人機交互

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人機交互(Human-Computer Interaction,HCI)

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什麼是人機交互

  人機交互是指人與電腦之間使用某種對話語言,以一定的交互方式,為完成確定任務的人與電腦之間的信息交換過程。

  人機交互是一門研究系統與用戶之間的交互關係的學問。系統可以是各種各樣的機器,也可以是電腦化的系統和軟體。人機交互界面通常是指用戶可見的部分。用戶通過人機交互界面與系統交流,併進行操作。小如收音機的播放按鍵,大至飛機上的儀錶板、或是發電廠的控制室。人機交互界面的設計要包含用戶對系統的理解(即心智模型),那是為了系統的可用性或者用戶友好性。

  操作系統的人機交互功能是決定電腦系統“友善性”的一個重要因素。人機交互功能主要靠可輸入輸出的外部設備和相應的軟體來完成。可供人機交互使用的設備主要有鍵盤顯示、滑鼠、各種模式識別設備等。與這些設備相應的軟體就是操作系統提供人機交互功能的部分。人機交互部分的主要作用是控制有關設備的運行和理解並執行通過人機交互設備傳來的有關的各種命令和要求。早期的人機交互設施是鍵盤顯示器。操作員通過鍵盤打入命令,操作系統接到命令後立即執行並將結果通過顯示器顯示。打入的命令可以有不同方式,但每一條命令的解釋是清楚的,唯一的。

  隨著電腦技術的發展,操作命令也越來越多,功能也越來越強。隨著模式識別,如語音識別、漢字識別等輸入設備的發展,操作員和電腦在類似於自然語言或受限制的自然語言這一級上進行交互成為可能。此外,通過圖形進行人機交互也吸引著人們去進行研究。這些人機交互可稱為智能化的人機交互。這方面的研究工作正在積極開展。

人機交互的輸入方式

一、請求模式

  在請求模式下,輸入設備的初始化是在應用程式中設置的.即通過輸入設置命令(或語句),對相應的設備設置所需要的輸入模式後,該設備才能作相應的輸入處理。

  在請求命令中要指定是哪個應用程式調用的和調用的是哪個輸入設備。

  請求模式的工作過程

  • 當程式運行時,輸入設備處於等待狀態,等待程式的請求。
  • 當程式運行到request語句時就向輸入設備提出輸入請求,同時程式停止運行,等待輸入設備輸入數據。
  • 輸入設備立即進入工作狀態,直到請求滿足之後,程式才繼續運行。
  • 輸入設備重新處於等待狀態。

  因此,在請求方式下,程式和輸入設備輪流處於工作狀態和等待狀態,由程式支配輸入設備的啟動。

二、採樣模式

  當把一臺或多台輸入設備定義為採樣模式後,這些設備會連續不斷地把信息輸入進來,而不必等待應用程式的輸入語句,即信息的輸入和應用程式中的輸入命令無關。當應用程式遇到取樣命令時,就把相應物理設備此時的值作為採樣數值。

  採樣模式的優點:該模式不像請求模式那樣要求用戶有一明顯的動作,它對連續的信息流輸入比較方便,也可同時處理多個輸入設備的輸入信息。

  採樣模式的缺點:當處理某一種輸入耗費的時間較長時,可能會失掉某些輸入信息。

  採樣模式的工作過程

  • 在採樣輸入模式的工作過程中,程式和輸入設備同時運行。
  • 輸入設備不斷地產生數據,並把數據輸入數據緩存區,數據緩存區的內容不斷刷新。
  • 程式在運行時若遇到採樣語句,就到數據緩存區中讀取數據。這樣,程式所取得的就是最新的數據。

三、事件模式

  當設備設置成事件模式後,輸入設備和程式並行工作。所有被設置成事件方式的輸入數據(或事件)都被存放在一個事件隊列中,該隊列是以事件發生的次序排列的。

  當用戶在輸入設備上完成一個輸入動作(如按一下按鈕)便產生一個事件,輸入的信息及該設備的編號等便被存放到事件隊列中。不同的應用程式可到隊列中來查詢和提取與之有關的事件。

  事件模式的工作過程

  • 在事件模式下,輸入設備和程式獨立運行。
  • 輸入設備所產生的數據被組織成事件節點,插入事件隊列中等待程式的處理。
  • 程式運行到事件處理語句時,就從事件隊列中取出隊首事件進行處理。
  • 如果事件隊列為空,程式則等待一定的時間片,等待事件的發生。

人機交互的發展歷史[1]

  人機交互的發展歷史,是從人適應電腦到電腦不斷地適應人的發展史。經歷了幾個階段:

  (1)早期的手工作業階段。當時交互的特點是由設計者本人(或本部門同事)來使用電腦,他們採用手工操作和依賴機器(二進位機器代碼)的方法去適應現在看來是十分笨拙的電腦;

  (2)作業控制語言及交互命令語言階段。這一階段的特點是電腦的主要使用者——程式員可採用批處理作業語言或交互命令語言的方式和電腦打交道,雖然要記憶許多命令和熟練地敲鍵盤,但已可用較方便的手段來調試程式、瞭解電腦執行情況;

  (3)圖形用戶界面(GUD階段。 GUI的主要特點是桌面隱喻、WIMP技術﹑直接操縱和“所見即所得(w YsIwYG)”。由於GUI簡明易學,減少了敲鍵盤﹑實現了“事實上的標準化”,因而使不懂電腦的普通用戶也可以熟練地使用,開拓了用戶人群。它的出現使信息產業得到空前的發展;

  (4)網路用戶界面的出現。以超文本標記語言HTML超文本傳輸協議HTTP為主要基礎的網路瀏覽器是網路用戶界面的代表。由它形成的www網已經成為當今Internet的支柱。這類人機交互技術的特點是發展快,新的技術不斷出現,如搜索引擎﹑網路加速﹑多媒體動畫聊天工具等;

  (5)多通道﹑多媒體的智能人機交互階段。以虛擬現實為代表的電腦系統的擬人化和以手持電腦﹑智能手機為代表的電腦的微型化﹑隨身化﹑嵌入化,是當前電腦的兩個重要的發展趨勢。而以滑鼠和鍵盤為代表的GUI技術是影響它們發展的瓶頸。利用人的多種感覺通道和動作通道(如語音、手寫﹑姿勢﹑視線﹑表情等輸入) ,以並行,非精確的方式與(可見或不可見的)電腦環境進行交互,可以提高人機交互的自然性和高效性。多通道﹑多媒體的智能人機交互對我們既是一個挑戰,也是一個極好的機遇。

  在人機交互的發展中,一大批專家為此做出了卓越的貢獻。下麵是最有影響的一些事件和成果:

  (1)1945年,美國羅斯福總統的科學顧問Bush(1894~1974)在《大西洋月刊》上發表的“as we maythink”的著名論文,提出了應採用設備或技術來幫助科學家檢索﹑記錄v分析及傳輸各種信息的新思路和名為“Memex"的一種工作站構想,影響著一大批最著名電腦科學家。

  (2)1963年,美國麻省理工學院Sutherland開創了電腦圖形學的新領域,並獲1988 年ACM 圖靈獎。他還在1968年開發了頭盔式立體顯示器,成為現代虛擬現實技術的重要基礎。

  (3)1963年,美國斯坦福研究所的Engelbart 發明瞭滑鼠器,他預言滑鼠器比其他輸入設備都好,併在超文本系統、導航工具方面取得了傑出的成果(Augmented Human Intellect Project),獲1997年ACM圖靈獎。10年後,滑鼠器經過不斷地改進,成為影響當代電腦使用的最重要成果。

  (4)20世紀70年代,當時在Xerox研究中心的Alan Kay提出了Smalltalk面向對象程式設計等思想,併發明瞭重疊式多視窗系統,後經平出前省理工學院等單位的不斷研究和開發,形成了目前廣泛使用的圖形用戶界面的標準範式。

  (5)1989年,Tim Berners-Lee在日內瓦的CERN用HTMLHTTP開發了www網,隨後出現了各種瀏覽器(網路用戶界面),使互聯網飛速發展起來。

  (6) 20世紀年代,美國麻省理工學院Negnoponte(他早在30年前就提出了“交談式電腦”概念)領導的媒體實驗室在新一代多通道用戶界面方面(包括語音﹑手勢﹑智能體等)做了大量開創性的工作。他是暢銷書《數字化生存(Being Digital)》的作者。

  (7) 20世紀90年代,美國Xerox公司PARC的首席科學家Mark Weiser (1952 ~1999),首先提出“無所不在計算(Ubiquitous Computing)”思想,併在此領域做了大量開拓性的工作。

人機交互的三大方向

  1、以用戶為中心

  在電影《她》中,男主人公西奧多在結束了一段令他心碎的愛情長跑之後,愛上了一個電腦操作系統里的女聲,這個叫“薩曼莎”的姑娘不僅有著一把略微沙啞的迷人嗓音,並且風趣幽默、善解人意,就這樣,人和一個系統成為了無話不談的朋友,甚至還不可思議地發展出了一段畸形戀情。 這雖然只是一部電影虛構出來的一個極端案例,但也恰恰點明瞭,以用戶為中心的交互方式顯然已經不單單是停留在設計時尚,操作方便等這些基礎方面,而是在於能更有效地識別用戶表達的細微情感,並快速理解,及滿足其潛在需求

  如何以用戶為中心?即設備能夠時刻感知用戶需求的本質來源,分析用戶行為動機,並隨之快速作出合理的反應。比如: 設備瞭解我。設備會永久的記憶我的行為習慣和各類偏好,並能在之後的生活中不斷地進行調整,就好比我身邊最親密的朋友或者家人一樣,知道我一切的喜好。 讓我的生活變得更簡單舒適。在我遇到某些煩惱時,設備能夠智能地推薦相應的解決方案,但不綁架我的選擇。在電影中,操作系統薩曼莎會主動跳出來詢問主人的心情如何,能夠猜出主人心情不佳的原因,並且還能幫助他出謀劃策以解決一些問題。這些都讓西奧多無比依賴這個操作系統,甚至有時候超過了對人的依賴。 只在我需要的時候才出現。在未來全面智能化的生活中,如果所有的智能設備都在同一時間點隨意蹦出來,身處其中的我可能會立刻瘋掉。

  所以,這就特別需要各類交互方面打通,深度交融,只在對的時間,對的地方出現。或者說,只按照我們指令的要求出現。 總是能給我特別多的驚喜。當我以語音的方式告訴可穿戴設備之後,它就能理解我的想法,並通過後臺大數據與人工智慧的融合,以最快的方式為我們呈現我們想要的結果。 比如當我想去旅行的時候,設備能根據平日里我瀏覽的網頁、說話中描述某個地方時的情緒以及出現的頻次、經濟條件等等信息,幫我規劃最佳的旅行路線,甚至為我找好最佳的旅行伙伴,而這會給我帶來足夠多的驚喜。

  2、個性化的生物識別

  未來,密碼的使用將會變得越來越少,取而代之的將是生物識別,比如通過指紋、視網膜、心率,甚至DNA等每個人獨有的特征來完成某些行為。而生物識別的融入,其中一個最關鍵的要素就是安全。

  在物聯網時代,當人藉助於智能穿戴設備與萬物連接之後,每個人,或者所佩戴、控制的設備,其唯一所屬性與安全性就成為了一個關鍵因素。 當我們進入自己家的時候,不再需要他人給你開門,也不再使用鑰匙,更不要保全24小時站崗,我們家的智能門就能身兼多職,它能夠通過掃描你身上各種生物特征來識別出你是這個家的主人,還是主人的朋友,或者親戚,並察覺你的情緒,進一步知道你是否會對這個家的主人帶來危險等等。 就像這個世界上,沒有第二個你一樣,與你有關的一切也只能專屬你,也唯有你能在整個智能生活的中心隨心所欲,其他任何人進入都將馬上失效。

  或許,就目前而言,這樣的生活還有點遙遠,但卻是未來的一個趨勢,生活中也已經出現了個別通過生物識別的人機交互方式。 比如,蘋果iPhone5S能通過指紋解鎖,當你把手指放置在主屏幕上面時,指紋識別就會自動啟動,準備掃描你的指紋,如果指紋相符,iPhone 5s屏幕就被點亮了。由於每個人的指紋都是獨一無二的,因此這種方式也讓手機內的信息變得相對安全。

  特別在支付領域,目前用戶關註的首要核心仍舊是使用的安全性,其次才是支付的便捷性。隨著識別技術的不斷突破,未來將是根據人身上的任何一個特性進行識別並激活設備從而進行支付。比如通過一個人的血液流動速度來識別身份,或者通過一個人的聲紋來識別身份。 隨著用戶對隱私的逐漸重視,以及對信息安全意識的增強。尤其是智能穿戴設備與人體的深度融合之後,個性化的生物識別人機交互方式會成為打造安全智能生活最大的前提。

  3、全方位感知

  當一個人在表達自己的需要時,有這麼幾個詞就蹦出來了:聲情並茂、手舞足蹈。換句話而言,對方表達信息的方式,越多地能調動你身上的感官去分析,則越有利於你更精準地獲取信息的本質。 許多的設備目前還停留在單一識別人的某一特征進行機械回應的階段,顯然這還只是人機交互的初始。

  而未來整個人機交互方式的發展方向就如微軟創始人比爾•蓋茨如所言:“人類自然形成的與自然界溝通認知習慣和形式必定是人機交互的發展方向”。 未來的設備將能全方面地感知用戶的需求,甚至預知其潛在需求。在電影《超能陸戰隊》中,有一個曾經刷爆了朋友圈的機器人“大白”。從女性視角而言,它是個賣得了萌、耍得了二的“暖男”,可以在任何時候滿足需要,陪聊、逗笑、近身防衛、飛行作戰、治愈內外創傷等等,甚至在最後還為了救小伙伴犧牲了自己。 如果要達到“大白”這種程度,或者超越它,就會對人機交互方式提出更高的要求,即能全方位的感知人以及周圍環境的一切。 當你感覺到冷了、熱了、渴了、累了的時候,只要稍稍“動一下腦筋”,圍繞在你生活周圍的智能產品就會感知到,並能快速解決你的需求,或者提供解決需求的途徑。

  比如,在你覺得冷或者熱的時候,溫控設備能立馬調節舒適的室溫;你累了的時候,音樂播放器就會為你播放舒緩的音樂;你餓了,你家的冰箱會根據裡面儲存的食物製作好食譜等等。 未來,各類交互方式都會進行深度融合,使智能設備會更加自然地與人類生物反應及處理過程同步,包括思維過程、動覺,甚至一個人的文化偏好等,這個領域充滿著各種各樣新奇的可能性。

  未來發展方向,沒有交互的交互.隨著可穿戴設備智能家居物聯網等領域在科技圈的大熱以及落地,全面打造智能化的生活成為了接下來的聚焦點,而人機交互方式會逐漸成為實現這種生活的關鍵環節簡單的交互方式,服務方式的進化。在影片《鋼鐵俠3》中鋼鐵俠展示的全息影像一定給大家留下了深刻的印象。相信未來,其交互方式將會變得越來越簡單,而服務方式也會有定的進化。就交互方式來看,觸控只是初級階段的交互方式,未來肢体識別才是更進一步的方式個性化的生物識別

  通過對人機交互的發展歷程、人機交互現狀的研究和分析,可以看出未來的發展趨勢將傾向於自然交互的模式,人機、環境的和諧交互將使它們處於自然融合的狀態態。以交互性、沉浸感和構想性為基本特征的虛擬現實增強現實技術具有實時的三維空間表現力,自然的人機交互操作環境,能帶給人們身臨其境的感受。它的廣泛應用將改變人們的生活環境和生產方式,虛擬化必將成為未來時代發展的主題。虛擬現實的交互特性,不僅符合當前交互性、體驗式、沉浸感真實性的人機交互發展趨勢,而且有助於提高增強虛擬情境的真實感,最大限度地擴展用戶界面的直觀性、交互性與協作性。

參考文獻

  1. 董士海.人機交互的進展及面臨的挑戰〔J〕.電腦輔助設計與圖形學學報,2004,1(1):2~3
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