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    引言

    人們對(duì)人機(jī)系統(tǒng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)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(jì)算機(jī)出現(xiàn)的不足半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人機(jī)交互技術(shù)經(jīng)歷了巨大的變化。以下從幾個(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)與用戶之間的通信帶寬不斷提高。

    (3) 就計(jì)算機(jī)輸出信息的形式而言，經(jīng)歷了以符號(hào)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(shí)系統(tǒng)。在符號(hào)階段，用戶面對(duì)的只有單一文本符號(hào)，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(hào)和概念。在視覺階段，借助計(jì)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(jì)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(shí)帶入人機(jī)交互，但仍缺少聽覺交互手段，即人處于被動(dòng)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(duì)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(shí)計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)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(duì)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(jì)算機(jī)語言則不僅是操縱計(jì)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(jì)算機(jī)語言的一種特例。

    命令語言的典型形式是動(dòng)詞后面接一個(gè)名詞賓語，即“動(dòng)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(cuò)，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(tái)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(dòng)(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(dòng)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(xiàng)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?；趫D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(duì)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(gè)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(dòng)詞”這樣的結(jié)構(gòu)，Windows 95設(shè)計(jì)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(duì)象，他只關(guān)心任務(wù)語義，而不用過多為計(jì)算機(jī)語義和句法而分心。對(duì)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(huì)表現(xiàn)出其局限性。從用戶界面設(shè)計(jì)者角度看：

    a. 設(shè)計(jì)圖形比較因難，需大量的測試和實(shí)驗(yàn)；

    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(jì)。

    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(shí)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(dòng)畫、音頻、視頻等動(dòng)態(tài)媒體，特別是引入了音頻媒體，從而大大豐富了計(jì)算機(jī)表現(xiàn)信息的形式，拓寬了計(jì)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(duì)信息表現(xiàn)形式的選擇和控制能力。同時(shí)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(hào)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(duì)人具有更大的吸引力，它有利于人對(duì)信息的主動(dòng)探索而不是被動(dòng)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(chǔ)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(jì)算機(jī)的信息識(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)信息的表現(xiàn)形式，使用戶可以交替或同時(shí)利用多個(gè)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(jì)算機(jī)到用戶的通信帶寬。而用戶到計(jì)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(gè)通道以自然、并行、協(xié)作的方式進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，通過整合來自多個(gè)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(xiàng)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(dòng)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(jì)算機(jī)輸入信息以及計(jì)算機(jī)對(duì)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(jì)算機(jī)交互，降低認(rèn)識(shí)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(shí)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(gè)基本特點(diǎn)：

    a. 使用多個(gè)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(shí)，需輔以其它通道(如手勢指點(diǎn))的信息；有時(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)象，并希望及時(shí)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(shí)負(fù)荷，有利于提高交互活動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)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(duì)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(shí)技術(shù)

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