人机交互系统[编辑]

名词解释
人机交互界面作为一个独立的、重要的研究领域受到了世界各计算机厂家的关注。并成为90年代计算机行业的又一竞争领域。从计算机技术的发展过程来看，人机交互界面技术还引导了相关软硬件技术的发展，是新一代计算机系统取得成功的保证。 80年代已来，计算机的软件和硬件技术取得了较大的发展，同时，计算机的使用者也从计算机专家迅速扩大到了广大未受过专门训练的普通用户，由此极大地提高了用户界面在系统设计和软件开发中的重要性，强烈地刺激了人机交互界面的进步。人－计算机的交互作用是通过用户界面来实现的.

1、总体概述
　　在计算机技术发展的初期，由于系统的运行速度慢、价格昂贵并且可靠性差，不可能进行交互使用，用户必须调整自己的行为去适应机器的要求。因此，与计算机使用中的其它问题相比，界面只是一个小问题。随着计算机性能的提高，系统能够用一部分资源来处理人－计算机界面，用户界面设计开始引起人们的注意。
　　用户界面的发展对计算机系统整体性能的提高所具有的重要性已经得到了人们的高度重视，与此同时，围绕人机建模业已形成了计算机产业又一新的竞争领域。在美国人机建模研究在信息技术中被列为与软件和计算机并列的六项国家关键技术之一，并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性，对其它工业也是很重要的”。美国国防关键技术计划不仅把人机交互界面列为软件技术发展的重要内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的人－系统界面一项内容。日本也提出了FPIEND21计划（Future Personalized Information Enviroment Develop- ment)，其目标就是要开发21世界的计算机界面。
　　我国在人机界面方面的设计与国际同类研究相比还存在较大差距。目前的研究仅仅着重于支持界面的软件和硬件，对界面本身还缺少深入的研究，用户界面的设计还没有成为软件设计中独立的一部分，也缺少新的人机界面设计技术。而另一方面，计算机科学的发展和计算机的普及应用却对人机界面的研究提出了越来越高的要求。
　　进入九十年代计算机软件开发已进入了以开发软件工具和建立软件开发环境为目标的时代。作为支持人机交互软件开发环境的用户界面管理系统UIMS正日益受到人们的关注和重视。今后UIMS将有可能进入各类实际软件开发环境，成为继 DBMS之后的又一个重要的软件开发环境和工具。
2、关键技术
　　软件界面是人－机之间的信息界面，从某种意义上讲，它比硬件和工作环境更为重要。优化软件界面就是要合理设计和管理人－机对话的结构。对话的结构设计一般可分为初始设计、形式评价和总结评价三个阶段。
　　2.1人类工程学
　　人类工程学是一门应用广泛的综合性边缘学科，作为一门独立的学科，人类工程学在我国的历史还很短，我国的心理学家、人类学家、劳动保护和医学工作者、机械工程师正结合自己的领域，开展这方面的工作。
　　（1）人类工程学中人的特性
　　人在系统中是主体，任何先进的机器都是由人设计的，由人操纵的，所以系统工作效率的优劣、安全性，很大程度上决定于人的工作状况。人类工程学中要研究人对外界信息的感知特性，人对信息的加工、处理及思维能力，人的学习、记忆特性，人的自身节率等等。
　　1) 人的感觉功能
　　a. 视觉人们通过视觉器官认识外界事物，由大脑产生正确的思考，视觉对劳动的产量、质量及安全均有影响，还影响到劳动者的心理活动过程。
　　b. 听觉人耳对声音响度的感觉主要是和声强有关。人接受听觉信息要比接受视觉信息快。据测定，人的听觉反应时间约为120－150ms，较光信息快30－ 50ms。听觉信号常用于报警。
　　c. 触觉等人们通过触觉器官接受物体的空间位置、形状、表面情况和原材料等信息。
　　2) 人的信息处理及输出特性
　　a. 人的反应时间操作者在操纵、监视设备时，从出现信号刺激到采取相应动作，存在一个反应时间。人体的运动系统反应速度比较缓慢，神经肌肉接头的反应延迟时间为0.1－0.2s.
　　b. 人的信息传输信息在神经系统中的传输，是由不同的感觉通道，传输不同的信息，如视觉系统的单个神经纤维能传输不同的颜色信息，信息的传输速率是一个重要的物理量。
　　3) 人机分工
　　设计人机交互界面，进行人机分工时，要充分发挥人机的各自特点。可采用最大最小原则，即人承担的工作量应尽量少或最少，机器承担的工作量应最大，在最大限度利用机器的同时，充分发挥人的积极因素。人机结合并充分注意人的主导地位，将有效地保证系统的可靠性和寿命。
　　（2）计算机辅助设计和计算机图形学中的人的因素
　　利用CAD技术并结合CAM技术可以大大缩短产品的设计－制造周期，CAD已经成为制造业中求生存的一种主要手段。CAD中主要的人的因素问题有：CAD硬件中的图形终端、输入装置和菜单设计，CAD系统中人的信息加工能力，如有关CAD显示的视觉、CAD中的空间推理、CAD中的问题解决及运动反应等过程；CAD系统中人机功能分配；CAD系统中的工作设计、人员选拔和训练等。
　　（3）计算机辅助制造中的人的因素
　　CAM可被广义地认为是在制造业的管理、控制和运行中有效地应用计算机的一项新技术，其最终目标是要建成CIMS，它将是一项在21世纪最具竞争力的技术。认知工程学在CAM领域的主要研究内容：自动化与工作分片、CAM中的人的决策和自动化制造中人的监控。
　　2.2 人机界面设计原则
　　（1）媒体最佳组合
　　媒体界面的成功并不在于仅向用户提供丰富的媒体，而应在了解媒体的功能、选择方法的基础上，在相关理论的指导下，在语义层上将各种媒体有机地结合起来以更有效地传递信息。
　　（2）界面分析与规范
　　在人机界面设计中，首先应进行界面设计分析，即收集有关用户及其应用环境信息以后，进行用户特性分析，用户任务分析，记录用户有关系统的概念、术语，这项工作可与应用系统分析结合进行。分析任务中对界面设计要有界面规范说明，选择界面设计类型，并确定设计的主要组成部分。
　由于人机界面是为适合人的需要而建立的，所以要清楚使用该界面用户的类型，要了解用户使用系统的频率、用途及对用户的综合知识和智力的测试，这些均是用户设计中的内容。在此基础上产生任务规范说明，进行任务设计。任务设计的目的在于重新组织任务规范说明以产生一个更有逻辑性的编排。设计应精心地分别给出人与计算机的活动，使设计者较好地理解在设计一个界面时所遇到的问题，这样形成系统操作手册、训练文件和用户指南的基础。在考虑用户工作方式及系统环境和支持等因素下，精心任务设计。
　　任务确定之后，要决定界面类型。目前有多种人机界面设计类型，各有不同的品质和性能，因此设计者要了解每种类型的优点和限制。大多数界面使用一种以上的设计类型。下表列出了常用界面类型的优缺点。
　　3.图标：用图像代表功能
　　非常容易学，易用（鼠标操作〕，语言独立性强，编程较容易占具屏幕可观的空间，表达抽象概念描述力差，需文字解释，需图形硬件和软件支持初学者。有形成国际会话语言的趋势
　　4.表格填写使用速度快、易用、容易掌握仅适合于数据输入，不高级数据录入中用得最广泛的会话类型，用于显示和恢复界面，编辑初始界面
　　5.命令语言（单字命令到复杂语法的命令〕使用功能强，灵活，是界面可控制系统的高级方法，对屏幕空间使用十分经济学习困难（学习代码和语言条款〕，用户需要系统功能的某些知识，使用困难，研究该界面工作量大会使用复杂命令界面的熟练用户，用户发起和控制的对话
　　6.自然语言自然的交流难于编程实现，语言识别困难，会出现二义性，输入慢在有限制的问题中使用，可用于用户发出的会话
　　2.3菜单屏幕设计的一些准则　
　（1）按任务语义来组织菜单（单一菜单、线状序列、树状结构、非循环和循环的网络结构〕；
　（2）广而浅的菜单树优先于窄而浅的菜单树；
　（3）用图形、数字或标题来显示位置；　　
（4）用选项名称来作树的标题；　
　（5）根据含义将选项分组；　
　（6）根据含义将选项排序；　
　（7）选项力求简短，以关键词开始；　
　（8）语法、布局、用词前后一致；　
　（9）允许超前键入、超前跳转或其它捷径；
　（10）允许跳转到前层的菜单和主菜单；　
　（11）考虑联机求助、新颖选择机制、响应时间、显示速率和屏幕尺寸。　　2.4 错误处理
　　在一个交互系统中，由于操作者的个人原因，经常会产生误操作，包括键入错误、数据输入错误等。同样，在用户编制的程序或设备连接时也可能会有错误。一个好的交互系统不能要求操作者不犯错误，但应该具有较强的处置各种错误的能力，除了在软件设计时注意各种容错机制、鲁棒性技术及各种诊断措施以外，在计算机用户界面上应提供各种避免用户操作错误的提示及各种错误信息的分析。　
　（1）错误输入　
　 1）数据录入错误
　　在各类数据处理软件中，数据录入的错误是经常发生的薄弱环节，为了减少用户在录入时的错误，应采用一系列措施。
　　a. 对用户输入在屏幕上予以“回答”；
　　b. 对用户在屏幕上的交互输入，应提供暂存文件以记录全部输入，以便全部数据输入完后或临时需要时进行检查和确认；
　　c. 对用户各种输入应提供检查；
　　d. 对于数据库中的重要数据，必须进行严格的复查核对。
　　2）控制输入
　　控制输入的内容与用户界面的风格、控制方式有关。在有的菜单选项用户界面上，往往提供一组编号菜单项，用户输入一个号码后，立即可进入该号指定的项目。采用这种方法虽然可以减少按键，提供操作效率，但在误按号码后将会引起错误。
　　a. 对错误命令应提供反馈信息，告诉用户正确的命令格式及参数；
　 b. 对文件操作的命令只对该文件的副本进行，以便在必要时仍可从文件的原稿中恢复；
　　c. 对一些影响重大的命令需要由用户再次确认；
　　d. 建立命令的历史文件，这是对系统进行恢复的最有效措施，它对于不同开发阶段的错误情况获取都是有用的。
　　3）其它错误
　　在一个交互系统中，各个部分都可能出现错误，包括硬件错误和软件错误。在设计系统时，应允许采用不同厂商的设备，且设备不同也不应引起错误，这就是设备的独立性问题。
　　4）错误信息
　　如何向用户提供确切的错误信息是系统设计中的一个重要问题。过去有许多用户不爱使用某些系统，并不是因为其功能太弱，而是因为遇到错误时提示用户的信息太少。一个好的用户界面，不仅应该具有容错、检错的能力，而且在错误出现后，应让用户清楚了解其错误的性质和位置，以便由用户克服其错误，下面是有关错误信息的设计原则：
　　a. 尽可能使错误信息准确和定位；
　　b. 应指明用户针对这类错误应如何做；
　　c. 语言应简洁、明确，尽可能用通俗易懂的词汇；
　　d. 避免使用指责性语言，语气尽可能友善，但应给以告诫；
　　e. 对于错误信息应该根据系统的实际情况进行分层提示；
　　f. 应保持错误信息的风格一致，包括信息出现的位置，是否用对话框或窗口，术语及缩写等；
　　g. 尽可能采用可视的图形信息及音响效果。
　　2.5 人机界面设计的评价
　　评价是人机界面设计的重要组成部分，但往往被设计者忽视。通常评价在最后产品上进行，但若在系统设计初期就进行，或对原型进行评价，就能及早发现设计缺陷，避免人力、物力的浪费。
　　对界面设计的质量评价通常可用四项基本要求衡量：
　　（1）界面设计是否有利于用户目标的完成？
　　（2）界面学习和使用是否容易？
　　（3）界面使用效率如何？
　　（4）设计的潜在问题有那些？
　　而对界面的总体设计和具体功能块设计，则可用上面提到的各类界面设计准则根据其应用对象进行综合测试。具体要求的界面品质，可照以下几项参考：
　　（1）适应性。衡量界面在帮助用户完成一项或多项任务时的满意程度。
　（2）有效性。度量指标错误率、任务完成时间、系统各设备使用率等。
　　（3）易学习性。从系统开始使用一段时间后，错误率下降的情况、完成任务时间减少的情况、正确调用设备及命令的情况以及用户知识增加的情况来评测。
　　（4）系统设备及功能使用面。若有些设备或功能任何用户都未用过，则可能设计有误。
　　（5）用户满意程度。以用户满意程度、发现问题多少及使用兴趣来衡量。
　　界面评估采用的方法已由传统的知觉经验的方法，逐渐转为科学的系统的方法进行。传统经验方法有如下几种：
　　（1）实验方法。在确定了实验总目标及所要验证的假设条件后，设计最可靠的方法是随机和重复测试。
　　（2）监测方法。即观察用户行为。观察方法有多种，如直接监测，录像监测，系统监测等。
　　（3）调查方法。这种方法可为评价提供重要数据，在界面数据的任何阶段均可使用。调查方法可以采用调查表（问卷〕或面谈方式。调查收集到的大多是主观数据，主要了解用户使用该界面的情况，对界面的态度和意见。
3、相关产品
　　.1 X窗口系统
　　窗口系统是控制位图显示设备与输入设备的系统软件。它所管理的资源有屏幕、窗口、象素映象（pixmap)、色彩表、字体、光标、图形资源及输入设备。
　　窗口系统向用户提供下列界面：
　 1) 应用界面
　　2) 编程界面
　　3) 窗口管理界面
　　美国国家标准技术委员会于1990年5月把窗口系统X.11.3版本正式发布为美国国家标准文件（编号为FIPS－PUB－158）。该标准共包括4个内容：
　（1）X协议（X protocol)
　　X窗口系统实际上由核心协议所定义。协议包括四个方面：请求(request)、回答(reply)、出错(error)及事件(event)。X协议共有120个请求，可扩充至256 个。整个协议描述客户与服务器进程通讯的语法结构与语义。
　（2〕X库函数(Xlib)
　　X库函数是X窗口系统的C语言编程界面，是向应用程序员提供的低级编程界面。 X库把参数封装为协议请求，利用IPC机制发射给服务器进程。X库共有320多个函数，可分为系统功能（连接的建立与撤除等）、窗口功能（窗口属性与操作）、通讯功能（图原、通讯属性、正文字体、区域、图像等）、色彩功能（色彩表操作）、事件功能（输入事件及窗口事件处理）及其它功能（原子、实用函数）。
　（3）X工具箱本征函数（X toolkit intrinsics) X工具箱是在X库上的高级编程界面。它向用户提供菜单、对话框、图符等各种图形界面元素的编程手段。X 工具箱包含两部分：Widget集及Intrinsics函数集。前者是具有一定风格及外观的图形界面元素对象集，它与特定风格有关；后者是利用这些对象编程时的通用函数，共有270个函数，包括界面函数与应用程序联系的“回调函数”等。　
　（4）字体标准格式（BDF,Bitmap Distributed Format) 这是X窗口系统所提供各种字体的标准位图(bitmap)的组成规定。
　　X窗口系统的一个重要设计思想是提供实现各种界面的机制，而不是策略。由于上述四部分只规定了应用程序员的编程接口，因而不同厂商或用户可在它们之上实现各种窗口管理程序及界面外观。由此，X窗口系统成为工作站各用户界面的基础、事实上的工业标准。
　　窗口是X窗口系统的一个重要资源，是屏幕上的一个矩形区域（透明窗口无此区域边框〕。它实质上是位图输出设备及输入设备的一个抽象，有自己的坐标及感兴趣的事件等。X窗口系统有一个根窗口覆盖整个屏幕，应用程序的窗口均为根窗口的子窗口。这样所有窗口构成了树形结构，子窗口大小不能超出父窗口。X窗口系统中窗口的树形结构为应用程序的多级抽象提供了清晰的概念。
　　X窗口系统的运行环境应该是在具有进程间通信机制的操作系统上工作，例如有TCP/IP（支持Socket机制〕网络协议的UNIX操作系统上工作。此时，应在后台运行服务器进程(X Server)、窗口管理程序(uwm)及终端仿真程序(X term)。有以上三个进程，就可以在窗口系统下执行各种命令，用鼠标或键盘管理窗口，运行各种应用程序。X窗口提供了极强的显示管理及输入设备的管理功能，是工作站上CAD软件及其用户界面的主要支撑环境，已成为工作站窗口系统事实上的工业标准。X窗口系统也要求可观的计算机资源。
　　3.2 OSF/Motif和OPEN LOOK
　　X窗口系统提供了一系列构造用户界面的机制，包含协议、库函数、工具箱本征函数及字体格式等。但它并不提供某种具体的用户界面风格。在X窗口系统之上已经构造了具有不同用户界面风格的高级界面对象集，通常称为Widget Set。它们各有不同的视感（look & feel)，其中对象可以包括窗口、菜单、对话框、按钮、图符、边框等。一种风格的某种Widget Set为用户提供了一种外观统一的图形用户界面，也为应用程序员提供了面向对象的应用编程界面（API〕。OSF/Motif是由开放软件基金会（OSF〕1989年发布的图形用户界面规范。它以UNIX操作系统用X窗口系统为软件平台，吸取了IBM OS/2的Presentation Manager,MS-Dos及HP newware 界面风格的特点，提供了风格(style)、窗口管理、工具箱、用户界面语言（UIL〕等一系列机制及规定。OSF/Motif已在多种硬件平台及操作系统上工作。OPEN LOOK 是由UNIX国际1988年发布的图形用户界面规范，它已作为UNIX系统第四、第五版本发布的重要组成部分正式使用。它也在许多工作站上实现并推广使用。
　　3.3 Windows
　　1986年Microsoft公司为IBM个人计算机的DOS环境开放了Windows窗口系统，后来经过大量改进，于1990年正式发布了Windows3.0版本。由于该窗口系统在储存管理上突破了原来DOS 640KB的限制，从而具有强的功能，为在DOS环境提供了可实用的图形用户界面。MS-Windows的出现，使得DOS环境下的大量CAD/CAM软件有了十分强的窗口环境支持，从而使得CAD/CAM的用户界面更加方便、一致。MS－Windows已成为在DOS环境图形用户界面的主要产品。 Windows窗口系统是基于核心的窗口系统(Windows 95,Windows 98,Windows NT)，其核心功能放在操作系统内。由于Windows窗口环境具有风格一致的操作界面，在 Windows环境下开发的应用软件具有同样的界面风格因而易学易用。这种通用的操作系统为界面各种对象的设计提供了过程化设计的平台和工具箱，从而使界面设计实现容易。

参考资料：

扩展阅读：