人機(jī)交互技術(shù) 課件 第1、2章 什么是人機(jī)交互、人機(jī)交互概述和發(fā)展

人機(jī)交互技術(shù)第一章

人機(jī)交互概述1.1人機(jī)交互的概念1.1.1為什么要研究人機(jī)交互

自從上個世紀(jì)40年代計算機(jī)誕生以來，計算機(jī)和圍繞計算機(jī)的信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。當(dāng)前，制造業(yè)、IT業(yè)、汽車行業(yè)等許多產(chǎn)業(yè)都有計算機(jī)的身影。人不但要跟電腦、平板、手機(jī)等看得見摸得著的計算機(jī)進(jìn)行交互，而且要和嵌入到汽車、電視、微波爐等機(jī)器內(nèi)部的計算機(jī)進(jìn)行交互?，F(xiàn)在很多人在研究人機(jī)交互，優(yōu)秀的設(shè)計可以提高人們的工作效率，使人們的工作生活更加簡潔，更加方便。什么是人機(jī)交互

人機(jī)交互(Human-ComputerInteraction，簡稱HCI)是一門研究計算機(jī)系統(tǒng)與用戶之間交互關(guān)系的學(xué)問。美國計算機(jī)協(xié)會ACM人機(jī)交互興趣小組（SpecialInterestGrouponComputer–HumanInteraction，簡稱SIGCHI）給出了人機(jī)交互的定義，人機(jī)交互是關(guān)于設(shè)計、評價和實現(xiàn)供人使用的交互式計算系統(tǒng)，以及圍繞這些方法的主要現(xiàn)象進(jìn)行研究的一門學(xué)科。

人機(jī)交互是與認(rèn)知心理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等密切相關(guān)的綜合學(xué)科，可以從不同的角度（計算機(jī)科學(xué)、機(jī)器和人）來研究人機(jī)交互。例如從計算機(jī)科學(xué)的角度，人機(jī)交互的焦點(diǎn)是交互，尤其是單個或多個用戶與一個或多個計算機(jī)的交互，以及通過計算機(jī)系統(tǒng)的人際交互；而從機(jī)器的觀點(diǎn)，計算機(jī)可能是獨(dú)立運(yùn)作的計算機(jī)，也可能是嵌入式計算機(jī)器，比如作為太空駕駛員座艙或者微波爐的一部分。從人類用戶的角度看，需要考慮分布式系統(tǒng)，計算機(jī)輔助通訊，或依靠不同系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同工作等特性。因此，人機(jī)交互既研究機(jī)械裝置，也研究人的因素，人機(jī)交互是當(dāng)代技術(shù)發(fā)展的一個重要支撐領(lǐng)域。人機(jī)交互的簡史發(fā)展是人類亙古不變的主題，一個社會發(fā)展的關(guān)鍵在于其核心生產(chǎn)工具的發(fā)展。計算機(jī)作為新時代的核心生產(chǎn)工具，如何高效地與之交互一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過數(shù)十年的實踐和發(fā)展，人機(jī)交互理念、技術(shù)和外圍設(shè)備逐漸由萌芽走向發(fā)展和成熟。

手工操作和命令行交互階段ENIAC是一個龐然大物，重30余噸，占地約170平方米，包含18000只電子管。研究者通過手工開閉計算機(jī)上的開關(guān)作為輸入，通過機(jī)器上指示燈的明暗作為輸出。如圖所示，在埃尼阿克計算機(jī)中，每個功能表上有多個開關(guān)，用戶通過操作功能表上的開關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。工作人員在設(shè)置ENIAC的一個功能表上的開關(guān)組早期的五孔紙帶上世紀(jì)50年代，人們開始使用穿孔紙帶與計算機(jī)進(jìn)行交互。穿孔紙帶大約一寸寬，中間的一排小孔用來確定位置，兩側(cè)的大孔用來表示信息，穿孔或不穿孔表示1和0，計算機(jī)指令用大孔中的若干個孔表示，一條簡單的程序通常都需要幾米長的紙帶，如圖所示。但是，這種交互方式輸入輸出速度慢，可靠性低，逐漸被淘汰。

DECVT100，一個廣泛應(yīng)用的計算機(jī)終端（1978）

1956年，MIT開始研究使用鍵盤向計算機(jī)輸入信息。60年代中期起，基于鍵盤的命令行接口成為大多數(shù)計算機(jī)的主要交互方式。操作人員在命令行界面中輸入命令，界面接收命令行，然后把命令行文字翻譯成相應(yīng)的系統(tǒng)功能。整個70年代，甚至直到80年代，這種交互方式一直在持續(xù)使用。大家所熟知的Unix操作系統(tǒng)、微軟的DOS系統(tǒng)、以及蘋果的DOS系統(tǒng)都是采用命令行的方式。

圖形化用戶界面階段進(jìn)入70年代，計算機(jī)的使用范圍日趨廣泛，人機(jī)交互的設(shè)計理念隨之前進(jìn)。易用性（Usability）、用戶友好逐漸成為人機(jī)交互設(shè)計的首要考慮要素，人機(jī)交互的理念進(jìn)入以用戶為中心（User-CenteredDesign，簡稱UCD）的時代。道格拉斯?恩格爾巴特拿著他發(fā)明的鼠標(biāo)1968年，Stanford大學(xué)的道格拉斯·恩格爾巴特（DouglasEnglebart）博士發(fā)明了世界上第一個滑動鼠標(biāo)，如圖所示。設(shè)計的初衷是為了使計算機(jī)的操作更加簡捷，代替在鍵盤上敲擊繁瑣的指令。恩格爾巴特制作的鼠標(biāo)是一只小木頭盒子，工作原理是由它底部的小球帶動樞軸轉(zhuǎn)動，從而使得內(nèi)部的變阻器改變阻值來產(chǎn)生位移訊號，經(jīng)計算機(jī)處理，鼠標(biāo)的移動轉(zhuǎn)化成了屏幕上的光標(biāo)的移動。鼠標(biāo)極大地改善了人機(jī)之間的交互方式，這個發(fā)明被電氣與電子工程師協(xié)會（InstituteofElectricalandElectronicEngineers，簡稱IEEE）列為計算機(jī)誕生50年來最重大的事件之一。XeroxPalo于70年代中后期研制出原型機(jī)Star，形成了以窗口、圖標(biāo)、菜單和指示器為基礎(chǔ)的圖形界面，也稱為WIMP界面，Apple公司最先采用了這種圖形界面。1983年，蘋果公司開發(fā)的Lisa桌面電腦配置了鼠標(biāo)，并首次采用了圖形化的用戶界面（GraphicalUserInterface，簡稱GUI）。Lisa創(chuàng)造性地采用了桌面“隱喻(Metaphor)”，使用了位映射(bitamp)、窗口(window)、圖符(icon)等圖形化元素來代表對應(yīng)的操作，用戶可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊方便地與計算機(jī)進(jìn)行交互，如圖所示。Lisa由于售價高，市場接受度不高，但其成就了之后的蘋果Macintosh計算機(jī)。這種基于鼠標(biāo)便捷操作和直觀的圖形化界面的交互方式成為人機(jī)交互進(jìn)化的歷史性變革。(a)Lisa電腦

(b)Lisa的屏幕自然人機(jī)交互階段80年代末，多媒體技術(shù)繁榮發(fā)展。聲卡、圖像卡等硬件設(shè)備的發(fā)明和實現(xiàn)使得計算機(jī)處理聲音及視頻圖像成為可能，多媒體輸入輸出設(shè)備如揚(yáng)聲器、話筒和攝像頭等逐漸為人機(jī)交互所用，如圖所示。人機(jī)交互的內(nèi)容更加豐富有趣，用戶能以聲、像、圖、文等多種媒體信息方式與計算機(jī)進(jìn)行信息交流。用戶利用多媒體技術(shù)與計算機(jī)進(jìn)行生動的交互自然人機(jī)交互輸入設(shè)備的進(jìn)展

自然人機(jī)交互更加注重用戶的個人體驗，以人為中心。在交互輸入方面，從最開始的手工操作開關(guān)、鼠標(biāo)鍵盤輸入，發(fā)展到當(dāng)前的體感交互等自然交互方式。1972年，NolanBushnell發(fā)明了第一個交互電子游戲Pong，首次將操控技術(shù)運(yùn)用到了人機(jī)交互系統(tǒng)中。1977年，ToraDefanti和DanielSandin開發(fā)了一套手套式傳感器系統(tǒng)SayreGlove，用戶只需要帶上這樣特殊的手套就可以向計算機(jī)輸入特定指令。交互顯示設(shè)備的進(jìn)展

在交互顯示方面，人們追求身臨其境的感覺。1838年，CharlesWheatstone研究發(fā)現(xiàn)人類大腦是通過處理左右眼看到的不同視角圖像來產(chǎn)生三維感覺的，這一發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代所有立體顯示技術(shù)的理論基礎(chǔ)，包括裸眼3D、眼鏡式3D、沉浸式VR等。1961年，由Philco公司研發(fā)的Headsight問世，這是世界上第一款頭戴式顯示器，同時該設(shè)備首次融合了頭部追蹤功能，Headsight主要用于隱秘信息的查看。1985年，美國NASA研發(fā)出LCD光學(xué)頭戴顯示器，同時融合了頭部、手部追蹤功能，可實現(xiàn)更加沉浸的體驗，其主要用于太空作業(yè)的模擬訓(xùn)練等。人機(jī)交互的新技術(shù)近年來，隨著機(jī)器視覺、人工智能、模式識別技術(shù)的發(fā)展，以及相應(yīng)的計算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，以手勢識別、動作識別、語音識別等為基礎(chǔ)的自然人機(jī)交互技術(shù)不斷涌現(xiàn)。交互的模式，也從單一通道輸入向多通道輸入改變，最終達(dá)到智能和自然的目的。多點(diǎn)觸控多點(diǎn)觸控技術(shù)是一種允許多用戶、多手指同時傳輸輸入信號，并根據(jù)動態(tài)手勢進(jìn)行實時響應(yīng)的新型交互技術(shù)。該項技術(shù)采用裸手作為交互媒介，使用電學(xué)或者視覺技術(shù)完成信息的采集與定位。

多點(diǎn)觸控技術(shù)經(jīng)過了多年的積累和發(fā)展。該系統(tǒng)在大屏多點(diǎn)觸控系統(tǒng)設(shè)計方面成本低、敏感度高，而且使用計算機(jī)視覺技術(shù)具有較好的擴(kuò)展性。其系統(tǒng)效果圖如下圖所示，用戶可以通過單手或者多手直接操控電腦。單手觸控（左）與雙手觸控（右）

手勢交互

手勢交互是指人通過手部動作表達(dá)特定的含義和交互意圖，通過具有符號功能的手勢來進(jìn)行信息交流和控制計算機(jī)的交互技術(shù)。例如，可以采用如下圖所示的生活中的6種手勢類型，將其語義分別定義為確定/抓取、返回/釋放、鎖定/解鎖、右選、待轉(zhuǎn)/移動、左選操作指令。

手勢交互是一種新興的交互技術(shù)，其技術(shù)核心是手勢識別。根據(jù)識別對象可將手勢識別技術(shù)分為靜態(tài)手勢識別和動態(tài)手勢識別。數(shù)據(jù)手套是一種應(yīng)用較為廣泛的手勢識別方式。右圖形象地描述了數(shù)據(jù)手套的結(jié)構(gòu)。

手勢識別的另一種方式是通過攝像頭采集手勢數(shù)據(jù)。這種方式下，人不需要穿戴額外的手套，裸手即可與計算機(jī)互動。如下圖所示，LeapMotion主要由兩個攝像頭和3個紅外LED組成。LeapMotion的組成結(jié)構(gòu)（左）與圖像效果（右）

人體動作識別

人體動作是人表達(dá)意愿的重要信號，包含了豐富的語義。人體動作是指包括頭、四肢、軀干等人的各個身體部分在空間中的姿勢或者運(yùn)動過程。下圖展示了基于人體動作的人機(jī)交互應(yīng)用。動作分析的人機(jī)交互應(yīng)用

人體動作分析是人機(jī)交互交互系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)，是一個多學(xué)科交叉的研究課題，使用了數(shù)學(xué)建模、圖形圖像分析、模式識別、人工智能等知識，具有重要的理論研究價值。一個完整的人體動作分析過程主要包括動作捕捉、動作特征描述和動作分類識別三大部分。與其他交互手段相比，人體動作交互技術(shù)無論是硬件還是軟件方面都有了較大的提升，交互設(shè)備向小型化、便攜化、使用方便化等方面發(fā)展。

語音交互

語音交互是人以自然語音或機(jī)器合成語音同計算機(jī)進(jìn)行交互的綜合性技術(shù)。機(jī)器通過識別和理解把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令，人通過語音與機(jī)器進(jìn)行對話交流，讓機(jī)器明白用戶的交互意圖。下圖給出了語音交互的示例商業(yè)產(chǎn)品。（a）AppleSiri

（b）amazonecho

語音交互需要對語音識別和語音合成進(jìn)行研究，還要對人在語音通道下的交互機(jī)理、行為方式等進(jìn)行研究。語音交互過程包括四部分：語音采集、語音識別、語義理解和語音合成。語音采集完成音頻的錄入、采樣及編碼；語音識別完成語音信息到機(jī)器可識別的文本信息的轉(zhuǎn)化；語義理解根據(jù)語音識別轉(zhuǎn)換后的文本字符或命令完成相應(yīng)的操作；語音合成完成文本信息到聲音信息的轉(zhuǎn)換。

其它新興的交互方式

人類的交互方式還有很多，當(dāng)前眼球、意念、表情、唇讀等更多的新興手段被引入到人機(jī)交互的領(lǐng)域。這些方式針對不同的應(yīng)用和人群，在特殊情況下更為有效。人機(jī)交互設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)、原則和指導(dǎo)方針人機(jī)交互設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)（1）ISO的人機(jī)工程學(xué)技術(shù)委員會ISO9241包含多個部分，對人機(jī)交互、以人為中心的設(shè)計、用戶界面、用戶體驗、易用性等都有描述。右表是其各個子系列的基本標(biāo)準(zhǔn)號和標(biāo)題。

近年來，以人為中心的人機(jī)交互設(shè)計是人機(jī)交互的一個研究熱點(diǎn)。以人為中心的設(shè)計方法應(yīng)該遵循以下原則。

（1)設(shè)計基于對用戶、任務(wù)和環(huán)境的明確的理解。（2）用戶參與整個設(shè)計和開發(fā)。（3）設(shè)計由以用戶為中心的評估驅(qū)動和改進(jìn)。（4）過程是不斷迭代的。（5）設(shè)計表達(dá)了全部用戶體驗。（6）設(shè)計團(tuán)隊包括多學(xué)科的技能和視角。W3C的多通道交互工作組

2002年，萬維網(wǎng)聯(lián)盟W3C成立多通道交互工作組。工作組的目標(biāo)是制定標(biāo)準(zhǔn)以使得種類繁多的通道之間能夠交互。工作組描述了多通道交互生態(tài)系統(tǒng)一個典型示例，由多個框架組件構(gòu)成，如下圖所示。多通道交互生態(tài)系統(tǒng)示例

人機(jī)交互的原則和指導(dǎo)方針

Shneiderman的界面設(shè)計八個黃金法則：（1）盡力保持一致性（2）使用戶能用快捷鍵操作頻繁使用的項目（3）提供有幫助的反饋信息（4）會話和流程設(shè)計要走向一個完結(jié)（5）提供防止用戶出錯的機(jī)制，并提供簡潔的錯誤提示信息（6）允許便捷的撤銷操作（7）給用戶掌控感（8）減少短時記憶負(fù)擔(dān)Nilesen的10個易用性啟發(fā)式方法：（1）系統(tǒng)狀態(tài)可見（2）系統(tǒng)和真實世界相匹配（3）撤銷重做原則（4）一致性原則（5）防錯原則（6）易取原則（7）靈活高效原則（8）易快速瀏覽原則（9）容錯原則（10）人性化幫助原則PeterMorville的用戶體驗蜂巢圖：

在書中，PeterMorville給出了用戶體驗蜂巢圖，對人機(jī)交互設(shè)計很有指導(dǎo)意義，如左圖所示。用戶體驗蜂巢圖自然人機(jī)交互設(shè)計的指導(dǎo)方針我們認(rèn)為以下幾點(diǎn)方針更符合自然人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計思想。（1）非接觸式的體感交互（2）多通道上下文感知融合（3）虛擬與現(xiàn)實的交互映射（4）注重反饋和限制因素（5）考慮通用性和擴(kuò)展性THANKYOU人機(jī)交互技術(shù)人機(jī)交互概述和發(fā)展

人機(jī)交互的研究內(nèi)容1

人機(jī)交互的發(fā)展歷史2

最新應(yīng)用3總結(jié)4目錄CONTENTS

人機(jī)交互的研究內(nèi)容1人機(jī)交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是關(guān)于設(shè)計、評價和實現(xiàn)供人們使用的交互式計算機(jī)系統(tǒng)，且圍繞這些方面的主要現(xiàn)象進(jìn)行研究的學(xué)科。人機(jī)交互、人機(jī)互動（英文：Human–ComputerInteraction或Human–MachineInteraction，簡稱HCI或HMI），是一門研究系統(tǒng)與用戶之間的交互關(guān)系的學(xué)問。人機(jī)交互的研究內(nèi)容傳統(tǒng)的人機(jī)交互（HumanComputerInteraction，HCI）是研究運(yùn)用什么樣的開發(fā)原理及方法，讓人們可以方便地使用計算機(jī)系統(tǒng)的學(xué)科。20世紀(jì)90年代后期以來，隨著高速處理芯片，多媒體技術(shù)和InternetWeb技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，人機(jī)交互的研究重點(diǎn)放在了智能化交互，多模態(tài)（多通道）-多媒體交互，虛擬交互以及人機(jī)協(xié)同交互等方面，也就是放在以人為中心的人機(jī)交互技術(shù)方面。人機(jī)交互的發(fā)展歷史，是從人適應(yīng)計算機(jī)到計算機(jī)不斷地適應(yīng)人的發(fā)展史。簡單來理解就是研究用戶和計算機(jī)之間交互的學(xué)科，如何讓人們更加方便高效的運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)。新媒體技術(shù)的逐步發(fā)展，豐富了HCI這一領(lǐng)域的研究內(nèi)容，從傳統(tǒng)的人與計算機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)從而控制顯示內(nèi)容和文本的互動，轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟淖匀唤换バ问剑w現(xiàn)形態(tài)也從二維擴(kuò)展到三維可視化的終端顯示。在最初，很多學(xué)者和專家認(rèn)為HCI可以通過網(wǎng)頁設(shè)計、網(wǎng)站設(shè)計來體現(xiàn)，逐漸的發(fā)展至今，我們可以通過虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）技術(shù)、混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)以及影像現(xiàn)實（CR）技術(shù)作為技術(shù)表現(xiàn)形式的手段，基于計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的內(nèi)容和相對計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實所產(chǎn)生的內(nèi)容，針對內(nèi)容、渠道的接受主體（人或其他物體），形成主體、內(nèi)容、渠道這三個要素構(gòu)成的人機(jī)交互產(chǎn)品。人機(jī)交互的研究內(nèi)容筆式交互設(shè)備視覺交互設(shè)備虛擬環(huán)境中的交互

觸覺交互設(shè)備課程內(nèi)容介紹課程內(nèi)容KT點(diǎn)課程內(nèi)容KT點(diǎn)

人機(jī)交互發(fā)展歷史2人機(jī)交互的發(fā)展過程，也是人適應(yīng)計算機(jī)到計算機(jī)不斷地適應(yīng)人的發(fā)展過程。人機(jī)交互發(fā)展歷史59年美國學(xué)者B.Shackel從人在操縱計算機(jī)時如何才能減輕疲勞出發(fā)，提出了被認(rèn)為是人機(jī)界面的第一篇文獻(xiàn)的關(guān)于計算機(jī)控制臺設(shè)計的人機(jī)工程學(xué)的論文。1960年，Liklider

JCK首次提出人機(jī)緊密共棲（Human-Computer

Close

Symbiosis）的概念，被視為人機(jī)界面學(xué)的啟蒙觀點(diǎn)。1969年在英國劍橋大學(xué)召開了第