大学计算机基础课程论文.docx

题目 人机交互：未来的计算机科学 姓名 学号 指导教师 年级与专业 所在学院 求是学院云峰学园 目录1前言32什么是人机交互43为什么要研究人机交互54人机交互的发展历史54.1 语言命令交互阶段54.2 图形用户界面（GUI）交互阶段64.3 自然和谐的人机交互阶段 74.4 实例：操作系统的交互界面演变史85人机交互的未来 14 5.1 Web2.0 14 5.2 普适计算 15 5.3虚拟现实166人机交互的前景 17参考文献 17人机交互：未来的计算机科学摘要：人机交互是未来的计算机科学。我们已经花费了至少50年的时间来学习如何制造计算机以及如何编写计算机程序。下一个新领域自然是让计算机服务并适应于人类的需要，而不是强迫人类去适应计算机。 -Dan R. Olsen(CMU)人机交互是当今计算机科学中的前沿课题，是未来计算机科学重点研究方向之一。人机交互学贯穿了我们生活的方方面面。从黑白屏幕与命令行输入方式到如今的触摸彩屏与GUI界面，几十年来人机交互学已经发展的日益成熟。然而在当今的中国，人机交互得到的重视并不足够。后信息时代，人机交互理应成为计算机科学研究的重点。Web2.0、虚拟现实、普适计算、可穿戴式计算机等前沿技术都与人机交互密切相关。中国的人机交互前景广袤，等待人才的开拓。关键字：人机交互，交互设计，用户界面1 前言图中场景是杭州的“钢琴楼梯”，位于杭州延安路口的地下通道。图中的步行梯和普通的步行梯略有不同，这是一种新的尝试，将步行梯刷成钢琴琴键的样子。这种黑白交替的效果不仅仅是为了模仿琴键外观，更运用了科技的魔力在阶梯上安装传感器并连接至扬声器使行人踏在阶梯上的每一步都能触发一个琴键的共鸣。通过一些视频可以看到，两个行人试探性的把脚踩在步行梯第一级上。一身低沉的琴音顿时回响起来。于是两个人就多上了几阶，刚才的谨慎变为了雀跃。空气中洋溢着悠扬的曲调，更多的人也开始尝试不一会儿他们觉得欣喜起来。他们不只是为了过马路他们来来回回踏着琴键，只为创造出美妙的音乐。我们发现，大多数人都有意去走钢琴楼梯。实际上，和平时相比，几倍以上的人都选择尝试钢琴楼梯。这反映出了一个论题：如何通过有趣好玩的活动来影响人类的行为。而具体到我们的学科，我们必须掌握如何将这种策略运用到人与交互设备的交互中去1。而这种变革，正在互联网上发生着。交互设计是当代设计界的一个前卫性课题，它是信息社会主流设计的重要模式或方法之一。我们已逐步从工业时代过渡到信息时代，而当我们真正意识到信息过量问题的时候，我们已开始进入真正的信息社会（后信息时代）2 。在这样一个“人与计算机共生”（Licklider,J.C.R）2时代更加关注用户与用户之间的交流与关系，更加关注与用户的交互行为，从注重信息的制造和传播到注重信息的应用。信息是以就“交互性”为特点的“信息化产品”作为媒介而传播的，因而对于信息社会的发展，同时作为信息设计的发展的必然结果之一，具有新的特点的“交互设计”在后信息社会成为主流设计的发展方向是一个必然。3作为一门新兴的不可忽视的计算机科学，人机交互将成为未来计算机科学研究的一大方向。1.1 杭州的钢琴楼梯 2 什么是人机交互人机交互、人机互动（英文：HumanComputer Interaction或HumanMachine Interaction，简称HCI或HMI），是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问。系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的部分。用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。人机交互界面的设计要包含用户对系统的理解（即心智模型），那是为了系统的可用性或者用户友好性。交互设计顾名思义就是以“交互”为设计对象的设计。也就是说交互设计对象的重点已经由设计物理方面的内容（传统意义上的产品：机械、造型等）转变为设计人与人、人与产品（广义的产品）之间的交互的内容与方式。43为什么要研究人机交互 1.它影响最终用户的使用、计算机的推广、以至人们的工作和生活。 2.人机界面是计算机系统的重要组成部分，它的开发工作量极大（占系统的40-60%），加上不同人群对界面的要求不全相同，因而人机界面是计算机研制中的一个最困难的部分。 3人机交互技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题。美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为4项：软件，人机交互，网络，高性能计算。我国973、S-863、十五计划均将人机交互列入为主要内容。 让我们来看一个例子：不礼貌的驱动程序5 打印机行业中有一家一流的设备制造商，他们生产的设备是同类产品中最可靠的一种，因为他们在设备中使用了稳定的嵌入式程序。可是他们生产的打印驱动却是另外一回事。当你要使用这些驱动时，你会被告知无法像其他打印机一样通过windows进行安装。是够特殊的！这家公司用一款自己的安装软件替代了windows打印机管理器，这款软件有自己的安装说明，但却不能像windows打印机管理器那样方便的进行安装。这家公司其后生产的一系列设备，依旧坚持使用自己的安装程序，甚至名字都不按惯例称作“Setup”或“Install”。每次当你开始打印时，屏幕的四分之一被一个打印机的图占满，显示打印任务。除非你清除掉它，否则它会不断打断你连贯的思路。这种就叫做“傲慢的程序设计”。当打印机缺纸时，驱动程序会显示“打印机没有响应”，此时这个以自我为中心的软件就会立刻占满你的系统，让你无法再做其他的事情，除非你是用“Ctrl+Alt+Del”这种方法强行关闭这个程序。以上这种程序设计表明：“我的打印纸没了，这才是至关重要的，你应该马上停下你的系统，先解决我的问题。”这将带来糟糕的交互体验。当人们无法教会一个驱动程序学会礼貌的时候，人们将抛弃他。如果我们电脑上所有的程序都没有礼貌的话，我们的工作生活将彻底陷入混乱。这就是人机交互的研究范围。研究人机交互，可以使程序更好的为人们服务，带来愉悦的用户体验呢，便利人们的工作和生活。4人机交互的发展史4.1 语言命令交互阶段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。早期的人机交互是通过命令语言进行的，人机之间通过语言中的输入输出功能完成交互。最初，人机交互的方式是采用手工操作输入机器语言指令（二进制机器代码）来控制计算机。这种形式很不符合人的习惯，既耗费时间，又容易出错，只有非常专业的专家才能做到。后来，出现了FORTRAN、PASCAL、COBOL等语言，使人们可以用比较习惯的符号形式描述计算过程，交互操作由受过一定训练的程序员即可完成。这一时期，程序员可采用批处理作业语言或交互命令语言的方式和计算机打交道，虽然要记忆许多命令和熟练地敲键盘，但已可用较方便的手段来调试程序、了解计算机执行情况。 60年代中期，命令行界面（Command Line Interface，CLI）开始出现，通过这种人机界面，人们可以通过问答式对话、文本菜单或命令语言等方式来进行人机交互。命令行界面可以看作第一代人机界面。在这种界面中，人被看成操作员，机器只做出被动的反应，人只能用手操作键盘的方式输入数据和命令信息，界面输出只能为静态字符。因此，这种人机界面交互的自然性较差。1.2 命令行界面概念模型4.2 图形用户界面（GUI）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。GUI 的主要特点是桌面隐喻、WIMP(Windows、Icon、Menu、Pointing Device)技术、直接操纵和“所见即所得（What You See Is What You Get，WYSIWYG）”。由于GUI简单易学、减少了键盘操作，因而使不懂计算机的普通用户也可以熟练地使用，开拓了用户人群，使计算机技术得到了广泛普及。 GUI技术的起源可以追溯到60年代美国麻省理工学院的Sutherland(计算机图形学的奠基人)的工作。其发明的Sketchpad首次引入了菜单、不可重叠的瓦片式窗口、图标，并采用光笔进行绘图操作。1.3 WIMP界面概念模型1964年美国科学家道格拉斯恩格尔巴特（Douglas Englebart）在加利福尼亚制作了第一只鼠标器只有一个按键，外壳用木头精心雕刻而成，底部有金属滚轮，当时并不被重视。直到1979年12月，施乐PRAC研究中心的科学家拉瑞泰斯勒（L.Tesler）演示了窗口、图标、菜单，还有随着”鼠标器“移动的光标，鼠标的重大历史意义在这一刻才真正得到显示。70年代施乐公司在Alto计算机上首次开发了位映像图形显示技术，为开发可重叠窗口、弹出式菜单、菜单条等提供了可能。这些工作奠定了目前图形用户界面的基础，形成了以窗口（Windows）、图标（Icon）、菜单（Menu）和指点装置（Pointing Device）为基础的第二代人机界面，即WIMP界面。1984年 Apple 公司仿照施乐PRAC研究中心的技术开发出了新型Macintosh个人计算机，将WIMP技术引入到微机领域，这种全部基于鼠标及下拉式菜单的操作方式和直观的图形界面引发了微机人机界面的历史性变革。 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）。经常使用的命令大都通过鼠标来实现。鼠标驱动的人机界面使得初学者易于使用，但重复性的菜单选择会给有经验的用户造成不方便，他们有时倾向使用命令键而不是选择菜单，且在输入信息时用户只能使用手这一种输入通道。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。 4.3 自然和谐的人机交互阶段 当前，虚拟现实、移动计算、普适计算等技术的飞速发展，对人机交互技术提出了新的挑战和更高的要求，同时也提供了许多新的机遇。在这一阶段，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是其主要特点，其目的是使人能以声音、动作、表情等自然方式进行交互操作。在自然和谐的人机交互的发展过程中，人们除了致力于研究开发友好的逼真的三维用户界面，基于声音、动作、表情等多种通道的自然交互方式，还发明了大量的新交互设备，如计算机图形学的先驱、美国麻省理工学院的Sutherland早在1968年开发了头盔式立体显示器，成为现代虚拟现实技术的重要基础。1.4 多通道人机界面概念模型1982美国加州VPL公司开发出了第一副数据手套，用于指示等简单手势的输入；该公司在1992年还推出了 Eyephone液晶显示器；同样在1992年，Defanti等提出了一种四面的沉浸式虚拟现实环境CAVE系统等。 目前，对于人类重要的自然交互方式语音和笔的交互技术，包括手写识别、笔式交互、语音识别、语音合成、数字墨水（Digital Ink）等，其发展已经有了很大的成效，如中国科学院自动化研究所开发了“汉王笔”手写汉字识别系统；微软亚洲研究院发明了数字墨水技术；中国科学院人机交互技术与智能信息处理实验室研制的笔式交互软件开发平台等工作；IBM公司的Via Voice，把语音技术应用到PDA、智能汽车上。微软也把语音识别技术集成到了多个领军产品中，包括Office和Windows XP，其最新的语音识别服务器软件Speech Server准备在2004年上半年发布。其中不少已经商品化，市场前景广阔。另外，20世纪90年代，美国麻省理工学院Negroponte(尼葛洛庞蒂)领导的媒体实验室在新一代多通道用户界面方面做了大量开创性的工作。64.4 实例：操作系统的交互界面演变史以下为从上世纪70年代至今的一些操作系统的用户界面，收集整理将其用户界面按照时间顺序排列，希望能从中反应出交互界面的进化历程，1.5 70年代，施乐公司开发的第一个 GUI 图形用户界面，开启了计算机图形界面的新纪元1.6 Apple Lisa Office System 1 (1983)1.7 Mac OS System 1.0 (1984)1.8 Windows 1.0x (1985)1.9 Microsoft-IBM OS/2 1.1（1988）1.10 Windows 3.1 (1992)1.11 Windows 95 (1995)1.12 Windows 98 (1998)1.13 Mac OS X (released in 2001)1.14 Windows XP (released in 2001)1.15 Windows Vista (released in 2007)1.18 Windows 71.19 Windows 85人机交互的未来 5.1 Web2.0Web2.0 是相对Web1.0 的新的一类互联网应用的统称。Web1.0 的主要特点在于用户通过浏览器获取信息。Web2.0 则更注重用户的交互作用，用户既是网站内容的浏览者，也是网站内容的制造者。所谓网站内容的制造者是说互联网上的每一个用户不再仅仅是互联网的读者，同时也成为互联网的作者；不再仅仅是在互联网上冲浪，同时也成为波浪制造者；在模式上由单纯的“读”向“写”以及“共同建设”发展；由被动地接收互联网信息向主动创造互联网信息发展，从而更加人性化！目前也已经出现了新一代网页语言，HTML5和CSS3。2012年12月17日，万维网联盟（W3C）正式宣布凝结了大量网络工作者心血的HTML5规范已经正式定稿。根据W3C的发言稿称：“HTML5是开放的Web网络平台的奠基石。” HTML5规范开发完成，将成为主流。据统计2013年全球将有10亿手机浏览器支持HTML5，同时HTML Web开发者数量将达到200万。毫无疑问，HTML5将成为未来5-10年内，移动互联网领域的主宰者。CSS即层叠样式表（Cascading Stylesheet）。CSS3是CSS技术的升级版本，将网页分解为多个模块，并加入许多新的模块，这样可以支持更多的网页特效，带来更好的网站用户体验。5.2 普适计算普适计算（Ubiquitous computing 或 pervasive computing），又称普存计算、普及计算，是一个强调和环境融为一体的计算概念，而计算机本身则从人们的视线里消失。在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。普适计算是一个涉及研究范围很广的课题，包括分布式计算、移动计算、人机交互、人工智能、嵌入式系统、感知网络以及信息融合等多方面技术的融合。1.20 普适计算科学家认为，普适计算是计算机历史上的第三次浪潮。第一次浪潮就是大型机时代许多人共享一台大机器；第二次浪潮是个人电脑时代一个人享用一台计算机；第三次浪潮则是普适计算时代一个人享用多台计算机。在普适计算的环境中，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理，所有的过程在计算设备的帮助下高度自动化地完成。科学家表示，普适计算的核心思想是小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所，计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互，而更依赖“自然”的交互方式，计算设备的尺寸将缩小到毫米甚至纳米级。人机交互研究领域的开创者之一、微软首席用户体验设计专家比尔巴克斯顿指出：“最终，我不会同计算机交互，我将同计算机提供的服务交互。未来，各种技术将糅杂在一起，出现一个无缝的设备生态系统，所有设备都能交互作用。”5.3虚拟现实（Virtual Reality，VR）虚拟现实（Virtual Reality，VR）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。虚拟现实技术有别于其他计算机应用技术的三个鲜明特征：真实感、沉浸感和交互性。其中，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。目前，人们除了致力于研究开发友好的用户界面，还发明了大量的三维交互设备，如立体眼镜、WorkBench、头盔式显示器、洞穴式立体显示器（CAVE）、墙式大屏幕立体显示器、数据服装、位置跟踪器、眼动跟踪器、触觉和力反馈装置、三维扫描设备、三维鼠标、三维跟踪球、三维游戏杆、数据手套等。虚拟现实中的交互是虚拟现实核心研究内容之一，但人机交互并不是虚拟现实的全部，复杂场景的建模、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，但并不是唯一的媒介，手机、PDA、笔记本电脑等移动设备，也需要更方便、快捷、人性化的交互手段。随着计算机技术的发展，虚拟现实被广泛应用于城市规划、医学领域、娱乐与艺术文化、卫星与航天工业、室内设计领域、地产开发领域、农村开发管理、虚拟工业仿真领域、应急处理预演、文物古迹还原、产品展示机展览展示、教育学、地址文化研究等各个领域。1.21 虚拟现实头盔1.22 佳能“混合现实”技术6人机交互的前景 人机交互在国内甚至是国际都是一个新兴的专业领域，有很大的发展前景。人机交互是一门多学科综合性学科，涉及：计算机科学、心理学、社会学、图形设计、工业设计等专业。许多学者不具备从事人机交互研究的知识背景，同时也不愿投入大量精力去学习，这直接导致了我国人机交互研究队伍规模不大，人员不多。在以前我国这方面的研究基本是跟随国外的技术路