人機(jī)交互技術(shù)課件

人機(jī)交互技術(shù)

第一章緒論

本章課程目標(biāo)：掌握人機(jī)交互的概念掌握人機(jī)交互的研究內(nèi)容瞭解人機(jī)交互的發(fā)展歷史瞭解人機(jī)交互的應(yīng)用FamiliarSystems…Whatisthebelow?Right,acomputerMany(essentiallyall)coursesconcernedwith,e.g.,algorithms,architecture,operatingsystems,…FamiliarSystems…Whatisthebelow?Right,ahumanNotsomanycoursesinyourcurriculumtalkaboutHowever,withouthumanstherewouldbenocomputerscience!FamiliarSystems…So,thesubject(s)ofthiscourse–humancomputerinteractionComputersystem,human,software,hardware,programming,models,…And–mostimportantly,theirinteractionHuman-ComputerInteraction:HCIWhatdohumansdowell?SenselowlevelstimuliPatternrecognitionInductivereasoningMultiplestrategiesAdapting“Hardandfuzzythings”,paraphrasingGeorgeMillerWhatdocomputersdowell?CountingandmeasuringAccuratestorageandrecallRapidandconsistentresponsesDataprocessing/calculationRepetitiveactions“Simpleandsharplydefinedthings”againparaphrasingGeorgeMillerTheInteractionAtahighlevel,lethumansdowhathumansdowellandletcomputersdowhatcomputersdowellTheInteractionLethumansdo:SensingoflowlevelstimuliPatternrecognitionInductivereasoningMultiplestrategiesAdaptingCreatingLetcomputersdo:CountingandmeasuringAccuratestorageandrecallRapidandconsistentresponsesDataprocessingCalculationRepetitiveactionsDefinition–HCIThestudyofpeopleandcomputingandthewaytheyinfluenceeachotherAsetofprocesses,dialogues,andactionsthroughwhichahumanuseremploysandinteractswithacomputerAdisciplineconcernedwiththedesign,evaluationandimplementationofinteractivecomputingsystemsforhumanusewiththestudyofmajorphenomenasurroundingthem.人機(jī)交互是關(guān)於設(shè)計、評價和實現(xiàn)供人們使用的互動式電腦系統(tǒng)，且圍繞這些方面的主要現(xiàn)象進(jìn)行研究的科學(xué)（ACMSIGCHI，1992，第6頁）AutomatedtellermachineHuman-ComputerInteraction(HCI)Humantheend-userofaprogramtheothersintheorganizationComputerthemachinetheprogramrunsonInteractiontheusertellsthecomputerwhattheywantthecomputercommunicateswithresultsTheSystemTheUserInputOutput控制資訊顯示資訊GoalsofHCIImproveproductivityandreducecoststhrough:Safety:Doesthesystempreventdanger?E.g.Nuclearpowerplant,AviationEngineeringFunctionality:Howmanythingscanthesystemdo?Efficiency:Howfewresourcesdoesittaketogetataskdone?Usability/Enjoyably:Howeasytolearnanduseisthesystem?BUTHighfunctionality(manywaysofdoingthesamething)canactuallyreduceusabilityCreateconfusionGoalsofHCI(Cont’d)Computers(inonewayoranother)nowaffecteverypersoninoursocietyIncreasing%utilizecomputersatworkandhomeTonight-counthowmanyinyourroomPeopleshouldnothavetochangeradicallytofitinwiththesystem,thesystemshouldbedesignedtomatchtheirrequirements.FiveKeyIdeasinHCIGoalAstatetheuserwantstoreachtobetalkingwithsomebodyonthephonetohavesavedafileVisibilityTipsControlneedstobevisibleGoodmappingwiththeireffectsSuggestfunctionalityTheUIshouldhelptheuseralwaysunderstand...ThecurrentstateofthesystemWhatoperationscanbedoneWindows…shutdownandupdate!E.g.Whenyoupositionthecursoroverapointonthescreen,itshouldbeclearwhatwouldhappenifyouclickedthemouseFeedbackWhenanythingchangesitshouldbemadevisibleWhenyoudeleteafile,thesystemshouldnotjustsay‘ready’Automobilesteeringandwheel!FiveKeyIdeasinHCI(Cont’d)AffordanceAtechnicaltermreferpropertyofobjectsThesetofoperationsandproceduresthatcanbedonetoanobject‘Perceivedaffordance’iswhattypicalusersthinkcanbedonetoanobjectShouldadoorbepulledorpushed?Whatdoesthisiconmean?Toimprovevisibility/feedbackweneedto:ChooseobjectswithgoodperceivedaffordanceDesigntheUItogeneratebetterperceivedaffordanceFiveKeyIdeasinHCI(Cont’d)TaskAnactiontheuserwantstodotocallsomebodytosavethefileGoalsbegettasks,tasksbegetgoals.DisciplinesContributingtoHCICognitivepsychologyCapabilitiesandlimitationsofhumansensesandthoughtprocessesPeopletendtoselectcognitivestrategiesthatminimizescognitiveeffortsErgonomicsHardwareandsoftwareefficiencyofuseandsafetyLinguisticsSyntaxandsemanticsofcommandsSpeechI/OArtificialintelligenceSpeechI/OIntelligent‘guessing’whattheuserwantstodoKnowledgerepresentationsofusersandtasksSociologyandsocialpsychologyAssistingpeopletoworkingroupswithsoftwareEnsuringsoftwareworksindifferentculturesEngineeringandindustrialdesignDisciplinedmeasurement-basedapproachesEstheticsStoryboardingetc.18

人機(jī)交互的研究內(nèi)容人機(jī)交互的研究內(nèi)容十分廣泛，涵蓋了建模、設(shè)計、評估等理論和方法以及在Web、移動計算、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實等方面的交互設(shè)計技術(shù)。研究內(nèi)容人機(jī)交互介面表示模型與設(shè)計方法（ModelandMethodology）一個交互介面的好壞，直接影響到軟體開發(fā)的成敗。友好人機(jī)交互介面的開發(fā)離不開好的交互模型與設(shè)計方法。因此，研究人機(jī)交互介面的表示模型與設(shè)計方法，是人機(jī)交互的重要研究內(nèi)容之一。研究內(nèi)容可用性分析與評估（UsabilityandEvaluation）可用性是人機(jī)交互系統(tǒng)的重要內(nèi)容，它關(guān)係到人機(jī)交互能否達(dá)到用戶期待的目標(biāo)，以及實現(xiàn)這一目標(biāo)的效率與便捷性。人機(jī)交互系統(tǒng)的可用性分析與評估的研究主要涉及到支持可用性的設(shè)計原則和可用性的評估方法等。研究內(nèi)容多通道交互技術(shù)（Multi-Modal）在多通道交互中，用戶可以使用語音、手勢、眼神、表情等自然的交互方式與電腦系統(tǒng)進(jìn)行通信。多通道交互主要研究多通道交互介面的表示模型、多通道交互介面的評估方法以及多通道資訊的融合等。其中，多通道資訊整合是多通道用戶介面研究的重點和難點。研究內(nèi)容認(rèn)知與智能用戶介面（IntelligentUserInterface，IUI）智能用戶介面的最終目標(biāo)是使人機(jī)交互和人－人交互一樣自然、方便。上下文感知、眼動跟蹤、手勢識別、三維輸入、語音識別、表情識別、手寫識別、自然語言理解等都是認(rèn)知與智能用戶介面需要解決的重要問題。微軟surface演示/v_show/id_XNzkwODUzNg==.html/v_show/id_XNzkwODMwNA==.html研究內(nèi)容虛擬和增強(qiáng)環(huán)境中的交互方法“以人為本”的、自然和諧的人機(jī)交互理論和方法是虛擬現(xiàn)實的主要研究內(nèi)容之一。通過研究視覺、聽覺、觸覺等多通道資訊融合的理論和方法、協(xié)同交互技術(shù)以及三維交互技術(shù)等，建立具有高度真實感的虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生“身臨其境”的感覺。虛擬現(xiàn)實

增強(qiáng)現(xiàn)實（AugmentedReality,AR）增強(qiáng)現(xiàn)實環(huán)境(AR)—指在觀察環(huán)境上疊加虛擬對象的圖像增強(qiáng)現(xiàn)實場景虛擬現(xiàn)實場景例子例子基於混合現(xiàn)實的景觀評價研究內(nèi)容Web設(shè)計（Web-Interaction）重點研究Web介面的資訊交互模型和結(jié)構(gòu)，Web介面設(shè)計的基本思想和原則，Web介面設(shè)計的工具和技術(shù)，以及Web介面設(shè)計的可用性分析與評估方法等內(nèi)容。例子：從尼爾森研究軌跡看UI設(shè)計2006年4月，美國長期研究網(wǎng)站可用性的著名網(wǎng)站設(shè)計師傑柯柏·尼爾森（JakobNielsen）發(fā)表了一項《眼球軌跡的研究》報告（原文：F-ShapedPatternForReadingWebContent）。報告中提出，大多數(shù)情況下流覽者都不由自主的以“Ｆ”形狀的模式閱讀網(wǎng)頁，這種基本恒定的閱讀習(xí)慣決定了網(wǎng)頁呈現(xiàn)F形的關(guān)注熱度。例子：安靜的結(jié)構(gòu)在設(shè)計以內(nèi)容為主的新聞類網(wǎng)站時，應(yīng)該運(yùn)用乾淨(jìng)的結(jié)構(gòu)和清晰的元素組合。直觀地呈現(xiàn)資訊是一個線上新聞?wù)军c的根本需求，為滿足這種需求甚至可以犧牲一些介面視覺。CNN.com的主頁P(yáng)K

USAToday的主頁CNNUSAToday研究內(nèi)容移動介面設(shè)計（MobileandUbicomp）移動計算（MobileComputing）、無處不在計算（UbiquitousComputing）等對人機(jī)交互技術(shù)提出了更高的要求，面向移動應(yīng)用的介面設(shè)計問題已成為人機(jī)交互技術(shù)研究的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。針對移動設(shè)備的便攜性、位置不固定性和計算能力有限性以及無線網(wǎng)路的低帶寬高延遲等諸多的限制，研究移動介面的設(shè)計方法，移動介面可用性與評估原則，移動介面導(dǎo)航技術(shù)，以及移動介面的實現(xiàn)技術(shù)和開發(fā)工具，是當(dāng)前的人機(jī)交互技術(shù)的研究熱點之一。研究內(nèi)容群件（Groupware）群件是指幫助群組協(xié)同工作的電腦支持的協(xié)作環(huán)境，主要涉及個人或群組間的資訊傳遞、群組中的資訊共用、業(yè)務(wù)過程自動化與協(xié)調(diào)，以及人和過程之間的交互活動等。目前與人機(jī)交互技術(shù)相關(guān)的研究主要包括：群件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、電腦支持交流與共享資訊的方式、交流中的決策支持工具、應(yīng)用程式共用以及同步實現(xiàn)方法等內(nèi)容。HCI的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢人機(jī)交互的發(fā)展過程，也是人適應(yīng)電腦到電腦不斷地適應(yīng)人的發(fā)展過程。它經(jīng)歷了幾個階段：圖形用戶介面自然和諧的交互命令行是人類為電腦服務(wù)，還是讓電腦為人類服務(wù)?發(fā)展歷史（一）語言命令交互階段電腦語言經(jīng)歷了由最初的機(jī)器語言，而後是組合語言，直至高級語言的發(fā)展過程。這個過程也可以看作早期的人機(jī)交互的一個發(fā)展過程。發(fā)展歷史（二）圖形用戶介面（GUI）交互階段圖形用戶介面（GraphicalUserInterface，GUI）的出現(xiàn)，使人機(jī)交互方式發(fā)生了巨大變化。GUI的主要特點是桌面隱喻、WIMP技術(shù)、直接操縱和“所見即所得”。與命令行介面相比，圖形用戶介面的人機(jī)交互自然性和效率都有較大的提高。圖形用戶介面很大程度上依賴於菜單選擇和交互小組件（Widget）。圖形用戶介面給有經(jīng)驗的用戶造成不方便，他們有時傾向使用命令鍵而不是選擇菜單，且在輸入資訊時用戶只能使用手這一種輸入通道。圖形用戶介面需要佔用較多的螢?zāi)豢臻g，並且難以表達(dá)和支持非空間性的抽象資訊的交互。發(fā)展現(xiàn)狀（三）自然和諧的人機(jī)交互階段隨著虛擬現(xiàn)實、移動計算、無處不在計算等技術(shù)的飛速發(fā)展，自然和諧的人機(jī)交互方式得到了一定的發(fā)展?；墩Z音、手寫體、姿勢、視線跟蹤、表情等輸入手段的多通道交互是其主要特點，其目的是使人能以聲音、動作、表情等自然方式進(jìn)行交互操作。筆式交互設(shè)備語音交互設(shè)備視覺交互設(shè)備虛擬環(huán)境中的交互設(shè)備觸覺交互設(shè)備自然和諧用戶介面懸浮式顯示手勢控制直接操縱多點觸控第六感科技的驚人潛力MIT印度天才/v_show/id_XMTQ0NjI3NDMy.htmlHCI的應(yīng)用製造業(yè)位於法國Velizy城的汽車協(xié)同設(shè)計中心的標(biāo)誌雪鐵龍（PSA）公司利用3DVIAVirtools技術(shù)作為工業(yè)仿真系統(tǒng)的整合平臺，採用主動式立體Barco'sI-Space5的CAVE洞穴式顯示系統(tǒng)與BarcoCADWall被動式單通道立體投影系統(tǒng)，德國的A.R.T.光學(xué)跟蹤系統(tǒng)以及Haption6D35-45和INCA力回饋系統(tǒng)，用於汽車設(shè)計的檢視、虛擬裝配與協(xié)同專案的檢測等等HCI的應(yīng)用製造業(yè)汽車製造業(yè)中，人機(jī)交互體現(xiàn)在通過旋鈕（或多功能按鍵）輔以多個按鈕通過液晶螢?zāi)伙@示，實現(xiàn)對車輛功能的控制和車輛資訊的查看。例如，福特蒙迪歐HMI的意思即為人機(jī)交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了所有的輔助儀器的控制，包括音響、藍(lán)牙功能、行車電腦等，目地是能讓駕駛者對所有資訊一目了然。並且該系統(tǒng)實現(xiàn)了人與車之間的對話功能。車主可通過該系統(tǒng)，輕鬆把握車輛狀態(tài)資訊、定速巡航設(shè)置、藍(lán)牙免提設(shè)置、空調(diào)及音響的設(shè)置。HCI的應(yīng)用HCI的應(yīng)用醫(yī)療虛擬手術(shù)是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電腦中建立一個模擬環(huán)境，醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的資訊進(jìn)行手術(shù)計畫、訓(xùn)練，以及實際手術(shù)過程中引導(dǎo)手術(shù)的新興學(xué)科。北京黎明視景科技和北京解放軍總醫(yī)院虛擬仿真實驗室合作，開發(fā)了虛擬心臟血管手術(shù)模擬系統(tǒng)。通過對心臟、心血管、心房內(nèi)部、心肺結(jié)構(gòu)等的模擬，實現(xiàn)手術(shù)計畫的制定，手術(shù)排練演習(xí)，手術(shù)教學(xué)，手術(shù)技能訓(xùn)練，術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)後康復(fù)等主要功能。HCI的應(yīng)用醫(yī)療北京航空航太大學(xué)機(jī)器人研究所和北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院合作，開發(fā)具有力覺和圖形一體化顯示功能的虛擬現(xiàn)實牙科手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，一方面為醫(yī)生提供力覺和視覺同步回饋顯示的訓(xùn)練環(huán)境，另一方面，通過兩個觸覺交互設(shè)備，為醫(yī)生提供雙手協(xié)調(diào)操作的訓(xùn)練模式。

HCI的應(yīng)用教育科研由伊利諾州大學(xué)芝加哥分校電子可視化實驗室EVL和交互計算環(huán)境實驗室CEL合作的敘事式沉浸的建設(shè)者及協(xié)同環(huán)境(NarrativeImmersiveConstructionist/CollaborativeEnvironments)，簡稱NICE專案HCI的應(yīng)用教育科研科視設(shè)計並安裝的全沉浸式ChristieTotalVIEW?CAVE（圖1-7），用於在威斯康星州Pier的密爾沃基舉辦的著名的DiscoveryWorld展覽。這套被DiscoveryWorld稱為“人機(jī)互動式虛擬教育”（HIVE）系統(tǒng)運(yùn)用了3D投影顯示技術(shù)——Mirage系列投影機(jī)，實現(xiàn)了的沉浸式3D環(huán)境，使參觀者能夠獲得關(guān)於生活環(huán)境的“近似真實”體驗。HCI的應(yīng)用軍事軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)演練和培訓(xùn)領(lǐng)域是刺激交互技術(shù)發(fā)展的源動力，從早期的飛機(jī)駕駛員培訓(xùn)到今天的軍事戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)演習(xí)仿真等。使用電腦仿真技術(shù)不僅降低成本而且可方便地改變環(huán)境和條件，適用於特殊，危險等環(huán)境。F-35是第一種在座艙裏取消了平視顯示器(HUD)的量產(chǎn)戰(zhàn)鬥機(jī)，F(xiàn)-35的飛行員將在其頭盔綜合顯示器(HMD)面罩上的虛擬平顯上讀取所有數(shù)據(jù)。HCI的應(yīng)用軍事飛行模擬器，由模擬座艙、運(yùn)動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、電腦系統(tǒng)及教員控制臺等五大部分組成，複現(xiàn)飛行器及空中環(huán)境並能夠進(jìn)行操作。HCI的應(yīng)用生活指紋識別和人臉表情識別技術(shù)廣泛應(yīng)用於人們?nèi)粘Ｉ畹耐ㄐ胚^程或者安全保護(hù)。HCI的應(yīng)用生活蘋果iPhone（圖1-10）採用多種交互技術(shù)，提供智能商務(wù)終端，如掌上電腦、智能手機(jī)、PDA、智能固話終端等。通過捷通嵌入式手寫識別eJHWR技術(shù)，將在手寫設(shè)備上書寫時產(chǎn)生的有序軌跡資訊轉(zhuǎn)化為漢字內(nèi)碼；通過捷通華聲嵌入式語音合成eJTTS技術(shù)，利用電腦將任意組合的文本檔轉(zhuǎn)化為聲音檔，並通過聲卡、電話語音卡等多媒體設(shè)備將聲音輸出，提供短信語音播報等功能。HCI的應(yīng)用生活圖1-8“第六感”系統(tǒng)HCI的應(yīng)用文化娛樂在各遊戲廳、展覽館等盛行的地面式互動投影系統(tǒng)，採用了投影技術(shù)，以及控制電腦等組成的一套設(shè)備，可直接向地面和牆面投射影像，其投影分為兩層影像效果，第一層為靜態(tài)影像，而第二層則是運(yùn)用紅外線感應(yīng)技術(shù)，使影像隨著進(jìn)入畫面觀眾的移動而變化，產(chǎn)生與觀眾互動的影像效果。互動投影系統(tǒng)中的一個足球遊戲，在底層的虛擬足球場上模擬球賽，當(dāng)遊戲者參與到遊戲介面中，通過紅外感應(yīng)到參與者的動作，並反映到遊戲介面中，參與者通過投影圖像觸碰圖案中虛擬足球時，足球就可以滾動，甚至可以隨著參與者完成一次精彩的射門。HCI的應(yīng)用文化娛樂數(shù)字展示例如在彭德懷紀(jì)念館中，威亞視訊公司提供的多觸點互動桌面，支持多人同時對媒體內(nèi)容進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、拖動等操作，更符合用戶操作習(xí)慣。全息投影的博物館解說員HCI的應(yīng)用文化娛樂在北京08奧運(yùn)會開幕式採用的高亮度數(shù)字投影設(shè)備（圖1-13）和十一全運(yùn)會開幕式投影系統(tǒng)採用的“大碗幕”（圖1-14）展示了現(xiàn)代投影技術(shù)的巨大創(chuàng)造力。HCI的應(yīng)用文化娛樂在影視製作領(lǐng)域，動作捕捉設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。如圖展示了“加勒比海盜3”製作過程中，運(yùn)動捕捉實驗室場景和最終合成的影片效果。HCI的應(yīng)用體育英國推出三維立體電視節(jié)目（圖1-16），播放了英式橄欖球和足球比賽畫面，通過兩臺攝像機(jī)拍攝，模擬人左右眼的成像，觀眾通過特製的三維立體眼鏡，使大腦對圖像進(jìn)行處理，讓畫面看上去好像在起居室裏現(xiàn)身。給觀眾身臨其境的感覺，球員的一舉一動仿佛就在身邊。HCI的應(yīng)用體育運(yùn)動捕捉系統(tǒng)在體育訓(xùn)練中可以幫助教練員從不同的視角觀察和監(jiān)控運(yùn)動員的技術(shù)動作，並大量地獲取某類技術(shù)動作的運(yùn)動參數(shù)及生理生化指標(biāo)等數(shù)據(jù)，並統(tǒng)計出其運(yùn)動規(guī)律，為科學(xué)訓(xùn)練提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)的技術(shù)指導(dǎo)。曲棍球訓(xùn)練系統(tǒng)Lecture262認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)知心理學(xué)研究：人們?nèi)绾潍@得外部世界資訊，資訊在人腦內(nèi)如何表示並轉(zhuǎn)化為知識，知識怎樣存儲又如何用來指導(dǎo)人們的注意和行為。Lecture263感知和認(rèn)知人的感知即通過人體器官和組織進(jìn)行人與外部世界的資訊的交流和傳遞認(rèn)知是人們在進(jìn)行日?；顒訒r發(fā)生於頭腦中的事情，它涉及思維、記憶、學(xué)習(xí)、幻想、決策、看、讀、寫和交談等

人的感知是認(rèn)知的基礎(chǔ)，認(rèn)知是將感知獲取的資訊綜合運(yùn)用認(rèn)知分為經(jīng)驗認(rèn)知和思維認(rèn)知認(rèn)知過程是相互聯(lián)繫的，單純的一個認(rèn)知過程是非常少見的1.感知通道五種基本感知的絕對閾限:“視覺:在黑暗而空氣清新的夜晚,人們可以看到30英里(48000千米)外的一只燭光(1英里≈1.6千米);聽覺:在安靜的環(huán)境中,人能夠聽到20英尺遠(yuǎn)處的手錶滴答聲(1英尺=0.3米);嗅覺:人能嗅到1公升空氣中散佈的1/10萬毫克的人造麝香的氣味;味覺:人可嘗出9升水中放一茶匙糖的甜味;觸覺:人可感到蜂蜜翅膀距臉頰1釐米處落下。Lecture265視覺感知視覺是人與周圍世界發(fā)生聯(lián)繫的最重要的感覺通道。外界80%的資訊都是通過視覺得到的，因此視覺顯示是人機(jī)交互系統(tǒng)中用的最多的人機(jī)介面。視覺感知可以分為兩個階段：受到外部刺激接收資訊階段和解釋資訊階段。視覺感知特點：一方面，眼睛和視覺系統(tǒng)的物理特性決定了人類無法看到某些事物；另一方面，視覺系統(tǒng)進(jìn)行解釋處理資訊時可對不完全資訊發(fā)揮一定的想像力。進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計需要清楚這兩個階段及其影響，瞭解人類真正能夠看到的資訊。

Lecture266眼睛的構(gòu)造視覺活動始於光，眼睛接收光線，轉(zhuǎn)化為電信號。光能夠被物體反射，並在眼睛的後部成像。眼睛的神經(jīng)末梢將它轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞給大腦。Lecture267視幹細(xì)胞和視錐細(xì)胞的功能區(qū)別視幹細(xì)胞視錐細(xì)胞在低水準(zhǔn)照明時（如夜間）起作用在高水準(zhǔn)照明時（如白天）起作用區(qū)別黑白區(qū)別彩色對光譜中綠色部分最敏感，在遠(yuǎn)離視網(wǎng)膜中心處最多對光譜中黃色部分最敏感，在視網(wǎng)膜中部最多對極弱的刺激敏感主要在識別空間位置和要求敏銳地看物體時起作用

視網(wǎng)膜由視細(xì)胞組成，視細(xì)胞分為視幹細(xì)胞和視錐細(xì)胞兩種。它們是接收資訊的主要細(xì)胞。Lecture268視角和視敏度

視角視敏度：指人眼對細(xì)節(jié)的感知能力，通常用被辨別物體最小間距所對應(yīng)的視角的倒數(shù)表示。通常將能分辨出視角1′的視敏度定為1.0。一般人能夠在2m的距離分辨2mm-20mm的間距，為我們設(shè)計介面時字元大小和間距提供了依據(jù)。Lecture269感知物體大小、相對距離和深度利用視覺影像中的線索：覆蓋關(guān)係：被覆蓋的物體相對較遠(yuǎn)；大小比例：一般來講，較大的物體距離較近；對物體的熟悉度：對非常熟悉物體，人們對物體的大小在頭腦中事先有一個期望和預(yù)測，因此在判斷物體距離時很容易和他看到的物體的大小聯(lián)繫起來

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感知亮度亮度是光線明亮程度的主觀反映

增強(qiáng)亮度可以提高視敏度

隨著亮度的增加，閃爍感也會增強(qiáng)。在高亮度時，光線變化低於50Hz，視覺系統(tǒng)就會感到閃爍在設(shè)計交互介面時，要考慮使用者對亮度和閃爍的感知，儘量避免使人疲勞的因素，創(chuàng)造一個舒適的交互環(huán)境。

Lecture271感知色彩

人能感覺到不同的顏色，這是眼睛接受不同波長的光的結(jié)果。

顏色通常用三種屬性表示：色度、強(qiáng)度和飽和度。色度是由光的波長決定的，正常的眼睛可感受到的光譜波長為400μm-700μm。

視覺行為的整體性格式塔心理學(xué)Lecture274視錯覺萊亞錯覺視錯覺厄任斯錯覺面積大小視錯覺視錯覺背景錯覺視錯覺視錯覺Lecture279視錯覺物體的組合方式將影響觀察者的感知方式：人們總會誇大水平線而縮短垂直線。視錯覺同樣會影響到顯示頁面的對稱性。人們經(jīng)常把對稱頁面的中心看得稍微偏上些，如果頁面以實際中心為基準(zhǔn)排版設(shè)計，人們就會感到頁面上部比下部分要短，影響視覺效果。在實際設(shè)計過程中，設(shè)計者就會以視覺中心為基準(zhǔn)設(shè)計圖形介面。Lecture280閱讀進(jìn)行交互介面設(shè)計時，文字符號的處理，特別是文字的排版和顯示，也要根據(jù)人們的視覺感知特點，找出其中一些規(guī)律。閱讀分為幾個階段：頁面上文字的形狀被人眼感知，文字被編碼成相關(guān)的內(nèi)部語言表示，語言在人腦中被解釋成有語法和語義的單詞或句子成年人閱讀是通過字的特徵（如字的形狀）加以識別。改變字的顯示方式（如用大寫字母，改變字體等），會影響到閱讀的速度和準(zhǔn)確性。Lecture281閱讀9～12號的標(biāo)準(zhǔn)字體（英文）更易於識別，頁面的寬度在58～132mm之間閱讀效果最佳。在明亮的背景下顯示灰暗的文字比在灰暗的背景下顯示明亮的文字更能提高人的視敏度，增強(qiáng)文字的可讀性。顏色模型RGB顏色模型紅綠藍(lán)黃=紅+綠青=綠+藍(lán)白=紅+綠+藍(lán)品紅=紅+藍(lán)RGB三原色混合效果藍(lán)(0,0,1)品紅(1,0,1)青(0,1,1)白(1,1,1)黑(0,0,0)紅(1,0,0)黃(1,1,0)綠(0,1,0)RGB立方體CMYK顏色模型（減性原色系統(tǒng)）藍(lán)=白-紅-綠青=白-紅綠=白-紅-藍(lán)黃=白-藍(lán)黑=白-紅-綠-藍(lán)紅=白-綠-藍(lán)品紅-白-綠CMYK原色的減色效果

HSV顏色模型HSV是指Hue(色相)、Saturation(飽和度)和Value(值或明度)。設(shè)想從RGB沿立方體對角線的白色頂點向黑色頂點觀察，就可以看到立方體的六邊形外形。六邊形邊界表示色彩，水準(zhǔn)軸表示純度，明度沿垂直軸測量。H參數(shù)表示色彩資訊，即所處的光譜顏色的位置。該參數(shù)用一角度量來表示，紅、綠、藍(lán)分別相隔120度?；パa(bǔ)色分別相差180度。

純度S為一比例值，範(fàn)圍從0到1，它表示成所選顏色的純度和該顏色最大的純度之間的比率。S=0時，只有灰度。

V表示色彩的明亮程度，範(fàn)圍從0到1。有一點要注意：它和光強(qiáng)度之間並沒有直接的聯(lián)繫。Lecture288聽覺聽覺感知傳遞的資訊僅次於視覺，可人們一般都低估了這些資訊。人的聽覺可以感知大量的資訊，但被視覺關(guān)注掩蓋了許多。聽覺所涉及的問題和視覺一樣，即接受刺激，把它的特性轉(zhuǎn)化為神經(jīng)興奮，並對資訊進(jìn)行加工，然後傳遞到大腦。Lecture289聲音的處理聲波在空氣中的振動傳播的特性音調(diào)與聲波的頻率有關(guān)，低頻能產(chǎn)生低調(diào)的聲音，高頻能產(chǎn)生高調(diào)的聲音。響度指在頻率一定的情況下聲波的振幅。音色與發(fā)聲的材料有關(guān)，不同的樂器可以產(chǎn)生相同頻率和振幅的聲波，但音色不同。人類能夠聽到頻率在20Hz~20kHz之間的聲音，其中在1000Hz~4000Hz範(fàn)圍內(nèi)聽覺的感受性最高。500Hz以下和5000Hz以上的聲音，強(qiáng)度很大時才能被聽到。響度超過140dB（分貝）時，所引起的不再是聽覺而是痛覺。人可以辨認(rèn)的語音頻率範(fàn)圍是260~5600Hz。Lecture290

聲音的解釋聽覺系統(tǒng)把輸入分為三類：雜訊和可以忽略的不重要的聲音；被賦予意義的非語言聲音，如動物的叫聲；用來組成語言的有意義的聲音。聽覺系統(tǒng)就像視覺系統(tǒng)一樣，利用以前的經(jīng)驗來解釋輸入。LindsayPH和NormanDA的“材料-驅(qū)動”（Data-Driven）和“概念-驅(qū)動”（Conceptually-Driven）過程。材料-驅(qū)動指的是對言語材料在感知水準(zhǔn)上進(jìn)行的加工過程，它是由下而上的分析過程。概念-驅(qū)動則是在理解水準(zhǔn)上進(jìn)行的加工過程，它是由上而下（從最高的結(jié)構(gòu)概念開始）的分析過程。人類聽覺系統(tǒng)對聲音的解釋可幫助設(shè)計人機(jī)交互介面中的語音介面Lecture291

觸覺Touch或者Hapticperception觸覺在交互中的作用是不可低估的，尤其對有能力缺陷的人，如盲人，是至關(guān)重要的觸覺的感知機(jī)理與視覺和聽覺的最大不同在於它的非局部性溫度感受器-冷熱傷害感受器-疼痛機(jī)械刺激感受器-壓力實驗表明，人的手指的觸覺敏感度是前臂的觸覺敏感度的10倍。對人身體各部位觸覺敏感程度的瞭解有助於基於觸覺的交互設(shè)備的設(shè)計。動覺的概念：對人的軀幹和四肢的位置的感覺，主要由於人的關(guān)節(jié)處的感受器。

Lecture292

2.認(rèn)知過程與交互設(shè)計原則認(rèn)知涉及到多個特定類型的過程，包括：感知和識別注意記憶學(xué)習(xí)閱讀說話和聆聽解題、規(guī)劃、推理和決策許多認(rèn)知過程是相互依賴的，一個活動可同時涉及多個不同的過程，只涉及一個過程的情況非常罕見，例如人們在選購商品時就涉及關(guān)注、感知、識別、說話、思考、決策等過程。Lecture293

注意注意就是在某個時刻，從眾多可能的事物中選擇一個，並把精力集中在這個事物上。

注意的不同類型視覺關(guān)注聽覺關(guān)注注意相關(guān)的因素目標(biāo)資訊的表示形式Lecture294資訊表示方法資訊的顯示方式對於人們能否快速捕捉到所需的資訊片斷有很大的影響。分類顯示的資訊就比較便於人們查找。Lecture295注意特點對介面設(shè)計的要求由人的關(guān)注特點，在設(shè)計人機(jī)交互介面時應(yīng)做到。資訊的顯示應(yīng)醒目，以便執(zhí)行任務(wù)時使用，可使用動畫圖形、彩色、下劃線，對條目及不同的資訊進(jìn)行排序，在條目之間使用間隔符等。避免在介面上安排過多的資訊。尤其要謹(jǐn)慎使用色彩、聲音和圖像，人們傾向於使用過多的這類表示，而導(dǎo)致介面混雜，分散用戶的注意力，讓用戶反感。樸實的介面更容易使用。Lecture297

感知和識別在結(jié)合不同的媒體時，應(yīng)確保用戶能夠理解它們表示的複合資訊。在結(jié)合使用聲音和動畫時，需要仔細(xì)協(xié)調(diào)，合理安排它們的調(diào)用次序。在設(shè)計虛擬人物時，就應(yīng)該使其唇形與所說的話同步，兩者之間的微小延遲都會使人難以忍受，這類似於給外文電影配音。用戶應(yīng)能不費(fèi)力地區(qū)別圖示或其他圖形表示的不同含義。聲音應(yīng)足夠響亮而且可辨識，以便用戶理解它們的含義。用戶應(yīng)能夠理解輸出的語音及其含義。文字應(yīng)清晰易讀，且不受背景干擾如可以在黑色或藍(lán)色背景上使用黃色文字，但不能在白色或綠色背景上使用黃色文字。在虛擬環(huán)境中使用觸覺回饋時，用戶應(yīng)能識別各種觸覺表示的含義。例如“緊握”的觸感與“按下”的觸感不同。

黃色黃色黃色黃色Lecture298記憶

記憶就是回憶各種知識以便採取適當(dāng)?shù)男袆?。記憶過程中有三個環(huán)節(jié)：識記：相當(dāng)於資訊的輸入和編碼過程，也就是使不同感官輸入的資訊，經(jīng)過編碼而成為頭腦可接受的形式；保持：相當(dāng)於資訊的貯存，即資訊在頭腦中被再加工整理，使其成為有序地組織結(jié)構(gòu)，以便貯存；再認(rèn)和回憶：再認(rèn)和回憶相當(dāng)於資訊的提取，編碼越完善、組織越有序，提取也就越容易，反之，提取越困難。

廣告詞設(shè)計味道好極了———雀巢咖啡讓我們做的更好———菲力普我們一直在努力———愛多牛肉哪去了———某速食店的漢堡食品維維豆奶,歡樂開懷———維維集團(tuán)我的眼裏只有你———娃哈哈純淨(jìng)水送禮就送腦白金———腦白金Lecture2100減輕記憶負(fù)擔(dān)人的識別能力大於回憶能力圖文介面替代命令介面安裝過程的wizard回憶提示密碼的提示語句Windowxp搜索介面資訊檢索的兩大過程：定向回憶掃描識別Lecture2101Lecture2102交互設(shè)計原則綜上所述，考慮人的記憶特點，進(jìn)行交互設(shè)計時應(yīng)該注意的問題有：應(yīng)考慮用戶的記憶能力，勿使用過於複雜的任務(wù)執(zhí)行步驟。由於用戶長於“識別”而短於“回憶”，所以在設(shè)計介面時，應(yīng)使用菜單、圖示，且它們的位置應(yīng)保持一致。為用戶提供多種電子資訊（如檔、郵件、圖像）的編碼方式，並且通過顏色、標(biāo)誌、時間戳、圖示等，幫助用戶記住它們的存放位置。Lecture2103問題解決問題解決的過程一般包括理解問題、制訂計畫、實施計畫、檢驗結(jié)果四個步驟。要考慮做什麼、有那些選擇、執(zhí)行某個活動會有什麼結(jié)果？Eg:淘寶人的思維認(rèn)知能力取決於在相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗以及對應(yīng)用和技能的掌握程度。設(shè)計時應(yīng)考慮在介面中隱藏著一些附加資訊，專門供那些希望學(xué)習(xí)如何更有效地執(zhí)行任務(wù)的用戶訪問。Lecture2104語言處理—閱讀、說話、聆聽許多人認(rèn)為聆聽要比閱讀容易得多，但學(xué)習(xí)外語時，閱讀要比聆聽容易。以下是三種形式的不同之處：書面語言是永久性的，而聆聽是暫時性的。若第一次閱讀不理解，可以再讀一遍，但對於廣播消息，人們則無法做到這一點。閱讀比聽、說更快。人們可以快速掃描書面文字，但只能逐一聽取其他人所說的詞語。從認(rèn)知的角度來看，聽要比讀和說更容易。兒童尤其喜歡觀看基於多媒體或Web的敘述性學(xué)習(xí)材料，而不喜歡閱讀線上文字材料。書面語言往往是合乎語法的，而口頭語言常常不符合語法。Lecture2105閱讀、說話和聆聽為了彌補(bǔ)人在某些方面的不足，開發(fā)了易於使用的系統(tǒng)。語音輸出系統(tǒng)，如適合盲人使用的文－語轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可輸出人工合成的語音。認(rèn)知輔助系統(tǒng)，用於幫助有閱讀、書寫和語言障礙的人。研究人員已開發(fā)了許多特殊的介面以幫助這些人員。接受用戶語音指令的語音識別系統(tǒng)，如聽寫式字處理系統(tǒng)、聲控家電產(chǎn)品等；幫助人們學(xué)習(xí)外語的互動式課本和基於Web的材料；各種輸入、輸出設(shè)備，用於協(xié)助殘疾人士流覽互聯(lián)網(wǎng)、使用文字處理器和其他軟體包。Lecture2106閱讀、說話和聆聽從方便用戶閱讀、說話和聆聽的角度，在人機(jī)介面設(shè)計時應(yīng)注意：儘量減少語音菜單、命令的數(shù)目。研究表明：人們很難掌握超過三四個語音選項的菜單的使用方法，人們也很難記住含有多個部分的語音指令。應(yīng)重視人工合成語音的語調(diào)，因為合成語音要比自然語音難以理解。應(yīng)允許使用和自由放大文字，同時不影響格式，以方便難以閱讀小字體的用戶。Lecture2107影響認(rèn)知的因素1情感的影響人的行為遠(yuǎn)非如此簡單。情感因素會影響人的感知和認(rèn)知能力。如積極的情感會使人的思考更有創(chuàng)造性、解決複雜問題的能力更強(qiáng)，而消極的情感使人的思考更加片面，還會影響其他方面的感知和認(rèn)知能力；當(dāng)一個人處於放鬆狀態(tài)時，推理、判斷能力會比較強(qiáng)，而當(dāng)他緊張、受到挫折或感到害怕時，正常的推理、判斷能力就會受到影響。當(dāng)一個人處於積極的情感狀態(tài)時，對系統(tǒng)中的交互設(shè)計缺陷可能不會太在意，但這決不能成為可以設(shè)計一個較差的交互系統(tǒng)的理由。一個差的交互系統(tǒng)，會反過來影響一個人的情緒，從而影響他解決問題的能力。一個好的交互系統(tǒng)，應(yīng)該能夠充分考慮人在各種情感狀態(tài)下的認(rèn)知特點，有針對性地進(jìn)行交互的設(shè)計。避免使人產(chǎn)生疲勞的介面：視覺畫面帶來的眼睛的疲勞，反復(fù)的動作產(chǎn)生的身體和腦力的疲勞等；異常行為的判斷：如用戶快速敲擊滑鼠；關(guān)鍵動作時的有意識的提醒：真的要這樣做嗎？情感計算和交流Lecture2108影響認(rèn)知的因素2個體的差異進(jìn)行交互系統(tǒng)設(shè)計時還不應(yīng)該忘記人是存在個性差異的。長期的，如性別、體力和智力水準(zhǔn)；短期的，如壓力和情感因素對人的影響；隨時間變化的，如人的年齡等。人的個性的差異應(yīng)該在進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計時被充分考慮。明確地排除某類人作為系統(tǒng)的用戶是極端的，如現(xiàn)有的強(qiáng)調(diào)圖形介面的交互設(shè)計實際上排除了那些有視力缺陷的人，因此系統(tǒng)應(yīng)考慮提供其他的感知通道。兒童介面的程式（金山畫王）考慮針對女性的介面，老年人的介面，智障人士的用戶介面特點Lecture2110概念模型及對概念模型的認(rèn)知概念模型：指的是一種用戶能夠理解的系統(tǒng)描述，它使用一組集成的構(gòu)思和概念，描述系統(tǒng)做什麼、如何運(yùn)作、外觀如何等。設(shè)計開發(fā)一個概念模型的關(guān)鍵過程包括兩個階段：首先是瞭解用戶任務(wù)需求；然後選擇交互方式，並決定採用何種交互形式（是使用菜單系統(tǒng)，還是使用語音輸入，或命令式的系統(tǒng)）。Lecture2111

概念模型的迭代開發(fā)過程一個完整的概念模型也是一步步充實起來的，可以使用各種方法，包括草擬構(gòu)思；情節(jié)串聯(lián)法；描述可能的場景；設(shè)計原型系統(tǒng)。通過不斷的與用戶交流，逐步完善交互系統(tǒng)的概念模型。Lecture2112對概念模型的認(rèn)知Norman提出了一個用於說明“設(shè)計概念模型”與“用戶理解模型”之間關(guān)係的框架

設(shè)計模型——設(shè)計師設(shè)想的模型，說明系統(tǒng)如何運(yùn)作。

系統(tǒng)映像——系統(tǒng)實際上如何運(yùn)作。

用戶模型——用戶如何理解系統(tǒng)的運(yùn)作。Lecture2113幾種認(rèn)知概念框架

從人們不同的認(rèn)知特點，討論用戶如何理解系統(tǒng)概念模型，它們是：思維模型資訊處理模型外部認(rèn)知模型分佈式認(rèn)知模型Lecture2114思維模型用戶思維模型：人們在學(xué)習(xí)和使用系統(tǒng)的過程中，積累了有關(guān)如何使用系統(tǒng)的知識，而且在一定程度上，也積累了有關(guān)系統(tǒng)如何工作的知識。在認(rèn)知心理學(xué)中，思維模型被認(rèn)為是外部世界的某些因素在人腦中的反映，掌握和運(yùn)用思維模型使得人們能夠進(jìn)行推測和推理。思維模型牽涉到兩個過程—“構(gòu)建”和“運(yùn)用”過程，人們既可能進(jìn)行有意識的思維處理，也可能進(jìn)行無意識的思維處理。

Lecture2115思維模型用以指導(dǎo)交互的重要性錯誤的思維模型帶來錯誤的思維模式：使用空調(diào)調(diào)溫器（受水龍頭、音量控制的影響）；互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁流覽時的錯誤思維模式。Lecture2116

正確的思維模型的建立在理想情況下，用戶開發(fā)的思維模型應(yīng)與設(shè)計人員開發(fā)的概念模型相符，如何幫助用戶達(dá)到這個目標(biāo)是一個非常關(guān)鍵的問題。一個互動式系統(tǒng)在設(shè)計時，應(yīng)該開發(fā)一個易於用戶理解的系統(tǒng)映像，應(yīng)該做到及時回應(yīng)用戶的輸入並給出有用的回饋；提供易於理解的、直觀的回饋資訊。此外，一個好的交互系統(tǒng)還需要提供正確的資訊類型以及正確的資訊層次，以針對不同層次的用戶，提供不同層次的系統(tǒng)透明度。這方麵包括：有條理的、易於理解的說明合適的線上幫助和自學(xué)教程上下文相關(guān)的用戶指南，即，針對不同層次的用戶，解釋在不同的任務(wù)階段應(yīng)如何處理各種情況

Lecture2117資訊處理模型人們把大腦視為一個資訊處理機(jī)，資訊通過一系列有序的處理階段進(jìn)、出大腦。在這些階段中，大腦需要對思維表示（包括映像、思維模式、規(guī)則和其他形式的知識）進(jìn)行各種處理（如比較和匹配）。資訊處理模型的步驟回應(yīng)執(zhí)行回應(yīng)選擇比較編碼輸入或刺激輸出或回應(yīng)Lecture2118資訊處理模型的局限“資訊處理模型”是不是正確地反應(yīng)了人們?nèi)粘５恼J(rèn)知活動呢？它能否解釋真實世界中的認(rèn)知現(xiàn)象，又能否解釋人們與電腦交互時的認(rèn)知活動呢？有些研究人員認(rèn)為，“資訊處理”方法沒有說服力，因為這種方法只是考慮純粹的智能活動，把這種活動同外界的干擾源以及人工輔助物隔離開來。目前，日益被人們認(rèn)同的是在認(rèn)知發(fā)生的上下文中研究、分析認(rèn)知過程。主要目標(biāo)是分析環(huán)境中的結(jié)構(gòu)如何幫助人類認(rèn)知，並減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

Lecture2119外部認(rèn)知模型外部認(rèn)知是要解釋人們在與不同外部表示相交互時涉及的認(rèn)知過程。外部表示包括書本、報紙、網(wǎng)頁、多媒體、地圖、圖表等。其主要目的是要詳細(xì)說明在不同的認(rèn)知活動、認(rèn)知過程中使用不同表示的好處，主要包括：將資訊、知識表面化以減輕記憶負(fù)擔(dān)；eg:記事本設(shè)計有利於人的資訊表示及處理工具，減輕計算負(fù)擔(dān)；標(biāo)注和認(rèn)知追蹤。Lecture2120基於外部認(rèn)知特點的互動式介面設(shè)計原則使用基於外部認(rèn)知的方法進(jìn)行交互設(shè)計時，總體原則是要在介面上提供外部表示，以減輕用戶的記憶和計算負(fù)擔(dān)。為此，設(shè)計人員需要開發(fā)不同類型的可視化資訊，以便用戶解決某個問題，擴(kuò)充和增強(qiáng)認(rèn)知能力。資訊和可視化技術(shù)，可用於表示大量的數(shù)據(jù)，同時允許用戶從不同的角度進(jìn)行交叉比較。設(shè)計良好的GUI也能大大減輕用戶的記憶負(fù)擔(dān)，用戶能夠依賴外部表示提供的線索，與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

便於交互的學(xué)習(xí)系統(tǒng)Lecture2122分佈式認(rèn)知模型分佈式認(rèn)知法描述的是認(rèn)知系統(tǒng)中發(fā)生了什麼，它通常描述人員之間的交互，人們使用的物品及工作環(huán)境。例如，要駕駛飛機(jī)這個活動涉及：駕駛員、副駕駛員和空中交通管制員之間的交互；駕駛員、副駕駛員與駕駛艙內(nèi)各種儀錶的交互；駕駛員、副駕駛員與飛機(jī)所處環(huán)境的交互，如空中航線、跑道。分佈式認(rèn)知的主要目的是要從資訊傳播媒介的角度來描述交互。也就是說，它考慮的是資訊如何表示，資訊在流經(jīng)不同個人以及使用不同物體時是如何重新表示的。這類資訊的轉(zhuǎn)變也稱為“表示狀態(tài)的轉(zhuǎn)變”。Lecture2123分佈式模型與傳統(tǒng)模型輸出(動作)輸入(感官)表示處理

輸入表示表示表示處理處理

輸出分佈式模型傳統(tǒng)模型Lecture2124分佈式認(rèn)知模型在進(jìn)行分佈式認(rèn)知分析時，通常需要考查：分佈式問題的解決方法，包括協(xié)議解決方式語言及非語言行為的任務(wù)，包括說了什麼、眼神和眨眼等暗示什麼、什麼是沒有說出來的使用的各種協(xié)調(diào)機(jī)制，如規(guī)則、規(guī)程協(xié)作活動在進(jìn)行過程中將用到的各種通信路徑如何共用和訪問資訊主要內(nèi)容輸入設(shè)備：文本輸入設(shè)備圖像輸入設(shè)備三維圖形輸入設(shè)備指點輸入設(shè)備等輸出設(shè)備：顯示器聲音的輸出數(shù)字紙等虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的交互設(shè)備本章課程目標(biāo)瞭解文本輸入設(shè)備，圖像輸入設(shè)備，指點輸入設(shè)備，掌握三維圖形輸入設(shè)備瞭解顯示器，聲音的輸出，數(shù)字紙等輸出設(shè)備掌握虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備3.1文本輸入設(shè)備文本輸入是人與電腦交互的一個重要組成部分，同時也是一項繁重的工作。鍵盤輸入是最常見、最主要的文本輸入方式。手寫等一些更自然的交互方式也可為文本輸入提供輔助手段。（1）鍵盤鍵盤是文本輸入的最重要手段，而鍵盤佈局對於文本輸入的速度和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。為了提高鍵盤在某些場合下的使用舒適度，許多鍵盤在設(shè)計的過程中還加入了更多人性化的考慮。鍵盤分類（按工作原理）編碼鍵盤控制電路的功能完全依靠硬體自動完成，能自動將所按下的按鍵的編碼資訊送入電腦。這種鍵盤回應(yīng)速度快，但硬體結(jié)構(gòu)複雜。非編碼鍵盤控制電路功能要依靠硬體和軟體共同完成。這種鍵盤回應(yīng)速度雖然不如編碼鍵盤快，但可通過軟體為鍵盤的某些按鍵重新定義，為擴(kuò)充鍵盤功能提供了極大的方便，因而得到了廣泛的使用。鍵盤的佈局QWERTY鍵盤佈局19世紀(jì)70年代，Sholes發(fā)明了QWERTY鍵盤佈局，其名稱來源於該佈局方式最上行前6個英文字母，最常用的幾個字母安置在相反方向，最大限度放慢敲鍵速度以避免卡鍵。這種佈局方式依然是今天最為常見的排列方式，成為一種事實上的標(biāo)準(zhǔn)。鍵盤的佈局DVORAK鍵盤佈局20世紀(jì)20年代的DvORAK鍵盤佈局，據(jù)推測使用DVORAK，打字者的手指平均每日運(yùn)動1英里，而QWERTY則是12到20英里。DVORAK可以大大減少手指移動距離，從而大大提高輸入速度，但由於受到傳統(tǒng)QWERTY佈局的影響，沒有成為主流的鍵盤佈局。雙手左手右手人性化設(shè)計的鍵盤–人機(jī)工程學(xué)鍵盤是在標(biāo)準(zhǔn)鍵盤基礎(chǔ)上將指法規(guī)定的左手鍵區(qū)和右手鍵區(qū)這兩大板塊左右分開，並形成一定角度，這樣可使操作者不必有意識的夾緊雙臂，從而保持一種比較自然的形態(tài)，這種設(shè)計的鍵盤被微軟公司命名為自然鍵盤（NaturalKeyboard）。固定於椅子上的鍵盤人體工程學(xué)鍵盤固定於桌面上的鍵盤人性化設(shè)計的鍵盤–多功能集成鍵盤這類鍵盤集成了滑鼠、無線等功能，在鍵盤佈局以及外觀設(shè)計方面，針對遊戲、上網(wǎng)流覽等常用娛樂功能做了改進(jìn)。鍵盤正上方設(shè)計的快捷鍵，包括

“IE主頁”、“打開檔夾”、“查找檔”和“進(jìn)入信箱”等12個，許多操作可以一鍵完成。鍵盤的無線接收器採用USB介面，安裝使用也非常方便。

*觸控屏鍵盤*LCD觸控板可變成為原始數(shù)字鍵盤、多媒體快捷控制鍵盤和自定義鍵盤三種模式。（2）手寫設(shè)備手寫筆板+手寫筆:是手寫系統(tǒng)中一個很重要的部分。手寫筆有線筆手寫筆尾部均有一根電纜與手寫板相連，從手寫板上輸入電源。無線筆借助於一些特殊技術(shù)而不需要任何電源。攜帶和使用起來非常方便，同時也較少出現(xiàn)故障。手寫筆一般還帶有兩個或三個按鍵，其功能相當(dāng)於滑鼠按鍵，這樣在操作時不需要在手寫筆和滑鼠之間來回切換。手寫板電阻式壓力手寫板：幾乎已經(jīng)被淘汰電磁式感應(yīng)手寫板：目前市場主流產(chǎn)品電容式觸控手寫板：市場的新生力量，具有耐磨損、使用簡便、敏感度高等優(yōu)點，是今後手寫板的發(fā)展趨勢。電容式觸控手寫板工作原理利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作。電容式觸控屏是一塊四層複合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各塗有一層ITO(鍍膜導(dǎo)電玻璃)，最外層是一薄層矽土玻璃保護(hù)層，ITO塗層作為工作面，四個角上引出四個電極，內(nèi)層ITO為遮罩層以保證良好的工作環(huán)境。當(dāng)手指觸摸在金屬層上時，人體電場、用戶和觸控屏表面形成一個耦合電容，對於高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，於是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分別從觸控屏四角上的電極中流出，並且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置資訊。.net類庫voidtextbox1_StylusDown(objectsender,StylusDownEventArgse){//在用戶將手寫筆的筆尖與手寫板接觸時發(fā)生

Stylus.Capture(textbox1);//捕獲綁定到textbox1的手寫筆，開始資訊獲取}voidtextbox1_StylusMove(objectsender,StylusEventArgse){//在手寫筆與手寫板接觸並移動時發(fā)生Pointpos=e.GetPosition(textbox1);//獲取筆的位置/*如果需要獲取筆的壓力等更多的資訊，可以調(diào)用StylusEventArgs的GetStylusPoints(IInputElement)方法，獲得StylusPoint結(jié)構(gòu)*/textbox1.AppendText("X:"+pos.X+"Y:"+pos.Y+"\n");}voidtextbox1_StylusUp(objectsender,StylusEventArgse){Stylus.Capture(textbox1,CaptureMode.None);//取消資訊獲取}手寫板通用評測指標(biāo)壓感級數(shù)：手寫板可以感應(yīng)到筆在手寫板上的力度的級別，最高為512級。精度：精度又稱解析度，指的是單位長度上所分佈的感應(yīng)點數(shù)，精度越高對手寫的反映越靈敏，對手寫板的要求也越高書寫面積：是手寫板一個很直觀的指標(biāo)，手寫板區(qū)域越大，書寫的迴旋餘地就越大，運(yùn)筆也就更加靈活方便，輸入速度往往會更快，當(dāng)然其價格也相應(yīng)更高。書寫面板的尺寸大體有以下幾種：76mm×51mm、76mm×114mm、10mm×13mm和11mm×15mm手寫漢字識別軟體除了硬體外，手寫筆和手寫板的另一項核心技術(shù)是手寫漢字識別軟體，目前各類手寫筆的識別技術(shù)都已相當(dāng)成熟，識別率和識別速度也能夠滿足實際應(yīng)用的要求。漢王科技股份有限公司董事長劉迎建1985年研發(fā)出第一個聯(lián)機(jī)手寫漢字識別裝置。中科院在1988年提出利用筆段為基元的

聯(lián)機(jī)手寫漢字識別技術(shù)。逍遙筆3.2圖像輸入設(shè)備圖像輸入是人與電腦交互的另外一個重要組成部分。二維掃描器可以快速地實現(xiàn)圖像輸入，且經(jīng)過對圖像的分析與識別，可以得到文字、圖形等內(nèi)容；攝像頭是捕捉動態(tài)場景最常用的工具。（1）二維掃描器二維掃描器對圖像畫面進(jìn)行掃描時，光源將光線照射到待掃描的圖像原稿上，產(chǎn)生反射光或透射光，然後經(jīng)反光鏡組反射到電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）中。CCD圖像感測器根據(jù)反射光線強(qiáng)弱的不同轉(zhuǎn)換成不同大小的電流，經(jīng)模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換處理，將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即產(chǎn)生一行圖像數(shù)據(jù)。同時，在控制電路的控制下，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動驅(qū)動皮帶，從而驅(qū)動光學(xué)系統(tǒng)和CCD掃描裝置在傳動導(dǎo)軌上與待掃原稿做相對平行移動，將待掃圖像原稿逐條線掃入，最終完成全部原稿圖像的掃描。對於彩色圖像掃描，通常使用RGB三色濾鏡，分別生成對應(yīng)於紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三基色的三幅單色圖像，然後將這三幅圖像合成。二維掃描器的性能指標(biāo)（一）解析度:掃描器的解析度決定了最高掃描精度

;在掃描圖像時，掃描解析度設(shè)得越高，生成的圖像的效果就越精細(xì)，生成的圖像檔也越大。掃描器的解析度等於其光學(xué)部件的解析度加上其自身通過硬體及軟體進(jìn)行處理分析所得到的解析度。DPI是指用掃描器輸入圖像時，在每英寸上得到的像素點個數(shù)。解析度為1200DPI的掃描器，往往其光學(xué)部分的解析度只占400～600DPI。擴(kuò)充部分的解析度由硬體和軟體聯(lián)合生成，這個過程是通過電腦對圖像進(jìn)行分析，對空白部分進(jìn)行插值處理所產(chǎn)生的。掃描速度:掃描速度決定了掃描器的工作效率一般而言，以300DPI的解析度掃描一幅A4幅面的黑白二值圖像，時間少於10秒鐘，相同情況下，掃描灰度圖，約需10秒左右，而如果使用三次掃描成像的彩色掃描器，則要2~3分鐘。二維掃描器的性能指標(biāo)（二）二維掃描器的分類目前大部分的掃描器都屬於平板式掃描器主要由上蓋、原稿臺、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分、機(jī)械傳動部分組成。掌上型掃描器和滾筒式掃描器掌上型掃描器與平板掃描器都是

把需要掃描的材料靜止放置，通

過掃描光源的移動來完成掃描。滾筒式掃描器在掃描的過程中保持掃描光源靜止不動，通過卷動掃描材料完成掃描。機(jī)蓋導(dǎo)軌滑桿稿臺齒輪鏈條步進(jìn)電機(jī)平板式掃描器結(jié)構(gòu)（2）數(shù)碼攝像頭數(shù)碼攝像頭的用途數(shù)碼攝像頭可以直接捕捉影像，然後通過電腦的串口、並口或者USB介面?zhèn)魉偷诫娔X裏。數(shù)碼攝像頭沒有存儲裝置和其他附加控制裝置，只有一個感光部件、簡單的鏡頭和不太複雜的數(shù)據(jù)傳輸線路，造價低廉。數(shù)碼攝像頭性能指標(biāo)（一）感光元器件攝像頭使用的鏡頭主要包括CCD和CMOS（附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件）兩種。在相同像素下，CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確，應(yīng)用在攝像、圖像掃描等對於圖像品質(zhì)要求較高的應(yīng)用中。CMOS的製造成本和功耗低，應(yīng)用在一些低端視頻應(yīng)用中。像素數(shù)像素數(shù)是影響圖像品質(zhì)的重要指標(biāo)，也是判斷攝像頭性能優(yōu)劣的重要條件。早期產(chǎn)品以10萬像素的居多，目前則以500萬像素為主。解析度分為照像解析度和視頻解析度：有1280×1024、1280×960、640×480、352×288、320×240、176×144、160×120等規(guī)格一般產(chǎn)品的最高解析度可以達(dá)到1280×1024視頻速度視頻速度和視頻解析度是直接相關(guān)的，基本成反比關(guān)係如640×480解析度可達(dá)12.5幀／秒（FramesPerSecond，F(xiàn)PS），352×288的解析度可得到30FPS，真正獲取流暢的視頻鏡頭鏡頭性能的重要條件是它的調(diào)焦範(fàn)圍以及靈敏性等因素，好的攝像頭，應(yīng)該有較為寬廣的調(diào)焦範(fàn)圍和較高的靈敏性數(shù)碼攝像頭性能指標(biāo)（二）3.3三維圖形輸入設(shè)備在許多領(lǐng)域，如機(jī)器視覺、面形檢測、實物仿形、自動加工、產(chǎn)品品質(zhì)控制、生物醫(yī)學(xué)等，物體的三維資訊必不可少的。三維掃描器是實現(xiàn)三維資訊數(shù)位化的一種極為有效的工具。動作捕捉設(shè)備則用於捕捉用戶的肢體甚至是表情動作，生成運(yùn)動模型。在影視、動漫製作中已被大量應(yīng)用。（1）三維掃描器根據(jù)傳感方式的不同，三維掃描器主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式的三維掃描器採用探測頭直接接觸物體表面，通過探測頭回饋回來的光電信號轉(zhuǎn)換為物體表面形狀的數(shù)字資訊。該類設(shè)備主要以三維座標(biāo)測量機(jī)為代表。其優(yōu)點是具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，但也存在測量速度慢、費(fèi)用較高、探頭易磨損以及誤差修正等缺點。非接觸式的三維掃描器，主要有三維鐳射掃描器，照相式三維掃描器等，分別是基於鐳射掃描測量和結(jié)構(gòu)光掃描測量等技術(shù)設(shè)計的。這類設(shè)備的優(yōu)點是掃描速度快，易於操作，且由於不需接觸被測量的物體，所以對物體表面損傷少等。三維鐳射掃描器照相式三維掃描器通過三維掃描器的建模和繪製過程PolygonalmeshesPointsetsLaserScanner三維掃描器工作原理三維鐳射掃描器通過高速鐳射掃描測量技術(shù)，獲取被測對象表面的空間座標(biāo)數(shù)據(jù)。時間差測量法通過測量鐳射在儀器和目標(biāo)物體表面的往返時間，計算儀器和點間的距離，進(jìn)而可以計算掃描點的三維座標(biāo)值。三維掃描器工作原理三角測量法三角測量法通過光源孔發(fā)射出一束水準(zhǔn)的雷射光束來掃描物體。該鐳射線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平面鏡的作用，改變角度，使得鐳射線發(fā)射到物體表面。物體表面反射雷射光束，每一條鐳射線都通過CCD感測器採集成一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)物體表面不同的形狀，每條鐳射線反射回來的資訊中所包含表面形狀和顏色數(shù)據(jù)不同。三角測量法多幅深度圖像合併（2）動作捕捉設(shè)備動作捕捉系統(tǒng)在運(yùn)動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤點，由系統(tǒng)捕捉跟蹤點在三維空間中運(yùn)動的軌跡，再經(jīng)過電腦處理後，提供給用戶物體的運(yùn)動數(shù)據(jù)。在動畫製作中，動畫師可以將數(shù)據(jù)與動畫角色合成，生成動畫，然後很方便地在電腦中調(diào)整、控制運(yùn)動的物體。運(yùn)動捕捉設(shè)備分類機(jī)械式、電磁式、光學(xué)式捕捉設(shè)備動作捕捉設(shè)備工作原理機(jī)械式動作捕捉設(shè)備利用可伸縮的機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝於捕捉物體上，以取得各部分的運(yùn)動量。優(yōu)點是成本低廉，但這種方式限制了運(yùn)動物體的自由運(yùn)動，且由於機(jī)械設(shè)備的尺寸、重量等問題，因而限制了其應(yīng)用範(fàn)圍。電磁式設(shè)備將若干低頻磁場感應(yīng)器安裝在捕捉物體上，根據(jù)感應(yīng)器接收到的磁場，可以計算出接收器相對於發(fā)射器的位置和方向。但其由於易受電磁干擾影響到了捕捉數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性，對於作業(yè)場地的要求也非常嚴(yán)格。光學(xué)式運(yùn)動捕捉利用電腦視覺原理。從理論上說，對於空間中的一個點，只要它能同時為兩部攝相機(jī)所見，則根據(jù)同一時刻兩部攝相機(jī)所拍攝的圖像和對應(yīng)參數(shù)，就可以確定這一時刻該點在空間的位置。攝相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運(yùn)動軌跡。光學(xué)式運(yùn)動捕捉便是利用這一點通過對目標(biāo)上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動捕捉的任務(wù)。運(yùn)動捕捉在《指環(huán)王》中應(yīng)用運(yùn)動捕捉Dr.MichaelBrown表情追蹤表情追蹤SDU運(yùn)動捕捉3.4指點輸入設(shè)備指點設(shè)備常用於完成一些定位和選擇物體的交互任務(wù)。物體可能處於一維、二維、三維或更高維的空間中，而選擇與定位的方式可以是直接選擇，或通過操作螢?zāi)簧系挠螛?biāo)來完成。（1）滑鼠1963年，美國科學(xué)家DouglasEnglebart發(fā)明了滑鼠器。他最初的想法是為了讓電腦輸入操作變得更簡單、容易。第一只滑鼠器的外殼是用木頭精心雕刻而成的，整個滑鼠器只有一個按鍵，在底部安裝有金屬滾輪，用以控制游標(biāo)的移動?；蟮氖褂檬沟秒娔X的操作更加簡便，有效代替了鍵盤的繁瑣指令?；蟮姆诸?）機(jī)械式滑鼠工作原理：在機(jī)械式滑鼠底部有一個可以自由滾動的球，在球的前方及右方裝置兩個支成90度角的編碼器滾軸，移動滑鼠時小球隨之滾動，便會帶動旁邊的滾軸，前方的滾軸記錄前後滑動，右方的滾軸記錄左右滑動，兩軸一起移動則代表非垂直及水準(zhǔn)方向的滑動。編碼器由此識別滑鼠移動的距離和方位，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號傳給電腦，以確定游標(biāo)在螢?zāi)簧系恼_位置。

滑鼠的分類2）光電式滑鼠工作原理:利用一塊特製的光柵板作為位移檢測元件，光柵板上方格之間的距離為0.5mm?；笃鲀?nèi)部有一個發(fā)光元件和兩個聚焦透鏡，發(fā)射光經(jīng)過透鏡聚焦後從底部的小孔向下射出，照在滑鼠器下麵的光柵板上，再反射回滑鼠器內(nèi)。當(dāng)在光柵板上移動滑鼠器時，由於光柵板上明暗相間的條紋反射光有強(qiáng)弱變化，滑鼠器內(nèi)部將強(qiáng)弱變化的反射光變成電脈衝，對電脈衝進(jìn)行計數(shù)即可測出滑鼠器移動的距離。

滑鼠與電腦的介面串行介面設(shè)計(梯形9針介面)；隨著PC機(jī)器上串口設(shè)備的逐漸增多，串口滑鼠逐漸被採用新技術(shù)的PS/2介面滑鼠所取代(小圓形介面)；隨著即插即用概念的提出，使得採用USB介面的滑鼠成為主流；而對於一些有專業(yè)要求的用戶而言，採用紅外線信號來與電腦傳遞資訊的無線滑鼠也成為一種專業(yè)時尚?；蟮陌存I從按鍵而言，依次經(jīng)歷了兩鍵、三鍵時代。隨著INTERNET的普及，人們發(fā)現(xiàn)，在滑鼠上加上一個小小的輪軸更便於流覽網(wǎng)頁，這樣，又出現(xiàn)了滾輪滑鼠，目前的滑鼠以三鍵滾輪滑鼠為主。新型滑鼠無線滑鼠採用紅外線信號或藍(lán)牙信號來與電腦傳遞資訊。3D振動滑鼠具有全方位立體控制能力，有前、後、左、右、上、下六個移動方向，而且可以組合出前右、左下等不同的移動方向；並且具有振動功能，即觸覺回饋功能。（2）觸摸板（Touchpad）

觸摸板能夠在一定的區(qū)域內(nèi)（通常是50~75毫米長度）感應(yīng)接觸，將這種接觸信號轉(zhuǎn)發(fā)給電腦處理。目前，觸摸板已應(yīng)用到筆記本電腦上，可以替代滑鼠。觸摸板通過電容感應(yīng)來獲知用戶的手指移動情況，對手指熱量並不敏感。

同滑鼠相比，觸摸板的使用更加靈活，在使用過程中，通過更多的配置，可以得到更強(qiáng)的功能。

觸摸板以及觸摸板的配置

可以把觸摸板的四個角落定義成不同的按鈕，這些特殊的角落稱為“角落輕敲區(qū)”。於是，利用四個角落輕敲區(qū)和手寫板的中間輕敲區(qū)，加上原來的兩個按鈕，就可以把觸摸板變成擁有七個按鈕的滑鼠（3）控制桿

控制桿很適宜於跟蹤目的（即追隨螢?zāi)簧弦粋€移動的目標(biāo)）的原因是移動對應(yīng)的游標(biāo)所需的位移相對較小，同時易於變換方向。

控制桿的移動導(dǎo)致螢?zāi)簧嫌螛?biāo)的移動。根據(jù)兩者移動的關(guān)係，可以將其分為兩大類：位移定位和壓力定位。對於位移定位的控制桿，螢?zāi)簧系挠螛?biāo)依據(jù)控制桿的位移而移動，因而位移是非常重要的定位特徵。而對於壓力定位的控制桿，其受到的壓力被轉(zhuǎn)化為螢?zāi)簧嫌螛?biāo)的運(yùn)動速度。（4）光筆

光筆是一種較早用於繪圖系統(tǒng)的交互輸入設(shè)備，它能使用戶在螢?zāi)簧现更c某個點以執(zhí)行選擇、定位或其他任務(wù)。光筆使顯示器在指定亮點上暫時“凍結(jié)”，光筆和圖形軟體相配合，可以在顯示器上完成繪圖，修改圖形和變換圖形等複雜功能。

光筆的的原理圖光筆的形狀和普通鋼筆相似，它由透鏡、光導(dǎo)纖維、光電元件、放大整形電路和接觸開關(guān)組成。其工作方式包括指點和跟蹤。指點方式包括確定位置和確定對象。這個過程又稱為擊中。指點過程非常迅速，並可立即恢復(fù)，所以用戶不會察覺顯示暫停。跟蹤方式則指定螢?zāi)簧夏骋稽c，按下接觸開關(guān)，經(jīng)光筆程式產(chǎn)生的十字形游標(biāo)，顯示在該點上。光筆的優(yōu)缺點

光筆的優(yōu)點不需要特殊的顯示幕幕，與觸摸屏的設(shè)備相比較，價格便宜許多；在一些不適宜使用滑鼠的地方，可以起到替代作用。光筆的缺點手和筆跡可能將遮擋螢?zāi)粓D像的一部分；會造成手腕的疲勞；光筆不能檢測黑暗區(qū)域內(nèi)的位置；會因房間背景光的影響，光筆產(chǎn)生誤讀現(xiàn)象。（5）觸摸屏

觸摸屏作為一種特殊的電腦外設(shè)，提供了一種簡單、方便、自然的人機(jī)交互方式，在某些應(yīng)用中，可以代替滑鼠或鍵盤。操作觸摸屏?xí)r，需要首先用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然後系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖示或菜單位置來定位選擇資訊輸入。觸摸屏的組成、分類觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器螢?zāi)磺懊?，用於檢測用戶觸摸位置，然後傳送給觸摸屏控制器。而觸摸屏控制器