人机交互

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人机交互(Human-Computer Interaction,HCI)

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什么是人机交互

  人机交互是指人与计算机之间使用某种对话语言,以一定的交互方式,为完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程。

  人机交互是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问。系统可以是各种各样的机器,也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的部分。用户通过人机交互界面与系统交流,并进行操作。小如收音机的播放按键,大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。人机交互界面的设计要包含用户对系统的理解(即心智模型),那是为了系统的可用性或者用户友好性。

  操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘显示、鼠标、各种模式识别设备等。与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的部分。人机交互部分的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。早期的人机交互设施是键盘显示器。操作员通过键盘打入命令,操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示。打入的命令可以有不同方式,但每一条命令的解释是清楚的,唯一的。

  随着计算机技术的发展,操作命令也越来越多,功能也越来越强。随着模式识别,如语音识别、汉字识别等输入设备的发展,操作员和计算机在类似于自然语言或受限制的自然语言这一级上进行交互成为可能。此外,通过图形进行人机交互也吸引着人们去进行研究。这些人机交互可称为智能化的人机交互。这方面的研究工作正在积极开展。

人机交互的输入方式

一、请求模式

  在请求模式下,输入设备的初始化是在应用程序中设置的.即通过输入设置命令(或语句),对相应的设备设置所需要的输入模式后,该设备才能作相应的输入处理。

  在请求命令中要指定是哪个应用程序调用的和调用的是哪个输入设备。

  请求模式的工作过程

  • 当程序运行时,输入设备处于等待状态,等待程序的请求。
  • 当程序运行到request语句时就向输入设备提出输入请求,同时程序停止运行,等待输入设备输入数据。
  • 输入设备立即进入工作状态,直到请求满足之后,程序才继续运行。
  • 输入设备重新处于等待状态。

  因此,在请求方式下,程序和输入设备轮流处于工作状态和等待状态,由程序支配输入设备的启动。

二、采样模式

  当把一台或多台输入设备定义为采样模式后,这些设备会连续不断地把信息输入进来,而不必等待应用程序的输入语句,即信息的输入和应用程序中的输入命令无关。当应用程序遇到取样命令时,就把相应物理设备此时的值作为采样数值。

  采样模式的优点:该模式不像请求模式那样要求用户有一明显的动作,它对连续的信息流输入比较方便,也可同时处理多个输入设备的输入信息。

  采样模式的缺点:当处理某一种输入耗费的时间较长时,可能会失掉某些输入信息。

  采样模式的工作过程

  • 在采样输入模式的工作过程中,程序和输入设备同时运行。
  • 输入设备不断地产生数据,并把数据输入数据缓存区,数据缓存区的内容不断刷新。
  • 程序在运行时若遇到采样语句,就到数据缓存区中读取数据。这样,程序所取得的就是最新的数据。

三、事件模式

  当设备设置成事件模式后,输入设备和程序并行工作。所有被设置成事件方式的输入数据(或事件)都被存放在一个事件队列中,该队列是以事件发生的次序排列的。

  当用户在输入设备上完成一个输入动作(如按一下按钮)便产生一个事件,输入的信息及该设备的编号等便被存放到事件队列中。不同的应用程序可到队列中来查询和提取与之有关的事件。

  事件模式的工作过程

  • 在事件模式下,输入设备和程序独立运行。
  • 输入设备所产生的数据被组织成事件节点,插入事件队列中等待程序的处理。
  • 程序运行到事件处理语句时,就从事件队列中取出队首事件进行处理。
  • 如果事件队列为空,程序则等待一定的时间片,等待事件的发生。

人机交互的发展历史[1]

  人机交互的发展历史,是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史。经历了几个阶段:

  (1)早期的手工作业阶段。当时交互的特点是由设计者本人(或本部门同事)来使用计算机,他们采用手工操作和依赖机器(二进制机器代码)的方法去适应现在看来是十分笨拙的计算机;

  (2)作业控制语言及交互命令语言阶段。这一阶段的特点是计算机的主要使用者——程序员可采用批处理作业语言或交互命令语言的方式和计算机打交道,虽然要记忆许多命令和熟练地敲键盘,但已可用较方便的手段来调试程序、了解计算机执行情况;

  (3)图形用户界面(GUD阶段。 GUI的主要特点是桌面隐喻、WIMP技术﹑直接操纵和“所见即所得(w YsIwYG)”。由于GUI简明易学,减少了敲键盘﹑实现了“事实上的标准化”,因而使不懂计算机的普通用户也可以熟练地使用,开拓了用户人群。它的出现使信息产业得到空前的发展;

  (4)网络用户界面的出现。以超文本标记语言HTML超文本传输协议HTTP为主要基础的网络浏览器是网络用户界面的代表。由它形成的www网已经成为当今Internet的支柱。这类人机交互技术的特点是发展快,新的技术不断出现,如搜索引擎﹑网络加速﹑多媒体动画聊天工具等;

  (5)多通道﹑多媒体的智能人机交互阶段。以虚拟现实为代表的计算机系统的拟人化和以手持电脑﹑智能手机为代表的计算机的微型化﹑随身化﹑嵌入化,是当前计算机的两个重要的发展趋势。而以鼠标和键盘为代表的GUI技术是影响它们发展的瓶颈。利用人的多种感觉通道和动作通道(如语音、手写﹑姿势﹑视线﹑表情等输入) ,以并行,非精确的方式与(可见或不可见的)计算机环境进行交互,可以提高人机交互的自然性和高效性。多通道﹑多媒体的智能人机交互对我们既是一个挑战,也是一个极好的机遇。

  在人机交互的发展中,一大批专家为此做出了卓越的贡献。下面是最有影响的一些事件和成果:

  (1)1945年,美国罗斯福总统的科学顾问Bush(1894~1974)在《大西洋月刊》上发表的“as we maythink”的著名论文,提出了应采用设备或技术来帮助科学家检索﹑记录v分析及传输各种信息的新思路和名为“Memex"的一种工作站构想,影响着一大批最著名计算机科学家。

  (2)1963年,美国麻省理工学院Sutherland开创了计算机图形学的新领域,并获1988 年ACM 图灵奖。他还在1968年开发了头盔式立体显示器,成为现代虚拟现实技术的重要基础。

  (3)1963年,美国斯坦福研究所的Engelbart 发明了鼠标器,他预言鼠标器比其他输入设备都好,并在超文本系统、导航工具方面取得了杰出的成果(Augmented Human Intellect Project),获1997年ACM图灵奖。10年后,鼠标器经过不断地改进,成为影响当代计算机使用的最重要成果。

  (4)20世纪70年代,当时在Xerox研究中心的Alan Kay提出了Smalltalk面向对象程序设计等思想,并发明了重叠式多窗口系统,后经平出前省理工学院等单位的不断研究和开发,形成了目前广泛使用的图形用户界面的标准范式。

  (5)1989年,Tim Berners-Lee在日内瓦的CERN用HTMLHTTP开发了www网,随后出现了各种浏览器(网络用户界面),使互联网飞速发展起来。

  (6) 20世纪年代,美国麻省理工学院Negnoponte(他早在30年前就提出了“交谈式计算机”概念)领导的媒体实验室在新一代多通道用户界面方面(包括语音﹑手势﹑智能体等)做了大量开创性的工作。他是畅销书《数字化生存(Being Digital)》的作者。

  (7) 20世纪90年代,美国Xerox公司PARC的首席科学家Mark Weiser (1952 ~1999),首先提出“无所不在计算(Ubiquitous Computing)”思想,并在此领域做了大量开拓性的工作。

人机交互的三大方向

  1、以用户为中心

  在电影《她》中,男主人公西奥多在结束了一段令他心碎的爱情长跑之后,爱上了一个电脑操作系统里的女声,这个叫“萨曼莎”的姑娘不仅有着一把略微沙哑的迷人嗓音,并且风趣幽默、善解人意,就这样,人和一个系统成为了无话不谈的朋友,甚至还不可思议地发展出了一段畸形恋情。 这虽然只是一部电影虚构出来的一个极端案例,但也恰恰点明了,以用户为中心的交互方式显然已经不单单是停留在设计时尚,操作方便等这些基础方面,而是在于能更有效地识别用户表达的细微情感,并快速理解,及满足其潜在需求

  如何以用户为中心?即设备能够时刻感知用户需求的本质来源,分析用户行为动机,并随之快速作出合理的反应。比如: 设备了解我。设备会永久的记忆我的行为习惯和各类偏好,并能在之后的生活中不断地进行调整,就好比我身边最亲密的朋友或者家人一样,知道我一切的喜好。 让我的生活变得更简单舒适。在我遇到某些烦恼时,设备能够智能地推荐相应的解决方案,但不绑架我的选择。在电影中,操作系统萨曼莎会主动跳出来询问主人的心情如何,能够猜出主人心情不佳的原因,并且还能帮助他出谋划策以解决一些问题。这些都让西奥多无比依赖这个操作系统,甚至有时候超过了对人的依赖。 只在我需要的时候才出现。在未来全面智能化的生活中,如果所有的智能设备都在同一时间点随意蹦出来,身处其中的我可能会立刻疯掉。

  所以,这就特别需要各类交互方面打通,深度交融,只在对的时间,对的地方出现。或者说,只按照我们指令的要求出现。 总是能给我特别多的惊喜。当我以语音的方式告诉可穿戴设备之后,它就能理解我的想法,并通过后台大数据与人工智能的融合,以最快的方式为我们呈现我们想要的结果。 比如当我想去旅行的时候,设备能根据平日里我浏览的网页、说话中描述某个地方时的情绪以及出现的频次、经济条件等等信息,帮我规划最佳的旅行路线,甚至为我找好最佳的旅行伙伴,而这会给我带来足够多的惊喜。

  2、个性化的生物识别

  未来,密码的使用将会变得越来越少,取而代之的将是生物识别,比如通过指纹、视网膜、心率,甚至DNA等每个人独有的特征来完成某些行为。而生物识别的融入,其中一个最关键的要素就是安全。

  在物联网时代,当人借助于智能穿戴设备与万物连接之后,每个人,或者所佩戴、控制的设备,其唯一所属性与安全性就成为了一个关键因素。 当我们进入自己家的时候,不再需要他人给你开门,也不再使用钥匙,更不要保安24小时站岗,我们家的智能门就能身兼多职,它能够通过扫描你身上各种生物特征来识别出你是这个家的主人,还是主人的朋友,或者亲戚,并察觉你的情绪,进一步知道你是否会对这个家的主人带来危险等等。 就像这个世界上,没有第二个你一样,与你有关的一切也只能专属你,也唯有你能在整个智能生活的中心随心所欲,其他任何人进入都将马上失效。

  或许,就目前而言,这样的生活还有点遥远,但却是未来的一个趋势,生活中也已经出现了个别通过生物识别的人机交互方式。 比如,苹果iPhone5S能通过指纹解锁,当你把手指放置在主屏幕上面时,指纹识别就会自动启动,准备扫描你的指纹,如果指纹相符,iPhone 5s屏幕就被点亮了。由于每个人的指纹都是独一无二的,因此这种方式也让手机内的信息变得相对安全。

  特别在支付领域,目前用户关注的首要核心仍旧是使用的安全性,其次才是支付的便捷性。随着识别技术的不断突破,未来将是根据人身上的任何一个特性进行识别并激活设备从而进行支付。比如通过一个人的血液流动速度来识别身份,或者通过一个人的声纹来识别身份。 随着用户对隐私的逐渐重视,以及对信息安全意识的增强。尤其是智能穿戴设备与人体的深度融合之后,个性化的生物识别人机交互方式会成为打造安全智能生活最大的前提。

  3、全方位感知

  当一个人在表达自己的需要时,有这么几个词就蹦出来了:声情并茂、手舞足蹈。换句话而言,对方表达信息的方式,越多地能调动你身上的感官去分析,则越有利于你更精准地获取信息的本质。 许多的设备目前还停留在单一识别人的某一特征进行机械回应的阶段,显然这还只是人机交互的初始。

  而未来整个人机交互方式的发展方向就如微软创始人比尔•盖茨如所言:“人类自然形成的与自然界沟通认知习惯和形式必定是人机交互的发展方向”。 未来的设备将能全方面地感知用户的需求,甚至预知其潜在需求。在电影《超能陆战队》中,有一个曾经刷爆了朋友圈的机器人“大白”。从女性视角而言,它是个卖得了萌、耍得了二的“暖男”,可以在任何时候满足需要,陪聊、逗笑、近身防卫、飞行作战、治愈内外创伤等等,甚至在最后还为了救小伙伴牺牲了自己。 如果要达到“大白”这种程度,或者超越它,就会对人机交互方式提出更高的要求,即能全方位的感知人以及周围环境的一切。 当你感觉到冷了、热了、渴了、累了的时候,只要稍稍“动一下脑筋”,围绕在你生活周围的智能产品就会感知到,并能快速解决你的需求,或者提供解决需求的途径。

  比如,在你觉得冷或者热的时候,温控设备能立马调节舒适的室温;你累了的时候,音乐播放器就会为你播放舒缓的音乐;你饿了,你家的冰箱会根据里面储存的食物制作好食谱等等。 未来,各类交互方式都会进行深度融合,使智能设备会更加自然地与人类生物反应及处理过程同步,包括思维过程、动觉,甚至一个人的文化偏好等,这个领域充满着各种各样新奇的可能性。

  未来发展方向,没有交互的交互.随着可穿戴设备智能家居物联网等领域在科技圈的大热以及落地,全面打造智能化的生活成为了接下来的聚焦点,而人机交互方式会逐渐成为实现这种生活的关键环节简单的交互方式,服务方式的进化。在影片《钢铁侠3》中钢铁侠展示的全息影像一定给大家留下了深刻的印象。相信未来,其交互方式将会变得越来越简单,而服务方式也会有定的进化。就交互方式来看,触控只是初级阶段的交互方式,未来肢体识别才是更进一步的方式个性化的生物识别

  通过对人机交互的发展历程、人机交互现状的研究和分析,可以看出未来的发展趋势将倾向于自然交互的模式,人机、环境的和谐交互将使它们处于自然融合的状态态。以交互性、沉浸感和构想性为基本特征的虚拟现实增强现实技术具有实时的三维空间表现力,自然的人机交互操作环境,能带给人们身临其境的感受。它的广泛应用将改变人们的生活环境和生产方式,虚拟化必将成为未来时代发展的主题。虚拟现实的交互特性,不仅符合当前交互性、体验式、沉浸感真实性的人机交互发展趋势,而且有助于提高增强虚拟情境的真实感,最大限度地扩展用户界面的直观性、交互性与协作性。

参考文献

  1. 董士海.人机交互的进展及面临的挑战〔J〕.计算机辅助设计与图形学学报,2004,1(1):2~3
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