人機(jī)交互技術(shù)及其應(yīng)用(科普)

人機(jī)交互技術(shù)及其應(yīng)用(科普)人機(jī)交互技術(shù)及其應(yīng)用（科普）信息技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)人類生產(chǎn)、生活帶來了廣泛而深刻的影響。高科技成果為人們帶來便捷、快樂的同時(shí)，也促進(jìn)著人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展。作為信息技術(shù)的重要內(nèi)容，人機(jī)交互技術(shù)比計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展要滯后許多，已成為人類運(yùn)用信息技術(shù)深入探索和認(rèn)識(shí)客觀世界的瓶頸。因此，人機(jī)交互技術(shù)已成為21世紀(jì)信息領(lǐng)域亟需解決的重大課題和當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)，世界各國都將人機(jī)交互技術(shù)作為重點(diǎn)研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，例如，在美國21世紀(jì)信息技術(shù)計(jì)劃中，將軟件、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算列為基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容，美國國防關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃也把人機(jī)交互列為軟件技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一，在我國的“863”、“973”和自然科學(xué)基金等項(xiàng)目中，也將人機(jī)自然交互理論與方法作為信息技術(shù)中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。人機(jī)交互的概念人機(jī)交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是關(guān)于設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和實(shí)現(xiàn)供人們使用的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，且圍繞這些方面主要現(xiàn)象進(jìn)行研究的科學(xué)，狹義的講，人機(jī)交互技術(shù)主要是研究人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換，它主要包括人到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)到人的信息交換兩部分。人們可以借助鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿、數(shù)據(jù)服裝、眼動(dòng)跟蹤器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、壓力筆等設(shè)備，用手、腳、聲音、姿勢(shì)或身體的動(dòng)作、眼睛甚至腦電波等向計(jì)算機(jī)傳遞信息，同時(shí)，計(jì)算機(jī)通過打印機(jī)、繪圖儀、顯示器、頭盔式顯示器、音箱等輸出或顯示設(shè)備給人提供信息。人機(jī)交互與計(jì)算機(jī)科學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和社會(huì)學(xué)以及人類學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域有密切的聯(lián)系，其中，認(rèn)知心理學(xué)與人機(jī)工程學(xué)是人機(jī)交互技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人機(jī)交互技術(shù)相互交叉和滲透。作為是信息技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，人機(jī)交互將繼續(xù)對(duì)信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。人機(jī)交互的研究?jī)?nèi)容人機(jī)交互的研究?jī)?nèi)容十分廣泛，涵蓋了建模、設(shè)計(jì)、評(píng)估等理論和方法以及在移動(dòng)計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面的應(yīng)用研究與開發(fā)，在此列出幾個(gè)主要的方向：人機(jī)交互界面表示模型與設(shè)計(jì)方法（ModelandMethodology）一個(gè)交互界面的好壞，直接影響到軟件開發(fā)的成敗。友好人機(jī)交互界面的開發(fā)離不開好的交互模型與設(shè)計(jì)方法。因此，研究人機(jī)交互界面的表示模型與設(shè)計(jì)方法，是人機(jī)交互的重要研究?jī)?nèi)容之一。可用性分析與評(píng)估（UsabilityandEvaluation）可用性是人機(jī)交互系統(tǒng)的重要內(nèi)容，它關(guān)系到人機(jī)交互能否達(dá)到用戶期待的目標(biāo)，以及實(shí)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(píng)估的研究主要涉及到支持可用性的設(shè)計(jì)原則和可用性的評(píng)估方法等。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(shì)、眼神、表情等自然的交互方式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。多通道交互主要研究多通道交互界面的表示模型、多通道交互界面的評(píng)估方法以及多通道信息的融合等。其中，多通道整合是多通道用戶界面研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。認(rèn)知與智能用戶界面（RecognitionandIntelligentUserInterface）智能用戶界面（IntelligentUserInterface，IUI）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(dòng)跟蹤、手勢(shì)識(shí)別、三維輸入、語音識(shí)別、表情識(shí)別、手寫識(shí)別、自然語言理解等都是認(rèn)知與智能用戶界面需要解決的重要問題。虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment）中的人機(jī)交互“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(shí)的主要研究?jī)?nèi)容之一。通過研究視覺、聽覺、觸覺等多通道信息融合的理論和方法、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(shí)感的虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生“身臨其境”的感覺。移動(dòng)界面設(shè)計(jì)（MobileandUbicomp）移動(dòng)計(jì)算（MobileComputing）、普適計(jì)算（UbiquitousComputing）等對(duì)人機(jī)交互技術(shù)提出了更高的要求，面向移動(dòng)應(yīng)用的界面設(shè)計(jì)問題已成為人機(jī)交互技術(shù)研究的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的便攜性、位置不固定性和計(jì)算（1）手語識(shí)別和合成中國科學(xué)院計(jì)算所研制成功了基于多功能感知的中國手語識(shí)別與合成系統(tǒng)，它采用數(shù)據(jù)手套可識(shí)別大詞匯量（5177個(gè)）的手語詞。該系統(tǒng)建立了中國手語詞庫。對(duì)于給定文本句子(可由正常人話語轉(zhuǎn)換而成)，自動(dòng)合成相應(yīng)的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。最后用計(jì)算機(jī)人體動(dòng)畫技術(shù)，將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)用于虛擬人，由虛擬人完成合成的手語運(yùn)動(dòng)。它可輸出大詞匯量的手語詞，為中國聾啞人的教育、生活提供了有用的輔助工具，使他們用手語與正常人的交流成為可能。（2）手勢(shì)遙控器澳大利亞、臺(tái)灣、日本的一些科學(xué)家和公司已經(jīng)發(fā)明了手勢(shì)遙控裝置，能夠使用簡(jiǎn)單的手勢(shì)進(jìn)行家用電器，如電視、DVD、音響等的操作，進(jìn)行開關(guān)、音量調(diào)節(jié)、換頻道等。例如，握緊拳頭表示“開始”，將手掌舒展開表示“開機(jī)”，用Ｖ字形手勢(shì)，再將手掌橫過來表示“選擇頻道”，翹起大拇指則表示“向上調(diào)頻道”等。日本松下公司已經(jīng)試制了電視機(jī)用手勢(shì)輸入遙控器，遙控器在功能上類似于游戲手柄，用戶拿著它通過揮動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)3D電視的控制。種手勢(shì)裝置的工作原理并不復(fù)雜，用戶將內(nèi)置有攝像頭的遙控裝置安裝在與電視和使用者均無視線阻隔的書架或桌子上即可，裝置內(nèi)的軟件可識(shí)別用戶事先儲(chǔ)存的簡(jiǎn)單手勢(shì)，然后向一個(gè)可操控多種電器的遙控器發(fā)出信號(hào)，最終電器將按照使用者手勢(shì)“行事”。（3）教育領(lǐng)域：人機(jī)交互技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正在興起，特別是基于人手的交互應(yīng)用，如虛擬白板，虛擬實(shí)驗(yàn)，以及方便課堂教學(xué)的其他應(yīng)用，例如騰訊的QQ手勢(shì)達(dá)人，它可以通過普通攝像頭來進(jìn)行手勢(shì)控制，拋棄了從電腦誕生之日起就一直使用的鍵盤和鼠標(biāo)，完全由手勢(shì)控制PPT的演示，提供了PPT的啟動(dòng)播放、上翻頁、下翻頁、結(jié)束播放等四個(gè)常用手勢(shì)命令。（4）游戲控制：該類應(yīng)用主要是通過對(duì)手勢(shì)的識(shí)別進(jìn)行游戲的控制，例如基于微軟Kinect的體感游戲控制等。（5）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用外科手術(shù)操作學(xué)習(xí)/模擬可以通過構(gòu)建“手眼協(xié)調(diào)、實(shí)時(shí)交互、雙手操作”的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供通用的醫(yī)學(xué)外科手術(shù)模擬與操作學(xué)習(xí)。這些技術(shù)將可以用到需要雙手協(xié)同、手眼協(xié)調(diào)的各類精細(xì)操作任務(wù)中，例如醫(yī)療領(lǐng)域的牙科手術(shù)、腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)、眼科手術(shù)等，當(dāng)然也可以還可以用到軍事、航天等訓(xùn)練領(lǐng)域。這樣可以節(jié)約學(xué)習(xí)成本，提高學(xué)習(xí)的效率與準(zhǔn)確性。人手運(yùn)動(dòng)功能虛擬康復(fù)依據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要和趨勢(shì)，可以將觸覺人機(jī)交互技術(shù)與人手運(yùn)動(dòng)功能相結(jié)合進(jìn)行人手虛擬康復(fù)。例如，可以將具有力反饋功能的、能夠提供主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)、助力運(yùn)動(dòng)和阻抗運(yùn)動(dòng)等多種康復(fù)訓(xùn)練模式的人手康復(fù)交互裝置的設(shè)計(jì)理論和方法與傳感器進(jìn)行集成，對(duì)人手運(yùn)動(dòng)技能進(jìn)行建模，模擬人手虛擬康復(fù)，從而通過視頻捕獲病人的人手運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行康復(fù)監(jiān)督和建議。（5）工業(yè)領(lǐng)域：虛擬制造與設(shè)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域，可以通過基于人手的人機(jī)交互進(jìn)行虛擬裝配、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等工作，從而可以節(jié)約成本，提高熟練度和便利。（6）商業(yè)領(lǐng)域：包括娛樂產(chǎn)品設(shè)計(jì)，商業(yè)展覽，交互式櫥窗，KTV點(diǎn)歌等領(lǐng)域都可以通過基于人手的交互設(shè)計(jì)提高互動(dòng)性和新穎性、便利性。例如，非接觸式互動(dòng)櫥窗，該個(gè)系統(tǒng)有四個(gè)攝像頭，兩個(gè)用于追蹤手部的動(dòng)作，兩個(gè)用來追蹤臉部和眼睛。經(jīng)過該櫥窗的行人，可以通過手勢(shì)來獲取商品信息人機(jī)交互的未來在人機(jī)交互領(lǐng)域，更加大膽的創(chuàng)新精神正在被喚醒，視頻捕捉技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)、紅外遙感技術(shù)、多通道等等技術(shù)的整合發(fā)展，必然給人機(jī)交互技術(shù)的帶來前所未有的突破。新的技術(shù)層出不窮，人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展將帶給人們更多的科技技術(shù)的期盼和驚喜。在未來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，將更加強(qiáng)調(diào)“以人為本”、“自然、和諧”的交互方式，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)高效合作。概括的講，新一代的人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展將主要圍繞以下幾個(gè)方面：1.集成化：人機(jī)交互將呈現(xiàn)出多樣化、多通道交互的特點(diǎn)。桌面和非桌面界面，可見和不可見界面，二維與三維輸入，直接與間接操縱，語音、手勢(shì)、表情、眼動(dòng)、唇動(dòng)、頭動(dòng)、肢體姿勢(shì)、觸覺、嗅覺、味覺以及鍵盤、鼠標(biāo)等交互手段將集成在一起，是新一代自然、高效的交互技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。2.網(wǎng)絡(luò)化：無線互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)人機(jī)交互技術(shù)提出了更高的要求。新一代的人機(jī)交互技術(shù)需要考慮在不同設(shè)備、不同網(wǎng)絡(luò)、不同平臺(tái)之間的無縫過渡和擴(kuò)展，支持人們通過跨地域的網(wǎng)絡(luò)（有線與無線、電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等）在世界上任何地方用多種簡(jiǎn)單的自然方式進(jìn)行人機(jī)交互，而且包括支持多個(gè)用戶之間以協(xié)作的方式進(jìn)行交互。另外，網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展也為人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展提供了很好的機(jī)遇。3.智能化：目前，用戶使用鍵盤和鼠標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行的交互輸入都是精確的輸入，但人們的動(dòng)作或思想等往往并不很精確，人類語言本身也具有高度模糊性，人們?cè)谏钪谐３Ａ?xí)慣于使用大量的非精確的信息交流。因此，在人機(jī)交互中，使計(jì)算機(jī)更好地自動(dòng)捕捉人的姿