詹國華,韋 偉

(1.杭州師范大學(xué)杭州國際服務(wù)工程學(xué)院，浙江 杭州 310012；2.杭州師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310036)

一種Web自適應(yīng)界面的設(shè)計(jì)方法

詹國華1,韋 偉2

(1.杭州師范大學(xué)杭州國際服務(wù)工程學(xué)院，浙江 杭州 310012；2.杭州師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310036)

提出了一種Web自適應(yīng)界面技術(shù)的新思路.將獲取用戶個(gè)性信息作為Web使用挖掘的任務(wù)，從界面內(nèi)的功能對(duì)象和界面區(qū)域入手，設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生功能對(duì)象對(duì)的算法來預(yù)測用戶下一行為；劃分界面為多個(gè)子區(qū)域來放置功能對(duì)象，利用自適應(yīng)公式設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)布局，達(dá)到智能化的效果，成為一種新型的用戶界面.經(jīng)過多用戶的反復(fù)使用實(shí)驗(yàn)，該方法初步實(shí)現(xiàn)了功能對(duì)象與Web界面的自適應(yīng).

Web界面；自適應(yīng)；Web使用挖掘；功能對(duì)象；子區(qū)域

為了豐富用戶的交互，用戶的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)界面結(jié)構(gòu)的理解將會(huì)在未來幾年有質(zhì)的飛躍.用戶對(duì)自己界面的期望包括個(gè)性化的選項(xiàng)、私人信息存儲(chǔ)以及功能相對(duì)豐富的用戶界面.但是，長期以來Web界面只是以一種固定的結(jié)構(gòu)滿足用戶需求,用戶需要被動(dòng)地學(xué)習(xí)這種一成不變的模式，而其感興趣的功能可能被這種惰性的模式半隱藏.雖然有些自適應(yīng)的網(wǎng)站或軟件的界面能夠?qū)δ軐?duì)象做出局部地調(diào)整，但本質(zhì)上仍然要求用戶去適應(yīng)它的界面結(jié)構(gòu)，沒有真正做到界面自適應(yīng)于用戶.因此，在以人為本的理念已經(jīng)融入現(xiàn)代生活的當(dāng)今社會(huì)，一個(gè)良好的交互界面必然會(huì)成為新的研究熱點(diǎn).

1 Web界面的自適應(yīng)

Web界面作為一個(gè)人與網(wǎng)絡(luò)交互的中介媒體，用戶需要尋找自己感興趣的功能進(jìn)行交互，這給用戶帶了一定的不便甚至是麻煩.一個(gè)自適應(yīng)的Web界面就是要通過對(duì)用戶交互過程中各個(gè)功能對(duì)象使用的頻度、界面的空間等特性的統(tǒng)計(jì)，推導(dǎo)出用戶的交互能力和交互習(xí)慣，根據(jù)界面知識(shí)庫中定義的自適應(yīng)策略對(duì)用戶界面進(jìn)行調(diào)整[1].

界面設(shè)計(jì)是人與機(jī)器之間傳遞和交換信息的媒介，包括硬件界面和軟件界面，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與心理學(xué)、設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和人機(jī)工程學(xué)的交叉研究領(lǐng)域.對(duì)于界面而言，首要做的就是采集用戶個(gè)性化信息.基于Web的界面一般通過挖掘所使用的數(shù)據(jù)來進(jìn)行信息采集.Web挖掘任務(wù)可以分為3種主要類別[2]：Web結(jié)構(gòu)挖掘，從表征Web結(jié)構(gòu)的鏈接中尋找有用的知識(shí)；Web內(nèi)容挖掘，從網(wǎng)頁內(nèi)容中抽取有用的信息和知識(shí)；Web使用挖掘，從記錄每位用戶點(diǎn)擊情況的使用日志中挖掘用戶的訪問模式.這3種挖掘方式在自適應(yīng)中都起著重要的作用.

對(duì)于Web界面來講，可以分為橫向界面系統(tǒng)和縱向界面系統(tǒng).橫向界面的自適應(yīng)功能主要是指，其布局動(dòng)態(tài)調(diào)整；縱向界面的自適應(yīng)功能是指上下界面之間的導(dǎo)航鏈接.總的來說，界面是由多個(gè)功能對(duì)象組成，每個(gè)功能對(duì)象可能又由子功能組成.每個(gè)功能對(duì)象的活躍度各不相同，并且各個(gè)功能之間存在一定的聯(lián)系.界面的布局是針對(duì)界面區(qū)域劃分的，根據(jù)用戶對(duì)整個(gè)界面方位的習(xí)慣進(jìn)行級(jí)別的標(biāo)記.用戶每次使用界面上的功能對(duì)象時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幾種情況，而最壞的情況就是耗費(fèi)大量的時(shí)間在區(qū)域上尋找自己將要使用的對(duì)象.界面的鏈接是根據(jù)功能間的聯(lián)系，因此，設(shè)計(jì)者不僅要知道哪些功能對(duì)象是活躍的、活躍度如何，還要知道界面區(qū)域的興趣度、如何劃分區(qū)域，因此有以下定義.

定義1功能對(duì)象的活躍度：用戶直接或間接使用功能對(duì)象的頻率和概率統(tǒng)計(jì).

定義2子區(qū)域的興趣度：界面劃分為多個(gè)區(qū)域后，在不同區(qū)域上各種事件被觸發(fā)信息量累積的體現(xiàn).

圖1 Web界面自適應(yīng)的過程

圖1描述了一個(gè)Web界面自適應(yīng)的過程：所有的用戶個(gè)性信息都存放在服務(wù)器的日志里，對(duì)這些日志進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘來了解用戶的方位和行為趨勢.在規(guī)則的研究過程中，發(fā)現(xiàn)功能對(duì)象和界面區(qū)域?qū)缑娴淖赃m應(yīng)同樣起著重要的作用.功能對(duì)象的使用對(duì)于用戶來說，在長時(shí)間使用時(shí)無明顯的線性關(guān)系，但是在一個(gè)較短或特定的時(shí)間內(nèi)可視為是“連續(xù)”的，即具有上下承接的關(guān)系，以及有些操作之間存在一種連接關(guān)系.例如：復(fù)制與粘貼等，對(duì)這些關(guān)系進(jìn)行研究和表示對(duì)實(shí)現(xiàn)界面的自適應(yīng)有積極的作用.

2 自適應(yīng)的Web界面設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)一個(gè)自適應(yīng)的Web界面來為用戶提供個(gè)性化功能從而提高使用的效率.1) 監(jiān)督用戶和界面的互動(dòng)操作;2) 辨別不同的事件;3) 采集一定的基本信息和數(shù)據(jù)，目的是建立用戶模式庫，包括對(duì)功能對(duì)象的興趣度和界面區(qū)域方位的偏愛等;4) 識(shí)別用戶的行為模式，與界面的變化建立聯(lián)系.表1給出了對(duì)該思路的一種初步解決方案.首先，計(jì)算所有功能對(duì)象的使用頻度，找到一個(gè)功能對(duì)象對(duì)的集合來反映功能對(duì)象的活躍度和它們之間的關(guān)系；其次，定義一個(gè)用戶個(gè)性化的界面知識(shí)庫，劃分界面為多個(gè)子區(qū)域，生成興趣子區(qū)域集；最后，應(yīng)用該知識(shí)庫到用戶界面上，生成一個(gè)近似用戶個(gè)性的自適應(yīng)界面.同時(shí)，界面的變化會(huì)趨于穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)用戶個(gè)性化界面知識(shí)庫.

表1 給出相關(guān)數(shù)據(jù)找到近似的規(guī)則集

2.1 用戶行為的追蹤分析及其預(yù)測

預(yù)測用戶行為的前提是對(duì)用戶過往的交互進(jìn)行追蹤與分析.用戶與Web界面的交互可以通過尋找用戶的足跡來獲取預(yù)測信息，這些信息可以存儲(chǔ)在Web日志、數(shù)據(jù)庫、插件和臨時(shí)變量中.在此采用的是臨時(shí)變量和數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.實(shí)現(xiàn)的原理主要分為2個(gè)步驟：

1) 對(duì)界面上的各個(gè)功能進(jìn)行監(jiān)聽，設(shè)置追蹤器記錄功能對(duì)象的使用次數(shù)；

2) 數(shù)據(jù)處理：后臺(tái)的計(jì)算做出實(shí)時(shí)的推薦和存入數(shù)據(jù)庫用于用戶下一次界面的調(diào)整.

在站點(diǎn)里設(shè)置tractEvent()，對(duì)各種對(duì)象進(jìn)行使用追蹤.tractEvent(對(duì)象, 動(dòng)作, 臨時(shí)變量, 標(biāo)簽,……)嵌入在Web界面中，每當(dāng)有效事件被執(zhí)行后，進(jìn)行后臺(tái)處理，為下一次的使用推薦做準(zhǔn)備.

對(duì)用戶操作的推薦是通過統(tǒng)計(jì)模型來實(shí)現(xiàn)預(yù)測的.傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)頻率會(huì)從用戶對(duì)功能激活次數(shù)出發(fā)，進(jìn)行排序后從多到少地顯現(xiàn).但這樣的統(tǒng)計(jì)會(huì)忽略一些有用的信息，例如功能之間的關(guān)聯(lián)信息、誤操作相信(對(duì)興趣子區(qū)域的劃分有積極的作用)等.這種基于每個(gè)對(duì)象使用頻率的推薦做出的預(yù)測對(duì)于首次使用來說準(zhǔn)確性較高，但是對(duì)于連續(xù)的使用來說準(zhǔn)確率就大打折扣.從用戶使用信息中提取的頻繁使用對(duì)象對(duì)，這樣能夠把各個(gè)功能對(duì)象聯(lián)系起來.

圖2 功能對(duì)象的活躍度的數(shù)值矩陣

由A、P總結(jié)得出功能對(duì)象對(duì)由〈Ai,Aj〉表示，Aj就是要得出的用戶下一個(gè)使用對(duì)象，這種預(yù)測是將服務(wù)器端的日志作為輸入來求得一副圖來描述所有的功能對(duì)象.這種結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)在空間上帶來一定的負(fù)擔(dān)但有利于求最佳路徑.于是就產(chǎn)生了一個(gè)n2個(gè)對(duì)的功能對(duì)象對(duì)集合.對(duì)用戶使用的預(yù)測算法的主要步驟如下：

1) 追蹤用戶行為，調(diào)用tractEvent()；

2) 建立并初始化矩陣A*，求得的P記錄了訪問各功能對(duì)象的次數(shù)及總數(shù)，更新矩陣A中的元素；

3) 設(shè)置觸發(fā)器TriggerObject()，當(dāng)對(duì)象被觸發(fā)時(shí)推薦相應(yīng)的最優(yōu)功能；

4) 隨著用戶使用總次數(shù)a的增加，采用增量更新的方式更新a.這樣減少了更新的頻率和計(jì)算量，因?yàn)楫?dāng)用戶大量使用后，功能對(duì)象的規(guī)則集合趨于穩(wěn)定，少量的使用對(duì)整體的使用僅有較小的影響，而對(duì)于用戶的特殊操作不能及時(shí)做出響應(yīng)，不能得到合理的推薦.

2.2 Web界面的自適應(yīng)布局

Web界面的自適應(yīng)變化的本質(zhì)是對(duì)功能對(duì)象的布局.想要達(dá)到自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，僅僅對(duì)功能對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯然是不夠的，因?yàn)槊總€(gè)用戶對(duì)整個(gè)界面的方位感知程度不同.設(shè)計(jì)者在得出功能對(duì)象對(duì)集的同時(shí)，還應(yīng)該對(duì)個(gè)性化界面的區(qū)域興趣度做出分析，將功能對(duì)象放置于恰當(dāng)?shù)奈恢?，起到界面自適應(yīng)的效果.如圖3所示，對(duì)于Web界面的布局，以二維網(wǎng)格[0,h]×[0,g]的形式來表示空間的上下左右位置變化是可取的、適合的[3].

圖3 界面區(qū)域和功能對(duì)象在Web界面內(nèi)的示例

界面整體被功能對(duì)象劃分成界面子區(qū)域集R={r1,r2,…,rn}.功能對(duì)象數(shù)為n個(gè)，區(qū)域的劃分即為n個(gè).界面的劃分并不是無基準(zhǔn)、雜亂無章的，為此研究了多種劃分界面區(qū)域的框架策略，如：網(wǎng)格式，注重區(qū)域的均分；箭靶式，注重于用戶的方位感；信息基于信息量的混合復(fù)雜劃分等.每個(gè)界面子區(qū)域由rj定義為(xj,yj,Srj,ρrj)來表示在整個(gè)界面中的位置、區(qū)域和興趣度.(xj,yj)表示子區(qū)域的中心點(diǎn)在界面中的坐標(biāo)；Srj是子區(qū)域的區(qū)域面積；ρrj說明子區(qū)域的信息量密度[4].ρrj計(jì)算公式如下：

(1)

I(bn)為對(duì)n個(gè)觸發(fā)事件bn信息量的統(tǒng)計(jì)量，ωn為事件bn的權(quán)值.在這里需要說明，用戶對(duì)區(qū)域的興趣度不僅僅能由信息密度函數(shù)ρrj反映，還可以由區(qū)域rj信息增量ΔIrj來反映，尤其是當(dāng)用戶間歇性地興趣改變，ΔIrj更能及時(shí)反饋用戶的興趣.子區(qū)域興趣度由γ函數(shù)用來確定，每個(gè)子區(qū)域的興趣度見以下公式：

(2)

界面的更新需要由功能對(duì)象的活躍度Pi和界面區(qū)域的興趣度γj決定，而功能對(duì)象不是獨(dú)立的，具有一定的粘合度.每個(gè)功能對(duì)象Ai在界面中的反映由ai標(biāo)記，ai定義為(xi,yi,SAi,Pi).(xi,yi)表示為功能對(duì)象i的中心區(qū)域坐標(biāo)，SAi為其功能對(duì)象的網(wǎng)格區(qū)域，Pi為該功能的活躍度(0≤Pi<1).對(duì)于不同的界面區(qū)域，其鄰域的個(gè)數(shù)n(rj)也不同(1≤n(rj)≤n-1) .因此，公式(3)定義為功能對(duì)象Ai與界面子區(qū)域rj適應(yīng)函數(shù):

(3)

d(ρrx,ρry)是一個(gè)距離函數(shù)，它可以在數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段被計(jì)算出來.界面適應(yīng)函數(shù)(3)使得界面的整體總是保持一種最佳的和諧狀態(tài).

在功能對(duì)象與界面的自適應(yīng)過程中，始終是以整體的適應(yīng)程度保持在最優(yōu)的前提，功能對(duì)象Ai和子區(qū)域rj才能通過以下規(guī)則進(jìn)行更新：

1) 對(duì)功能對(duì)象進(jìn)行初始化布局，生成基于界面的功能對(duì)象集合；界面區(qū)域網(wǎng)格化，形成初始界面子區(qū)域集合；

2)Ai的活躍度Pi與現(xiàn)處于界面子區(qū)域rj計(jì)算所得的適應(yīng)度值未大于過往適應(yīng)度值，則說明用戶使用情況基本趨于穩(wěn)定，功能對(duì)象和區(qū)域不進(jìn)行調(diào)整，則界面不更新；

3) 當(dāng)不滿足2)時(shí)，Ai需要尋找與其活躍度匹配的興趣區(qū)域，即當(dāng)界面仍然學(xué)習(xí)用戶的使用模式.一塊區(qū)域與一個(gè)Ai之間的適值為θ(通過約束使得理論上0≤θ≤1，θ在計(jì)算適應(yīng)度時(shí)得出，只有在θ′≤θ且∑θ′≤∑θ時(shí)，界面需要做出調(diào)整)，同時(shí)其他的Aj={1,2,…,n}&&j≠i可能也要做出相應(yīng)的調(diào)整；

4) 出現(xiàn)3)執(zhí)行后，需要對(duì)界面進(jìn)行重新劃分，構(gòu)建子區(qū)域集.

通過以上說明，表2描述界面自適應(yīng)算法[5].功能對(duì)象和界面區(qū)域匹配的閥值經(jīng)過多次更新趨于穩(wěn)定, 閥值θ初始為0，每次界面更新，θ也自適應(yīng)變化.閥值θ越大，功能對(duì)象和界面區(qū)域越適合，界面的變化也趨于穩(wěn)定.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)所使用的Web界面是IE6.0瀏覽器，屏幕的分辨率計(jì)算出可視區(qū)域面積大小是779×600，功能鍵即功能對(duì)象個(gè)數(shù)共為9，由4人分別使用該界面.實(shí)驗(yàn)所用的服務(wù)器和機(jī)器運(yùn)行于Windows XP系統(tǒng)， 產(chǎn)生大約2 000條記錄.圖4和圖5分別是初始狀態(tài)的Web界面和自適應(yīng)后的Web界面.通過對(duì)界面的使用，觀測到用戶的行為習(xí)慣是從左至右，根據(jù)自適應(yīng)的算法以及布局的基本策略進(jìn)行了界面調(diào)整.這確實(shí)對(duì)用戶產(chǎn)生了積極的作用，方便了用戶對(duì)功能的定位和使用.

圖4 初始Web界面布局

圖5 自適應(yīng)后的Web界面布局

該技術(shù)由于處于起步階段，對(duì)于實(shí)驗(yàn)員的操作、要求是有計(jì)劃進(jìn)行的，目的是對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)值進(jìn)行預(yù)測來比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩部分，一是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集；二是對(duì)實(shí)驗(yàn)員進(jìn)行調(diào)研，了解實(shí)現(xiàn)的情況和需要改進(jìn)的方面.首先，對(duì)一些重要的參數(shù)，例如aji、pji、I(bn)、θ等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，基于功能對(duì)象的參數(shù)值與估計(jì)值相差較小，而界面區(qū)域的劃分有較大偏差.產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要有：1) 是實(shí)驗(yàn)次數(shù)不夠多；2) 是以功能對(duì)象對(duì)的方式尋找對(duì)象之間的關(guān)系有顯著的效果；3) 是基于某些人為因素的不確定性，對(duì)于預(yù)測來說是一個(gè)障礙；4) 是劃分子區(qū)域的方式是一個(gè)瓶頸，可能需要添加額外的規(guī)則來進(jìn)行調(diào)整.其次，對(duì)實(shí)驗(yàn)員進(jìn)行調(diào)查問卷，主要是了解下一操作的預(yù)測準(zhǔn)確性和界面的操作性等，是人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要環(huán)節(jié).總結(jié)得到結(jié)論是實(shí)驗(yàn)員認(rèn)為預(yù)測的準(zhǔn)確率是基本滿意，60%以上的操作能準(zhǔn)確推薦，但是不能應(yīng)付突發(fā)操作的產(chǎn)生；對(duì)界面的評(píng)價(jià)普遍認(rèn)為存在問題，機(jī)器分配沒有固定風(fēng)格、布局顯零亂等.

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和交流，該文用戶使用的預(yù)測算法能夠簡單、直接地實(shí)現(xiàn)推薦功能.傳統(tǒng)的算法會(huì)搜索對(duì)象對(duì)集中的所有數(shù)來得到最佳結(jié)果，這樣的算法復(fù)雜度為Ο(n2).但是該算法只需要確定上一操作的功能對(duì)象，在矩陣中搜索對(duì)應(yīng)行上的數(shù)據(jù)，就等到推薦對(duì)象，因此一個(gè)功能對(duì)象對(duì)〈Ai,Aj〉中的Ai是已知來預(yù)測未知的Aj，復(fù)雜度為Ο(n)，并且很好地將兩兩對(duì)象之間的關(guān)系數(shù)值化.但是，該技術(shù)的瓶頸主要是在于界面自適應(yīng)過程中的視覺化問題，界面布局的調(diào)整必定會(huì)給使用者的視覺帶來一定的負(fù)擔(dān)，并且布局的風(fēng)格也不盡如人意.現(xiàn)階段擬出的方案是為了界面的美觀額外增加規(guī)則.因此，對(duì)于將來工作主要的重心是界面整體的和諧性與推薦功能對(duì)象的準(zhǔn)確性.

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AWebAdaptiveInterfaceDesign

ZHAN Guo-hua1, WEI Wei2

(1. Hangzhou Institute of Service Engineering, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310012, China; 2. College of Information Science and Technology, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

This paper proposed a new idea based on adaptation technologies for the Web interface. Considered obtaining users individual information as the task of Web usage mining, proceeded with the functional objects in the interface and the interface regions, the paper designed an algorithm for bringing out the functional object pairs to predicate the next movement of users, divided the region of Web interface into several sub-regions to lay the functional objects up, and dynamically arranged them by the algorithm of adaptive formula design to reach the effect of intelligence and be a new kind of user interface. Tested repeatedly by several users, this proposal has primarily realized the adaptation of functional objects and Web interface.

Web interface; adaption; Web usage mining; functional objects; sub-regional

10.3969/j.issn.1674-232X.2011.02.015

2010-10-09

詹國華(1957—)，男，浙江杭州人，教授，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體網(wǎng)絡(luò)教育研究.E-mail: ghzhan@hznu.edu.cn

TP399

A

1674-232X(2011)02-0163-05