（计算机应用技术专业论文）人机交互界面定制及生成工具的研究与开发.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 用户界面是软件系统的重要组成部分，也是软件系统中最容易发生变化的部 分，用户界面的开发及维护工作比较繁琐。为了改善这一现状，文章以大型企业集 团中实现多级单位数据上报的需求为背景，在研究了交互设计与用户界面理论的基 础上，分析了当前应用系统中界面设计的局限性。在n e t 平台上设计开发了适用于 初级用户操作的向导式界面定制工具和适用于高级用户操作的可视化界面定制工 具，并使用m v c 模式实现了界面生成工具。此工具将界面定制工具生成的界面文 件与w e b 应用系统整合，生成用户预期的交互界面。该方法允许用户参与到系统界 面的维护中，有效提高了系统的开发和维护效率。 关键词：人机交互，用户界面，界面定制，x m l ，m v c a b s t r a c t u s e ri n t e r f a c ei sa ni m p o r t a n tp a r to fs o f t w a r es y s t e m ，i ti sa l s ot h ep a r tw h i c hi s p r o n et oc h a n g ef r e q u e n t l y , a n dc o n s e q u e n t l yt h ed e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fu s e r i n t e r f a c e sa r ec o m p l i c a t e d t oc h a n g et h i ss i t u a t i o na n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f m u l t i l e v e lr e p o r t i n gi nl a r g e - s c a l e de n t e r p r i s e s ，t h e o r i e so fi n t e r a c t i o nd e s i g na n du s e r i n t e r f a c e sa r es t u d i e d ，l i m i t a t i o n so fi n t e r f a c ed e s i g ni nc u r r e n ts y s t e m sa r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r u s e ri n t e r f a c ec u s t o m i z a t i o ng u i d et o o lf o rp r i m a r yu s e r sa n dv i s u a lt o o lf o r h i g hl e v e lu s e r sa r ed e v e l o p e db a s e do n n e tp l a t f o r m ，a n du s e ri n t e r f a c ea u t o g e n e r a t i o n t o o li s i m p l e m e n t e du s i n gm v c ，w h i c hi n t e g r a t e si n t e r f a c ef i l e sg e n e r a t e df r o mt h e c u s t o m i z a t i o nt o o li n t ow e ba p p l i c a t i o ns y s t e m st oc r e a t e a n t i c i p a t e di n t e r a c t i o n i n t e r f a c e s t h i sm e t h o di n v i t e su s e r si n t om a i n t e n a n c eo fs y s t e m sa n di m p r o v e st h e d e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c ee f f i c i e n c y l i uj i n x i a o ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f m as u x i a k e yw o r d s ：h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ， u s e ri n t e r f a c e ，i n t e r f a c e c u s t o m i z a t i o n ，x m l ，m v c 华北电力大学硕士学位论文 摘要 用户界面是软件系统的重要组成部分，也是软件系统中最容易发生变化的部 分，用户界面的开发及维护工作比较繁琐。为了改善这一现状，文章以大型企业集 团中实现多级单位数据上报的需求为背景，在研究了交互设计与用户界面理论的基 础上，分析了当前应用系统中界面设计的局限性。在n e t 平台上设计开发了适用于 初级用户操作的向导式界面定制工具和适用于高级用户操作的可视化界面定制工 具，并使用m v c 模式实现了界面生成工具。此工具将界面定制工具生成的界面文 件与w e b 应用系统整合，生成用户预期的交互界面。该方法允许用户参与到系统界 面的维护中，有效提高了系统的开发和维护效率。 关键词：人机交互，用户界面，界面定制，x m l ，m v c a b s t r a c t u s e ri n t e r f a c ei sa ni m p o r t a n tp a r to fs o f t w a r es y s t e m ，i ti sa l s ot h ep a r tw h i c hi s p r o n et oc h a n g ef r e q u e n t l y , a n dc o n s e q u e n t l yt h ed e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fu s e r i n t e r f a c e sa r ec o m p l i c a t e d t oc h a n g et h i ss i t u a t i o na n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f m u l t i l e v e lr e p o r t i n gi nl a r g e - s c a l e de n t e r p r i s e s ，t h e o r i e so fi n t e r a c t i o nd e s i g na n du s e r i n t e r f a c e sa r es t u d i e d ，l i m i t a t i o n so fi n t e r f a c ed e s i g ni nc u r r e n ts y s t e m sa r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r u s e ri n t e r f a c ec u s t o m i z a t i o ng u i d et o o lf o rp r i m a r yu s e r sa n dv i s u a lt o o lf o r h i g hl e v e lu s e r sa r ed e v e l o p e db a s e do n n e tp l a t f o r m ，a n du s e ri n t e r f a c ea u t o g e n e r a t i o n t o o li s i m p l e m e n t e du s i n gm v c ，w h i c hi n t e g r a t e si n t e r f a c ef i l e sg e n e r a t e df r o mt h e c u s t o m i z a t i o nt o o li n t ow e ba p p l i c a t i o ns y s t e m st oc r e a t e a n t i c i p a t e di n t e r a c t i o n i n t e r f a c e s t h i sm e t h o di n v i t e su s e r si n t om a i n t e n a n c eo fs y s t e m sa n di m p r o v e st h e d e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c ee f f i c i e n c y l i uj i n x i a o ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f m as u x i a k e yw o r d s ：h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ， u s e ri n t e r f a c e ，i n t e r f a c e c u s t o m i z a t i o n ，x m l ，m v c 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文人机交互界面定制及生成工具的研究 与开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：童! i 必2 e t期：2 塑重：垒：! 参 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：( 骅校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 人机交互界面又称用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) ，是人与计算机之间传递、交换信 息的媒介，是用户使用计算机系统的综合操作环境。用户界面的好坏是评价软件性 能和质量的一个重要指标，它关系到应用系统的性能能否充分发挥，能否使用户准 确、高效、轻松、愉快地工作。 在计算机技术发展的初期，由于系统运行速度慢、价格昂贵并且可靠性差，不 可能实现交互使用，用户必须调整自己的行为去适应机器的要求，因此很少考虑界 面问题；8 0 年代以来，计算机技术取得了较大发展，同时，计算机的使用者也从计 算机专家迅速扩大到未受过专门训练的普通用户，由此极大地提高了用户界面在系 统设计和软件开发中的重要性，强烈地刺激了人机交互界面设计的进步。 由于受传统观念的影响，在很长一段时间里，人机界面一直不为软件开发人员 所重视，他们评价一个应用软件质量高低的唯一标准就是看它功能是否强大，能否 帮助用户完成他们的任务。近年来，由于计算机用户的扩大以及软件行业越来越激 烈的竞争，开发人员开始对人机界面有所重视，但仍然有许多不足之处，主要是界 面设计不合规范，同一个应用系统中界面风格不一致；没有从用户角度出发去设计 界面，以致用户抱怨“软件越来越难用；界面缺乏灵活性，增加了软件的维护负 担，并且难以复用。 随着信息化进程的推进，在政府机关及大型企业集团的日常工作中，下级单位 需要定期向上级申报业务数据，数据从基层单位逐级上报、汇总至集团公司总部或 政府主管部门；而上级单位也需要将通知和文件等逐级发布给下级单位，以实现上 下级之间的及时沟通。目前这些大型企事业单位大都有了自己的管理信息系统，笔 者也曾参与过类似系统的开发，在系统开发和维护过程中发现这些系统都存在着一 个共同的潜在问题，那就是系统中存在大量的重复代码，许多功能类似的模块问存 在代码拷贝的现象，而且系统不够灵活，不能适应用户需求的变化。当用户想要增 加一个模块或修改已有界面的信息时，需要开发人员介入增加页面或修改界面代 码，这样做不仅效率很低而且可能会带来新的错误。所以现在很多系统中都需要给 用户提供一个参与界面维护的平台。 1 2 国内外研究现状及前景 随着计算机软硬件技术的发展，人机交互界面的重要性与日俱增，人机交互界 华北电力大学硕士学位论文 面的研究已经从过去的从属地位上升到一个专门的领域，国内外均有许多专家学者 从事这方面的研究。 1 2 1 国外现状 2 0 世纪9 0 年代，一批人物涌现，一批著作发表，为人机交互理论在业界的应 用打开了局面。d o n a l dn o r m a n 在1 9 9 0 年出版了“t h ed e s i g no f e v e r y d a yt h i n g s ”， j a k o bn i e l s e n 在19 9 4 年出版了“u s a b i l i t ye n g i n e e r i n g ”，v b 之父a l a nc o o p e r 在19 9 5 年出版了“a b o u tf a c e ：t h ee s s e n t i a l so f i n t e r a c t i o nd e s i g n i n g ”，十年后又发布了它的 2 0 版本，同样深受i t 人士的称赞。这些人的著作，经受了时间的考验，现在都成 了经典。 许多西方发达国家已经将用户界面交互技术作为一个专业开设，并在不同的研 究计划中均资助了对人机交互界面的研究。在美国国家关键技术研究计划中，用户 界面被列为六项关键信息技术之一，而且也是2 1 世纪信息技术基础研究的四个主 要方面之一【1 1 ；斯坦福( s t a n f o r d ) 大学从心理学的角度，对智能人机界面中的感知界 面做了研究，他们将现实世界中的感知进行分类，通过对人感知的分析，提出通过 多种通道相结合的方式，扩大人和计算机之间的感知带宽；卡内基一梅隆大学在多 通道界面的研究方面处于世界的前沿，在i n t e r a c t 项目的研究中，以改善人一机 和人一人之间的通讯为目的，致力于构造一个合理而有用的自然多通道界面；麻省 理工大学( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ，m i t ) 的软件智能体研究组在 g a n d a l f 项目中，将多通道交互与智能体结合起来，希望能设计一种拟人化的智 能体，人可以用语音、表情、手势等方式与之交流；欧共体委员会制定了一个欧洲 信息技术战略计划e s p r i t ( e u r o p e a ns t r a t e g i cp r o g r a m m e r f o rr e s e a r c hi n i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) ，对人机界面进行了系统的研究。 1 2 2 国内现状 近年来，随着计算机应用的日益普及，新一代的计算机用户对应用软件的用户 体验，如可操作性、软件操作的舒适性等方面提出了更高的要求，期望应用软件能 尽可能为他们提供一个轻松、愉快、感觉良好的操作环境。因此，友好的交互界面 设计已经成为应用软件开发的一个重要组成部分。 我国国家自然科学基金会、国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 、国家高技术研 究发展计划( 8 6 3 ) 等项目指南中，均将先进的人机交互、虚拟现实技术列为予以特 别关注的资助项目。浙江大学成立了现代工业设计研究所，中国科学院软件研究所 成立了工业设计研究室，把工业产品的界面设计和可用性工程作为重要的工作内 容。北京大学、北京航空航天大学等高等学校已为大学生开设了“人机交互”或“人 2 华北电力大学硕士学位论文 机工程”的课程，为研究生开设这方面课程的更多。1 9 9 6 年和2 0 0 2 年先后在我国 召开了“第一届多通道界面国际会议i c m i 9 6 ”和“第五届亚太c h i 国际会议 a p c h i 0 2 ”，2 0 0 7 年7 月第十二届人机交互会议在北京顺利召开。 综上所述，我们可以看到国际上人机交互技术有飞速的发展，我国也在这个领 域做了大量工作，已经有了较高水平的研究成果和产品。 1 2 3 前景 在人机交互领域，i s o 已正式发布了许多的国际标准，我们国家标准化管理委 员会已经或正在制定相应的国家标准，以便推动我国的标准化工作。近年来，国际 上已广泛采用“以用户为中心的设计( u s e rc e n t e r e dd e s i g n ，u c d ) ”方法，该方法 己被国际标准化组织( i s o ) 作为正式标准以人为中心的交互系统设计过程而发 布，以人为中心、自然、高效将是发展新一代人机交互的主要目标2 1 。 1 3 论文要完成的工作及意义 本课题以中国大唐集团公司审计综合信息管理平台为背景，在分析现有系统中 不完善功能的基础上，总结归纳了系统中的界面样式，力图开发一个界面定制和生 成工具，允许用户参与到界面的维护中来，使用户可以根据业务的需要自己定制界 面，并能自动生成网页；同时考虑到用户对计算机操作熟练程度的不同，为初级用 户提供了按提示步骤操作的向导式界面定制工具，为计算机操作更加熟练的用户提 供了可视化界面定制工具。该工具己被成功应用于审计综合信息管理平台新版本的 开发过程中，并缩短了开发时间、提高了开发效率，取得了良好的效果。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 系统需求概述 第二章系统概述 弟一早承现佩迎 构建用户界面是费时和昂贵的。据统计，在图形用户界面系统中，差不多源代 码和开发时间的5 0 都被用来创建用户界面【3 1 。目前大多数应用系统的用户界面都 是用相同的方法设计，存在着大量的重复编码，延长了软件的开发周期；在应用系 统的使用过程中，用户业务时常变化，比如人员信息管理模块中需要增加人员的任 职情况，这时就需要在数据库的人员表中增加一个任职情况字段，而界面和功能实 现部分也需要做相应的改动。因为系统由开发人员维护，所以需要开发人员修改代 码来改变用户界面和数据视图。当需要修改的模块较少并且比较简单时，开发人员 能迅速的完成修改，但是当系统中需要修改的模块较多且这些模块都用相同的方法 设计时，逐个模块或逐个页面去修改就会效率很低而且可能带来新的错误。 本课题就是要针对这种情况来给用户提供一个界面设计工具，使用该工具用户 可以根据业务需要为新增的模块创建一个新的界面，同时能够打开界面文件对已有 的界面进行编辑，修改页面显示信息，操作完成之后系统能自动将用户操作后的界 面信息保存为x m l 界面文件。本课题还提供了界面生成工具，它能读取用户保存 的界面文件信息并生成相应的交互界面。 2 2 课题目标 本课题的前提是w e b 应用系统中需要的用户表已经创建完毕，是在分析归纳了 当前w e b 应用系统界面样式的基础上完成的，首先将具有代表性的界面样式保存为 图片格式，以界面模板形式保存到数据库表中，然后为用户提供一个向导式的界面 定制工具，用户只要按照该工具提示的步骤进行一步步的选择就能达到既定的目 标，最后一步点击保存就可以把定制好的界面保存为x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ) 格式的界面文件，该文件与后面的界面生成工具结合就能够为用户创建预 期的界面。 向导式界面定制工具操作比较简单，适合初级用户使用；为了给高级用户提供 一个更为丰富的操作界面，笔者还开发了可视化界面定制工具。该工具包含菜单栏、 工具箱、界面显示区、属性编辑区等多个部分，能给用户提供更加生动的操作界面， 其操作界面类似于系统开发人员使用的开发界面，用户可以从工具箱中拖动需要的 控件到界面显示区，在属性编辑区设置控件的相关属性，如控件大小、位置、与之 4 华北电力大学硕士学位论文 关联的数据库字段信息等。编辑完毕的保存方法与向导式界面定制工具类似。 以上两种工具均支持打开已经保存好的界面文件，在原有界面的基础上进行修 改，修改完毕保存时可以选择覆盖原有的文件或另存为新的文件。课题的最后一步 是将保存好的界面文件与应用系统整合，根据界面文件生成相应的交互界面。 2 3 研究内容 本课题的研究内容包括以下四个方面： ( 1 ) 人机交互界面设计的基础知识及先进技术 1 ) 与人机交互界面设计相关的学科知识 界面设计涉及到当今几大热门学科，如认知心理学、人机工程学和计算机科学 等方面的知识，我们要做好用户界面设计就要了解人和计算机。 其中，认知心理学研究我们如何获得世界的信息；这种信息又怎样表征并转化 为知识：它怎样储存；知识又是怎样用来指导我们的注意和行为。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【4 】。 人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用相关理论、 原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科【5 】。该学科更多地从人 本身和系统的角度出发，研究人机关系。它是人机界面学的初期发展阶段的主要研 究内容，并对人机界面学以后的发展产生了重大的影响。 2 ) 界面设计的原则 人机界面设计的好坏与设计者的经验有直接的关系，有些原则对几乎所有良好 的人机界面的设计都是适用的，一般可从可交互性、信息、显示、数据输入等方面 来考虑。 3 ) 人机界面的结构模型 常用的界面设计模型有s e e h e i m 模型、a r c h 模型及面向对象的交互模型m v c 、 p a c 等，本文分析了各模型的优缺点及其适用范围，并重点讲述了m v c 模型。 ( 2 ) 界面设计比较常用的设计模式 w e b 表现模式m v c ( 模型视图控制器) 是我们最常引用的模式，m v c 起源于 2 0 世纪7 0 年代后期，它开始时只是一个由t r y g v er e e n s k a u g 为s m a l l t a l k 平台开发 的框架【6 】，从那以后，在大多数u i 框架和u i 设计思路中，它都扮演着非常重要的 角色。 本课题先对m v c 模式进行了学习研究，之后在界面生成部分用到了该模式。 ( 3 ) 交互设计理论 交互设计是人机交互界面设计中很重要的方面，通过在软件开发过程的前期引 入交互设计，基于软件的产品的行为能够更加接近人的行为，变得更加人性化，产 气 华北电力大学硕士学位论文 品也将更加满足用户的需要。 本课题结合a l a nc o o p e r 的著作研究了交互设计的基本理论，主要研究了以用 户为中心的交互设计方法，讲述了用户参与设计的重要性及其特点和优越性，以及 以用户为中心设计的主要原则。 ( 4 ) 设计实现一个通用的界面定制及生成工具 设计并实现课题目标中所描述的界面定制及生成工具，包括向导式界面定制工 具和可视化界面定制工具，以及最后将定制工具生成的界面文件与w e b 应用系统整 合，生成用户需要的交互界面。 2 4 研究方案 综合前面的系统需求分析，本课题的设计与实现采用c s 和b s 相结合的系统 架构，其中，在界面生成部分用到了界面设计的常用模式m v c 。具体方案如下： ( 1 ) 系统实现方面。界面定制工具和界面生成工具分开实现，其中界面定制工 具采用c s 模式，用户在客户端下载安装后可以独立使用，考虑到用户对计算机的 熟练程度，分别开发向导式界面定制工具和可视化界面定制工具；界面生成部分采 用b s 模式，用户通过浏览器访问w e b 应用系统，进入预期的交互界面。 ( 2 ) 数据库方面。为了保证w e b 应用系统的正常运行，数据库中的基本表是固 定的，不允许用户修改。 ( 3 ) 向导式界面定制工具部分。首先分析归纳通用界面的样式，将代表不同功 能的界面以图片形式保存到数据库中。为了给用户展示界面预计效果，本系统先将 已有系统中界面样式总结归纳为几个有代表性的界面图片，用户在定制时可以选择 自己需要的界面样式进行定制。然后分析向导式界面定制的步骤、每一步要实现的 功能及实现方法，编辑完毕保存界面信息。 ( 4 ) 可视化界面定制工具部分。分析设计编辑界面时可能用到的控件及各控件 的属性编辑器，设计并实现存放控件库的工具箱类，捕获并处理用户从工具箱拖动 控件到界面窗口以及设置控件属性的事件，最后保存界面文件。 ( 5 ) 界面文件的保存。鉴于x m l 的可扩展性、易维护性等优点，这里界面定制 工具生成的界面文件以x m l 文件格式保存，界面中一个界面元素对应x m l 文件中 一个节点。x m l 格式的界面文件能够灵活适应用户需求的变化，便于修改，另外， 用户还可打开已有的界面文件加载己设计好的界面并做适当修改。 ( 6 ) 界面生成工具的实现。采用m v c 模式生成交互界面，将界面显示、获取并 处理用户操作的界面逻辑控制和后台数据库的读写操作分三个部分实现。将用户定 制好的界面信息从x m l 界面文件中解析出来，解析出的界面元素用做界面显示， 界面的逻辑控制和数据库操作部分的功能需要结合w e b 应用系统来完成。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 5 开发及运行环境 根据系统的技术方案，本课题的开发工作是在n e tf r a m e w o r k2 0 环境下进行 的，采用c s 和b s 相结合的模式，使用c 舟语言编写程序代码。其中，界面模板的 保存及界面定制工具用w i n d o w sa p p l i c a t i o n 实现，采用c s 模式；界面生成及界面 与w e b 应用系统的整合用w e b s i t e 实现，采用b s 架构。数据库部分用的是s q l s e r v e r2 0 0 0 数据库系统。 n e tf r a m e w o r k 是支持生成和运行下一代应用程序和x m lw e bs e r v i c e s 的内 部w i n d o w s 组件，其组成结构图如图2 1 所示。它具有两个主要组件：公共语言运 行时( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ) 和n e tf r a m e w o r k 类库( b a s ec l a s sl i b r a r y ) 【7j 。公 共语言运行时是n e tf r a m e w o r k 的基础，可以看作一个在执行时管理代码的代理， 它提供内存管理、线程管理和远程处理等核心服务，并且还强制实施严格的类型安 全以及可提高安全性和可靠性的其他形式的代码准确性。n e tf r a m e w o r k 的另一个 主要组件是类库，它是一个综合性的面向对象的可重用类型集合，可以使用它开发 多种应用程序，这些应用程序包括传统的命令行或图形用户界面( g u i ) 应用程序， 也包括基于a s e n e t 所提供的最新创新的应用程序( 如w e b 窗体和x m lw e b s e r v i c e s ) 。 日圜日曰日 图2 1 n e tf r a m e w o r k 组成结构图 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章用户界面设计与人机交互技术研究 本章主要介绍用户界面设计和人机交互相关的技术，以及这些技术在本课题开 发过程中的应用。 3 1 用户界面概述 用户界面是用户和计算机的接口，用户界面的好坏是评价软件性能和质量的一 个重要指标，它关系到应用系统的性能能否充分发挥，能否使用户准确、高效、轻 松、愉快地工作，因此软件的友好性、易用性对于软件系统至关重要，而这些都与 一个设计良好的用户界面密切相关l g 】。 用户界面大致可分为命令语言用户界面、图形用户界面、多媒体用户界面、多 通道用户界面和虚拟现实用户界面。 3 1 1 命令语言用户界面 真正意义上的人机交互开始于联机终端的出现，此时计算机用户与计算机之间 可借助一种双方都能理解的语言进行交互式对话【9 1 。早期的命令语言人机界面，其 人机通信完全以文本形式通过用户命令和询问的方式完成。这要求惊人的记忆和大 量的训练，要求操作者有较高的专业水平，并且对一般用户错误的处理能力也比较 弱，使入门者望而生畏。这一时期被认为是人机对峙时期。 3 1 2 图形用户界面 图形用户界面( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) 是当前人机界面的主流，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a p p l e 的m a c i n t o s h 、i b m 的 p m ( p r e s e n t a t i o nm a n a g e r ) 、m i c r o s o f t 的w i n d o w s 和运行于u n i x 环境的x w i n d o w 、 o p e n l o o k 和o s f m o t i f 等 1 们。它通过图形的帮助实现人机交互，即计算机通过状 态和位置( 约定的操作) 理解人的意图，然后通过图形和图表等方式反馈处理结果。 w i m p ( w i n d o w i c o n m e n u p o i n t i n gd e v i c e ) ，即窗i s l 、图标、菜单和指点设备， 是图形用户界面中的重要组成部分。 ( 1 ) 窗口( w i n d o w s ) 窗口是屏幕上与一个应用程序相对应的矩形区域，是用户与产生该窗口的应用 程序之间的可视界面。一个典型的窗口，外观上由标题栏、菜单栏、工具栏以及操 作区等组成。 叠 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 图标( i c o n s ) 图标用于标识某个对象标志，很大一部分来源于术语符号，初次接触时需要记 忆，例如最小化、关闭等；还有一部分图标来源于生活，比较象形而不必记忆，比 如喇叭就是调节音量，信封表示邮件等等。 ( 3 ) 菜单( m e n u s ) 菜单是供用户选择的动作命令，常见类型有工具栏( 包括图形工具栏) 、下拉式、 弹出式( 右键菜单) 和级联式( 多层次的菜单) 等。图形用户界面能同时显示不同种类 的信息，使用户在几个环境中切换而不失去工作之间的联系。 ( 4 ) 指点设备( p o i n t i n gd e v i c e s ) 指针是w i m p 界面的一个重要成分，因为w i m p 所要求的交互形式十分依赖于 指点和选择图标这类事物。鼠标是能够完成这种任务的输入设备，在屏幕上展现给 用户的是由输入设备控制的光标。不同形状的光标经常用来区分模式，例如通常的 指针光标是一个箭头，而在画一条直线的时候，可能变成十字准线。光标也可以用 来告诉用户系统正在工作，例如当系统正忙于读文件的时候，可能显示一个钟表或 沙漏图标。指针的光标与图标类似，也是一个小小的位图图像，只是所有的光标还 有一个热点( h o ts p o t ) ，即所指向的位置。 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( e v e n t d r i v e n ) 技术【l0 1 。图形用户界面和人机交互过程极大地 依赖视觉和手动控制的参与，因此具有强烈的直接操作特点。这一时期被认为是人 机协调期。 3 1 3 多媒体用户界面 多媒体技术引入了动画、音频、视频等动态媒体，大大丰富了计算机表现信息 的形式，也提高了人对信息表现形式的选择、控制能力，增强了信息表现与入的逻 辑、创造能力的结合，扩展了人的信息处理能力。借助多媒体用户能提高接受信息 的效率，所以，多媒体信息比单一媒体信息具有更大的吸引力，它更有利于人对信 息的主动探索。 多媒体技术被认为是在智能用户界面和自然交互技术取得突破之前的一种过 渡技术，但多媒体用户界面在信息输入方面仍迫使用户使用常规的输入设备( 键盘， 鼠标器和触摸屏) ，即输入是单通道的，使输入输出表现出极大的不平衡，这种不 足限制了它的应用。 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1 4 多通道用户界面 2 0 世纪8 0 年代后期开始出现多通道用户界面( m u l t i m o d a lu s e ri n t e r f a c e ) 。多 通道用户界面综合采用视线、语音、手势等新的交互通道、设备和技术，使用户利 用多个通道以自然、并行、协作的方式进行人机对话，而机器则通过整合来自多个 通道的精确的和不精确的输入来捕捉用户的交互意图，从而提高交互的自然性和高 效性【l 。研究中涉及键盘、鼠标器之外的输入通道主要是语音和自然语言、手势、 书写及眼部运动。多通道用户界面与多媒体用户界面一道共同提高人机交互的自然 性和效率，它代表了人机交互的一种新范式。 3 1 5 虚拟现实用户界面 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 又称虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 。虚拟现实系统向 用户提供身临其境和多感觉通道体验，它的三个重要特点，所谓的1 3 t 1 2 】，即临境感 ( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i o n ) 、构想性( i m a g i n a t i o n ) 决定了它与以往人机交互 技术的不同特点，反映了人机关系的演化过程：在传统的人机系统中，人是操作者， 机器只是被动的反应；在一般的计算机系统中，人是用户，人与计算机之间以一种 对话方式工作；在虚拟现实中，人是主动参与者，复杂系统中可能有许多参与者共 同在以计算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作，虚拟现实系统的应用十分广 泛，几乎可用于支持任何人类活动和任何应用领域。这也是未来人机界面发展的重 点方向。 当今的信息管理软件正在逐渐的向w e b 上发展，但w e b 中致命的缺陷就是很 难构建理想的用户操作界面，即使用s c r i p t 写好一些控件也很难重用【i3 1 ，更不用 说是采用面向对象的设计方法来设计，这就增加了大型系统的开发与维护的难度。 本课题就是要针对这一现象来实现w e b 用户界面的定制，允许用户参与到界面的维 护之中，并能在应用系统中生成理想的交互界面。该工具尤其适用于帮助大型企业 集团和政府机关实现多级单位数据上报、数据汇总及统计分析。 3 2 常用的界面模型 3 2 1s e e h e i m 模型 s e e h e i m 模型是1 9 8 5 年在德国的s e e h e i m 举行的国际人机界面管理系统研讨会 上首先提出来的 1 4 】，它是最早出现的用户界面模型，也是第一个支持用户界面管理 系统的交互式系统概念模型，为研究用户界面软件体系结构提供了基础。 该模型将用户界面划分为三个成分：表示构件、对话控制和应用接口模型，如 l o 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 所示。其中，表示构件涉及界面的外部表示、交互技术和界面布局，界面的 其他部分不能与外部直接通讯；对话控制部分指定用户和系统之间的对话结构；应 用接口模型建立与应用语义之间的通信联系，描述界面可访问的数据结构和例程， 并负责调用这些例程。该模型强调对话控制部分的作用，但它本身并不支持直接操 作的语法与语义要求，所以对直接操作界面不是非常合适。 3 2 2a r c h 模型 图3 1s e e h e i m 模型 用户 a r c h 模型是在s e e h e i m 模型的基础上提出的，它强调在交互系统开发期间，从 纵向角度( 从用户到应用系统) 将系统分解为层次结构。该模型由5 个部件组成，如 图3 2 所示。 图3 2a r c h 模型 其中，交互部件实现与终端用户的物理交互；表示部件协调对话部件和交互部 件：对话部件负责对应用部件信息格式、用户界面信息格式进行映射；协调部件用 华北电力大学硕士学位论文 于协调对话部件和应用部件之间的通讯：应用部件控制、操作及检索与应用有关的 数据，并完成应用的具体非交互式的功能。 在a r c h 模型中，人们可以对各个部件的功能进行不同的定义，但部件之间的 联系只是采用图3 2 所示的方式。和s e e h e i m 模型一样，对于无具体语义的用户行 为不提供任何反馈。这样，该模型对于提供快速图形输出及复杂的语义反馈具有一 定的局限性。 3 2 3 面向对象的交互模型 ( 1 ) m v c 模型 m v c 模型是最早提出来的面向对象的交互式系统概念模型，最初是在 s m a l l t a l k 8 0 中被用来构建用户界面的【15 1 。该模型由三个部分组成：模型( m o d e l ) 、 视图( v i e w ) 和控制器( c o n t r o l l e r ) ，分别对应于内部数据、数据表示和输入输出控制 部分，其结构如图3 3 所示。 图3 3m v c 模型的结构 模型部件是软件所处理问题逻辑在独立于外在显示内容和形式情况下的内在 抽象，代表对象的内在属性，是整个模型的核心；视图部件把表示模型数据和逻辑 关系及状态信息显示给用户，是交互系统与外界的接口；控制部件处理用户的输入 行为并给模型发送业务事件，再将业务事件解析为模型应执行的动作；同时，模型 的更新与修改也将通过控制器来通知视图，从而保持各个视图与模型的一致性。 m v c 的处理过程为，首先控制器接收用户的请求，并决定应该调用哪个模型来 1 2 华北电力大学硕士学位论文 进行处理：然后模型用业务逻辑来处理用户的请求并返回数据；最后控制器用相应 的视图格式化模型返回的数据，并通过表示层呈现给用户。其中，模型是核心数据 和功能，视图只关心显示数据，控制只关心用户输入，这种结构由于将数据和业务 规则从表示层分开，因此可以最大化地重用代码。本文介绍的界面生成工具使用的 就是这一模型。 ( 2 ) p a c 模型 c o u t a z 于1 9 8 7 年提出了p a c ( p r e s e n t a t i o n ，a b s t r a c t i o n ，c o n t r o l ，表示，抽象， 控制) 模型【1 6 】，又叫做多智能体( m u l t i a g e n t ) 的交互式系统概念模型。p a c 模型是 将一个交互式系统递归构造为多个对象组成的层次结构，将交互式系统的各个功能 模块表示为一系列相互可以进行通讯的a g e n t 。每个p a c 对象均由三个方面构成， 如图3 4 所示。 图3 4p a c 模型 p a c 强调了纵向地抽象用户界面的功能，不同的功能模块都可以用p a ca g e n t 来表示。p a ca g e n t 将应用功能和表现、输入和输出功能都封装在一个对象中，该 对象可以主动的和其他对象通讯；p a c 模型用一个独立的控制器来保持应用语义和 用户界面之间的一致性，并且将控制器独立出来，更加符合用户界面管理系统的设 计思想，因为它和具体实现无关，因此具有更高的抽象层次，可以用来表示用户界 面不同的功能部分。 以上提到的是已有的界面模型，其中最常用的当属m v c 模型。本文用到的界 面生成工具即使用m v c 模型来实现，后面将进行详细阐述。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 人机界面设计原则 人机界面设计的好坏与设计者的经验有直接关系。有些原则对几乎所有良好的 人机界面的设计都是适用的，人机界面的设计不仅要考虑不同的用户、不同的应用 场合和不同的目标，也要考虑可交互性以及信息的显示和数据输入等方式内容【l7 1 。 ( 1 ) 一致性原则 在同一用户界面中，所有的菜单选择、命令输入、数据显示和其他功能应保持 风格的一致性。风格一致的人机界面会给人一种简洁、和谐的美感。一致性主要包 括以下几个方面：用语与用词的一致性、操作方法的一致性、界面格局的一致性、 数据格式的一致性、系统响应的一致性。 对于有良好一致性界面的软件，用户使用起来就会有一种认同感，感到好学、 好用。熟悉了一部分界面的使用后，对其他部分的使用也就“无师自通”了。尤其 是大型系统，因设计人员较多，所以要充分重视保持系统自身的一致性。 ( 2 ) 易用性原则 使用方便是任何类型的软件设计中都必须遵守的一条通则，也是人机交互界面 设计主要追求的目标之一。界面的易用性原则包括以下要求：界面的显示信息要清 晰明了、易读易懂，界面的操作应该简单方便、直接有效，能向用户传递尽量及时 而确切的信息，尽量减少用户的负担。 ( 3 ) 容错性原则 所谓容错性是指软件防止用户错误操作的能力和承受用户操作失误的能力。防 止出现诸如系统中关键数据被破坏，重要处理被不恰当启动等会引起严重后果的用 户误操作【1 8 】。对所有可能造成损害的动作，坚持要求用户确认，例如提问“你肯 定? ”等，对大多数动作应允许恢复( u n d o ) ，对用户出错采取宽容的态度。 用户界面应能对用户的决定做出及时的响应，提高对话、移动和思考的效率， 最大可能的减少击键次数，缩短鼠标移动距离，避免使用户产生无所适从的感觉。 ( 4 ) 易学性原则 易学性的主要内容是使界面具有直观性。功能直观，操作简单，状态明了的界 面才能让用户一学就会，一看就明白。设计者在注重系统的内部结构与模块划分的 合理性的同时，要充分注意界面的易学性，把一切不必要的功能及其显示信息从界 面上去除。人机界面应该提供上下文敏感的求助系统，让用户及时获得帮助，尽量 用简短的动词和动词短语提示命令。 ( 5 ) 有效性原则 人机界面操作的有效性是指用户能用简单快捷的操作实现对系统的控制或实 现相应的功能。用户界面的有效性原则主要是针对有经验的专业用户，他们往往是 1 4 华北电力大学硕士学位论文 信息系统的经常使用者，每天都