产品设计中的人机交互探讨

摘要:本论文通过对人机交互发展过程的简要总结,结合几个典型产品设计案例的深入研究和分析,揭示出了人机交互与人机界面的内在关系:即人机交互是人与”含有计算机的机器”之间作用关系的情景刻画;而人机界面是实现人机交互的形式和方法;同时,系统提出了一种全新的产品开发新思路-交互引导设计。其次,结合具体的产品形式,重点探讨了当今世界产品中广泛存在着的四种交互方式:数据交互,图像交互,语音交互,行为交互。最后,对多媒体设计/多通道设计,以及虚拟设计等交互现象和问题进行简单讨论,并简要说明了人机界面设计的现实意义和相关方法。
关键词:人机交互    人机界面    通道    关注点    任务本身
 


引    言

界面的存在,本身就是一种不幸。因为界面,并不是任务本身,而在现实的人机交互情境中,人们迫于某种压力或约束,又必须要把自己的一部分心智和精力,放到各种复杂的界面识别与操作过程之中,从而耗损了人们过多的关注点,降低了人的本位需求的互动效率。www.dolcn.com

界面的目的,是实现自然的人机交互功能,消除各种干扰信息,其中包括消除界面本身对人的干扰;从而将人们的注意中心集中在任务本身。这是一种理想化的设计构思和和谐状态,也是走向自然的人机交互体验环境所必须要解决的目标。这种设计理念,与Xerox PARC首席科学家Mark Weiser提出的”无所不在的计算[Ubiquitous Compating Ubicomp]”思想一脉相承。他认为,从长远看,计算机会消失,这种消失并不是技术发展的直接后果,而是人类心理的作用,因为计算变得无所不在,不可见的人机交互也无处不在。就像我们时刻呼吸着的氧气一样,我们看不见却可以体验到。

当然,无论界面的消除,还是无所不在的计算,其核心价值都在于走向日益自然化的人机交互设计。只有这样,才能从根本上减轻人们的认知负荷,增强人类的感觉通道与动作通道的能力。

1. 人机交互概况

1.1 人机交互的发展
人机交互(Human-Computer Interaction,HCI),就是人与机器的交互,本质上是指人与计算机的交互,或者可以理解为人与”含有计算机的机器”的交互。为了以下讨论方便,我们现把”计算机”和”含有计算机的机器”,通称为计算机。人机交互研究的最终目的在于探讨如何使所设计的计算机能帮助人们更安全,更高效地完成所需的任务。

自1946年世界上第一台数字计算机ENIAC诞生以来,计算机技术取得了惊人的发展。但计算机仍然是一种工具,一种高级的工具,它是人脑,人手,人眼等的扩展,因此它仍然受到人的支配,控制,操纵和管理。在计算机所完成的任务中,有大量是人与计算机配合共同完成的。在这种情况下,人与计算机需要进行相互间的通信,即所谓的人机交互。其实现人与计算机之间通信的硬,软件系统即为交互系统。

交互系统通常包括计算机通过输出或显示设备给人提供大量信息及提示,以及人通过输入设备向计算机输入有关信息,问题回答等。从计算机早期的面板开关,显示灯和穿孔纸带等交互装置,发展到今天的视线跟踪,语音识别,手势输入,感觉反馈等具有多种感知能力的交互装置。人机界面经历了手工操作,命令语言和图形用户界面(GUI)的三个阶段。

人机交互的发展大致可以分为四个阶段:
初创期(1929-1970)1959年美国学者B.Shackel从人在操纵计算机时如何才能减轻疲劳出发,提出了被认为是人机界面的第一篇文献的关于计算机控制台设计的人机工程学的论文。1960年,Liklider JCK首次提出”人机紧密共栖(Human-Computer Close Symbiosis)”的概念,被视为人机界面学的启蒙观点。1969年在英国剑桥大学召开了第一次人机系统国际大会,同年第一份专业杂志”国际人机研究(IJMMS)”创刊。可以说,1929年是人机界面学发展史的里程碑。

奠基期(1970-1979)此时期出现了两件重要的事件:(1)从1970年到1973年出版了四本与计算机相关的人机工程学专著,为人机交互界面的发展指明了方向。(2)在1970年成立了两个HCI研究中心:一个是英国的Loughbocough大学的HUSAT研究中心,另一个是美国Xerox公司的Palo Alto研究中心。

发展期(1980-1995)20世纪80年代初期,学术界相继出版了六本专著,对最新的人机交互研究成果进行了总结。人机交互学科逐渐形成了自己的理论体系和实践范畴的架构。理论体系方面,从人机工程学独立出来,更加强调认知心理学以及行为学和社会学的某些人文科学的理论指导;实践范畴方面,从人机界面(人机接口)拓延开来,强调计算机对于人的反馈交互作用。”人机界面”一词被”人机交互”所取代。HCI中的”I”,也由”Interface(界面/接口)”变成了”Interaction(交互)”。

提高期 (1996-  )20世纪90年代后期以来,随着高速处理芯片,多媒体技术和Internet Web技术的迅速发展和普及,人机交互的研究重点放在了智能化交互,多模态(多通道)-多媒体交互,虚拟交互以及人机协同交互等方面,也就是放在”以人为在中心”的人机交互技术方面。设计在线.中国

1.2 价值与意义
人机交互领域是一个科学技术转化为生产力的重要领域,人机交互的发展,技术与设备的成熟必然意味着巨大的市场。当先进的人机交互技术应用于电子产品,通信设施,机械设备,交通工具,人工智能,智能仪器,多媒体,情报采集,身份认证,安全防范以及武器现代化时,将会对科学技术,生产领域,国家安全,社会的工作方式和生活方式等方向产生深远影响。企业决策人员在考虑自己的产品战略时需要更加重视人机界面这一渗透各个产品的因素。产品设计人员也应该在新产品开发的过程中,进一步从人机交互方式的角度来探究新产品的可能性。

1.3 相关学科支持
随着计算机技术与通信技术的结合,人工智能的介入,计算机逐渐成为”人类智力放大器”,人机交互也从单纯的计算机输入/输出技术逐渐形成一门涉及哲学,人类学,生物学,数学,物理学,电子科学,计算机科学,人工智能,信息论,控制论,认知科学,心理学,伦理学,社会学,人机工程学,工业设计以及语言学等多学科相结合的交叉学科。

2. 界面与交互

2.1 人机交互模型
人机交互模型是对人机交互系统中的交互机制进行描述的结构概念模型。目前人们已经提出多种模型,如用户模型,交互模型,人机界面模型,评价模型等。这些模型从不同的角度描述了交互过程中人和机器的特点及其交互过动。了解人机交互模型是开发一个使用人机交互系统的基础,也是成功设计有关交互产品所必须要理解和熟练掌握的知识。

在人机交互领域的模型研究方面,较早提出的一个有影响的模型是Norman的执行-评估循环模型。在这个模型中,Norman将人机交互过程分为执行和评估两个阶段,具体包含七个步骤:1.建立目标-2.形成意图-3.动作描述-4.执行动作-5.理解系统状态-6.解释系统状态-7.根据目标和意图评估系统状态。这个交互模型的建立,指出了交互过程中的某些特点,有助于在概念上理解交互过程。但由于它完全以用户为中心,对于计算机系统而言仅仅考虑到系统的界面部分,因此是一个不完整的模型。


1. Norman模型


2. 人机交互框架模型

后来,Abowd 和 Beale改进了Norman模型,并进行了扩充,提出了交互框架模型。这个模型为了同时反映交互系统中用户和系统的特征,将交互分为四个部分:系统,用户,输入和输出。交互过程表现为:信息在四个部分之间的流动和对信息描述方式的转换上。这个模型较好地反映了交互的一般特征。其中输入和输出一起形成人机界面(又人机接口或用户界面)。在一个交互周期中有四个阶段:目标建立,执行,表示和观察。其中,前两个阶段负责对用户意图的理解;后两个阶段负责对系统输出的解释和评价。

2.2 人机交互与人机界面的关系 设计在线.中国
人机交互是指人与机器的交互,本质上是人与计算机的交互。或者从更广泛的角度理解:人机交互是指人与”含有计算机的机器”的交互。具体来说,人机交互用户与”含有计算机机器”之间的双向通信,以一定的符号和动作来实现,如击键,移动鼠标,显示屏幕上的符号/图形等。这个过程包括几个子过程:识别交互对象-理解交互对象-把握对象情态-信息适应与反馈等;而人机界面是指用户与”含有计算机的机器系统”之间的通信媒体或手段,是人机双向信息交互的支持软件和硬件。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等。

交互是人与机-环境作用关系/状况的一种描述。界面是人与机-环境发生交互关系的具体表达形式。交互是实现信息传达的情境刻画,而界面是实现交互的手段。在交互设计子系统中,交互是内容/灵魂,界面是形式/肉体;然而在大的产品设计系统中,交互和界面,都只是解决人机关系的一种手段,不是最终目的,其最终目的是解决和满足人的需求。

交互设计是从属于产品系统的,是对成功的产品设计的一种强有力的支持与完善。

如果利用系统论的观点,交互设计是从属于产品设计系统的子系统。


3.从社会因素到社会系统的构成


4.从产品系统设计到大系统产品实质构成

2.3 人机交互在产品设计中的具体应用

2.3.1 探索者鼠标(IntelliMouse Explorer)


这是微软公司开发设计一款智能鼠标,在1999年9月打入市场后,销量迅速攀升至世界第一。此鼠标借助发光二极管而不是橡胶球来进一步帮助使用者提高浏览速度和准确性。产品的设计在功效和美学要素方面都让人满意,并且它的尾灯设计别出心裁,让用户使用起来更加愉快舒心。从人机交互的角度看,[1].尾灯的闪光设计,本质是一种操作进程的反馈和响应,能及时消除用户潜在的心理等待和状态猜测,从而增进使用者的交互体验。[2].按键的设计:鼠标按键功能的发展是与使用者不断增强的交互需求相一致的。按键如何设计,将直接体现一种人机交互方式的复杂程度。按键的设计都是以终端使用者的具体需要和行为习惯来具体考虑的,而这种关于设计的考虑一个重要思想就来源于对人机交互内容的使用和创新。

2.3.2虚拟键盘


这款概念产品的主要特色是通过虚化/极  简的设计构思,来展示一种极富创意的未来交互系统。系统组成:数字探头–通过数字投影的方式,向终端用户显示交互界面的各种信息,从本质消除了对现行显示器的依赖。语音交互装置–用户通过自然语言直接与计算机系统进行交互,从而在某种程度上降低了人手和人眼的工作强度.虚拟键盘–采用激光和红外线投影技术来设计的符号化键盘。它的本质并没有改变人的操作方式,而是对交互硬件进行了虚化和符号化处理,从而消除了实物键盘本身对人的约束和负担。

关于虚拟键盘的设计,虽然该键盘的实用场合受到很多客观环境和条件的限制,比如虚拟键盘必须要投影到很平整和坚固的表面上才可以正常使用,而且容易产生手指疲劳和疼痛,以及交互信号的传达相对迟缓,同时对环境光线过于敏感等。但是这种键盘的设计却说明了一个不争的事实:即设计的发展趋向于平面化;消费者的本质需要是充满自信和快感的消费体验,而不是笨重的技术”黑匣子”,从而又说明了,对消费者而言,所有技术都是可以去作隐喻化/符号化/虚拟化处理的,只要能保证消费者的最终交互体验就可以了。设计在线.中国

2.3.3 iPod的交互界面


全新第四代 iPod 所拥有的功能特性让它更易于使用,更能充分享受到音乐的乐趣。触控式按键转盘可以通过它选择播放列表,从一长串显示的专辑名或歌手名中快速找到你想要的歌曲,甚至连拇指都不需要离开转盘。20GB 的存储空间,不仅存储大量自己的音乐和有声书籍,同时还可以保留一些空间以备其他所需。你可以使用随 iPod 附送的 FireWire 或 USB 2.0 连接线缆将 iPod 与电脑连接起来,拷贝文件。不论是 Word文档,还是 Photoshop 文件,只要是你讲的出来的,它都可以支持

此款苹果公司的产品,除了保持简洁明快,作工考究,核心技术先进,以及大容量等一贯风格外,还有一个重要的方面值得研究,那就是iPod人机交互功能的选择与设计。IPod的交互方式包括两个方面:触控式按键转盘和流动的自定义菜单。触控转盘的设计,首先评估了使用者对系统资源进行操作所可能涉及的具体行为和过程,然后优选最佳使用方式,并建立合乎大多数使用者行为习惯的交互过程的设计模型,最后产生了现在iPod简单但交互过程却十分完善的触盘式操作界面。而且这种界面的交互动作是人们习惯的点击方式,轻轻一点,世界尽在掌握之中。同时,配合流行的菜单交互界面的使用,让使用者操作过程更为得心应手。Ipod菜单的独特设计对消费者更具吸引力:流动的菜单,超大的屏幕显示,彩色的背光,醒目的界面元素等.

2.3.4 Alias的界面行为

这是Alias工业设计软件界面中一种比较特殊的标记菜单工具。在Alias软件设计过程中,当用户同时按住Ctrl和Shift键并单击鼠标时,标记菜单这个浮动菜单会出现在光标处。具体过程:[1].按住Ctrl和Shift键,然后在屏幕上单击并按住鼠标左键,出现一个放射形图标,周围有四个标记菜单。如果先前按住的是右键或中键,会打开不同的标记菜单项目。[2].向下拖动直到Pick->Object工具高亮显示,然后释放鼠标键。接着就可以选择物体了,如左下图。[3]. 按住Ctrl和Shift键,按住鼠标键向上拖动,然后快速释放鼠标键。出现了一条黑线但没有出现标记菜单。其实,这种操作方式是针对用户熟悉标记菜单位置的情况下,凭个人感觉与计算机软件进行交互。


此案例,是针对软件界面交互行为进行分析和说明的。从最终操作者的角度看,这是一个很简单的过程。而实际上,在这项功能的背后,涉及着极其复杂的设计工程,比如:用户认知问题的评估,用户行为过程中的难点分析,以及软件工程,界面形式的设计等。从本质上,是以人的需求为中心,进行人机交互关系的全面开发与尝试。为了消费者的便利,设计师和工程师们在不断努力着。

2.3.5智能的力普椅


椅子设计中的几个难点:
1).人的脊柱并不是孤立的,僵硬的单元。当一个人斜倚在椅子上时,他后背的上半部分会向后倾,而下半部分则会向前方挺。这使得椅子的靠背与人的后背的下半部分之间产生了空隙,从而使背部逐渐向下沉,直至驼背。
2).脊柱和指纹一样,都是因人而异的。每个人都有各自的”脊柱纹”,而且这个”脊柱纹”会随着姿势的变化而变化。
3).当人们在桌旁坐下时,大多数人都会很自然地使自己处于视线和触摸范围内的理想位置。这个位置让你能最好地看到或够到你所要做的工作。可是,一旦你斜倚在椅子上时,就会远离这一理想位置,从而会拉大与你工作范围之间的距离。你就不得不向前倾身,斜眼,或努力争取挪回原先的位置。
然而,如左图示,这款力普椅的设计,正是针对上述设计矛盾和冲突,进行开发和设计的。其产品开发公司为了开发”仿真靠背技术”,耗费了大量的物力和四五年以上的时间-11项研究,723名参与者,4所大学的研究设备以及27位科学家。最后,开发公司委托IDEO设计公司进行了造型和可制造性设计。力普椅外露的背部支架及所采用的相关技术使得椅子能准确配合使用者的坐姿改变而有所调整;同时造型漂亮而得体,确实可谓一把不落俗套,利于健康的舒适座椅。这款产品是典型的”含有计算机的机器”,完美的体现了人机交互功能的优势。设计在线.中国

3. 交互的方式

人机交互过程实际上是一个输入和输出的过程,人通过人机界面向计算机输入指令,计算机经过处理后把输出结果呈现给用户。人和计算机之间的输入和输出的形式是多种多样的,因此交互的形式也是多样化的。

3.1 数据交互
数据交互是人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式,它是人机交互的重要内容和形式。其一般的交互过程是:首先由系统向操作者发出提示,提示用户输入及如何输入;接着用户通过输入设备把数据输入计算机;然后,系统响应用户输入,给出反馈信息,并显示在屏幕上(或者以其他方式显示);同时系统对用户输入进行检查,如有错误就向用户指出,让用户重新输入。不同的数据输入形式决定了数据交互的不同方式。注意:这里的数据,可以是各种信息符号,比如数字,符号,色彩,图形等。

数据交互主要有以下交互形式:
1).问答式对话数据输入交互
特点:简单易用,但单调,输入速度慢。
2).菜单选择数据输入交互
如:PDA的操作界面的菜单输入方式,还有各种手机中的图形交互选项。
3).填表数据输入交互
特点:输入界面是一个待填充的表格,用户可以按照提示填入合适的数据。
4).直接操纵数据输入交互
特点:可通过光标移动进行查找或选择。输入方便,但常有预设范围的限制。
5).关键词数据输入交互
如:在设计软件的应用过程中,熟练的操作用户,经常用快捷键来辅助操作。
6).条形码数据输入
条形码经条形码读入器识别并读入,并八条形码序列翻译成数据序列。
如图书馆书目的编号,超市中商品的品名和价格信息都可使用条形码。
7).光学字符识别(OCR)
OCR系统可以让计算机通过模式比较来识别一些具有不同字体和大小的印刷体。
如:办公自动化中的文本输入,邮件自处理,定单数据输入,单证,发票等。
8).声音数据输入交互
特点:速度快,不用手和眼。尤其对那些要求在输入数据的同时要完成手脚并用的工作场合,尤为适用。
9).图像数据输入
通过对图像进行特征提取和分析,自动识别限定的标志,字符,编码结构等。

常用的数据交互设备
数据输入设备有键盘/鼠标/跟踪球/操纵杆/触摸屏/手写板/光笔/数字化输入板/手势板/三维输入设备等;数据输出设备有显示器/打印机等。

3.2 图像交互

科学研究表明,人类信息传递主要通过语言,文字和图象三个渠道。而且,人类从外界获得的信息有70%以上来自视觉系统,也就是从图像中获得。所以,对图像交互的研究和探讨将意义重大,对产品设计的创新也有引导作用。图像交互的应用领域空前广泛,如人脸图像的识别,手写交互界面,数字墨水等。

图像交互,简单说,就是计算机根据人的行为,去理解图像,然后作出反映。这里面,让计算机具备视觉感知能力是首要解决的问题。目前人们研究的机器视觉系统可以分为三个层次:图像处理(最低级层次)–>图像识别(较高级层次)–>图像感知(最高层次)。所谓图像处理,主要是对图像进行各种加工以改善视觉效果,就是把输入图像转换成具有所希望特性的另一幅图像的过程,是一个从图像(输入)到图像(输出)的过程。所谓图像识别,主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量,以获得它们的客观信息从而建立对图像的描述。本质上是一个从图像到数据的过程。所谓图像感知,重点是在爱图像识别的基础上,进一步研究图像中个目标的性质和它们的相互关系,并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释,从而直到和规划行动。图像感知,输入的是一幅图像,输出的则是对该图像的解释。

3.3 语音交互

语言一直被公认为是最自然的流畅,方便快捷的信息交流方式。在日常生活中人类的沟通大约有75%是通过语音来完成的。研究表明,听觉通道存在许多优越性,如,听觉信号检测速度快于视觉信号检测速度;人对声音随时间的变化极其敏感;听觉信息与视觉信息同时提供可使人获得更为强烈的存在感和真实感等。因此,听觉通道是人与计算机等信息设备进行交互的最重要的信息通道。

语音交互就是研究人们如何通过自然的语音或机器合成的语音同计算机进行交互的技术。它涉及多学科的交叉,如语言学,心理学,人机工学和计算机技术等;同时对未来语音交互产品的开发和设计也有前瞻式的引导作用。语音交互不仅要对语音识别和语音合成技术进行研究,还要对人在语音通道下的交互机理,行为方式等进行深入研究。语音识别和语音合成的相结合,即构成了一个”人机通信系统”。

语音交互系统一般采取两种途径:一种是用基于语音识别和理解技术的,主要依靠音频进行交互的系统;另一种是利用语音技术与系统的其他交互方式结合在一起来进行交互的系统。在这种方式中语音不再占主导地位,它只是交互系统的一部分。

3.4 行为交互
人们在相互交流过程中,除了使用语音交互外,还常常借助于身体语言,即通过身体的姿态和动作来表达意思,这就是所谓的人体行为交互。人体行为交互方法不仅能够加强语言的表达能力,有时还能起到语音交互所不能起到的作用,如时装表演,舞台小品的表演等。人机行为交互是计算机通过定位和识别人类,跟踪人类肢体运动,跟踪表情特征,从而理解人类的动作和行为,并做出响应的智能反馈过程。

行为交互将带来全新的交互方式。计算机通过用户行为能够预测用户想要做什么来满足用户的需求。如:计算机跟踪人们的视线,就能决定用户的意图,是想要浏览什么网站还是需要打电话等;当用户走进房间时,带有”蓝眼”的计算机即做出反应,如提示新收到的电子邮件,如果用户摇摇头,计算机就认为用户不希望阅读邮件,因此转而列出当天的日程安排等。

4.总结

本论文通过对人机交互发展过程的简要总结,结合几个典型产品设计案例深入浅出的分析和研究,揭示出了人机交互与人机界面的内在关系:即人机交互是人与”含有计算机的机器”之间作用关系的情景刻画;而人机界面是实现人机交互的形式和方法;同时,系统提出了一种全新的产品开发新思路-交互引导设计。其次,结合具体的产品形式,重点探讨了当今世界产品中广泛存在着的四种交互方式:数据交互,图像交互,语音交互,行为交互。

另外,关于多媒体设计/多通道设计,虚拟设计,人机界面设计等方面的问题和研究,也是属于人机交互研究中的重要问题。希望有越来越多的有志之士不断开拓进取,开创新的境界。

 


主要参考文献
[1] Jef Raskin 、《人本界面》、机械工业出版社。
[2] 董士海  王衡、《人机交互》、北京大学出版社。
[3] 张有为等、《人机自然交互》、国防工业出版社。
[4] 罗仕鉴 朱上上 孙守迁、《人机界面设计》、机械工业出版社。
[5] 丁玉兰、《人机工程学》、北京理工大学出版社。
[6] 张宪荣、《设计符号学》、化学工业出版社。
[7] 诺曼、《设计心理学》、中信出版社。
[8] 刘宏增  黄靖远、《虚拟设计》、机械工业出版社。
[9] 张同、《产品系统设计》、上海人民美术出版社。
[10] Jonathan Cagan  Craig M.Vogel、《创造突破性产品》、机械工业出版社。

附录
[1].任务本身:就是人的本位需求和消费体验。比如:通常在用笔写字时候,我们的心智总是集中在写的任务本上,而没有过多的意识到”纸和笔”等工具上。
[2].关注点:这是认知学上的一个重要概念。即:无论是通过你的感觉,还是通过你的想象,这个世界上所有你所感知的东西之中,你正在集中精力所在的最多只能是一个实体,无论它是一个对象,一个特征,一个记忆,还是一个概念。这就是你的关注点(Attention)。包括主动关注的情况,也包括被动地随波逐流的情况,或者仅仅经历了发生的情况。比如:你无法用左右手同时分别画出方和圆一样,也就是你在同时时刻仅能有一个关注点,也就仅能处理一件有意识/无意识的事情。
[3].感觉通道-动作通道:心理学将人接受刺激和作出反应的信息通路称为通道(Modality)。对应于接受信息和输出信息分别为感觉通道和效应通道。这里的效应通道等同于动作通道。感觉通道主要有视觉,听觉,触觉,力觉,动觉,嗅觉,味觉等。效应通道主要有手,足,头及身体,语言(音),眼神,表情等。


作者说明:此文章纯属设计的阶段性总结和探讨性分析的文章,内容广泛引用和借鉴了相关专业权威观点,更重要的是,在总结分析前辈的经验和理论的同时,努力从另一个更有前途的视角,进行了新的尝试和发展。

作者:Jon.Yang