人機(jī)交互和用戶界面演變史及其未來(lái)展望

汪正剛 任 宏

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)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(yáng)110122）

人機(jī)交互和用戶界面演變史及其未來(lái)展望

汪正剛1，2任 宏2

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)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(yáng)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(jí)自然界面和無(wú)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(guò)程中的推動(dòng)作用以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)而深入研究人機(jī)交互等相關(guān)問(wèn)題，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)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(wèn)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(guò)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(shí)別和操作過(guò)程中，這在無(wú)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(wú)關(guān)的信息，減少對(duì)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(guò)程中必須要解決的難題。1991年美國(guó)施樂(lè)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(shí)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(huì)消失，這為用戶界面未來(lái)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(píng)價(jià)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(guò)輸入設(shè)備給計(jì)算機(jī)輸入信息，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算再通過(guò)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(yǔ)言和開(kāi)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(yǔ)言學(xué)、社會(huì)科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、社會(huì)心理學(xué)等因素。人機(jī)交互是一個(gè)跨學(xué)科的領(lǐng)域，也是用戶界面設(shè)計(jì)過(guò)程中需要著重考慮的因素之一。人機(jī)交互對(duì)于用戶界面的發(fā)展起著至關(guān)重要的推動(dòng)作用，其發(fā)展過(guò)程大致可分為四個(gè)階段。

（一）萌芽期（1959年-1969年）

1959年，美國(guó)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(lái)的疲勞。1960年，美國(guó)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(kāi)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(guó)際會(huì)議在英國(guó)劍橋大學(xué)召開(kāi)，同年第一份專業(yè)雜志《國(guó)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(gè)人機(jī)界面HCI（Human-Computer Interface）研究中心成立，一個(gè)是英國(guó)的拉夫堡大學(xué)的HUSAT研究中心（Loughborough University HUSAT），另一個(gè)是美國(guó)施樂(lè)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(huì)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(kāi)來(lái)，突出計(jì)算機(jī)對(duì)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(lái)，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(kāi)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(yǔ)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(shí)也吸收了工業(yè)設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)、語(yǔ)言學(xué)和社會(huì)學(xué)等學(xué)科最新的研究成果。自1946年世界上首臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“ENIAC”問(wèn)世至今，在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)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(kāi)始出現(xiàn)。盡管莫里斯·威爾克斯（Maurice VincentWilkes）發(fā)明的微程序開(kāi)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(jí)的COBOL和FORTRAN等語(yǔ)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(méi)有獨(dú)立顯示設(shè)備，用戶跟計(jì)算機(jī)交互只能通過(guò)電傳打字機(jī)（通常由鍵盤、收發(fā)報(bào)器、打孔機(jī)、印字機(jī)、紙帶等組成）來(lái)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。這一時(shí)期仍屬于機(jī)械操作用戶界面時(shí)期，是人機(jī)交互界面的初級(jí)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(jià)格不斷下降，而功能和可靠性不斷增強(qiáng)。隨著磁芯存儲(chǔ)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(kāi)始大行其道，并延續(xù)至今。字符命令語(yǔ)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(cuò)，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(shí)也會(huì)力有未逮，所以需要不斷增強(qiáng)字符操作界面的腳本語(yǔ)言或宏語(yǔ)言來(lái)提供豐富的控制與自動(dòng)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(gè)人電腦和各種電子產(chǎn)品開(kāi)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(tái)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(jué)方面更易于被用戶接受?！坝洃洝北弧白R(shí)別”所替代，用戶不用記憶大量的命令，取代的是可以通過(guò)視窗、菜單、圖標(biāo)、按鈕等方式來(lái)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(jí)、高性能、簡(jiǎn)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(dòng)?！翱梢?jiàn)性”是圖形用戶界面設(shè)計(jì)最重要的原則，人機(jī)交互過(guò)程依賴視覺(jué)和手動(dòng)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(duì)用戶可見(jiàn)且易于發(fā)現(xiàn)，讓系統(tǒng)易于探索并被用戶掌握?！?〕圖形用戶界面的優(yōu)點(diǎn)是可提升視覺(jué)目標(biāo)搜索的效率，而無(wú)須專業(yè)技能，缺點(diǎn)是比較依賴屏幕空間，對(duì)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(duì)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(wú)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(yǔ)音、手勢(shì)、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(shì)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(shì)交互而拋棄傳統(tǒng)的按鍵式操作。手勢(shì)其實(shí)在較早的時(shí)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(jiǎn)單回顧了這一領(lǐng)域，〔5〕介紹了手勢(shì)技術(shù)研究從二十世紀(jì)60年代開(kāi)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(guò)投影技術(shù)探索人造現(xiàn)實(shí)（Artificial Reality）領(lǐng)域則讓手勢(shì)交互技術(shù)開(kāi)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(kāi)始就已經(jīng)存在，Nimish Mehta在1982年的論文中設(shè)計(jì)了第一個(gè)多點(diǎn)觸控交互系統(tǒng)?！?〕更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，大部分樂(lè)器本身就是“手勢(shì)”和“多點(diǎn)觸控”的結(jié)合體，而后期電子樂(lè)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(lái)，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(shì)控制的電子設(shè)備。

三、結(jié)語(yǔ)

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(wú)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(guò)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(jué)器官。但是人類的感官并非萬(wàn)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(hào)輸出，近年來(lái)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(dòng)，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(jí)研究試驗(yàn)階段，但其中一些研究成果正逐步逼近原來(lái)只存在于科幻小說(shuō)中的技術(shù)。未來(lái)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(gè)領(lǐng)域仍存在著諸多人類倫理學(xué)上的分歧爭(zhēng)論。

展望未來(lái)，人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展還需要很長(zhǎng)的路要走，但最終或許會(huì)導(dǎo)致用戶界面的消失，人們將以本能自然的方式來(lái)使用設(shè)備，而設(shè)備也會(huì)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(yáng)人，碩士，主要從事交互設(shè)計(jì)研究。