汪正剛 任 宏

(1.沈陽航空航天大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，遼寧沈陽110136；2.遼寧經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院工藝美術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽110122）

人機(jī)交互和用戶界面演變史及其未來展望

汪正剛1，2任 宏2

(1.沈陽航空航天大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，遼寧沈陽110136；2.遼寧經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院工藝美術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽110122）

人機(jī)交互中的用戶界面形式經(jīng)歷了機(jī)械操作界面、字符界面、圖形界面以及自然界面等主要發(fā)展階段，目前正在向高級自然界面和無界面方向發(fā)展?；仡櫲藱C(jī)交互發(fā)展史和用戶界面演變史，分析人機(jī)交互理論和用戶體驗(yàn)需求在其發(fā)展過程中的推動作用以及未來發(fā)展趨勢進(jìn)而深入研究人機(jī)交互等相關(guān)問題，對于促進(jìn)我國科技進(jìn)步意義深遠(yuǎn)。

人機(jī)交互；用戶界面；交互技術(shù)；用戶體驗(yàn)；智能設(shè)備；腦機(jī)接口

用戶界面的存在原本是為了解決人與機(jī)器相互溝通的問題。但是操作用戶界面只是一種為了達(dá)到目標(biāo)的手段，而非最終的任務(wù)。在人機(jī)交互的過程中，由于機(jī)器性能的各種束縛，人們不得不把相當(dāng)多的精力投入到各種復(fù)雜的界面識別和操作過程中，這在無形中就降低了用戶體驗(yàn)的期望和任務(wù)完成的效率。理想化的用戶界面應(yīng)該是既能消除與任務(wù)無關(guān)的信息，減少對用戶的干擾，確保用戶專注于任務(wù)本身，又能幫助用戶精確地實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，這也是人機(jī)交互體驗(yàn)走向自然方式過程中必須要解決的難題。1991年美國施樂帕洛阿爾托研究中心（Xerox PARC）科學(xué)家Mark Weiser在《Scientific American》上發(fā)表文章“The Computer for the21stCentury”提出普適計(jì)算（UbiquitousComputing）概念，〔1〕這一概念強(qiáng)調(diào)計(jì)算將與環(huán)境融為一體，人們能夠在任意時間、地點(diǎn)，以任何方式獲取與處理信息，而計(jì)算機(jī)本身則會消失，這為用戶界面未來的發(fā)展指明了方向。

一、人機(jī)交互發(fā)展史

人機(jī)交互（Human-Computer Interaction）是指關(guān)注計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供人類交互使用的設(shè)計(jì)、評價和實(shí)現(xiàn)，并研究相關(guān)主要現(xiàn)象的學(xué)科。這包括人通過輸入設(shè)備給計(jì)算機(jī)輸入信息，計(jì)算機(jī)經(jīng)過運(yùn)算再通過輸出設(shè)備給人提供信息反饋等方面內(nèi)容。它與很多學(xué)科都有密切的關(guān)系，在機(jī)器方面，側(cè)重于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、操作系統(tǒng)、編程語言和開發(fā)環(huán)境等方面；在人的方面，需要考慮通信理論、工業(yè)設(shè)計(jì)、語言學(xué)、社會科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、社會心理學(xué)等因素。人機(jī)交互是一個跨學(xué)科的領(lǐng)域，也是用戶界面設(shè)計(jì)過程中需要著重考慮的因素之一。人機(jī)交互對于用戶界面的發(fā)展起著至關(guān)重要的推動作用，其發(fā)展過程大致可分為四個階段。

（一）萌芽期（1959年-1969年）

1959年，美國科學(xué)家Brian Shackel發(fā)表了一篇名為“Skin-Drilling：AMethod of Diminishing Galvanic Skin-Potentials”的論文，〔2〕首次提出如何利用人機(jī)工程學(xué)原理幫助用戶減輕操作機(jī)器所帶來的疲勞。1960年，美國心理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家J.C.R.Licklider在論文“Man-Computer Symbiosis”中開創(chuàng)性地提出了人機(jī)緊密共棲的概念，〔3〕被視為人機(jī)交互的啟蒙觀點(diǎn)。1969年，第一次人機(jī)系統(tǒng)國際會議在英國劍橋大學(xué)召開，同年第一份專業(yè)雜志《國際人機(jī)交互雜志》（International JournalOf Human-Computer Interaction）創(chuàng)刊，這一年可謂是人機(jī)交互發(fā)展史的里程碑。

（二）奠基期（1970年-1979年）

1970年到1973年，四本與計(jì)算機(jī)相關(guān)的人機(jī)工程學(xué)專著陸續(xù)出版，為人機(jī)交互的發(fā)展指明了方向。1970年，兩個人機(jī)界面HCI（Human-Computer Interface）研究中心成立，一個是英國的拉夫堡大學(xué)的HUSAT研究中心（Loughborough University HUSAT），另一個是美國施樂帕洛阿爾托研究中心（Xerox PARC）。

（三）發(fā)展期（1980年-1995年）

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，多部總結(jié)人機(jī)交互研究成果的專著相繼出版，人機(jī)交互逐漸建立起完整的理論體系和規(guī)范的實(shí)踐構(gòu)架。在理論層面，更加強(qiáng)調(diào)社會行為學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)等人文科學(xué)所占據(jù)的作用，以區(qū)別于人機(jī)工程學(xué)；在實(shí)踐應(yīng)用層面，從人機(jī)接口拓展開來，突出計(jì)算機(jī)對人的反饋?zhàn)饔谩?/p>

（四）高速期（1996年至今）

20世紀(jì)90年代中期以來，伴隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的飛速提升和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，人機(jī)交互研究的重心開始轉(zhuǎn)移到多媒體交互、智能交互、人機(jī)協(xié)同交互以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方面，人機(jī)交互技術(shù)更側(cè)重以人為研究目標(biāo)中心。

二、用戶界面演變史

用戶界面（User Interface）是用戶與機(jī)器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。它是認(rèn)知心理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一門邊緣性、交叉性、綜合性的學(xué)科。它不但涉及如人工智能、自然語言處理、多媒體系統(tǒng)等許多熱門的計(jì)算機(jī)技術(shù)，同時也吸收了工業(yè)設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)、語言學(xué)和社會學(xué)等學(xué)科最新的研究成果。自1946年世界上首臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“ENIAC”問世至今，在長達(dá)半個多世紀(jì)的時間里，伴隨著人機(jī)工程學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人機(jī)交互界面從早期的機(jī)械操作用戶界面（MUI）發(fā)展到字符用戶界面（CUI）、圖形用戶界面（GUI）以及現(xiàn)在正不斷進(jìn)化的自然用戶界面（NUI），人機(jī)交互方式經(jīng)歷了巨大的變化。

（一）機(jī)械操作用戶界面MUI（MechanicalUser Interface）

20世紀(jì)40到60年代，以電子管為主要元件的第一代計(jì)算機(jī)和以晶體管為主要元件的第二代計(jì)算機(jī)開始出現(xiàn)。盡管莫里斯·威爾克斯（Maurice VincentWilkes）發(fā)明的微程序開發(fā)方法，使電腦從機(jī)械設(shè)備演變?yōu)殡娮赢a(chǎn)品，甚至還出現(xiàn)了更高級的COBOL和FORTRAN等語言，使計(jì)算機(jī)編程更容易。但是早期的計(jì)算機(jī)體積龐大且沒有獨(dú)立顯示設(shè)備，用戶跟計(jì)算機(jī)交互只能通過電傳打字機(jī)（通常由鍵盤、收發(fā)報器、打孔機(jī)、印字機(jī)、紙帶等組成）來完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。這一時期仍屬于機(jī)械操作用戶界面時期，是人機(jī)交互界面的初級發(fā)展階段。

（二）字符用戶界面CUI（Command User Interface）

20世紀(jì)60到80年代，集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)標(biāo)志著第三代、第四代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性不斷增強(qiáng)。隨著磁芯存儲器的發(fā)明和顯示技術(shù)的成熟以及操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，以命令行為主的字符用戶界面開始大行其道，并延續(xù)至今。字符命令語言盡管靈活和高效，適合于專業(yè)人員使用，但要求驚人的記憶能力和大量艱苦的訓(xùn)練，且容易出錯，不太適合初學(xué)者。雖然現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都提供了圖形化的操作界面，但都保留著命令行模式的字符操作界面，許多系統(tǒng)更加強(qiáng)了這部分的功能。原因在于圖形化操作界面有時也會力有未逮，所以需要不斷增強(qiáng)字符操作界面的腳本語言或宏語言來提供豐富的控制與自動化的系統(tǒng)管理能力。

（三）圖形用戶界面GUI（Graphics User Interface）

20世紀(jì)80年代以后，家用個人電腦和各種電子產(chǎn)品開始普及。人機(jī)交互操作采用圖形顯示方式，這極大地方便了非專業(yè)用戶的使用。圖形用戶界面是當(dāng)前用戶界面的主流，廣泛應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)平臺和電子產(chǎn)品。圖形用戶界面與早期的字符用戶界面相比，在操作方式和視覺方面更易于被用戶接受?！坝洃洝北弧白R別”所替代，用戶不用記憶大量的命令，取代的是可以通過視窗、菜單、圖標(biāo)、按鈕等方式來方便地進(jìn)行人機(jī)交互操作。而嵌入式圖形用戶界面則用于各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品，具有輕量級、高性能、簡易性、可移植等特點(diǎn)。

使用鍵盤、鼠標(biāo)等裝置作為輸入設(shè)備，以視窗管理系統(tǒng)為核心，是當(dāng)前各類圖形用戶界面的共同特點(diǎn)。視窗管理系統(tǒng)除基于多視窗可重疊技術(shù)外，廣泛采用的另一核心技術(shù)即事件驅(qū)動?！翱梢娦浴笔菆D形用戶界面設(shè)計(jì)最重要的原則，人機(jī)交互過程依賴視覺和手動控制的參與，具有操作直接的特點(diǎn)，所有可能的操作行為都對用戶可見且易于發(fā)現(xiàn)，讓系統(tǒng)易于探索并被用戶掌握。〔4〕圖形用戶界面的優(yōu)點(diǎn)是可提升視覺目標(biāo)搜索的效率，而無須專業(yè)技能，缺點(diǎn)是比較依賴屏幕空間，對于非空間性的抽象交互信息不易表現(xiàn)。

（四）自然用戶界面NUI（NaturalUser Interface）

相對于圖形用戶界面，自然用戶界面不再需要傳統(tǒng)的輸入設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)），用戶也無須掌握系統(tǒng)預(yù)置好的操作方式，可以以自然的方式與機(jī)器交互，如觸摸、語音、手勢、表情等感官行為，使人機(jī)交互方式變得更加自然直觀，更為符合人性化特點(diǎn)。

當(dāng)前利用觸控手勢操作最成功的消費(fèi)類電子產(chǎn)品首推智能手機(jī)，2007年蘋果公司宣布發(fā)布i-Phone手機(jī)，iPhone上市后引發(fā)的銷售熱潮，被媒體譽(yù)為“上帝手機(jī)”。其成功的關(guān)鍵之處就在于完全引入手勢交互而拋棄傳統(tǒng)的按鍵式操作。手勢其實(shí)在較早的時候就已經(jīng)成了人機(jī)交互的一部分。Brad Myers在1998年發(fā)表的一篇文章簡單回顧了這一領(lǐng)域，〔5〕介紹了手勢技術(shù)研究從二十世紀(jì)60年代開始直到90年代初步商業(yè)化部署的歷程。到了二十世紀(jì)80年代，Myron Krueger通過投影技術(shù)探索人造現(xiàn)實(shí)（Artificial Reality）領(lǐng)域則讓手勢交互技術(shù)開始為大眾所熟悉。而多點(diǎn)觸控技術(shù)則從上世紀(jì)80年代開始就已經(jīng)存在，Nimish Mehta在1982年的論文中設(shè)計(jì)了第一個多點(diǎn)觸控交互系統(tǒng)?！?〕更長遠(yuǎn)來看，大部分樂器本身就是“手勢”和“多點(diǎn)觸控”的結(jié)合體，而后期電子樂器（電子鼓、電吉他）的出現(xiàn)讓這兩樣交互技術(shù)同電子世界聯(lián)系了起來，這種交互形式已經(jīng)存在了很久——1928年俄羅斯人發(fā)明的泰勒明電子琴（合成器）是世界上最早的使用手勢控制的電子設(shè)備。

三、結(jié)語

綜觀人機(jī)交互的發(fā)展和用戶界面的演化，不難發(fā)現(xiàn)“以人為中心”的思想愈發(fā)受到重視。充分關(guān)注人的因素，利用用戶日常的自然技能，不用接受專業(yè)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，也無須建立新的心智模型，降低認(rèn)知負(fù)荷，提高工作效率，這在人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展過程中得到了非常明顯的體現(xiàn)。

人類為了從外界獲得信息，必須借助于感覺器官。但是人類的感官并非萬能，要想獲得更為豐富的信息，進(jìn)一步研究自然現(xiàn)象，需要借助于代替人類感官的工具。以電學(xué)基本原理為基礎(chǔ)的感應(yīng)器基本都具有電信號輸出，近年來發(fā)展飛速，性能愈強(qiáng)而體積愈小。各類體感設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，如智能眼鏡、智能手表、智能手環(huán)等各種各樣的可穿戴式智能設(shè)備。它讓人們以不同的方式看待技術(shù)，即技術(shù)如何與人類互動，并將徹底改變?nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)生活方式。

而下一代的腦機(jī)接口盡管目前仍處于初級研究試驗(yàn)階段，但其中一些研究成果正逐步逼近原來只存在于科幻小說中的技術(shù)。未來當(dāng)腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展到一定程度后，不僅可以修復(fù)人體受損功能，也能增強(qiáng)正常人的功能。當(dāng)然這個領(lǐng)域仍存在著諸多人類倫理學(xué)上的分歧爭論。

展望未來，人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展還需要很長的路要走，但最終或許會導(dǎo)致用戶界面的消失，人們將以本能自然的方式來使用設(shè)備，而設(shè)備也會智能的進(jìn)行反饋，使人與設(shè)備之間的界限變得模糊，甚至徹底地融合在一起。

〔1〕Weiser M.The Computerof the 21stCentury〔J〕.Scientific American，1991，265，（30）：94-104.

〔2〕Shackel B.Skin-Drilling：A Method of Diminishing Galvanic Skin-Potentials〔J〕.American JournalofPsychology，1959，72，（1）：114-121.

〔3〕Licklider JC R.Man-Computer Symbiosis〔J〕.Human Factors in Electronics Ire Transactions on，1960，HFE-1（1）：4-11.

〔4〕Colborne，Giles.Simple and Usable Strategies for Interaction Design〔M〕.Remove.Berkeley：New Riders，2010.

〔5〕Landay JA，Myers B A.Interactive Sketching for the Early StagesofUser Interface Design〔M〕. CarnegieMellon University，1998.

〔6〕Mehta N，Smith K C，Holmes F E.Feature extraction asa tool for computer input〔C〕Acoustics，Speech，and Signal Processing，IEEE International Conferenceon ICASSP.IEEE，1982：818-820.

（責(zé)任編輯小糖）

G201

A

1672-5646（2017）01-0064-03

汪正剛（1979-），男，遼寧沈陽人，碩士，主要從事交互設(shè)計(jì)研究。