（基础心理学专业论文）自适应人机交互界面研究.pdf

自适应人机交互界面研究i 学科专业： 指导教师： y 5 9 7 2 1 $ 白适应人机交互界面研究 基础心理学 邱玉辉教授 研究方向：人工智能与认知 研究生：李晓 内容摘要 i n t e r n e t 、无线设备以及移动计算技术的发展，用户关注信息的范围更加广 泛，且用户的信息需求和获取信息的方式也各不相同。然而，o n e s i z e f i t s a l l 的用户界面，使得人们不得不需要花费大量的时间和精力去寻找自己需要的信 息。 显然，当前最大的挑战不仅仅在于随时随地、以任意形式为用户提供信息， 而在于在“恰当”的时间、以“适当”的方式，为用户提供“睑当”的信息。 智能用户界面因其自适应、上下文敏感和对任务的协助，促进了人机交互的 有效性和易用性，是当前研究和开发的热点。论文的研究属于智能用户界面的一 个方面，其最终目的是使用户界面更有效和易用，让用户有较高的满意度。 自适应人机交互界面能够改变自己的工作状况去适应某个用户或某一项任 务，有助于促进人机交互的质量。论文结合了心理学、人工智能和计算机技术， 研究了用户多种信息资源需求下，人机交互界面如何动态适应当前用户和当前任 务：即如何为用户、任务和对话环境裁剪恰当的内容并提供恰当的交互形式。 i 博士学位论文 针对用户信息资源需求的心理特征和当前自适应界面的现状，论文开展了 系列的研究，并取得以下创造性成果： ( i ) 提出了面向用户信息需求心理的四元交互模型。 通过对现有交互模型的深入研究和基于认知心理学理论，分析了用户 信息需求下，人机交互中需要考虑的个体心理特征，进两通过深入分析人 机交互的“刺激一反应”情景，提出了一个面向用户信息需求心理的四元交 互模型，支拷自适应人机交互界面的用户模型构建。 ( 2 ) 给出了基于多使用模式的用户模型内容及其建模实现。 针对用户不同性质的w e b 活动导致的用户不同的使用模式，提出并构 建了多使用模式用户模型。这是一个长期的、动态的用户模型，区分为相 对静态的组模型和动态个体用户模型两个层次：组模型表达了在信息资源 获取过程中用户具有的共牲，个体用户模型继承了其所隶属的用户组的属 性，并同时具有自己独特的私有属性。个体用户模型的属性可能反馈到组 模型，成为组模型的属性。 ( 3 ) 构造了基于用户多使用模式的资源模型。 针对用户不同使用模式，以及z n t e r n e t 资源的分布和异构特点，明确 提出基于用户多使用模式的资源模型概念。并给出了适应于用户个体特征 的资源的组织结构和资源的生成，有效的解决了用户不同使用模式下自适 应资源的生成， ( 4 ) 建立了多使用模式用户模型与m a s 技术相结合的自适应机制。 采用a g e n t 在人机交互中体现出来的“隐喻”，以及其特有的学习和白 适应特性，提出了多使用模式用户模型与m a s 技术相结合的自适应机制， 给出了自适应人机交互界面的实现，并讨论了a g e n t 的交互特征、a g e n t 间的协调和a g e n t - 与a g p 的交互。同时还给出了自适应的实现。 最后，通过原型系统的相关实验以及对界面的可用性评估，验证了论文思路 的正确性和实现界面的可用性。 关键词：人机界面自适应机制用户模型m a s 自适应人机交互界面研究i i i r e s e a r c ho n a d a p t i v e h u m a n c o m p u t e ri n t a f a c 口 m a jo r ：p 蹄c h o l o g y s p e c i a l i t y ：a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e s u p e r v i s o r ：p r o f q i 地y u h u i a u t h o r ：工正x i a o a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t ，w i r e l e s sd e v i c e sa n dm o b i l e c o m p u t i n g ，t h er a n g eo f i n f o r m a t i o nt ow h i c hau s e rp a y sa t t e n t i o ni sm o r e e x t e n s i v ea n dt h ec o n t e n to fi n f o r m a t i o nd e m a n da n dt h ew a y so f o b t a i n i n g i n f o r m a t i o nh a v e n o t h i n g i nc o m m o n h o w e v e r , d u et ot h eo n e - s i z e - f i t s a l l i n t e r f a c ep e o p l eh a v et oc o n s u m eal o to f t i m ea n d e n e r g y t ow o r ko nt h e i n f o r m a t i o nt h e yn e e d t h e c h a l l e n g e ，o b v i o u s l y ，i sn o to n l y t om a k ei n f o r m a t i o na v a i l a b l et op e o p l ea t a n yt i m e ，a ta n yp l a c e ，a n di na n yf o r m ，b u ts p e c i f i c a l l yt od o t h er i g h tt h i n ga t t h er i g h tt i m ei nt h er i g h t w a y i n t e l l i g e n tu s e ri n t e r f a c e s ，b e c a u s eo f i t sa d a p t i v i t y , c o n t e x ts e n s i t i v i t ya n d a s s i s t a n c ei nt a s k s ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d u s a b i l i t yo fh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ，w h i c hh a v eb e c o m e af o c u si nh c ir e s e a r c ha r e a s t h er e s e a r c ho f t h et h e s i si sp a r to ft h ei n t e l l i g e n tu s e ri n t e r f a c e sa n di t sf i n a lo b j e c t i v ei st o m a k eu s e ri n t e r f a c em o r ee f f e c t i v ea n de a s i e rt ou s ea n di n c r e a s eu s e r s a l j s f a c t i o n i v 博士学位论文 t h e a d a p t i v eh u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c ep r o p o s e db yt h i st h e s i si sah u m a n m a c h i n ei n t e r f a c et h a ta i m st of i tau s e ro rat a s k b yc h a n g i n g i t sw o r k i n g b e h a v i o u r s t h et h e s i s ，ac o m b i n a t i o no f p s y c h o l o g y ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s t u d i e sh o w t h eh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ed y n a m i c a l l y s u i t sap a r t i c u l a ru s e ra n dh i so rh e rt a s k sa th a n dt om e e th i so rh e ri n f o r m a t i o n r e q u i r e m e n t sp e r f e c t l y a i m i n g a tt h e p s y c h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f u s e r si n f o r m a t i o n r e q u i r e m e n t s a n de x i s t i n ga d a p t i v eu s e ri n t e r f a c e s ，t h et h e s i sh a sl a u n c h e das e r i e so f r e s e a r c hw o r k ，a n dm a d et h ef o l l o w i n gc r e a t i v ea c h i e v e m e n t ( 1 ) t oa d v a n c e a4 - k e y c o m p o n e n ti n t e r a c t i o nm o d e lb a s e do nt h ep s y c h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f u s e r si n f o r m a t i o n r e q u i r e m e n t s t h i st h e s i s ，f i r s to f a l l ，a n a l y s e st h ei n d i v i d u a lp s y c h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s w i t h r e s p e c tt oi n f o r m a t i o nr e q u i r e m e n t so n t h eb a s i so fr e s e a r c hi nd e p t ho f e x i s t i n gi n t e r a c t i o nm o d e l s a n dt h ec o g n i t i v e p s y c h o l o g yt h e o r y t h e n t h e s t i m u l a t i o n - r e a c t i o ns c e n a r i oo f h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni sf u r t h e r d i s c u s s e d f i n a l l ya4 - k e y - c o m p o n e n ti n t e r a c t i o nm o d e l i sp u tf o r w a r dt oa i m a tt h ec o n s t r u c t i o no fu s e rm o d e l sf o ra d a p t i v eh u m a ni n t e r f a c e ( 2 ) t op r o p o s em u l t i u s i n gp a t t e r n so r i e n t e d u s e rm o d e l sa n dn o v e lm o d e l i n g m e t h o d s t h ew e ba c t i v i t i e si nw h i c hau s e ri si n v o l v e dh a v ed i f f e r e n tp r o p e r t y , l e a d i n g t od i f f e r e n tu s i n gg o a l so r p a t t e r n s ，n a m e l ym u l t i - u s i n gp a t t e r n s t o s o l v et h e m w e l l ，t h et h e s i sp r o p o s e sm u l t i u s i n gp a t t e r n so r i e n t e du s e r m o d e l sa n dn o v e lm o d e l i n gm e t h o d s t h i sm o d e l ，al o n g t e r ma n dd y n a m i c o n e ，c a nb ed i v i d e di n t ot w ol a y e r s ：o n ei sf o rg r o u p a n da n o t h e rf o r i n d i v i d u a l g r o u pm o d e l ss h o w t h eu s e r s c o m m o n p r o p e r t ya n d i n d i v i d u a l o n eh a sn o to n l ya t t r i b u t e sf r o mg r o u pb u ta l s op r i v a t ep r o p e r t yo f h i so w n 一 ! 垩窒垒垫窒兰墨耍竺窒 t h ea t t r i b u t e so fi n d i v i d u a lc a l la l s ob ef e db a c kt og r o u p a sap r o p e r t y ( 3 ) t oc o n s t r u c t m u l t i u s i n gp a t t e r n so r i e n t e dr e s o u r c em o d e l t od e a lw i t h m u l t i - u s i n gp a t t e r n sf o rau s e r si n f o r m a t i o na t t a i n i n ga n d d i s t r i b u t i o na n dh e t e r o g e n e i t yo f r e s o u r c eo nt h e i n t e r n e t ，t h i st h e s i s p r o p o s e s t h ec o n c e p to f m u l t i u s i n gp a t t e r n so r i e n t e dr e s o u r c em o d e la n d p r e s e n t s t h es t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o no fr e s o u r c em o d e l i na c c o r d a n c e w i t ht h eu s e r sb a c k g r o u n da n d p r e f e r e n c e ，w h i c hi se f f e c t i v et os o l v et h e p r o b l e mo fg e n e r a t i o no fa d a p t i v er e s o u r c e s ( 4 ) t o b u i l da n a d a p t i v em e c h a n i s m b a s e do nt h ec o m b i n a t i o n o f m u l t i - u s i n g p a t t e r n sa n dm a st e c h n o l o g y d u et ot h ei n t e r a c t i o nm e t a p h o ra n df e a t u r e so f l e a r n i n ga n da d a p t a b i l i t y , m u l t i a g e n tt e c h n o l o g y i se m b r a c e dt ob u i l da n a d a p t i v em e c h a n i s m o n t h eb a s i so f i t ，a na d a p t i v eh u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c ei sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d m o r e o v e r ，t h ef e a t u r e so f i n t e m c t i o na n dc o o r d i n a t i o n b e t w e e n a g e n t sa n d h o wa na g e n ti n t e r a c t sw i t hh i so w n e ra r ed i s c u s s e d f i n a l l nt h ee f f e c t i v ew o r k o f t h e p r o t o t y p eh a sp r o v e n t h a tt h ei d e a sa n d m e t h o d s p r e s e n t e d i nt h i sp a p e ra r ec o r r e c t w i mt h ea d a p t i v eh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ep r o p o s e db yt h i st h e s i s ，t h eu s e rw o r k sm o r e e f f i c i e n t l ya n d e f f e c t i v e l ya sw e l la si n c r e a s e sh i s o rh e rs a t i s f a c t i o n k e y w o r d s ：h u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e ，a d a p t i v em e c h a n i s m , u s e rm o d e l s , m _ a s 自适应人机交互界面研究1 1 绪论 此时此刻，成百上万的人正在不同的地方、不同的情况下，通过不同的方式 接入i n t e r n e t ，获取自己需要的信息。然而，一方面，呈爆炸性增长的信息资 源，另一方面o n e s i z e f i t s a l l 的用户界面，使得人们不得不需要花费大量的 时问和精力去寻找自己需要的信息。 当前，最大的挑战不仅仅在于随时随地、以任意形式为用户提供信息，而在 于在“洽当”的时间、以“适当”的方式，为用户提供“恰当”的信息 1 。智 能用户界面因其自适应、上下文敏感和对任务的协助，促进了人机交互的有效性 和易用性，是当前研究和开发的热点。 论文的研究属于智能用户界面的一个方面，其最终目的是使用户界面更有效 和易用：即动态适应当前用户和当前任务，为用户提供与手边任务和用户背景相 关的信息资源，减少信息过载，辅助用户快速达到目标；且操作简单，令用户有 较高的满意度。 1 1 人机交互 目前，交互计算系统4 0 6 0 的工作集中在人一机交互的管理。大约有5 0 的程序代码用于用户界面设计 2 ，而1 9 9 8 年的一份报告指出，该比例已经上升 到6 0 3 。 交互计算系统 2 博士学位论文 人机交互，简称h c i ( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ) ，也称为c h i ( c o m d u t e r h u m a ni n t e r a c t i o n ) ，主要着眼于研究： 用户如何采取行动，执行任务，完成工作； 用户如何与系统进行交互； 用户如何使用工具，机器和软件。 关于人机交互，目前尚未有一个达成共识的定义，a c ms i g c h i 给出了一个 应用定义 4 ： 入枧交互是研究交互式计算系统的设计、评价秘实现以便于人类 甬户使甬的一门学科，它是对影响交互系统和人的各静函素进 子研究的 一门学辨。 d i x 等人在人机交互一书中认为，人机交互即是在用户的任务和工作环 境下，对交互系统的设计、实现和评价 5 。 我们可以从不同的角度( 计算机科学、机器和人) 来研究人机交互。例如从 计算机科学的角度，人机交互的焦点是交互，尤其是单个或多个用户与一个或多 个计算机的交互，以及通过计算机系统的人际交互；而从机器的观点，计算机可 能是嵌入式计算机器，比如作为太空驾驶员座舱或者微波炉的一部分。因此，人 机交互既研究机械装置，也研究人的因素的适应：从人类用户的角度看，需要考 虑分布式系统，计算机辅助通讯，或依靠不同系统进行协同工作等特性。而实际 上，人机交互仅仅是我们完成任务的一个支持领域之一。 事实上，人机交互是计算机科学、心理学、社会学和人类学等多学科交叉的 一个领域，各学科有不同的侧重点： 计算机科学方面，侧重于应用设计，人工界面工程学： 心理学则侧重于认知过程理论的应用，用户行为的经验分析； 社会学和人类学主要侧重于技术、工作和组织之间的交互。 自适应人机交互界面研究3 图卜1 为人机交互领域研究的内容及其彼此间的关系 4 ，h e w e t t 等人将之 划分为五个主要部分： n ( 人机交互特性) ； u ( 计算机使用与配景) ； h ( 人的特征) ： c ( 计算机系统和界面的体系结构) ； d ( 开发过程) 。 图1 。1 人机交互 计算机系统存在于一个较大的社会、组织和工作环境中( u 1 ) 。在这个环境 中有一些应用工作我们需要使用计算机系统来实现( u 2 ) 。而计算机的工作过程 意味着：经由人类的学习，系统的裁剪或其他策略应该达到人机适配和对用户的 自适应( u 3 ) ； 从人的角度，需要考虑人的信息处理过程( h 1 ) 、通讯( h 2 ) 和用户特征( h 3 ) ； 从计算机角度，已经开发了许多不同的技术以支持与人的交互，如输入输出 技术( c 1 ) ，对话技术( c 2 ) ，界面隐喻( c 3 ) ，深入的对话支持研究( c 4 ) 。另外， 复杂的对话也导致了对系统体系结构的要求：如互连应用程序，视窗程序，实时 响应，网络通信，多用户和协同界面，多任务对话对象( c 5 ) ： 4 博士学位论文 图卜1 还给出了合并了设计方法( d i ) 、实现技术与工具( c 2 ) 、评价技术( c 3 ) 和研究实例( d 4 ) 的一个开发过程，它们彼此之间相互约束。 作为一个领域，人机交互主要特别关注： 用户与机器在完成任务中的特性。其中，用户特性包括生理和心理 特性； 用户使用计算机的( 包括学习) 能力： 用户界面的算法和程序； 与设计和建立用户界面有关的工程学； 用户界面规范制定、设计和实现过程； 设计的一般性。 总之，人机交互是指用户和计算机系统之间的通信，通过一定的人机界面实 现。智能用户界面是人机界面研究的一个重要分支。 1 2 智能用户界面的发展及趋势 面。 智能用户界面是致力于改善人机交互的高效率、有效性和自然性的人机界 1 2 1 智能用户界面 人机界面( h u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e ) 也称人机接口、用户界面( u s e r i n t e r f a c e ) ，是人与计算机之间传递和交换信息的媒介，是计算机系统向用户提 供的综合操作环境。通常人们对人机界面的理解都比较片面，如简单认为是显示 器上看到的内容或者功能的菜单表示等。 智能用户界面，即i n t e l l i g e n tu s e ri n t e r f a c e ，简写i u i ，是人机界面的 发展方向。 智能甩户界面是致力于改善人枫交互的高效率、菊效性和自然性酌 人机界面，它通过表达、推理并按照甬户模型、领域模銎、任务模銎、 谈话模型和媒体模型来实现a 机交互嗡。 自适应人机交互界面研究5 智能用户界面主要使用人工智能技术去实现人机通信，提高了人机交互的可 用性：如知识表示技术支持基于模型的用户界面生成，规划识别和生成支持用户 界面的对话管理，而语言、手势和图像理解支持多通道输入的分析，用户建模则 实现了对自适应交互的支持等。当然，智能用户界面也离不丌认知心理学、人机 工程学的支持。 1 2 2 智能用户界面的发展 穿孔卡是最早的人机交互方式，十九世纪末美国人h e r m a nh o l l e r i t h 参照 j a c q u a r d 发明的提花机，研制成功穿孔制表机( 图卜2 ) ，并成功地应用于全美 第十一次人口普查，有效的实现了大规模的数据处理 7 。 图1 - 2 最早的人机交互方式穿孔卡 从那时到现在，人机交互发生了巨大的变化。比如在图卜2 1 中显示的1 0 2 技术开发公司推出的h e l i o d i s p l a y 技术 1 1 0 。这是一种空气投影成像和交互技 图1 - 2 1 最近的人机交互方式空气投影成像和交互 术，利用电子学和热力学使进入机器的空气改变其特性，重新射出后从下向上投 影图像，使图像浮在空中，不仅可以让人们在不同角度都看到图像，还可以采用 6 博士学位论文 激光跟踪系统跟踪用户手指的活动实现交互操作。 相应的，用户界面的发展从早期的硬件插拔，到今天的多样化用户界面，经 历了命令行界面( c o m m a n d l i n ed r i v e n ) 、图形用户界面( g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，即g u i ) 和网络用户界面，以及多通道、多媒体智能界面等阶段。 而其出现和发展主要归功于用户，以及用户需求的多样化。 早在1 9 3 9 年底 1 0 9 ，j o h na t a n a s o f f 和c l i f f o r db e r r y 就开始建造计算 机原型，并使用真空管成功制作了第一 台计算机，该机器每1 5 秒完成一次计算 ( 图卜3 ) 。e n i a c 世界上第一台电 子管计算机就是在他们的工作基础 上，于1 9 4 6 年在美国宾夕法尼亚大学诞 生，该机每秒可做5 0 0 0 次加法运算。 图1 - 3 第一台计算机原型 十九世纪六十年代以前，人们使用昂贵的计算机做科学计算，用户多为计算 机专家或程序员，人机界面主要由硬件实现，或者命令行方式，并不在乎信息是 如何表达的。实际上，穿孔卡片的数据输入方式一直沿用到二十世纪七十年代。 进入六十年代，技术的发展和用户的需求使得情形发生了改变。1 9 6 3 年， i v a ns u t h e r l a n d 在他的博士论文中提出了一个名为s k e t c h p a d 的系统 8 最早的图形用户界面。同年，斯坦福大学的d o u g l a se n g e l b a r t 发明鼠标( m o u s e ) ， 并获得发明专利。分时多用户系统、小型计算机，尤其自七十年代第一台个人计 算机( p c ) 的出现，计算机进入了人们的生活。随之，计算机用户开始多样化， 计算机的使用者从计算机专家迅速扩大到了更多的普通用户。 用户如何与机器交互? 交互方式如何? 人们开始关注这些问题。到八十年 代，用户已成为研究开发注意的焦点。研究者们也开始讨论智能界面的基本功能。 1 9 8 4 年美国a p p l e 公司在研制m a c i n t o s h 计算机时，采用桌面“隐喻 ( m e t a p h o r ) ”，创造性地使用了位映射( b i t a m p ) 、窗口( w i n d o w ) 、图符( i c o n ) 自适应人机交互界面研究7 等技术，极大的改善了人机交互方式，鼠标成为重要的交互设备。1 9 8 5 年， m i c r o s o f t 公司推出w i n d o w s 。此后，直接操纵界面d m i ( d i r e c tm a n i p u l a t i o n i n t e r f a c e ) 及w i m p ( w i n d o w s ，i c o n ，m e n u s ，p o i n t e r s 即窗口、图标、菜单和 指示器) 模式广泛使用。与此同时，用户界面管理( u s e ri n t e r f a c em a n a g e m e n t ) 开始从应用功能中分离；人机交互的研究重心转向用户为中心的设计 ( u s e r c e n t e r e dd e s i g n ) ，w y s i w y c ( w h a ty o us e ei sw h a ty o uc a n ) 概念成为 所有界面设计的指导原则。 八十年代末九十年代初，c e r n 的t i mb e r n e r s l e e 提出并实现了使用以超 文本为中心的管理方式来组织网络资源。1 9 9 3 年，第一个图形化的网络浏览器 m o s a i c 诞生于m a r ca n d r e e s e e n 之手。w w w 的出现和发展，将计算机变成了一种 通信设备，将人与人、人与信息彼此相连，形成了个分布式的网络。 无处不在的计算对人机界面提出了新的需求。自适应用户界面( a d a p t i v e u s e ri n t e r f a c e ，即a u i ) 、多通道用户界面( m u l t i m o d a lu s e ri n t e r f a c e ， 即m u i ) 出现并获得迅速发展。自适应用户界面能够去改变自己的工作状况去适 应某个用户或某一项任务 9 ，而多通道用户界面利用人的多种感觉通道和动作 通道( 如语音、手写、表情、姿势、视线等输入) ，以并行、非精确方式与计算 机系统进行交互，以提高人机交互的自然性和高效性 董士海等1 9 9 9 。多通道 人机交互研究正在引起越来越广泛的关注，其研究成果正令计算机界面超越图形 用户界面的阶段。 正是在九十年代，智能用户界面开始慢慢成形，尽管早在1 9 5 6 年，人工智 能就作为一门独立学科正式诞生。约在1 9 9 4 年，智能a g e n t 和推荐系统在 i n t e r n e t 出现；1 9 9 6 年，第一个实用的语音识别和自然语言处理器出现；1 9 9 7 年，微软发布智能o f f i c e 9 7 帮助系统。至上个世纪末，新的技术如面向对象、 数据挖掘、机器学习及其a g e n t 技术的发展促进了智能用户界面的发展。 8 博士学位论文 图卜4 给出了智能用户界面的发展历史及其重要事件。 一(；onterences l 口8 6 li r c a i t d l i f l m t i 晰伽w 0 蛐叩 一。”“叩i 1 9 9 1 斡叶一1 制忻再! ” 二一十一1 5 卜7 0 5 一+ 一1 1 9 t t o ；一j _ 古 1 * o s 一 +t 。一一一 i 平s 一 婴e 凛。i i 。i 脚a 嚣 9 7 崽3 m 1 嚣9 8 1 ；a t 甚1 9 8 锶tm 船d b 怨辫掣r魍躲嚣。 1 2 3 智能用户界面的体系结构 图卜5 给出了智能用户界面的体系结构r l o 。用户的输入经过媒体分析后融 合，经由谈话建模和用户建模，获得用户的意图并搜集需要的信息资源。信息资 源经过规划识别和或发布设计，通过相应的媒体形式表现并反馈到用户端这 个信息获取过程涉及知识的表达和推理。 图1 5 智能用户界面的体系结构 自适应人机交互界面研究9 用户模型、领域模型、任务模型、谈话模型和媒体模型提供了对用户个人偏 爱的支持。 i 2 4 智能用户界面的研究范围 智能用户界面是多学科交叉发展的结果。智能用户界面利用了人工智能、人 机交互和心理学的成果，一方面支持不同用户，不同任务及其任务环境；另一方 面支持从传统系统到移动设备、及其它新的交互模式的不同平台开发。当然，其 他一些领域如信息可视化，也对智能用户界面产生了极大的影响。图i - 6 给出了 智能用户界面的主要研究课题，以及与其他领域的关系 1 1 。 图i - 6 智能用户界面研究范围和主要课题 智能用户界面的理论、设计、开发和评价是智能用户界面的主要研究方向。 首次智能用户界面会议由a a a i 、a c m8 1 g c h i 发起，于1 9 8 8 年在加利福尼亚召开， 其主题是：智能用户界面的体系结构。五年后的第二次会议聚焦于人机交互方法 的多样性，会议聚集了来自不同研究领域如认知科学、人机交互、计算语言学和 人工智能的研究者和实践者。随着技术的发展和用户及其需求的多样化，智能用 户界面会议自1 9 9 7 年第三次会议后成为每年一度的国际会议。 1 0 博士学位论文 当前智能用户界面主要研究课题和范围为： 基于知识的用户界面设计和开发： 智能信息和知识管理系统； 已实现系统的评价； 自适应用户系统、个性化和行为的自适应； 情感、会话界面； 多通道用户界面； 语义网络用户界面； 对普适计算的智能支持； 创新的、支持具体应用的界面和交互，如在教学辅导、信息检索、 决策支持、计算机辅助设计、移动计算等领域； 创新的交互模式： 界面a g e n t ； 主动的、基于a g e n t 的用户交互； 多用户环境下的协同支持； 智能用户界面的用户建模，用户研究的相关技术等。 1 2 5 智能用户界面的发展趋势 一直以来，智能用户界面强调人机交互和人工智能的交叉结合，包括方法学、 应用和评价。九十年代后期，有大量研究表明用户使用系统时的心理状态和行为 对推理和通讯具有强烈的影响。于是，当前用户界面的研究除了一直研究的理性 和自然因素外，也开始更多关注情感、个性和动机等非认知因素。 未来的智能用户界面将使人机交互更为高效、有效和自然。高效率体现在快 速的任务完成：有效性体现为在恰当的时间做恰当的事，即为用户、任务和对话 环境裁剪恰当的内容并提供恰当的交互形式。自然性即“人一机交互”象“人一 人交互”一样的自然，如支持包括口语、手势等的交互。 以下我们简要介绍一些当前的研究热点。 自适应人机交互界面研究 1 多通道用户界面 多通道用户界面( m u l t i m o d a lu s e ri n t e r f a c e ，简称m u i ) 基于视线跟踪、 语音识别、手势输入、感觉反馈等新的交互技术，允许用户利用本身的内在感觉 和认知技能，使用多个交互通道，以并行、非精确方式与计算机系统进行交互， 旨在提高人机交互的自然性和高效性。 多通道用户界面源于“交谈式计算机”概念。九十年代n n e g r o p o n t e 领导 的m i t 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。国内最早的研究始于北京大学计算机系、中科院软件研 究所和浙江大学。多通道用户界面的主要特点有：使用多个感觉和效应通道；三 维的和直接操纵的；非精确的交互；交互双向性和交互的隐含性。 多通道用户界面研究中的关键技术和主要研究内容有：认知心理学，界面模 型及描述方法，软件结构，多通道整合、多通道的错误纠正机制，构造多通道系 统的框架和工具包 8 7 ，8 8 。 2 自适应用户系统 自适应用户系统( u s e r a d a p t i v es y s t e m ) 是智能用户界面的一个重要子 领域，它也被冠以不同的名称，如自适应用户界面( a d a p t i v eu s e ri n t e r f a c e ) 、 个性化( p e r s o n a l i z a t i o n ) 。最近几年，在电子商务b 2 c 、w e b b a s e d 学习、信 息检索、过滤和移动计算等基于w e b 的信息访问中其应用正变得日益重要。 早在1 9 9 3 年，人们开始研究自适应系统的基本结构。在文献 1 2 中，自适 应系统要求三个模型：系统模型、其他系统模型，以及交互模型。自适应机制的 复杂性则取决于这些模型的质量( 见图卜7 ) 。 系统模型描述了系统可以被改变的特征，比如系统能够去适应或者自适应的 方面。这些方面可能是物理级别上的如屏幕布局，可能是逻辑级别上的如系统逻 辑结构、功能，也可能是任务级的。其他系统模型是系统模型的“概念世界”， 它描述了自适应系统能够适应的系统的属性。在自适应人类用户的情况下，该模 型实际上是用户模型，表达了用户的属性。 1 2 博士学位论文 、一一一_ - - _ _ - - 一一- _ ， 图1 7 自适应交互系统基本模型 交互模型则定义了系统可能的适应性：系统是如何改变的，它能适应些什么。 该模型由对话记录和交互知识库组成。对话记录即是交互过程记录；而推理、自 适应和评价机制构成了交互知识库。 自适应用户系统是以用户模型的获取和应用为基础、使其行为适应于个体用 户的一个交互系统 1 3 。图卜8 给出了如何为用户推荐适应性新闻的过程。 图1 8 为用户推荐适应性新闻的过程 自适应用户系统对用户的适应性在应用中主要体现在：帮助用户获得信息， 推荐产品，界面自适应，支持协同，接管例行工作，为用户裁剪信息，提供帮助， 支持学习和管理引导对话等。实际上，在自适应用户过程中，对用户适应性的 程度取决于用户模型。 3 用户建模 用户模型( u s e rm o d e l s ) 是系统关于用户的知识，这些知识可被用于促进 入杌交互。在自适应用户系统中，用户模型即是其在适应用户过程中，对所需要 的用户信息和假设的收集。用户模型通过对用户的建模实现。 用户建模( u s e rm o d e l i n g ) 是智能用户界面当前和未来的重要研究方向。 用户建模工作可以回溯到二十世纪七十年代后期，源于自然语言对话系统领域。 早期的用户建模工作仅仅是交互系统的一个部分 1 4 ，1 5 ，1 6 ，执行用户建模任务 的部件和执行其他任务的部件之间没有明显的区分。八十年代中期，用户建模部 件开始与系统独立 1 7 ，1 8 。约九十年代中期，a g e n t 技术开始与用户建模技术 集成c 1 9 。 用户建模对人机交互的适应性，主要集中在用户的认知或理性方面，如知识、 信念、偏爱、目标、规戈0 1 2 0 ，z z 。但自九十年代后期本世纪初，用户建模开始 考虑更多非认知因素 2 2 ，2 3 ，2 4 ，如情感状态和个性品质。 目前机器学习是主要的用户建模方法，如神经网络、b a y e s i a n 学习。此外， 在推荐系统中常使用协同过滤算法实现对个体用户的推荐。 4 自适应脑界面和情感界面 自适应脑界面( a d a p t i v eb r a i ni n t e r f a c e s ) 允许用户、尤其严重伤残的 入通过直接控制他们的思想而和计算机进行交互( 2 5 。自适应脑界面是神经系统 科学、计算机科学结合的产物，到目前已获得了初步的成功。 自适应脑界面的核心是神经网络分类器。穿戴便携式脑电国描计器的用户， 经过训练可以控制他们的大脑活动，生成固定的脑电图。神经分类器通过分析用 户的脑电波识别出用户想要执行什么任务，该任务既可以是运动相关的任务如移 动手臂，也可以是认知活动如做算术题。自适应脑界面当用户做二元决策时准确 率达9 0 ，当识别三个任务时有7 0 的准确率。 类似自适应脑界面，也有情感界面( a f f e c t i v ei n t e r f a c e s ) 项目在实施中 1 0 8 。情感计算目标是令计算机具有情感智能，能识别并理解人类用户的情感、 表达并在某些情况下具有感情。当前已取得了一定的成果e 1 0 7 ，2 6 。研究者们非 常有信心计算机能理解人类的情感变化。 1 4 博士学位论文 此外，创新的界面和交互，以及创新的交互模式是未来的主要课题。然而， 无论在任何情况下，如何正确处理用户的隐私权都是不可避免的话题。 总之，未来的用户界面不仅能够通过认知因素来了解用户，也能够从非认知 因素方面感知和理解用户。随着新的交互方式的出现和技术的更进一步发展，人 机界面最终将逐渐消失，人们将很难区分当前进行的交互是人机交互，还是人一 人交互。 i 3 当前现状和差距 i 3 1 国际 自适应界面是当前研究应用的主流方向。自适应界面研究始于七十年代中 期。早期研究有基于用户特点模型的研究，以及基于任务模型的研究两类。后 者通过对特定操作任务的研究，使自适应系统能有效地识别不同计算机操作用户 对该任务的不同操作特点，采用不同的应对方式，从而协助用户有效地完成其操 作。例如1 9 8 5 年开发的适应性在线电话号码簿系统 2 7 ，其电话号码数据库根 据用户使用电话的频率构建；此外s p l i tm e n u