软件界面与人机交互设计

1、软件界面鸟人机女互筱计总成绩二平时成绩(30%) 4期末成绩(70%)平时成绩=平时作业、考勤等绪论> 人机界面（j-Jurnarj-Cornpuwr JnierfeHCD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40-80% nOptxr.eoCpun i O <v"© Opoon 3 0 OpUn 4 ©amconRUN©T 眄* g 阳h M« 2W WHOASMig” 色£016i V*l呗人机界面设计的历史A人机界面设计的历史现获祖 1nw世界上第

2、一台数字计算机EN1AC在"19处年由美国 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'他忙I采用手工操作的方法控制计算机O人机界面设计的历史、现状和|» 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姜的工具' 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O老兄，别把 我给忘了"C回收站两上翔I分时系统现在家用电価的操作系统大多都是用KJWindows 95,但在1995年血皿6训g 9 5推出以前，占统治地位 的操作系统是DOS (Dis

3、k Operation. System磁盘操 作系统人> 80年代苹果公司首先将图形(GUJ-GraphicEJ User Jnieri 领域)推出的Macintosh以多 菜单操作和直观的图形界面人机界面的历史性的变革。MacintoshP¥CQ HHL.LU II>微软公司推出了 Windows系统 Win d o0发展到今天得Wi使得GUI被应用于用户面更广 平台。图形界面的特点是人处 忆和敲打繁琐的命令少只需尹 接操纵界面。入机界面设计的历史、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利图形工作站。比较成 熟的商品化系统WA

4、pple的Maciniosh、 J的 PM (Prassniation iMeineigr)、Mlbroyoft的 Windows和运行于Unix环境的X-Window Op 如 Look 和 OSF/Motif。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It基于可重叠多窗口管理技术外» 广泛米用的另一核心技术是事彳牛驱动(Evsni- Driven)技术。A人机界面的未来»忙多通道用户界面国外研允设计键盘、鼠标之外的输入通 道主姜是语音和自然语言、,手势、书写和 眼动方面。mi手写汉字识别A中科院自动化所开发的&quo

5、t;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 匹个汉字的速度书写时.识别率可达92 3%。我国现在已约有300万手写汉字识别系统的用户。mimi1甲年半廉申EMW_m卄riT疥茫W棉£ TXT PBBT*KSbl-1 2 s a sie r| 9 a bu 卜用' w* 中，上岁 匚林郢学东痔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（包活课件 制作笔式授课、，笔式数学公式计算器、，笔式简 谱制作

6、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。处理 EsisyEditor(k -中文语音识别软件中 > 在中文语音识别领域有重姜影响O>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 连续语音中芦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

7、识别大 词汇量（切77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L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 W.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。视线跟踪（眼动）技术汝视线跟蹋（眼动）技术由于其可能代替键盘输入, 鼠标移动的功能丿可能达到"所视即所得"（What You Look at b Wriai You Get）,El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

8、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弓虽迫式、 穿戴式与非 穿戴式、，接触式与非接触式之分O眼动跟踪设备的精度和对用戶的限制利干扰是一 对尖锐的矛盾。美是理PC祖前芸了两个微型炭像头釣设当 消虔不高丿适令殘疾人提 作计篡机良用0视线跟蹋（眼动）技术目前一类产品是采用头戴微 型摄像头的设备少它用来获敢两 眼瞳孔（或角膜）中视点。其采 样率、.精度高，可靠。触觉通道的力反馈装置缰应技术两种。麺一代力反馈感应技术主要有TouchSenseM觉感 脸技术和G-Force Tlie动 TpuchSnse触觉感应技术主要用在鼠标/轨迹球 等产品匚卩动作感应技术(GHs &q

9、uot;)则主要用在动感游戏 控制器中。m：第高蠶蠹霸蠡誦執医学、用率非游戏的髙精厦触觉反馈装置中最著名的 臭田叨f人丄智能买監室M也汩也andJJalisburyzr 发、美国SensAbJa "fechnologies公司生产的 PhanwrnM觉反馈(0自由度)设备和Gho航软件Pharrtom Deshlop Haptic Device生物特征识别技术生物特征识别技术(EtomBtrig)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丿因而指 纹识别被广泛应用于安全、，公安等部门。A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

10、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等的人类特征研允和开发正 引起政府、.企业"研究单位的广泛注意:。rw生物特征识别技术唇读、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。A唇读将人们说话的语音利嘴唇变化的形态结 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。l niii人脸表情识别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屡外'由于它 的难度（自然语言的不规范性

11、等），自然 语言理解仍是计算机科学家和语言学家的 个长项研究目标O虚拟现实技朮A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O»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”投射力到这个环境中'并在其中操作、 控制环境'实现特殊的目的.即人是这种环 境的王宰。病灶切除nm虚沏现实技朮nmnmA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

12、时感知交互手段，最大限度 地方便用户的操作。A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。A该技术的主要特征有以下几方面：> 多感知性(j'jJulti-Sensory)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。侵没感（limjarsjon）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o交互性（Jrrtsractjyjty）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）O构想性（加起&垃iw）强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间/可拓宽

13、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。立体狠笏头盔或显,示翥G'<ID)汝目金方位监观翥(BO3) 墙或显，示羽的自动肯像虚拟环境(34三纟盘魏标三纟直跟踪球 三绘游戏杆 头动位宣脸测翥数擔衣眾三纟隹扫描设备：有鏡紬式利菲 接魁式、手持潮囲定、不同縉 彦之分）可按不同应用环境洒 將虔蓼求来尬级°为便用方良丿 非接訥式三维手持刼光扫撕仪 很受一般用户青略虚拟现实和三维交互设备A三维显示界面：多伦多大学和A血SWayafront司合作研究的新三维显示界面） 采用了新型的"X"三Wolurnr

14、ic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。人类因素»所谓"人的因素羽有三层含义：人对感知过程的认识，包插视觉阅 读肘的认知心理、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。»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、.触觉利听觉的作用丿这样才能使用户 有效地从系统获取信息丿并存入人的记忆中丿然后用 归纳利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

15、和一个长期记忆系统组成。汝大多数人遇到问题时并不进行形式的演绎和归纳推 理少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，同时姜注 意这些启发式策略的一致性。用户技巧>设计人机界面时应该就用户技能对用户进行 分类：A1 新手用户>2平均用户（普通用户）>3专家用戶> 4 偶然用户»用户的类型并不是一成不变的。因此'妾做 用户特性测量.以帮助设计者选择适合于夭 多釵用尸使用的界面类型初支持级别。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O用户使用的频度：即系统是否经常用。用户是否能够自由选用界面:所有的界

16、 面都应当是良好的。:用户对计算机的熟悉程度熟悉程度决定了要使用户达到熟练程度 需要多少训练。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。用户思维能力宅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°标准值養反映了用户群体的差异大小" 主要用于判斷用户界面对不同类型的用 户的适应范围。nta图书谊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&

17、#39;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丿用户特性表系统ID自动化图书借阅系统群体ID图书馆馆员中值身体技能打字（一些）任意性无频率82-10计算机熟悉程度21-4用户知识113智力能力648总分17825任务与用户的特殊蓼求用户要求人机界面能提供一个他早已熟悉丿并感到亲切 自然的环境。尽管每个应用所要求的具体任务千差万别丿但大致可分 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：A认知型任务：获得信息即可执行的活动&qu

18、ot;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 行控制的活动人机界面风格0> （|）就用户界面的具体形式而言，过去经历了扌比 处理联机终端（命令接口）"菜单等多通道 多媒体用户界面和虚拟现实系统O> （2）就用户界面中信息载体类型而言，经历了以 文本为主的字符用户界面（OJD “以二维图形为 主的图形用户界面（GUI）和多媒体用户界面'计 算机与用户之间的通信带宽不断提高。> （3）就计算机输出信息的形式而言，经历了以符 号为主的字符命令语言、以视觉感知为主的图形用 户界面、.兼顾听觉感知的多媒体用户界面利综合运 用多种感观

19、（包插触觉等）的虚拟现实系统。人机界面设计过程人机界面的设计过程可分为下面几个步骤：»创建系统功能的外部模型'确定为完成此系统功能，人和计算机应分别 完成的任务；A考虑界面设计中的典型问题；从质量的角度对界面进行评估。界面设计的模型在人机界面的设计过程中先后涉及四个模型J由软件工程师创建的设计模型；J由人机工程师（或软件工程师）创建的用户模型;J终端用户对未来系统的假想；J系统实现后得到的系统映象。A 般来说'这四个模型之间差别很大，界面设 计肘要充分平衡四者之间的差异'导出一个协 调一致的界面。頁严感觉皑终端用户在脑海里对系统严生 的印象。一 系络聖參包活基

20、于计算机系统的外在表示 （界色Eft/观感）和所有支撑信息（书、手 妙;录像带、帮助文件）,一般来说若 糸统映彖能与系统感觉吻合'用户就会对 系统感到满意井能有效地使用它。i任务分析与建模界面设计的任务分析也使用逐步求精或 面向对象的方法'不过是将该方法应用 到了人的活动中。R任务可以以两种方式应用：J 一种是从实际出发，通过对原有的处于手工 或半手工状态下的应用系统剖析少将其映射 为在人机界面上执行的一组类似的任务。J另一种是通过研究系统的需求规格说明，导 出一组与设计模型、用户模型和系统假想相 协调的用户任务。任务分配A在每个任务中'动作要分配给计算机一般地'

21、;用户承担需要创造，判断和一 探盍的任务'而计算机承担重复检查、' 计算和数据处理笛任务。数据录入,数据恢复和决策支持农合任务。这些混合的任务需要通过人和计算机交互来共同完成。任务分配»任务分配产生两个网络。一个是人的任务网络，一个是计算机的任务网络。人的任务/ m 如何安装.操作和使 用它最后将形成操作过程和用户 手册的基础计算机的任务1 IB厂十乂计算机应担负 的工作。这两种网络都可以用数据流图来设计。A迸行任务分析，工程师必须首先定义任务 并对任务分类，我们可以用逐步求精的方 法实现。例如，一个小软件公司想要为室内设计人 员建立一个计算机辅助设计系统丿通过对 设

22、计人员工作的观察'工程师注意到'室 内设计主要包括以下一些活动：家具布局、） 材料选择、墙面和窗面的选择，对用户的 展示、商定价格和购买，其中每项任务又 可分成子任务。»例如，家具布局可以分为：（1）基于房格局画出楼层平面图；（2）将门窗放在适 当的位置；（3）用家具模板在平面图上画 出家具轮廓；（4）将家具轮廓放到最合适 的位置；（5）标出所有家具轮廓；（0） 画出尺寸以确定位置；（7）画出客户的视礙其他每个主要任务也可以进行类A这七个子任务还可以进一步细分'前六个 子任务的完成可以通过用户界面来操纵信 息和执行动作而进行'而第七个子任务则 由软件自

23、动完成'这一任务基本不需要用 戶干预。>另一种分析方法采用了面向对象的观点。 工程师观察室内设计人员使用的物理对象 以及施加在每个对象上的动作 > 室内设计 人员可以”选择适当家具模板'将其”移动"到合适的位置，"画岀刃家具模 板的轮廓等等.界面的设计模型不必描述 每个动作的实现细节丿但必须定义出完成 最后结果的用尸任务（在这里就是"在平 面图上画出家具轮廓対）。-IIU厂匸 一旦任务分析已经完成，终端用户所需的所有 C （或对象利动作）已经被详细标识卩界面设计活鸟 就开始了。界面设计过程的步骤可以按照以下方式 进行：确定任务的目标和含

24、 （1）（2）将每个目标/含义映射为一系列特定动作； （3）说明这些动作将来在界面上执行的顺序； （4）指明各个系统状态"即上述各动作序列中每 个动作在界面上执行时少界面呈现的形式,（5）定义控制机制，即便于用户修改系统状态的 一些设置剂操作$ （6）说明控制机制怎样作用于系统状态， （7）指明用户应怎样根据界面上反映出的信息解 释系统的状态。界面设计的一般问题>1.系统响应时间>系统响应时间指从用户完成某个控制动作 （例如丿按回车键或点击鼠标）/到软件 给出预期的响应（输出信息或做动作）之 间的这段时间。A系统响应时间有两个重要属性，分别是长 度和易变性。歩易变性猎系统

25、响应时间相对于平均响应时 间的偏差O用户帮助设施常见的帮助设施可分为集成的和附加的两类 集成的帮助设施从一开始就设计在软件里面， 通常，它对用户工作内容是敏感的'因此用 户可以从与刚刚完成的操作有关的主题中选 择一个请求帮助。/附加的帮助设施是在系统建成后再添加到软 件中的在多数情况下'它实际上是一种查 询能力有限的联机用户手册。人们普遍认为，集成的帮助设施优于附加的 帮助设施。>具休设计帮助设施时，必须解决下述一系列问趣（> 在用户与系统交互期间"是否在任何时候都 能获得关于系统任何功能的帮助信息？有两种选择： 提供部分功能的帮助信息和提供全部功能的帮助

26、信息。> （2）用户怎样请求帮助？有3种选择：帮助菜单， 特殊功能键和命令。> （3）怎样显示帮助信息？有3种选择：在独立的窗 口中少扌旨出参考某个文档（不理想）和在屏幕固定位 置显示嗇短提示。> （4）用户怎样返回到正常的交互方式中？有两种 选择：屏幕上的返回按钮和功能键。> （5）怎样组织帮助信息？有3种选择：平面结构、 信息的层次结构和超文本结构。信思处理A出错信息和警告信息'是出现问题时交互 式系统给出的”坏消息彳。出错信息设计 得不好，将向用户提供无用的甚至误导的 信息“反而会加重用户的挫折感。> 一般说来，交互式系统给出的出错信息或警告N 应该

27、具有下述属性。> (1)信息应该使用用户可以理解的术语描述问题。> (2)信息应该提供有助于从错误中恢复的建设性 意见。> (3)信息应该指出错误可能导致哪些负面后果少 以便用户检查是否出现了这些问题 > 并在确实岀现问 题时及时解决。> (4)信息应该伴随着听觉上或视觉上的提示“例 如打在显示信息时同时发出警告铃声，或者信息用明 显表示出错的颜色显示。> (5)信息不能带有指责色彩”也就是说/不能责 怪用户。A在提供命令交互方式肘，必须考虑下列设计 问题。> (1)是否每个菜单选项都有对应的命令？> (2)采用何种命令形式？有3种选择：控制 序

28、列，功能键和键入命令。> (3)学习和记忆命令的难度有多大？忘记 了命令怎么办？>(4)用户是否可以定制或缩写命令？A在理想的情况下'所有应用软件都有一致的 命令使用方法。构造界面原型> 旦设计模型被创建丿它就被实现成一个 原型。为了适应这种迭代的过程'用于界 面设计初原型开发的工具应运而生。这些 工具彼称为用户界面工具箱或用户界面开 发系统(U1D3) o>现在大多数的可视化编程工具丿如"isu引 VisualDelphi等都可以进行界面设计。A管理输入设备，比如鼠标和键盘;A确认用户输入；处理错误和显示出错消息；A提供反馈'比如自动

29、的输入响应;A提供帮助和提示;处理窗口、域利窗口内的滚动；建立应用软件和界面间的连接；A将应用程序与界面管理功能分离;A允许用户定制界面。用户界面设计输入I设计'输出 设计<输入描述输入方式问题描述语言POLI带表头的数据表格TAELE图形输入菜单MENU批处理交互式磁性媒体编译算法设计输出描述-图形< 数据表格正文说明文件输出r硬拷贝 方式磁性媒体编译加工,算法设计操作 < 批处理命令 设计I交互式命令、使用手册A评估可以从非正式的 则试驱动"（如用 户可以临时提供一些反馈）到正式的设计 研究（比如按照统计学的方法向一定量的 用户发放评估问题蔻）。为了收集定性的数据，问题表可以分 耳 型界面的用户