人机交互：第1章 课程介绍与绪论.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,人机交互,Human-Computer Interaction,主要参考书,郭亚军，金先级,人机交互,华中科技大学出版社,2005,（面向,21,世纪计算机专业本科系列教材）,董士海,王衡,人机交互,北京大学出版社，,2004,（高等院校计算机专业及专业基础课系列教材）,孟祥旭，李学庆，,人机交互技术,原理与应用,清华大学出版社，,2004,（高等学校教材,-,计算机科学与技术）,教学目标,1.,了解人机交互的概念和主要技术,2.,增长知识,扩大视野,3.,了解人机交互技术的进展和发展趋势,第一章 绪论,人机交互的概念,人机交互的重要性,人机交互的发展历史,人机交互的发展趋势,人机交互的范畴,人机交互的研究内容,1.1,人机交互的概念,人机交互是研究人、计算机以及它们相互影响的技术。,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。,1.1,人机交互的概念,人机,:,人借助键盘、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、眼睛甚至脑电波等向计算机传递信息；,机人,:,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给人提供信息,1.1,人机交互的概念,相关名词,:,人机界面,:,计算机与人之间通信和对话的接口，它,作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，它是人机双向信息交换的支持软件和硬件,。,HCI(Human-Computer Interaction),CHI(Computer-Human Interaction),MMS(Man-Machine Studies),HMI(Human-Machine Interface),1.1,人机交互的概念,人机交互,VS,人机界面,人机交互是指用户与计算机系统之间的通信，它是人与计算机之间各种符号和动作的双向信息交换。这里的“交互”定义为,一种通信,，即,信息交换,，而且是一种双向的信息交换，可由人向计算机输入信息，也可由计算机向使用者反馈信息。这种信息交换的形式可以采用各种方式出现，如键盘上的击键、鼠标的移动、显示屏幕上的符号或图形等，也可以用声音、姿势或身体的动作等。,人机界面 是指人类用户与计算机系统之间的通信媒体或手段，它是人机双向信息交换的支持软件和硬件。这里“界面”定义为,通信的媒体或手段,，它的物化体现是有关的,支持软件和硬件,，如带有鼠标的图形显示终端。人机界面也称用户界面,人机交互是通过一定的人机界面来实现的，在界面开发过程中，有时把它们作为同义词使用。,1.1,人机交互的概念,人机交互技术是,21,世纪信息领域需要解决的重大课题,:,它影响最终用户的使用、计算机的推广、以至人们的工作和生活。,掌上设备、娱乐设备、保健医疗设备等新产品新概念层出不穷，这些高科技成果为人们带来便捷、快乐的同时，也促进着人机交互技术的发展。,人机交互技术比计算机硬件和软件技术的发展要滞后许多，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。,1.2,人机交互的重要性,人机交互早期,(,史前期,),世界上第一台数字计算机,ENIAC,在,1943-1946,年由美国宾州大学摩尔学院开发，,1946,年用于计算弹道方程的积分。,当时计算机的程序采用联线的方法在小接线板上相互连接，后来用,穿孔卡片和穿孔纸带,，由专门的阅读器输入程序和数据。对计算机的操作和调试，是通过计算机控制面板上的,开关、按键和指示灯,来进行。,1.3,人机交互的发展历史,作业控制语言及交互命令语言阶段,(,第一阶段,),1963,年由美国麻省理工学院成功地开发了第一个分时系统,CTSS,，并采用多个终端和正文编辑程序，广泛采用了“命令行”作业语言，极大地方便了程序员。,这一阶段的人机界面特点是程序员可采用正文和命令的方式和计算机打交道，虽然要记忆许多命令和熟练地敲键盘，但已经可用较多的手段来调试程序，并且了解计算机执行的情况,IBM-DOS,MS-DOS,CC-DOS,UC-DOS,1.3,人机交互的发展历史,图形用户界面,GUI,阶段,(,第二阶段,),1963,年美国麻省理工学院,I.Sutherland,的,Sketchpad,系统开创了交互计算机图形学的新阶段。,70,年代,Xerox,公司在,Alto,计算机上首先开发了,Smalltalk-80,的多窗口程序设计环境，它采用高分辨率的图形显示器和新型的鼠标输入设备，应用了重叠型窗口、弹出型菜单、图符和剪贴等功能。,80,年代至,90,年代，苹果公司的,MacIntosh,计算机、微软公司的,MS-Windows,系统和麻省理工学院,X-Window,系统，,1.3,人机交互的发展历史,网络用户界面的出现,(GUI,的一种特例,),Internet,将世界上各种信息无序地联系起来，形成,WWW,万维网,成为人们传递、交换信息的媒介和获取信息的宝库。,人们怎样才能从这信息的海洋中去浏览和获取所需的信息？新的网络用户界面以超文本标记语言,HTML,及超文本传输协议,HTTP,为主要基础的网络浏览器是新的网络用户界面的代表，,早期的,Mosaic,Netscape,公司的,Communicator,到微软的,IE,，目前已经出现了一大批浏览器，它们与各种计算机窗口系统结合，形成了网络用户不可缺少的人机界面,1.3,人机交互的发展历史,多通道智能用户界面阶段,(,第三阶段,),以虚拟现实为代表的计算机系统的拟人化和以掌上电脑为代表的计算机的微型化和随身化，是当前计算机的两个重要的应用趋势。目前以鼠标和键盘为代表的人机界面技术是影响它们发展的瓶颈。,利用人的多种感觉通道和动作通道（如语音、手写、表情、姿势、视线等输入），以并行、非精确方式与计算机系统进行交互，可以提高人机交互的自然性和高效性。,以三维、沉浸感的逼真输出为标志的虚拟现实技术是多媒体、多通道界面的重要应用目标。,多通道人机界面对我们既是一个挑战，也是一个极好的机遇,1.3,人机交互的发展历史,人机界面发展中最有影响的事件和成果,1963,年发明,鼠标,器的美国斯坦福研究所的,D.Engleberg,，他预言鼠标器比其他输入设备都好，并在超文本系统、导航工具方面会有杰出的成果。,10,年后鼠标器经,Xerox,研究中心改进后，成为影响当代计算机使用的最重要成果！,1963,年美国麻省理工学院,I.Sutherland,开创了计算机图形学的新领域，随后美国布朗大学,A.Van Dam,等人组织了,SIGGRAPH,I.Sutherland,还在,1968,年开发了,头盔式立体显示器,70,年代当时在,Xerox,研究中心的,Alan Kay,发明了,重叠式多窗口系统,，并提出了,Smalltalk,面向对象程序设计等思想,1989,年,Tim Berners-Lee,在日内瓦的,CERN,用,HTML,及,HTTP,开发了,WWW,网，随后出现了各种,浏览器,（网络用户界面），使因特网飞速发展起来,90,年代美国麻省理工学院,N.Negroponte,（他早在,30,年前就提出了,“,交谈式计算机,”,概念）领导的媒体实验室在新一代,多通道人机界面,方面（包括语音、手势、智能体等），做了大量开创性的工作,1.3,人机交互的发展历史,在五个发展阶段中，通常强调以下三个,命令行界面,(CLI),图形用户界面,(GUI),也称,WIMP,界面,多通道人机界面,(MMI),1.3,人机交互的发展历史,1.4,人机交互的发展趋势,发展趋势,:,在未来的计算机系统中，将更加强调,“,以人为本,”,、,“,自然、和谐,”,的交互方式，以实现人机高效合作。,具体来说，新一代的人机交互技术的发展将主要围绕,集成化、网络化、智能化、标准化,展开。,1.4,人机交互的发展趋势,1.4,人机交互的发展趋势,集成化：,多样化、多通道,交互的集成,多样化,:,桌面和非桌面界面，可见和不可见界面，二维与三维输入，直接与间接操纵,.,多通道,:,语音、手势、表情、眼动、唇动、头动、肢体姿势、触觉、嗅觉、味觉以及键盘、鼠标等交互手段将集成在一起,.,1.4,人机交互的发展趋势,网络化：,无线互联网、移动通信网的快速发展，对人机交互技术提出了新的要求,无处不在的人机交互,。,新一代的人机交互技术需要考虑在,不同设备、不同网络、不同平台之间的无缝过渡和扩展,，支持人们通过跨地域的网络（,WLAN,、,GSM/CDMA,、,PSTN,与,Internet,等）,在世界上任何地方用多种简单的自然方式进行人机交互,，而且包括支持多个用户之间以协作的方式进行交互。,1.4,人机交互的发展趋势,智能化：,目前，用户使用键盘和鼠标等设备进行的交互输入都是精确的输入，但人们的动作或思想等往往并不很精确，人类语言本身也具有高度模糊性，人们在生活中常常习惯于使用大量的,非精确的信息交流,。因此，在人机交互中，使计算机更好地自动捕捉人的姿态、手势、语音和上下文等信息，了解人的意图，并做出合适的反馈或动作，提高交互活动的自然性和高效性，,使人机之间的交互像人与人交互一样自然、方便,，是计算机科学家正在积极探索的新一代交互技术的一个重要内容,1.4,人机交互的发展趋势,标准化：,目前，在人机交互领域，,ISO,已正式发布了许多的国际标准，以指导产品设计、测试和可用性评估等。,2002,年,2,月，,W3C,（,World Wide Web Consortium,）国际组织成立了,“,多通道交互,”,工作小组（,Multimodal Interaction Working Group,），开发,W3C,新的一类支持移动设备,MMI,的协议标准。目前已有,42,家大型,IT,企业或单位参加该小组，参与制定相关协议标准。该小组成员覆盖了几乎所有计算机软硬件、移动通信、家电的大型厂商,1.5,人机交互的范畴,认知心理学与人机工程学是人机交互技术的指导哲学,多媒体、虚拟现实和人工智能等技术与人机交互技术相互交叉和渗透,软件工程是人机交互的实现技术,1.5,人机交互的范畴,1.5,人机交互的范畴,:,多媒体技术,多媒体输入,:,将文字、声音、图形、静止图像、动态图像等集成在一起,多模态多通道输入。,多媒体输出,:,引入动画、音频、视频等动态媒体，丰富了计算机表现信息的形式，提高了用户接受信息的效率，使人们可以得到更直观的信息。,多媒体信息处理,:,多媒体信息融合,单一媒体的分析处理。,目前多媒体技术的研究基本上限于信息的存储和传输方面，而对于媒体信息理解的研究并不充分。与人工智能技术结合，开展媒体理解和推理研究将改变这种现状。,1.5,人机交互的范畴,:,多媒体技术,多通道人机交互,研究的兴起，进一步提高计算机的信息识别、理解能力，提高人机交互的效率和用户友好性，将人机交互技术和用户界面设计引向更高境界,多通道系统力求对语义的理解。,从人机交互的角度,应用人工智能对用户的原始输入在较高的层次上进行解释、分析和综合，提取语义内容，达到对用户的某种理解。然后，从较高的表现层次上传达给用户最恰当的反馈，它侧重于信息的理解和解释。,1.5,人机交互的范畴,1.5,人机交互的范畴,:,人工智能,1.5,人机交互的范畴,虚拟现实（,Virtual Reality,，,VR,）就是借助于计算机技术及硬件设备，建立高度真实感的虚拟环境，使人们通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等感官在其中看、听、触、闻起来像真实的，以产生身临其境的感觉的一种技术。,虚拟现实技术的特征：真实感、沉浸感和交互性。,1.5,人机交互的范畴,:,虚拟现实技术,自然和谐的交互方式是虚拟现实技术的一个重要研究内容，其目的是使人能以声音、动作、表情等自然方式与虚拟世界中的对象进行交互。,人机交互并不是虚拟现实的全部，复杂场景的建模、绘制等技术，也是虚拟现实非常重要的研究内容。,1.5,人机交互的范畴,1.5,人机交互的范畴,:,虚拟现实技术,1.5,人机交互的范畴,认知心理学（,Cognitive Psychology,）是,20,世纪,50,年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，在,20,世纪,70,年代成为西方心理学的一个主要研究方向。,它研究人的高级心理过程,，主要是认识过程，如注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等。,1.5,人机交互的范畴,:,认知心理学,从心理学的观点研究人机交互的原理，该领域研究包括如何通过视觉、听觉等接受和理解来自周围环境的信息的感知过程，以及通过人脑进行记忆、思维、推理、学习和解决问题等人的心理活动的认识过程。,1.5,人机交互的范畴,:,认知心理学,1.5,人机交互的范畴,人机工程学,（,Ergonomics,）,是运用生理学、心理学和医学等有关知识，研究人、机器、环境相互间的合理关系，以保证人们安全、健康、舒适地工作，从而提高整个系统工效的新兴边缘科学。,1.5,人机交互的范畴,:,人机工程学,经典的人机工程学称为,硬件人机工程学,，主要集中在对人体能力、人体限制及其他与设计相关的人体特性信息的应用，以满足设计、分析、测试与评价、标准化，以及系统控制的要求。,软件人机工程学,研究软件和软件界面，侧重于运用和扩充软件工程的理论和原理，对软件人机界面进行分析、描述、设计和评估等。主要解决设计、标准化、增强软件的可用性的方法等，使软件（计算机）与人的对话能够满足人的思维模式与数据处理的要求，实现软件的高可用性。,1.5,人机交互的范畴,:,人机工程学,1.5,人机交互的范畴,软件的设计,软件的实现,软件的测试,软件的开发管理,1.5,人机交互的范畴,:,软件工程,1.6,人机交互的研究内容,人机交互的三元素,人,(,指导哲学,),交互设备,交互软件,交互的,人,人机工程学,(,指导人机系统的硬件与环境设计,),认知心理学,(,指导人机系统的软件设计,),交互设备,笔式交互设备,语音交互设备,视觉交互设备,虚拟环境中的交互设备,交互设备举例,触觉交互设备,交互技术与软件,1.,多种独立模态的交互技术,精确交互,:,数据交互,键盘,鼠标,非精确交互,:,语音、手势、眼神、表情等自然的交互方式,1.6,人机交互的研究内容,(,交互技术,),2.,智能用户界面,(,多模态信息融合,),智能用户界面的最终,目标,是使人机交互和人人交互一样自然、方便。,上下文感知、眼动跟踪、手势识别、三维输入、语音识别、表情识别、手写识别、自然语言理解等都是智能用户界面需要解决的,重要问题,。,多通道整合,是智能用户界面研究的重点,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。,3.,虚拟现实中的人机交互,(3D,交互,),“,以人为本,”,的、自然和谐的人机交互理论和方法是虚拟现实的主要研究内容之一。,通过研究视觉、听觉、触觉等多通道信息融合的理论和方法、协同交互技术以及三维交互技术等，建立具有高度真实感的虚拟环境，使人产生,“,身临其境,”,的感觉,本章小结,人机交互的概念,人机交互的重要性,人机交互的发展历史,人机交互的发展趋势,人机交互的范畴,人机交互的研究内容,