人机交互综述
计算机软件和理论专业 石玉珠
摘要：人机交互是一门综合学科,它的发展需要计算机硬件,软件,网络,认知心理学,人类工效学等多学科共同努力。所以在将来相当长的一段时间内，人机交互将呈现出多样化的特点，桌面和非桌面界面,可见和不可见界面将同时共存。以WIMP为代表的图形用户界面将继续使用和发展,而网络和计算将进入家庭和生活,人们可用多种简单的自然方式进行人机交互。以不可见,可移动为特征的无所不在计算和以三维,沉浸为特征的虚拟现实环境,将是人机交互面临的重大挑战和研究目标。
关键词：人机交互/界面技术
一、人机交互的定义和内涵
人机交互是关于设计、评价和实现人们使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面的主要现象进行研究的科学。狭义的讲，人机交互技术主要是研究人与计算机之间的信息交互，主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分。对于前者，人们可以借助键盘、鼠标、数据手套、压力笔等装备，用手、脚、声音、姿势或者视线向计算机传递信息；对于后者，计算机通过打印机、绘图仪、显示器、头盔式显示器、音箱等输出或显示设备给人提供信息。它涉及计算机科学、心理学、认知科学和社会科学以及人类学等诸多学科，是信息技术的重要组成部分。人机界面做为计算机系统的重要组成部分，主要是指人类与计算机系统之间的通信方式，包括人-机双向信息交互的支持软件和硬件。
二、人机交互的发展历史及现状
作为计算机系统的一个重要组成部分，人机交互一直随着计算机的发展而发展。人机交互的发展过程，也是人适应计算机到计算机适应人的发展过程。他经历了如下几个阶段：
（一）语言命令交互阶段
计算机语言经历了由最初的机器语言、汇编语言，直到高级语言的发展过程。这个过程也可以看作是人机交互的早期发展过程。早期的人机交互是通过命令语言进行的，人机之间通过语言的输入输出功能完成交互。最初，人机交互的方式是采用手工操作输入机器语言命令控制计算机，这种形式很不符合人的习惯，既浪费时间，又容易出错。后来又出现了其他计算机语言，使人们可以用比较习惯的符号形式来描述计算过程，交互操作由经过一定训练的程序员完成。1960年代中期，命令行界面开始出现，通过这种人机界面，人们可以通过问答式对话、文本菜单或者命令语言等方式进行人机交互。命令行界面作为第一代人机交互界面，人被看作操作员，机器只能做出被动的反应，人只能用手操作键盘的方式输入数据和命令信息，界面输出只能为静态字符，因此这种人机交互的自然性差。
（二）图形用户界面交互阶段
图形用户界面（GUI）的出现为人机交互方式发生了巨大变化。GUI的主要特点包括桌面隐喻、WMIP技术、直接操纵和所见即所得。GUI简单易学、减少了键盘操作，不懂计算机的普通用户也可以熟练的使用，从而拓宽了用户群，使计算机得到了广泛的应用。GUI技术的起源可以追朔到20世纪60年代美国麻省理工学院的Sutherland的工作。其发明的Sketchpad首次引入了菜单、不可重叠的瓦片式窗口、图标，并采用光笔进行绘图操作。1963年，美国斯坦福研究所年轻的科学家Engelbart发明了鼠标。从此以后，鼠标经过不断改进，在苹果、微软等公司的图形界面操作系统上得到了广泛的应用，让鼠标和键盘一道成为目前计算机系统中必备的输入装置。20世纪70年代，施乐公司在alto计
算机上首次开发了位图像图形显示技术，为开发重叠窗口，弹出式菜单、菜单条等提供了可能。这些工作奠定了目前图形用户界面的基础，形成了以窗口、图标、菜单和指点装置为基础的第二代人机界面，即WIMP界面。1984年，苹果仿照PARC的技术开发了新型的Mac个人计算机，经WIMP技术引入了微机领域，这种全部基于鼠标及下拉式菜单的操作方式和 直观的图形界面引发了微机人机交互界面的历史性变革。
（三）自然和谐的人机交互阶段
20世纪80年代初期，学术界相继出版了六本专著，对最新的人机交互研究成果进行了总结。人机交互学科逐渐形成了自己的理论体系和实践范畴的架构。理论体系方面，从人机工程学出来，更加强调认知心理学以及行为学和社会学的某些人文科学的理论指导；实践范畴方面，从人机界面（人机接口）拓延开来，强调计算机对于人的反馈交互作用。人机界面一词被人机交互所取代。HCI中的I，也由Interface(界面/接口)变成了Interaction(交互)。20世纪90年代后期以来，随着高速处理芯片，多媒体技术和Internet Web技术的迅速发展和普及，人机交互的研究重点放在了智能化交互，多模态（多通道）-多媒体交互，虚拟交互以及人机协同交互等方面，也就是在以人中心的人机交互技术方面。当前，虚拟现实、移动计算、普适计算等技术的飞速发展，对人机交互技术提出了新的挑战和更高的要求，同时也提供了许多新的机遇。在这个阶段，自然和谐的人机交互方式得到了一定发展。基于语音、手写体、姿势、视线跟踪、表情等输入手段的多通道交互式主要特点，目的是使人能以声音、动作、表情等自然方式进行交互操作。在自然和谐的人机交互的发展过程中，人们除了致力于研究开发友好的逼真三维的用户界面和基于多通道的自然交互方式，还发明了大量的新的交互设备，例如麻省理工的sutherland早在1968年就开发了头盔式立体显示器，为现代虚拟显示技术奠定了基础；1982年美国加州VPL公司开发了第一副数据手套，用于如指示等简单手势的输入，该公司在1992年还推出了eyephone液晶显示器；同样在1992年，Dafani等推出了一种四面的沉浸式虚拟显示环
境——CAVE系统。目前人类常用的自然交互方式——语音和笔的交互技术，包括手写识别、笔式交互、语音识别、语音合成、数字墨水等的研究、发展已经有了很大的成果。如中科院自动化研究所开发了“汉王笔”手写汉字识别系统，微软亚洲研究院发明了数字墨水技术，中国科学院人机交互技术与智能信息处理实验室研制了笔式交互软件开发平台等，其中不少成果已经商品化，市场前景广阔。另外20世纪90年代，美国麻省理工学院Negropnte领导的媒体实验室在新的一代多通道用户界面做出来大量开创性的工作。2002年3月，W3C国际组织成立了“多通道交互”工作小组，开发W3C新的支持移动设备MMI的协议标准。目前42个大型IT企业或者单位参加了该小组，参与制定“多通道交互”的想过协议制定工作。当前人机交互的研究热点: 自然,高效,无障碍的多通道交互技术;新的交互设备,智能技术,交互软件和平台;无缝的不同网络互联;以认知科学为基础的交互模型和设计方法;上下文感知的计算模型。
三、人机交互的前景及挑战
在未来的计算机系统中，将更加强调和谐的交互方式，实现人机高效合作，展望未来主要有以下几个方面：
（一）无所不在的计算 90年代美国Xerox公司PARC的首席科学家Mark Weiser首先提出\"无所不在计算(Ubiquitous Computing)\"思想。正如近年来在各媒体中不断被提到的云计算、物联网、三网融合等新名词一样，新一轮信息技术的创新正在逐渐走进我们每一个人的生活。而在这些新技术的背后，是无处不在的计算、是技术进步为整个IT架构带来的变革。随着计算设备拥有了更强的处理能力、更好的连接性以及创新的感应功能，研究人员正致力于提供新的“环境感知”用户体验。“环境感知”设备将预见用户需求、为用户提供建议并在日常生活中引导用户，相对于传统计算机，更接近个人数字助理。通过整合硬件和软件传感器，“环境感知”计算将为开发者开启全新的机会。
（二）虚拟显示和科学计算可视化
虚拟显示的最大特点是在微小的体积内产生高品质的画面。虚拟三维投影显示系统核心部分是立体版的高亮度投影机及相关组件，它将VR工作站生成的 高分辨率3D/VR场景以大幅立体投影的方式显示出来，让要交互的三维虚拟世界高度逼真地浮现于参与者的眼前，从而为VR用户提供一个团体式参与，集体观看，具有高度临场感的投入型虚拟现实环境，并结合必要的虚拟外设(如数据手套、6自由度位置跟踪系统或其他交互设备)，参与者可从不同的角度和方位自由地进行交互、操纵，实现三维虚拟世界的实时交互和实时漫游。高度逼真的三维虚拟世界的高度临场感和高度参与性最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。非常适合于军事模拟训练、虚拟生物医学工程等诸多领域。
“可视化”一词正式出现于1987年2月美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF ）召开的一个专题研讨会上。科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等 产生的大规模数据转换为图形、图象，以直观的形式表示出来。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。
（三）虚拟交互界面
研究人员正在开发一种全新的可移动交互系统，此系统能够通过视觉存贮设备将视觉信号转换为命令，有望能全面代替键盘和显示器．这种设备是一个小型 的、能够放在胸前的电脑，其摄像头能捕捉到手部运动，从而转换成对应的命令执行．例如人们可以用手在空中画出各种图形，或选择空中不同的点来构型，此交互 系统可以立即将这些手上动作转化成图形或操作命令。
四、结语
ACM图灵奖1992年获得者Butler Lampson在题为\"二十一世纪的计算研究\"报告中指出\"计算机有三个作用:一是模拟，二是帮助人们进行通信，三是与实际世界的交流。两个重要的趋势计算机系统的拟人化，计算机的模型化、随身化和嵌入化，而硬件则是以手持电脑,智能手机为代表，人机交互技术是面临这种趋势的瓶颈技术。以人为中心,自然,高效将是新一代人机交互的主要目标。
参考文献
[编号] 作者（１，２，３等）．文章标题．刊名［J］，年，卷（期）：页～页。
