人机界面设计

1. 人机界面设计 杨帆 2008.03 西北工业大学软件与微电子学院

2. 第一讲 综述 第1节 人机界面的定义 第2节 人机界面学的起源 第3节 人机界面学的发展 第4节 人机界面学的研究内容 第5节 人机界面设计的发展趋势 第6节 计算机基本人机界面 西北工业大学软件与微电子学院

3. 第1节 人机界面的定义 • 人机界面（Human-Machine Interface, HMI），是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。 • 好的人机界面: • 美观易懂; • 操作简单; • 且具有引导功能; • 使用户感觉愉快、增强兴趣; • 从而提高使用效率。 西北工业大学软件与微电子学院

4. 人机交互界面作为一个独立的、重要的研究领域，日益受到了世界各国的广泛关注，并成为20世纪90年代计算机行业的又一重要领域。人机交互界面作为一个独立的、重要的研究领域，日益受到了世界各国的广泛关注，并成为20世纪90年代计算机行业的又一重要领域。 广义的人机界面 人机界面 狭义的人机界面 西北工业大学软件与微电子学院

5. 1.1 广义的人机界面 • 系统:是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。 • 人机系统:（Human-Machine System），包括人、机和环境三个组成部分，它们相互联系构成一个整体。 • 人机系统模型： 西北工业大学软件与微电子学院

6. 人机界面 输入 输出 显示器 信息接受 人 机 环境 机器本体 人的决策 环境 输出 输入 控 制 器 控 制 人机系统模型 西北工业大学软件与微电子学院

7. 在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称为人—机界面，人与机之间的信息交流和控制活动都发生在人机界面上。在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称为人—机界面，人与机之间的信息交流和控制活动都发生在人机界面上。 • 1）机器的各种显示都“作用”于人，实现机—人信息传递； • 2）人通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，经过人脑的加工、决策，然后作出反映，实现人—机的信息传递。 • 可见，人机界面的设计直接关系到人机关系的合理性，而研究人机界面则主要针对两个问题：显示与控制。 西北工业大学软件与微电子学院

8. 1.2 狭义的人机界面 • 狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面(Human-Computer Interface,HCI)，又称人机接口、用户界面（User Interface），它是计算机科学中最年轻的分支之一。 • 人机界面是计算机科学与心理学、图形艺术、认知科学和人机工程学的交叉研究领域，是人与计算机之间传递和交换信息的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。 西北工业大学软件与微电子学院 8

9. 人 人机 界面 软件 硬件 人- 计算机系统的组成示意图 计算机系统是由计算机硬件、软件和人共同组成的人机系统，人与硬件、软件结合而构成了人机界面： 西北工业大学软件与微电子学院 9

10. 用户（人类） 计算机 感知系统 （视觉、听觉等） 输出设备 （显示器、喇叭等） 感知处理器 信息处理 和存储 长时记忆 短时记忆 思维处理器 反应系统 （手指、发音操作等） 输入设备 （键盘、鼠标、话筒等） 反应处理器 人机交互系统的信息处理模型 西北工业大学软件与微电子学院 10

11. 其工作过程解释为： 1）人—机界面为用户提供观感形象，支持用户应用知识、经验、感知和思维等获取界面信息，并使用交互设备完成人—机交互，如向系统输入命令、参数等； 2）计算机将处理所接受的 信息，通过人—机界面 向用户回送响应信息或 运行结果。 西北工业大学软件与微电子学院 11

12. 人 界面设计师 界面设计师 硬件界面 软件界面 软件 硬件 计算机技术 计算机系统中的界面设计问题 西北工业大学软件与微电子学院 12

13. 人机界面设计师的作用是协调好计算机硬件界面和软件界面之间的关系，而硬件界面与软件界面之间的关系则通过计算机技术来解决。人机界面设计师的作用是协调好计算机硬件界面和软件界面之间的关系，而硬件界面与软件界面之间的关系则通过计算机技术来解决。 • 总之，人机界面是介于用户和计算机系统之间，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，是用户使用计算机系统的综合操作环境。 西北工业大学软件与微电子学院 13

14. 1.3 人机交互 • 人机交互是人机界面学的一个分支,它是指用户与计算机系统之间的通信。 • 实现人与计算机之间通信的硬、软件系统即为交互系统。“交互”即信息交换，包括计算机通过输出或显示设备给人提供信息，以及人通过输入设备向计算机输入有关信息。 • 信息交换的形式有多种，如键盘、鼠标、光笔、操纵杆、书写板、显示屏幕上的符号或图形，也可以用声音、姿势或身体的动作等，还有许多其他设备。 西北工业大学软件与微电子学院 14

15. 人机交互技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题：人机交互技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题： 1）美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为软件、人机界面、网络和高性能计算。其中，人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技术等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，对其他工业也很重要”。 美国国防关键技术计划不仅把人机交互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机界面内容。 2）日本提出的FPIEND21计划（Fucture Personlized Information Environment Development），其目标是要开发21世纪个性化的信息环境。 3）我国973、S-863、十五计划均将人机交互列为主要内容。 西北工业大学软件与微电子学院 15

16. 经过多年的发展，HCI已经成为一个重要的理论学科和工程学科。在全世界，这一领域有7万以上的专业人员从事这方面的工作。经过多年的发展，HCI已经成为一个重要的理论学科和工程学科。在全世界，这一领域有7万以上的专业人员从事这方面的工作。 • 同时，每年有50多个这方面的学术会议在世界各地召开，100多余部书籍和400多篇专业杂志上的文章出版，3000多个相关学术研究成果在会议上宣读。 西北工业大学软件与微电子学院 16

17. 第2节人机界面学的起源 2.1 面向人的学科 从人类设计史上不难发现，面向人的设计思想早就萌发了：中国古代的器皿（如小口尖底彩陶瓶）在功能、造型、装饰三方面完美的统一；19世纪20-30年代，德国Bauhaus学校在设计理论上提出了“设计的目的是人而不是产品”等观点；以及随后的许多设计思想都渗透了温馨、人文的情调等； 随着机械化、自动化和电子化的高度发展，人的因素在生产中的影响越来越大，人机协调问题也显得越来越重要。 西北工业大学软件与微电子学院 17

18. 人机界面学中面向人的知识和方法主要来自于人机工程学（Ergonomics）、心理学、哲学、生物学、医学等。人机界面学中面向人的知识和方法主要来自于人机工程学（Ergonomics）、心理学、哲学、生物学、医学等。 • 建立于20世纪的人机工程学是一门应用性很强的学科，从它诞生时起，即与工业界紧密地联系在一起。二战期间，人们认识到对制造出的各种高性能新式机器和机器系统（生产、运输、通信、武器和航空飞行器等）进行操纵和控制时，其整体的工作效率在很多情况下都由人的活动来决定。 • 若设备的全部潜力未发挥出来，大部分原因是操纵人员没有能掌握其复杂的操作；出现操作失败，多数也是由于人机界面设计人性化存在缺陷。 西北工业大学软件与微电子学院 18

19. 示例：前苏联切尔诺贝利核电站失事的内在原因示例：前苏联切尔诺贝利核电站失事的内在原因 3000个按钮或显示屏，共有1000个指示灯，分别有三类功能：核反应监视（如温度）、核反应自动控制、安全监视。 西北工业大学软件与微电子学院 19

20. 经验和教训提醒我们：应该比任何时候都要更加重视机器设计，使得对机器的操作能够适应大多数普通人的能力范围。即机器适应人的策略，或“以人为本”的策略。经验和教训提醒我们：应该比任何时候都要更加重视机器设计，使得对机器的操作能够适应大多数普通人的能力范围。即机器适应人的策略，或“以人为本”的策略。 西北工业大学软件与微电子学院 20

21. 2.2 设计价值观念 2.2.1 以机器为本的设计价值观念 工业革命以来产生了以前没有的价值观念：效率和利润。 机器的基本设计价值思想是：无限提高机器效率。首先机器功能确定，然后根据剩下的选择余地再补充一个外部的操作部分－－人，来完成机器无法实现的某些输入功能和反馈控制功能。 这种设计没有考虑使机器适应人的生理特性和心理特性。而恰恰是人必须遵循机器的行为方式、运行速度、精度和强度。 西北工业大学软件与微电子学院 21

22. 计算机出现后，其设计基本沿用这样的设计思想。虽然，从80年代中期，人们逐渐开始认识该问题，但一直没有从根本上解决。计算机出现后，其设计基本沿用这样的设计思想。虽然，从80年代中期，人们逐渐开始认识该问题，但一直没有从根本上解决。 以机器为本的设计在当前计算机设计中的主要表现为： 西北工业大学软件与微电子学院

23. 1、把布尔逻辑运算作为主要的或唯一的思维方法。1、把布尔逻辑运算作为主要的或唯一的思维方法。 布尔认为人的思维不是随意的，而是按一定规则进行的，这一规则被称为计算。 布尔的理论虽然为计算机的发展发挥了重要作用，但现在人们普遍明白人的思维活动远比这几种逻辑复杂的多。人脑的非逻辑思维过程包括：探索尝试性思维、临场发挥的想法、人脑的遗忘、思维的跳跃、触景生情、思维出错后的修正、情绪对思维的支配等。 西北工业大学软件与微电子学院

24. 2、认为计算机的设计和发展就是为了模仿人脑思维功能。2、认为计算机的设计和发展就是为了模仿人脑思维功能。 计算机和人的思维方式基本一致，人适应计算机就是适应自己，学习计算机操作是应该的。计算机设计的最终目的是制造出像人脑一样的机器。 其实，就目前而言，计算机仅是一种“非常难用”的工具。 西北工业大学软件与微电子学院

25. 3、强调用户必须学习计算机操作方法。 现在，要想用计算机，必须对用户进行大量的培训。 其实，学习操作的主要目的是改变人的思维方式和行为方式，要记忆大量的计算机概念，了解计算机的行为特征，适应计算机的行为过程。 西北工业大学软件与微电子学院

26. “以人为本”的设计目标主要以动机心理学、认知心理学、符合学为基础。“以人为本”的设计目标主要以动机心理学、认知心理学、符合学为基础。 动机心理学：主要研究人行动的基本特征，如一个行动包含那些基本因素，在设计人机界面时适应人的那些特性。 认知心理学：主要研究人脑力劳动的特性，如记忆、理解、语言交流等，在设计中，减少人的这些认知负担。 符合学：主要研究符号（文字和图形）的构成、符号的语义以及符号使用的基本特性。在设计中，使计算机符号符合人的表达和交流特性。 西北工业大学软件与微电子学院

27. 从80年代中后期到2000年，人机界面方面的研究范围一般是人操作计算机时的知觉特性，减少用户记忆负担，减少学习操作的时间。从80年代中后期到2000年，人机界面方面的研究范围一般是人操作计算机时的知觉特性，减少用户记忆负担，减少学习操作的时间。 如：在屏幕上发现目标的过程中人的知觉有什么特性，显示多少个菜单项目比较适合人的知觉特性，知觉对文字图标的感知特性，键盘字母排布方式对操作的影响，鼠标形状会引起手腕的什么生理问题，各种键盘命令的构成方式对用户操作有什么影响，寻找取代键盘的方法，改进屏幕提示，把字符操作方式改为图形界面操作。 但最基本的思维方式方面，人还必须适应计算机的思维方式。 西北工业大学软件与微电子学院

28. 第3节人机界面学的发展 包括硬件人机界面的发展和软件人机界面的发展。 3.1 硬件人机界面学的发展 其发展以人类社会的三次技术革命(工业革命、电子技术和信息革命）作为分水岭： • 工业革命前，设计以手工业为主，并与人们的生产劳动、生活方式信息相关； • 18世纪末英国工业革命，机器生产取代手工生产，改变了生产、设计方式，各种设计思潮和流派层出不穷； 西北工业大学软件与微电子学院 28

29. 20世纪40年代末，电子技术的出现使机器小型化、电子化，计算机的出现和广泛使用为设计提供了广阔道路和市场，出现了各种设计风格，且设计结合了越来越多的工程技术、社会学、心理学、人机工程学等。20世纪40年代末，电子技术的出现使机器小型化、电子化，计算机的出现和广泛使用为设计提供了广阔道路和市场，出现了各种设计风格，且设计结合了越来越多的工程技术、社会学、心理学、人机工程学等。 • 计算机技术和网络技术的发展，出现信息化浪潮，彻底改变了人们的生活方式。设计也从物质化设计转向信息化、非物质化设计。软件开发设计层出不穷，虚拟设计、网络化设计、并行工程初步成为设计主流。人与机器的交互走向多通道化、虚拟化、人与人之间的交互也步入网络化、虚拟化。 西北工业大学软件与微电子学院 29

30. 西北工业大学软件与微电子学院 30

31. 西北工业大学软件与微电子学院 31

32. 西北工业大学软件与微电子学院 32

33. 3.2 软件人机界面的发展 • 软件人机界面学的发展,首先归功于计算机技术的发展, 使得计算机应用领域迅速膨胀。当今计算机和信息技术已应用于现代社会的每一个角落。 • 计算机用户已从少数计算机专家发展成为一支由各行各业的专业人员组成的庞大的用户大军。 • 早期计算机用二进制编码形式写程序。 • 后出现了操作系统和高级语言（FORTRAN、PASCAL、 ALGO、COBOL、C等），包括以后的多用户、多任务操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下，可同时运行学多不同的程序。 西北工业大学软件与微电子学院 33

34. 随着图形技术和图形用户界面技术的出现，计算机专业人员开发出了易用的图形形式的人机界面；随着图形技术和图形用户界面技术的出现，计算机专业人员开发出了易用的图形形式的人机界面； 1）Xerox公司Polo Alto研究中心（PARC）在20世纪70年代末开发了基于窗口菜单按钮和鼠标器控制的图形用户界面技术，使计算机操作以直观、易于理解的形式进行，为计算机的蓬勃发展做好了技术准备。 2）1984年Apple公司仿照PARC的技术开发了新型的Macintosh个人计算机，采用了完全的图形用户界面，取得巨大成功。 3）1983年IBM推出的PC/XT计算机、20世纪90年代至今推出的系列WINDOWS操作系统，等等。 计算机易用性和有用性的提高使得更多的人能够接受它、愿意使用它，同时也不断提出各种各样的要求，其中最重要的是：要求人机界面保持“简单、自然、友好、方便、一致”。 西北工业大学软件与微电子学院 34

35. 第4节人机界面学的研究内容 • 人机界面主要是两大学科（计算机科学和认知心理学）相结合的产物，同时还涉及人机工程学、哲学、生物学、医学、语言学、社会学、设计艺术学等，是名副其实的跨学科、综合性学科。 • 从狭义的人机界面来讲，可分为自然的人机交互、计算机使用与配置、人的特征、计算机系统与界面、发展过程等5个方面，参见下图： 西北工业大学软件与微电子学院 35

36. 使用与配置 人机适配与适应性 社会组织与工作 应用领域 计算机 人 计算机图形 对话技术 人的信息处理过程 人机工程 对话中心 对话结构 语言沟通与交互 输入输出装置 例子系统与实例研究 实施技术与工具 评价技术 设计方法 发展过程 计算机人机界面的研究内容 西北工业大学软件与微电子学院 36

37. 4.1 认知心理学 • 起源于20世纪50年代-70年代西方兴起的心理学思潮,并逐步成为一个研究方向; • 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，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。 西北工业大学软件与微电子学院 37

38. 其中人脑的认知模型——神经元网络及其模拟，已经成为新一代计算机、人工智能等领域中最热门的研究课题之一。其中人脑的认知模型——神经元网络及其模拟，已经成为新一代计算机、人工智能等领域中最热门的研究课题之一。 • 用实验心理学的技术和认知心理学概念，来改进软件生产，即将心理学和计算机系统相结合而产生一个新的学科——软件心理学（Software Psychology），成为人机界面学的另一个领域。 西北工业大学软件与微电子学院 38

39. 4.2 人机工程学 • 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，提高整个系统工效的新兴边缘学科。 • 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（Software Ergonomics）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。主要解决有关人类思维与信息处理的有关问题，包括设计理论、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和数据处理的要求，实现软件的高可用性。 西北工业大学软件与微电子学院 39

40. 4.3 计算机语言学 • 人机界面的形式定义中使用了多种语言，包括自然语言、命令语言、菜单语言、填表语言或图形语言等。 • 计算机语言学就是专门研究这些语言，以及涉及它们的计算机语言理论等各个方面的内容。 西北工业大学软件与微电子学院 40

41. 4.4 艺术设计 • 艺术设计主要从美的需求出发，研究人机界面以何种形式呈现，包括硬件界面设计和软件界面设计。 • 硬件界面设计主要由工业设计师与技术工程师完成。 • 软件界面设计主要由艺术设计人员、界面设计师和软 件工程师完成。 西北工业大学软件与微电子学院 41

42. 4.5 智能人机界面 随着人工智能(Artificial Intelligence,AI)技术的成熟和介入,智能人机界面的研究近年来非常活跃，已经成为各种人机界面会议的主要交流内容之一。其中包括： • 用户模型； • 智能人机界面模型； • 智能UIMS(User Interface Management System )专家系统; • 智能对话; • 智能网络界面; • 帮助和学习; • 智能前端系统; • 自适应界面; • 自然语言; • 多媒体界面等 西北工业大学软件与微电子学院 42

43. 4.6 社会学与人类学 • 社会学主要涉及到人机系统对社会结构影响的研究; • 人类学则涉及到人机系统中的群体交互活动的研究; • 人机界面设计要研究人类的文化特点、审美情趣以及个人、群体的爱好偏向等。 西北工业大学软件与微电子学院 43

44. 第5节人机界面学的发展趋势 5.1 高科技化 • 计算机平面化、超薄型化； • 输入方式多样化，单一的鼠标、键盘输入，向多通道发展。如追踪球、触摸屏、光笔、语音输入等； • 蓝牙等技术的出现，改变了接口方式； • 多媒体技术、虚拟现实及视觉工作站提供了真实、动态的影象和刺激灵感的用户界面。 西北工业大学软件与微电子学院 44

45. 5.2 自然化 • 早期的人机界面简单,人机对话使用的都是机器语言。 • 硬件技术的发展以及计算机图形学、软件工程、人工智能、窗口系统等软件技术的发展，图形用户界面（Graphic User Interface）、直接控制（Direct Manipulation）、“所见即所得”（What you see is what you get）等交互原理和方法相继产生并得到了广泛应用，取代了原有“键入命令”式的操作方式，推动人机界面向自然化发展。 • 进一步从屏幕显示或打印输出信息，向能够通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体、手势或口令，更自然地“进入”到工作空间中去，形成人机“直接对话”，取得“身临其境”的体验。 西北工业大学软件与微电子学院 45

46. 5.3 人性化 现代设计从功能主义向多元化、人性化. • 消费者: 表现自我意识、个人风格和审美情趣； • 设计的产品： 丰富、细化，体现一种人情味和个性： • 一方面功能齐全、高效，适合于人的操作使用； • 另一方面满足人的审美和认知的精神需要。 西北工业大学软件与微电子学院 46

47. 如现代的电脑已摆脱旧有的四方壳纯机器味的单调：如现代的电脑已摆脱旧有的四方壳纯机器味的单调： • 尖锐的棱角被圆滑； • 单一的米色不再一统天下；机器更加紧凑、完美，赋予了人的感情； • 软件界面中的颜色、图标的使用，屏幕布局的条理性，软件操作间的连贯性和共同性，都充分体现了人的因素，使之操作简单、友好。 西北工业大学软件与微电子学院 47

48. 第6节 计算机基本人机界面 70年代，通用计算机主要是为了数学计算而设计的，当时还没有“人机界面”的概念，只有“外设”，到20世纪末，被普遍认可的人机界面有：操作系统、键盘、鼠标、窗口等。 西北工业大学软件与微电子学院

49. 6.1 操作系统 60年代末，IBM生产了第一台个人电脑，但没有配备操作系统，但由于机器语言太难懂，很少有人购买。 到70年代才逐渐有操作系统，最早流行的操作系统是DRI公司的CP/M(Control Program/Moniter), 操作方式基本和DOS一样。后来出现DOS一直到现在的Windows系列。 西北工业大学软件与微电子学院

50. 操作系统从命令输入方式到现在的所见即所得方式，走了一段很长的路。前者不但难记而且容易出错。操作系统从命令输入方式到现在的所见即所得方式，走了一段很长的路。前者不但难记而且容易出错。 最早的图形界面是由Ivan Sutherland在其1963年MIT的博士论文中提到。 最早的“图标”是由David Canfield Smith在其1975年斯坦福大学的博士论文中提到。 在发展过程中参与的实验室和机构有：林肯实验室、美国空军、美国自然科学基金、美国国防部高级研究计划署、苹果公司等 西北工业大学软件与微电子学院