人机交互基础教程.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书资料大小：7.73M 资料格式：doc 举报版权申诉

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《人机交互工程》电子教材

第1章绪论

第2章感知和认识基础

第3章交互设备

第4章交互技术

第5章界面设计

第6章人机交互界面表示模型与实现

第7章 Web界面设计

第8章移动界面设计

第9章可用性分析与评估

附录A 长类型QUSI的完整例子

参考文献

绪论第一章

1.1 什么是人机交互

1.2人机交互的研究内容

1.3人机交互的发展历史

1.4人机交互的应用

第二章8.4 移动界面设计技术与工具

8.4.1 移动应用开发技术

8.4.2 移动浏览标准协议

1. WAP

2. WML 与 WML Script

3.XHTML Basic与XHTML MP

8. 4. 3 移动设备操作系统

《人机交互工程》电子教材目录第 1 章绪论 1.1 什么是人机交互 1.2 人机交互的研究内容 1.3 人机交互的发展历史 1.4 人机交互的作用习题 1 第 2 章感知和认识基础 2.1 人的感知 2.1.1 视觉 2.1.2 听觉 2.1.3 触觉 2.2 认识过程与交互设计原则 2.2.1 常见认识过程 2.2.2 影响认识的因素 2.3 概念模型及对概念模型的认识 2.3.1 概念模型 2.3.2 对概念模型的认识 2.4 分布式认识 2.4.1 基本概念和定义 2.4.2 分布式认识理论的特征 2.4.3 分布式认识在人机交互中的作用习题 2 第 3 章交互设备 3.1 输入设备 3.1.1 文本输入设备 3.1.2 图像输入设备 3.1.3 三维信息输入设备 3.1.4 指点输入设备 3.2 输出设备 3.2.1 显示器 3.2.2 打印机 3.2.3 语音交互设备 1

3.3 虚拟现实交互设备 3.3.1 三维空间定位设备 3.3.2 三维显示设备 3.4 交互设备的整合应用习题 3 第 4 章交互技术 4.1 人机交互输入模式 4.1.1 请求模式 4.1.2 采样模式 4.1.3 事件模式 4.2 基本交互技术 4.2.1 定位 4.2.2 笔画 4.2.3 定值 4.2.4 选择 4.2.5 字符串 4.3 图形交互技术 4.3.1 几何约束 4.3.2 引力场 4.3.3 拖动 4.3.4 橡皮筋技术 4.3.5 操作柄技术 4.3.6 三维交互技术 4.4 语音交互技术 4.5 笔交互技术 4.5.1 手写识别技术 4.5.2 数字墨水技术习题 4 第 5 章界面设计 5.1 界面设计原则 5.1.1 图形用户界面的主要思想 5.1.2 图形用户界面设计的一般原则 5.2 理解用户 5.2.1 用户的含义 5.2.2 用户体验 5.2.3 用户的区别 5.2.4 用户交互分析 5.3 设计流程 5.3.1 用户的观察和分析 5.3.2 设计 5.3.3 实施 2

5.4 任务分析 5.4.1 使用行为分析 5.4.2 顺序分析 5.4.3 协作关系分析 5.4.4 工序约束陈述 5.4.5 用户任务一览表 5.4.6 任务金字塔 5.4.7 故事陈述和情节分析 5.5 以用户为中心的界面设计 5.5.1 对象建模分析 5.5.2 视图抽象设计 5.5.3 概要设计 5.5.4 视图的关联设计 5.5.5 视图的全面设计习题 5 第 6 章人机交互界面表示模型与实现 6.1 人机交互界面表示模型 6.1.1 行为模型 6.1.2 结构模型 6.1.3 行为模型和结构模型的转换 6.1.4 表现模型 6.2 界面描述语言 6.3 窗口系统 6.3.1 窗口系统结构 6.3.2 交互事件处理 6.3.3 交互组件开发包 6.3.4 交互框架 6.3.5 MVC 模型及 Struts 结构 6.4 用户界面管理系统 6.4.1 对话独立性 6.4.2 UIMS 的表示方法 6.4.3 基于 Java 的 UIMS 的实现习题 6 第 7 章 Web 界面设计 7.1 Web 界面及相关概念 7.2 Web 界面设计原则 7.3 Web 界面要素设计 7.3.1 Web 界面规划 7.3.2 文化与语言 7.3.3 内容、风格与布局、色彩设计 7.3.4 文本设计 3

7.3.5 多媒体元素设计 7.4 Web 界面基本设计技术 7.4.1 HTML 7.4.2 JavaScript 7.4.3 JavaApplet 7.4.4 服务器端脚本语言 7.4.5 AJAX 技术 7.5 Web3D 界面设计技术 7.5.1 VRML 7.5.2 Java3D 习题 7 第 8 章移动界面设计 8.1 移动设备及交互方式 8.1.1 移动设备 8.1.2 连接方式 8.1.3 交互方式 8.2 移动界面设计原则 8.3 移动界面要素设计 8.4 移动界面设计技术与工具 8.4.1 移动应用开发技术 8.4.2 移动浏览标准协议 8.4.3 移动设备操作系统 8.4.4 移动界面开发工具 8.4.5 移动界面的设计实例系统 8 第 9 章可用性分析与评估 9.1 可用性与可用性工程 9.1.1 可用性的定义 9.1.2 成功与失败的可用性案例 9.1.3 可用性工程 9.2 支持可用性的设计原则 9.2.1 可学习性 9.2.2 灵活性 9.2.3 鲁棒性 9.3 可用性评估 9.3.1 用户模型法 9.3.2 启发式评估 9.3.3 认识性遍历 9.3.4 用户测试 9.3.5 问卷调查 9.3.6 放声思考法 4

9.4 可用性评估实例 9.4.1 评估指标体系的建立 9.4.2 启发式评估 9.4.3 用户测试 9.4.4 问卷调查 9.4.5 放声思考法 9.4.6 综合评估习题 9 附录 A 长类型 QUSI 的完整例子参考文献绪论第一章信息技术的高速发展对人类生产、生活带来了广泛而深刻的影响。如今，“微博”、“智能手机”、“蓝牙技术”、“四维电影”等新产品、新技术层出不穷，不断冲击着人们的视听。这些高科技成果为人们带来便捷和快乐的同时，也促进了人机交互技术的发展。但是作为信息技术的重要内容，人机交互技术比计算机硬件和软件的发展要滞后很多，已成为人类运用信息技术深入探索和认识客观世界的瓶颈。作为信息技术的一个重要组成部分，人机交互技术已经引起许多国家的高度重视，成为 21 世纪信息领域急需解决的重大课题。本章主要介绍人机交互的概念、研究内容、发展历史以及部分应用实例等内容。 1.1 什么是人机交互所谓人机交互（Human-Computer Interaction，HCI），是指关于设计、评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，并围绕相关的主要现象进行研究的学科。狭义地讲，人机交互技术主要是研究人与计算机之间的信息交换，它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、操纵杆、数据服装、眼动跟踪器、位置跟踪器、数据手套、压力笔等设备，用手、脚、声音、姿势或身体的动作、视线甚至脑电波等向计算机传递信息；对于后者，计算机通过打印机、绘图仪、显示器、头盔式显示器（HMD）、音箱等输出或显示设备向人们提供可理解的信息。人机交互式一门综合学科，它与认识心理学、人机工程学、多媒体技术、虚拟现实技术等密切相关。其中，认识心理学与人机工程学是人机交互技术的理论基础，而多媒体技术、虚拟现实技术与人机交互是相互交叉和渗透的。 1.2 人机交互的研究内容人机交互的研究内容十分广泛，涵盖了建模、设计、评估等理论和方法，以及在 Web、移动计算、虚拟现实等方面的应用研究，主要包括以下内容。 1. 人机交互界面表示模型与设计方法一个交互界面的优劣，直接影响到软件开发的成败。友好的人机交互界面的开发离不开好的交互模型与设计方法。因此，研究人机交互界面的表示模型与设计方法是人机交互的重要研究内容之一。 2. 可用性分析与评估可用性是人机交互系统的重要内容，它关系到人机交互能否达到用户期待的目标，以及实现这一目 5

标的效率与便捷性。对人机交互系统的可用性分析与评估的研究主要涉及到支持可用性的设计原则和可用性的评估方法等。 3. 多通道交互技术研究视觉、听觉、触觉和力觉等多通道信息的融合理论和方法，使用户可以使用语音、手势、眼神、表情等自然的交互方式与计算机系统进行通信。多通道交互主要研究多通道交互界面的表示模型、多通道交互界面的评估方法以及多通道信息的融合等。其中，多通道融合是多通道用户界面研究的重点和难点。 4. 认识与智能用户界面智能用户界面(Intelligent User Interface,IUI)的最终目标是使人机交互和人-人交互一样自然、方便。上下文感知、三维输入、语音识别、手写识别、自然语言理解等都是认识与智能用户界面解决的重要问题。 5. 群件群件是指为群组协同工作提供计算机支持的协作环境，主要涉及个人或群组间的信息传递、群组内的信息共享、业务过程自动化与协调以及人和过程之间的交互活动等。目前，与人机交互技术相关的研究内容主要包括群件系统的体系结构、计算机支持的交流与共享信息的方式、交流中的决策支持工具、应用程序共享以及同步实现方法等内容。 6. Web 设计重点研究 Web 界面的信息交互模型和结构，Web 界面设计的基本思想和原则，Web 界面设计的工具和技术，以及 Web 界面设计的可用性分析与评估方法等内容。 7. 移动界面设计移动计算(Mobile Computing)、普适计算(Ubiquitous Computing)等技术对人机交互技术提出了更高的要求，面向移动应用的界面设计已成为人机交互技术研究的一个重要内容。由于移动设备的便携性、位置不固定性、计算能力有限性以及无线网络的低带宽高延迟等诸多的限制，移动界面的设计方法、移动界面可用性与评估原则、移动界面导航技术以及移动界面的实现技术和开发工具，都是当前人机交互技术的研究热点。 1.3 人机交互的发展历史作为计算机系统的一个重要组成部分，人机交互技术一直伴随着计算机的发展而发展。人机交互技术的发展过程，也是从人适应计算机到计算机不断适应人的发展过程。它经历了如下几个阶段。 1. 命令行界面交互阶段计算机语言经历了由最初的机器语言、汇编语言，直至高级语言的发展过程，这个过程也可以看作使人机交互的早期发展过程。最初，程序通常之间采用机器语言指令(二进制机器代码)或汇编语言编写，通过纸带输入机或卡读机输入，通过打印机输出计算结果，人与计算机的交互一般是采用控制键或控制台直接手工嘈杂，这种形式很不符合人们的习惯，既耗费时间，又容易出错，只有专业的计算机管理员才能做到运用自如。后来，出现了 ALGOL 60、FORTRAN、COBOL、PASCAL 等高级语言，使人们可以用比较习惯的符号形式描述计算过程，交互操作由受过一定训练的程序员即可完成，命令行界面(Command Line Interface,CLI)开始出现。这一时期，程序员可采用批处理作业语言或交互命令语言的方式和计算机打交道，虽然要记忆许多命令和熟练地敲击键盘，但已可用较方便的手段来调试程序、了解计算机执行的情况。通过命令行界面，人们可以通过问答式对话、文本菜单或命令语言等方式来进行人机交互。命令行可以看作第一代人机界面。在这种界面中，计算机的使用者被看成操作员，计算机对输入信息一般只做出被动的反应，操作员主要通过操作键盘输入数据和命令信息，界面输出以字符为主，显然，这种人机界面交互方式缺乏自然性。 2. 图形用户界面交互阶段图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)的出现使人机交互方式发生了巨大变化。GUI 的主要特 6

点是桌面隐喻、WIMP(Window,Icon,Menu,Pointing Device)技术、直接操纵和“所见即所得(WYSIWYG)”。 GUI 简单易学、减少了键盘操作，使得普通用户也可以熟练地使用，从而拓展了用户群，使计算机技术得到了普及。 GUI 技术的起源可以追溯到 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系统上得到了成功应用，使鼠标器与键盘成为目前计算机系统中必备的输入装置。特别是 20 世纪 90 年代以来，鼠标器已经成为人们必备的人机交互工具。 20 世纪 70 年代施乐公司在 Alto 计算机上首次开发了位映像图形显示技术，为开发可重叠窗口、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 WIMP 技术为基础的第二代人机界面。1984 年 Apple 公司仿照 PARC 的技术开发出了新型 Macintosh 个人计算机，将 WIMP 技术引入到微机领域，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界面的历史性变革。与命令行界面相比，图形用户界面的自然性和交互效率都由较大的提高。图形用户界面很大程度上依赖于菜单选择和交互构件(Widget)。经常使用的命令大都通过鼠标来实现。鼠标驱动的人机界面便于初学者使用，但重复性的菜单选择会给有经验的用户造成不方便，他们有时倾向使用命令键而不是选择菜单，且在输入信息时用户只能使用“手”这种输入通道。另外，图形用户界面需要占用较多的屏幕空间，并且难以表达和支持非空间性的抽象信息的交互。 3. 自然和谐的人机交互阶段当前，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。在这一阶段，自然和谐的人机交互方式得到了一定的发展。基于语音、手写体、姿势、视线、表情等输入手段的多通道交互是其主要特点，目标是使人能以声音、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技术发展过程中，人们除了致力于研究开发真实感的三维用户界面和基于声音、动作、表情等多种通道的自然交互方式，还发明了大量新的交互设备，如美国麻省理工学院的 Ivan Sutherland 早在 1968 年就开发了头盔式立体显示器，为现代虚拟现实技术奠定了重要基础；1982 美国加州 VPL 公司开发出了第一副数据手套，用于手势输入；该公司在 1992 年还推出了 Eyephone 液晶显示器；同样在 1992 年，Tom Defanti 等推出了一种沉浸式虚拟现实环境— —CAVE 系统，该系统可提供一个房间大小的四面立方体投影显示空间。目前，人类常用的自然交互方式——基于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(Digital Ink)等，已经有了很大的发展。如中国科学院自动化研究所的“汉王笔” 手写汉字识别系统，微软亚洲研究院发明的数字墨水技术，中国科学院人机交互技术与智能信息处理实验室研制的笔式交互软件开发平台等，其中不少成果已经商品化。另外，20 世纪 90 年代，美国麻省理工学院 Nicholas Negroponet 领导的媒体实验室在新一代多通道用户界面方面做了大量开创性的工作。近年来，强大的社会需求产生了各式各样的应用场景。要想实现自然和谐的人机交互关系，需要在进行交互设计时考虑物理、社会等不同的技术环境，理解人机交互的复杂本质，探索与之相关的社会的、自然的和认识的环境以及人们使用计算机的原因，将领域知识应用到系统设计中，并在此过程中逐步形成人机交互新方法，发现更新、更好的计算范式。这也是人机交互技术研究发展的趋势。 1.4 人机交互的应用人机交互技术的发展，极大地促进了计算机的快速发展与普及，已经在制造业、教育、娱乐、军事和日常生活等领域得到广泛应用 1. 制造业 7

在制造业领域，人机交互技术已用于产品设计、装配仿真等各个环节，利用立体投影系统等各种交互设备，构建产品的虚拟仿真平台。例如，法国标志雪铁龙(PSA)公司利用主动式立体 Barco I-Space 5 CAVE 系统，Barco CAD Wall 被动式单通道立及 Haption 体投影系统，A.R.T 光学跟踪系统，以 6D 35-45 和 INCA 力反馈系统等，构建其工业仿真系统平台，进行汽车设计的检视、虚拟装配与协同项目的检测等，如图 1-1 所示。 2. 教育目前，已有一些科研机构研发出沉拟世界系统(Virtual World)，通过和谐互操作手段，让学习者在虚拟世界自未知世界，激发他们的想象力，启迪造力。浸式的虚自然的交如地探索他们的创例如，由伊利诺大学芝加哥校区的 EVL 实验室和 CEL 实验室合作完成的沉浸式协同环境 NICE 系统(Narrative Immersive Construcitonist/Collaborative Environments)，可以支持儿童们建造一个虚拟花园，并通过佩戴立体眼镜沉浸在一个由 CAVE 显示的虚拟场景中，进行播种、浇水、调整光照以及观察植物的生长等，学习相关知识，并进行观察思考等，如图 1-2 所示。又如，科视公司设计并安装的全沉浸式 Christie TotalVIEWTM CAVE(见图 1-3)，用于在威斯康星州密尔沃基举办的著名的 Discovery World 展览。这套人机交互式虚拟教育系统主要采用了 3D 投影显示技术 ——Mirage 系列投影机构造沉浸式虚拟环境，参观者能够通过佩戴主动式立体眼镜，获得关于生活环境的“近似真实”的体验。 3. 军事国防军事的需求对人机交互技术的发展起到了很大的推动作用，也出现了很多人机交互技术成功应用的范例，包括从早期的飞机驾驶员培训到今天的军事战略和战术演习仿真等。如 F-35 战斗机采用头盔显示器(HMD)取代传统的平视显示器，可以直接显示机戴设备管理计算机和综合显示管理计算机处理后的图像和信息，给 F-35 的飞行员提供了极大地方便，如图 1-4 所示。 8

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