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    引言

    人們對人機(jī)系統(tǒng)關(guān)系的認(rèn)識問題，伴隨著人機(jī)關(guān)系基本觀點(diǎn)的變化由來已久。在計算機(jī)出現(xiàn)的不足半個世紀(jì)的時間里，人機(jī)交互技術(shù)經(jīng)歷了巨大的變化。以下從幾個不同的角度來觀察和總結(jié)人機(jī)交互技術(shù)發(fā)生的變化及發(fā)展趨勢：

    (1) 就用戶界面的具體形式而言，過去經(jīng)歷了批處理、聯(lián)機(jī)終端(命令接口)、(文本)菜單等多通道――多媒體用戶界面和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

    (2) 就用戶界面中信息載體類型而言，經(jīng)歷了以文本為主的字符用戶界面(CUI)、以二維圖形為主的圖形用戶界面(GUI)和多媒體用戶界面，計算機(jī)與用戶之間的通信帶寬不斷提高。

    (3) 就計算機(jī)輸出信息的形式而言，經(jīng)歷了以符號為主的字符命令語言、以視覺感知為主的圖形用戶界面、兼顧聽覺感知的多媒體用戶界面和綜合運(yùn)用多種感觀(包括觸覺等)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在符號階段，用戶面對的只有單一文本符號，雖然離不開視覺的參與，但視覺信息是非本質(zhì)的，本質(zhì)的東西只有符號和概念。在視覺階段，借助計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)使人機(jī)交互能夠大量利用顏色、形狀等視覺信息，發(fā)揮人的形象感知和形象思維的潛能，提高了信息傳遞的效率。早期的計算機(jī)系統(tǒng)只有單調(diào)的峰鳴聲，雖然多媒體技術(shù)將聲頻形式和視頻形式同時帶入人機(jī)交互，但仍缺少聽覺交互手段，即人處于被動收聽狀態(tài)，聲音缺少位置和方向的變化，交互輸入方面仍沿用圖形用戶界面所采用的鍵盤和鼠標(biāo)器等交互設(shè)備。當(dāng)前，在人機(jī)交互中結(jié)合進(jìn)視覺的、聽覺的以及更多的通道是必然趨勢，特別是將聽覺通道作為補(bǔ)充的或替換的信息通道已顯示出重要性和優(yōu)越性［1］。

    (4) 就人機(jī)界面中的信息維度而言，經(jīng)歷了一維信息(主要指文本流，如早期電傳式終端)、二維信息(主要是二維圖形技術(shù)，利用了色彩、形狀、紋理等維度信息)、三維信息(主要是三維圖形技術(shù)，但顯示技術(shù)仍利用二維平面為主)和多維信息(多通道的多維信息)空間。

    不論從何種角度看，人機(jī)交互發(fā)展的趨勢體現(xiàn)了對人的因素的不斷重視，使人機(jī)交互更接近于自然的形式，使用戶能利用日常的自然技能，不須經(jīng)過特別的努力和學(xué)習(xí)，認(rèn)知負(fù)荷降低，工作效率提高。這種“以人為中心”的思想特別是自80年代以來，在人機(jī)交互技術(shù)的研究中得到明顯的體現(xiàn)。本文通過簡要回顧和分析人機(jī)交互技術(shù)的變化過程，進(jìn)而展望未來發(fā)展的趨勢。

    1、命令語言用戶界面

    真正意義上的人機(jī)交互開始于聯(lián)機(jī)終端的出現(xiàn)，此時計算機(jī)用戶與計算機(jī)之間可借助一種雙方都能理解的語言進(jìn)行交互式對話。根據(jù)語言的特點(diǎn)可分為：

    a. 形式語言。這是一種人工語言，特點(diǎn)是簡潔、嚴(yán)密、高效，如應(yīng)用于數(shù)學(xué)、化學(xué)、音樂、舞蹈等各領(lǐng)域的特殊語言，計算機(jī)語言則不僅是操縱計算機(jī)的語言，而且是處理語言的語言；

    b. 自然語言。特點(diǎn)是具有多義性、微妙、豐富；

    c. 類自然語言。這是計算機(jī)語言的一種特例。

    命令語言的典型形式是動詞后面接一個名詞賓語，即“動詞+賓語”，二者都可帶有限定詞或量詞。命令語言可以具有非常簡單的形式，也可以有非常復(fù)雜的語法。

    命令語言要求驚人的記憶和大量的訓(xùn)練，并且容易出錯，使入門者望而生畏，但比較靈活和高效，適合于專業(yè)人員使用。

    2、圖形用戶界面

    圖形用戶界面(GUI-Graphics User Interface)是當(dāng)前用戶界面的主流，廣泛應(yīng)用于各檔臺式微機(jī)和圖形工作站。比較成熟的商品化系統(tǒng)有Apple的Macintosh、IBM的PM(Presentation Manager)、Microsoft的Windows和運(yùn)行于Unix環(huán)境的X-Window、OpenLook和OSF/Motif等。當(dāng)前各類圖形用戶界面的共同特點(diǎn)是以窗口管理系統(tǒng)為核心，使用鍵盤和鼠標(biāo)器作為輸入設(shè)備。窗口管理系統(tǒng)除基于可重疊多窗口管理技術(shù)外，廣泛采用的另一核心技術(shù)是事件驅(qū)動(Event-Driven)技術(shù)。圖形用戶界面和人機(jī)交互過程極大地依賴視覺和手動控制的參與，因此具有強(qiáng)烈的直接操作特點(diǎn)。

    雖然菜單與圖形用戶界面并沒有必然的聯(lián)系，但圖形用戶界面中菜單的表現(xiàn)形式比字符用戶界面更為豐富，在菜單項中可以顯示不同的字體、圖標(biāo)甚至產(chǎn)生三維效果。菜單界面與命令語言界面相比，用戶只需確認(rèn)而不需回憶系統(tǒng)命令，從而大大降低記憶負(fù)荷。但菜單的缺點(diǎn)是靈活性和效率較差，可能不十分適合于專家用戶。基于圖形用戶界面的優(yōu)點(diǎn)是具有一定的文化和語言獨(dú)立性，并可提高視覺目標(biāo)搜索的效率。圖形用戶界面的主要缺點(diǎn)是需要占用較多的屏幕空間，并且難以表達(dá)和支持非空間性的抽象信息的交互。

    3、直接操縱用戶界面

    直接操縱(Direct manipulation)用戶界面是Shneiderman［2］首先提出的概念，直接操縱用戶界面更多地借助物理的、空間的或形象的表示，而不是單純的文字或數(shù)字的表示。前者已為心理學(xué)證明有利于“問題解決”和“學(xué)習(xí)”。視覺的、形象的(藝術(shù)的、右腦的、整體的、直覺的)用戶界面對于邏輯的、直接性的、面向文本的、左腦的、強(qiáng)迫性的、推理的用戶界面是一個挑戰(zhàn)。直接操縱用戶界面的操縱模式與命令界面相反，基于“賓 語+動詞”這樣的結(jié)構(gòu)，Windows 95設(shè)計者稱之為“以文檔為中心”［3］。用戶最終關(guān)心的是他欲控制和操作的對象，他只關(guān)心任務(wù)語義，而不用過多為計算機(jī)語義和句法而分心。對于大量物理的、幾何空間的以及形象的任務(wù)，直接操縱已表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，然而在抽象的、復(fù)雜的應(yīng)用中，直接操縱用戶界面可能會表現(xiàn)出其局限性。從用戶界面設(shè)計者角度看：

    a. 設(shè)計圖形比較因難，需大量的測試和實驗；

    b. 復(fù)雜語義、抽象語義表示比較困難［7］；

    c. 不容易使用戶界面與應(yīng)用程序分開獨(dú)立設(shè)計。

    總之，直接操縱用戶界面不具備命令語言界面的某些優(yōu)點(diǎn)。

    4、多媒體用戶界面

    多媒體技術(shù)被認(rèn)為是在智能用戶界面和自然交互技術(shù)取得突破之前的一種過渡技術(shù)。在多媒體用戶界面出現(xiàn)之前，用戶界面已經(jīng)經(jīng)過了從文本向圖形的過渡，此時用戶界面中只有兩種媒體：文本和圖形(圖像)，都是靜態(tài)的媒體。多媒體技術(shù)引入了動畫、音頻、視頻等動態(tài)媒體，特別是引入了音頻媒體，從而大大豐富了計算機(jī)表現(xiàn)信息的形式，拓寬了計算機(jī)輸出的帶寬，提高了用戶接受信息的效率。

    多媒體信息在人機(jī)交互中的巨大潛力主要來自它能提高人對信息表現(xiàn)形式的選擇和控制能力。同時也能提高信息表現(xiàn)形式與人的邏輯和創(chuàng)造能力的結(jié)合程度，在順序、符號信息以及并行、聯(lián)想信息方面擴(kuò)展人的信息處理能力。多媒體信息比單一媒體信息對人具有更大的吸引力，它有利于人對信息的主動探索而不是被動接受。另一重要原因是多媒體所帶來的信息冗余性，重復(fù)使用別的媒體或并行使用多種媒體可消除人機(jī)通信過程中多義性及噪聲。

    多媒體用戶界面豐富了信息的表現(xiàn)形式，但基本上限于信息的存儲和傳輸方面，并沒有理解媒體信息的含義，這是其不足之處，從而也限制了它的應(yīng)用場合。多媒體與人工智能技術(shù)結(jié)合起來而進(jìn)行的媒體理解和推理的研究將改變這種現(xiàn)狀。另一方面，多通道用戶界面研究的興起，將進(jìn)一步提高計算機(jī)的信息識別、理解能力，提高人機(jī)交互的效率和用戶友好性，將人機(jī)交互技術(shù)和用戶界面設(shè)計引向更高境界。

    5、多通道用戶界面

    多媒體用戶界面大大豐富了計算機(jī)信息的表現(xiàn)形式，使用戶可以交替或同時利用多個感覺通道。然而多媒體用戶界面的人機(jī)交互形式仍迫使用戶使用常規(guī)的輸入設(shè)備(鍵盤，鼠標(biāo)器和觸摸屏)進(jìn)行輸入，即輸入仍是單通道的，輸入輸出表現(xiàn)出極大的不平衡。

    多媒體用戶界面豐富了信息表現(xiàn)形式，發(fā)揮了用戶感知信息的效率，拓寬了計算機(jī)到用戶的通信帶寬。而用戶到計算機(jī)的通信帶寬卻仍停留在圖形用戶界面(WIMP/GUI)階段的鍵盤和鼠標(biāo)器，從而成為當(dāng)今人機(jī)交互技術(shù)的瓶頸。80年代后期以來，多通道用戶界面(Multimodal User Interface)成為人機(jī)交互技術(shù)研究的嶄新領(lǐng)域，在國際上受到高度重視。多通道用戶界面的研究正是為了消除當(dāng)前WIMP/GUI、多媒體用戶界面通信帶寬不平衡的瓶頸，綜合采用視線、語音、手勢等新的交互通道、設(shè)備和交互技術(shù)，使用戶利用多個通道以自然、并行、協(xié)作的方式進(jìn)行人機(jī)對話，通過整合來自多個通道的精確的和不精確的輸入來捕捉用戶的交互意圖，提高人機(jī)交互的自然性和高效性。國外研究(包括上述項目)涉及鍵盤、鼠標(biāo)器之外的輸入通道主要是語音和自然語言、手勢、書寫和眼動方面，并以具體系統(tǒng)研究為主。

    多通道用戶界面與多媒體用戶界面一道共同提高人機(jī)交互的自然性和效率。多通道用戶界面主要關(guān)注人機(jī)界面中用戶向計算機(jī)輸入信息以及計算機(jī)對用戶意圖理解的問題，它所要達(dá)到的目標(biāo)可歸納為如下方面：

    a. 交互自然性，使用戶盡可能多地利用已有的日常技能與計算機(jī)交互，降低認(rèn)識負(fù)荷；

    b. 交互高效性，使人機(jī)通訊信息交換吞吐量更大、形式更豐富，發(fā)揮人機(jī)彼此不同的認(rèn)知潛力；

    c. 吸取已有人機(jī)交互技術(shù)的成果，與傳統(tǒng)的用戶界面特別是廣泛流行的WIMP/GUI兼容，使老用戶、專家用戶的知識和技能得以利用，不被淘汰。

    研究者心目中的多通道用戶界面具有以下幾個基本特點(diǎn)：

    a. 使用多個感覺和效應(yīng)通道。盡管感覺通道側(cè)重于多媒體信息的接受，而效應(yīng)通道側(cè)重于交互過程中控制與信息的輸入，但兩者是密不可分、相互配合的；當(dāng)僅使用一種通道(如語音)不能充分表達(dá)用戶的意圖時，需輔以其它通道(如手勢指點(diǎn))的信息；有時使用輔助通道以增強(qiáng)表達(dá)力。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，交替而獨(dú)立地使用不同的通道不是真正意義上的多通道技術(shù)，反之，必須允許充分地并行、協(xié)作的通道配合關(guān)系。

    b. 三維的和直接操縱的。人類大多數(shù)活動領(lǐng)域具有三維和直接操縱特點(diǎn)(也許數(shù)學(xué)的和邏輯的活動例外)，人生活在三維空間，習(xí)慣于看、聽和操縱三維的客觀對象，并希望及時看到這種控制的結(jié)果。多通道人機(jī)交互的自然性反應(yīng)了這種本質(zhì)特點(diǎn)。

    c. 允許非精確的交互。人類在日常生活中習(xí)慣于并大量使用非精確的信息交流，人類語言本身就具有高度模糊性。允許使用模糊的表達(dá)手段可以避免不必要的認(rèn)識負(fù)荷，有利于提高交互活動的自然性和高效性；多通道人機(jī)交互技術(shù)主張以充分性代替精確性［4］。

    d. 交互雙向性。人的感覺和效應(yīng)通道通常具有雙向性的特點(diǎn)，如視覺可看可注視，手可控制、可觸及等，多通道用戶界面使用戶避免生硬的、不自然的、頻繁的、耗時的通道切換從而提高自然性和效率。例如視線跟蹤系統(tǒng)可促成視覺交互雙向性，聽覺通道在利用三維聽覺定位器(3D Auditory Localizer)實現(xiàn)交互雙向性，這在單通道用戶界面是難以想象的。

    e. 交互的隱含性。有人認(rèn)為，好的用戶界面應(yīng)當(dāng)使用戶把所有注意力均集中于完成任務(wù)而無需為界面分心，即好的用戶界面對用戶而言應(yīng)當(dāng)是不存在界面。追求交互自然性的多通道用戶界面并不需要用戶顯式地說明每個交互成分，反之是在自然的交互過程中隱含地說明。例如，用戶的視線自然地落在所感興趣的對象之上；又如，用戶的手自然地握住被操縱的目標(biāo)。

    6、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

    虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)又稱虛擬環(huán)境(Virtual Environment)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)向用戶提供臨境(immerse)和多感覺通道(multi-sensory)體驗，它的三個重要特點(diǎn)，所謂的I3