一种先进的人机界面，它通 过给用户提供诸如视觉、听觉、触觉等各 种直观而又自然的实时感知交互手段，最 大限度地方便用户的操作。 根据虚拟现实技术所应用的对象不同， 其作用可表现为不同的形式。 该技术的主要特征有以下几方面：





多感知性（Multi-Sensory）——所谓多感知是指除了一般 计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉 感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感 知等。 浸没感（Immersion）——又称临场感，指用户感到作为主 角存在于模拟环境中的真实程度。 交互性（Interactivity）——指用户对模拟环境内物体的 可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。 构想性（Imagination）——强调虚拟现实技术应具有广阔 的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存 在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发 生的环境。
6.1人机界面设计的历史、现状和未来

6.1.3人机界面的未来 1.多通道用户界面 国外研究设计键盘、鼠标之外的输 入通道主要是语音和自然语言、手势、 书写和眼动方面。
手写汉字识别

中科院自动化所开发的“汉王笔”手写 汉字识别系统，经过近20年的研究和开 发，已能识别27000汉字，当用非草写汉 字、以每分钟12个汉字的速度书写时， 识别率可达99.8%。我国现在已约有300 万手写汉字识别系统的用户。
6.1人机界面设计的历史、现状和未来


6.1.2 人机界面的现状 现阶段图形用户界面仍然是当前用户界面的主流，广 泛应用于各档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 （Presentation Manager）、Microsoft的Windows和运 行于Unix环境的X-Window、OpenLook和OSF/Motif等。 当前各类图形用户界面的共同特点是以窗口管理系统 为核心，使用键盘和鼠标器作为输入设备。窗口管理 系统除基于可重叠多窗口管理技术外，广泛采用的另 一核心技术是事件驱动（Event-Driven）技术。

6.2.2用户技巧

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设计人机界面时应该就用户技能对用户进行分类： 1.新手用户 2.平均用户（普通用户） 3.专家用户 4.偶然用户 用户的类型并不是一成不变的。因此，要做用户特性 测量，以帮助设计者选择适合于大多数用户使用的界 面类型和支持级别。
用户特性度量

用户特性的度量与用户使用模式及观测到的用户群体 能力有关。 用户使用的频度：即系统是否经常使用。 用户是否能够自由选用界面：所有的界面都应当 是良好的。 用户对计算机的熟悉程度：对计算机的熟悉程度 决定了要使用户达到熟练程度需要多少训练。
6.2 人类因素

所谓“人的因素”有三层含义：


人对感知过程的认识，包括视觉、阅读时的认知 心理、记忆、归纳与演泽推理等； 用户已有的技能和行为方式； 用户所要求完成的整个任务以及用户对人机交互 部分的特殊要求。
6.2.1人类感知基础
人通过感官认识客观世界，因此，设计人机界面要充分考 虑视觉、触觉和听觉的作用，这样才能使用户有效地从系统 获取信息，并存入人的记忆中，然后用归纳和演绎的方法进 行推理。 大多数人机界面都在可视介质上实现。 用户从界面提取到的信息存入人脑中。人脑由一个短期记 忆系统和一个长期记忆系统组成。 大多数人遇到问题时并不进行形式的演绎和归纳推理，而 是使用一组启发式策略。因此，设计人机界面时还应便于用 户积累有关交互工作的经验，同时要注意这些启发式策略的 一致性。
手语识别和合成
中国科学院计算所研制成功了基于多功能感知的中 国手语识别与合成系统，它采用数据手套可识别大词汇 量（5177个）的手语词。 该系统建立了中国手语词库。对于给定文本句子(可 由正常人话语转换而成)，自动合成相应的人体运动数据。 最后用计算机人体动画技术，将运动数据应用于虚拟人， 由虚拟人完成合成的手语运动。 它可输出大词汇量的手语词，为中国聋哑人的教育、 生活提供了有用的辅助工具，使他们用手语与正常人的 交流成为可能。
第六章 人机交互界面设计


人机界面（Human-Computer Interface ，HCI）是计 算机直接与人打交道的途径，是计算机系统的重要组 成部分，它的开发工作量占系统开发工作量的40-60%。 人机界面的设计者需要充分考虑到使用该界面的人的 因素，并且在设计时要考虑到人的生理、心理的种种 特性，所以人机界面的设计可以说是计算机研制中的 最困难的部分之一。
三维 显示 设备
三维 输入 设备
位置 跟踪 设备
立体眼镜 头盔式显示器（HMD） 双目全方位监视器（BOOM） 墙式显示屏的自动声像虚拟环境（CAVE） 三维鼠标 三维跟踪球 三维游戏杆 头动位置检测器 数据手套 数据衣服

三维扫描设备：有接触式和非接触 式、手持和固定、不同精度之分， 可按不同应用环境和精度要求来选 取。为使用方便，非接触式三维手 持激光扫描仪很受一般用户青睐。
笔式交互技术

在笔式交互技术研究中，中国科学院软件所人 机交互技术与智能信息处理实验室在笔式交互 软件开发平台、面向教学的笔式办公套件（包 括课件制作、笔式授课、笔式数学公式计算器、 笔式简谱制作等）、面向儿童的神笔马良系统 的开发应用方面均有出色的工作，其中不少已 经实用化、产品化。
基于笔的字处理 EasyEditor
手写数学公式
中文语音识别


IBM/Via Voice连续中文语音识别系统经过不断 改进，已广泛应用于Office/XP的中文版等办公 软件和应用软件中，在中文语音识别领域有重 要影响。 中国科学院自动化所“汉语连续语音听写系统” 的特点是建立了基于决策树的上下文相关模型； 针对连续语音中声调之间的协同发音问题，建 立了相应的变调模型；建立了与识别系统配套 的自适应平台，降低35%左右音节误识率；提 出了领域自适应方法，通过较少的领域语料， 可得到较好的领域自适应模型和字典