人机交互和用户界面演变史及其未来展望

汪正刚 任 宏

(1.沈阳航空航天大学艺术设计学院，辽宁沈阳110136；2.辽宁经济管理干部学院工艺美术学院，辽宁沈阳110122）

人机交互和用户界面演变史及其未来展望

汪正刚1，2任 宏2

(1.沈阳航空航天大学艺术设计学院，辽宁沈阳110136；2.辽宁经济管理干部学院工艺美术学院，辽宁沈阳110122）

人机交互中的用户界面形式经历了机械操作界面、字符界面、图形界面以及自然界面等主要发展阶段，目前正在向高级自然界面和无界面方向发展。回顾人机交互发展史和用户界面演变史，分析人机交互理论和用户体验需求在其发展过程中的推动作用以及未来发展趋势进而深入研究人机交互等相关问题，对于促进我国科技进步意义深远。

人机交互；用户界面；交互技术；用户体验；智能设备；脑机接口

用户界面的存在原本是为了解决人与机器相互沟通的问题。但是操作用户界面只是一种为了达到目标的手段，而非最终的任务。在人机交互的过程中，由于机器性能的各种束缚，人们不得不把相当多的精力投入到各种复杂的界面识别和操作过程中，这在无形中就降低了用户体验的期望和任务完成的效率。理想化的用户界面应该是既能消除与任务无关的信息，减少对用户的干扰，确保用户专注于任务本身，又能帮助用户精确地实现任务目标，这也是人机交互体验走向自然方式过程中必须要解决的难题。1991年美国施乐帕洛阿尔托研究中心（Xerox PARC）科学家Mark Weiser在《Scientific American》上发表文章“The Computer for the21stCentury”提出普适计算（UbiquitousComputing）概念，〔1〕这一概念强调计算将与环境融为一体，人们能够在任意时间、地点，以任何方式获取与处理信息，而计算机本身则会消失，这为用户界面未来的发展指明了方向。

一、人机交互发展史

人机交互（Human-Computer Interaction）是指关注计算机系统供人类交互使用的设计、评价和实现，并研究相关主要现象的学科。这包括人通过输入设备给计算机输入信息，计算机经过运算再通过输出设备给人提供信息反馈等方面内容。它与很多学科都有密切的关系，在机器方面，侧重于计算机图形学、操作系统、编程语言和开发环境等方面；在人的方面，需要考虑通信理论、工业设计、语言学、社会科学、认知心理学、社会心理学等因素。人机交互是一个跨学科的领域，也是用户界面设计过程中需要着重考虑的因素之一。人机交互对于用户界面的发展起着至关重要的推动作用，其发展过程大致可分为四个阶段。

（一）萌芽期（1959年-1969年）

1959年，美国科学家Brian Shackel发表了一篇名为“Skin-Drilling：AMethod of Diminishing Galvanic Skin-Potentials”的论文，〔2〕首次提出如何利用人机工程学原理帮助用户减轻操作机器所带来的疲劳。1960年，美国心理学家和计算机科学家J.C.R.Licklider在论文“Man-Computer Symbiosis”中开创性地提出了人机紧密共栖的概念，〔3〕被视为人机交互的启蒙观点。1969年，第一次人机系统国际会议在英国剑桥大学召开，同年第一份专业杂志《国际人机交互杂志》（International JournalOf Human-Computer Interaction）创刊，这一年可谓是人机交互发展史的里程碑。

（二）奠基期（1970年-1979年）

1970年到1973年，四本与计算机相关的人机工程学专著陆续出版，为人机交互的发展指明了方向。1970年，两个人机界面HCI（Human-Computer Interface）研究中心成立，一个是英国的拉夫堡大学的HUSAT研究中心（Loughborough University HUSAT），另一个是美国施乐帕洛阿尔托研究中心（Xerox PARC）。

（三）发展期（1980年-1995年）

进入20世纪80年代，多部总结人机交互研究成果的专著相继出版，人机交互逐渐建立起完整的理论体系和规范的实践构架。在理论层面，更加强调社会行为学、认知心理学等人文科学所占据的作用，以区别于人机工程学；在实践应用层面，从人机接口拓展开来，突出计算机对人的反馈作用。

（四）高速期（1996年至今）

20世纪90年代中期以来，伴随着计算机硬件性能的飞速提升和互联网技术的迅速发展和普及，人机交互研究的重心开始转移到多媒体交互、智能交互、人机协同交互以及增强现实等方面，人机交互技术更侧重以人为研究目标中心。

二、用户界面演变史

用户界面（User Interface）是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。它是认知心理学和计算机科学相结合的产物，是一门边缘性、交叉性、综合性的学科。它不但涉及如人工智能、自然语言处理、多媒体系统等许多热门的计算机技术，同时也吸收了工业设计、人机工程学、语言学和社会学等学科最新的研究成果。自1946年世界上首台电子数字计算机“ENIAC”问世至今，在长达半个多世纪的时间里，伴随着人机工程学理论的发展和计算机技术的进步，人机交互界面从早期的机械操作用户界面（MUI）发展到字符用户界面（CUI）、图形用户界面（GUI）以及现在正不断进化的自然用户界面（NUI），人机交互方式经历了巨大的变化。

（一）机械操作用户界面MUI（MechanicalUser Interface）

20世纪40到60年代，以电子管为主要元件的第一代计算机和以晶体管为主要元件的第二代计算机开始出现。尽管莫里斯·威尔克斯（Maurice VincentWilkes）发明的微程序开发方法，使电脑从机械设备演变为电子产品，甚至还出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，使计算机编程更容易。但是早期的计算机体积庞大且没有独立显示设备，用户跟计算机交互只能通过电传打字机（通常由键盘、收发报器、打孔机、印字机、纸带等组成）来完成数据的输入和输出。这一时期仍属于机械操作用户界面时期，是人机交互界面的初级发展阶段。

（二）字符用户界面CUI（Command User Interface）

20世纪60到80年代，集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的出现标志着第三代、第四代计算机的产生。计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。随着磁芯存储器的发明和显示技术的成熟以及操作系统的出现，以命令行为主的字符用户界面开始大行其道，并延续至今。字符命令语言尽管灵活和高效，适合于专业人员使用，但要求惊人的记忆能力和大量艰苦的训练，且容易出错，不太适合初学者。虽然现在计算机系统都提供了图形化的操作界面，但都保留着命令行模式的字符操作界面，许多系统更加强了这部分的功能。原因在于图形化操作界面有时也会力有未逮，所以需要不断增强字符操作界面的脚本语言或宏语言来提供丰富的控制与自动化的系统管理能力。

（三）图形用户界面GUI（Graphics User Interface）

20世纪80年代以后，家用个人电脑和各种电子产品开始普及。人机交互操作采用图形显示方式，这极大地方便了非专业用户的使用。图形用户界面是当前用户界面的主流，广泛应用于各种计算机平台和电子产品。图形用户界面与早期的字符用户界面相比，在操作方式和视觉方面更易于被用户接受。“记忆”被“识别”所替代，用户不用记忆大量的命令，取代的是可以通过视窗、菜单、图标、按钮等方式来方便地进行人机交互操作。而嵌入式图形用户界面则用于各种消费类电子产品，具有轻量级、高性能、简易性、可移植等特点。

使用键盘、鼠标等装置作为输入设备，以视窗管理系统为核心，是当前各类图形用户界面的共同特点。视窗管理系统除基于多视窗可重叠技术外，广泛采用的另一核心技术即事件驱动。“可见性”是图形用户界面设计最重要的原则，人机交互过程依赖视觉和手动控制的参与，具有操作直接的特点，所有可能的操作行为都对用户可见且易于发现，让系统易于探索并被用户掌握。〔4〕图形用户界面的优点是可提升视觉目标搜索的效率，而无须专业技能，缺点是比较依赖屏幕空间，对于非空间性的抽象交互信息不易表现。

（四）自然用户界面NUI（NaturalUser Interface）

相对于图形用户界面，自然用户界面不再需要传统的输入设备（如键盘、鼠标），用户也无须掌握系统预置好的操作方式，可以以自然的方式与机器交互，如触摸、语音、手势、表情等感官行为，使人机交互方式变得更加自然直观，更为符合人性化特点。

当前利用触控手势操作最成功的消费类电子产品首推智能手机，2007年苹果公司宣布发布i-Phone手机，iPhone上市后引发的销售热潮，被媒体誉为“上帝手机”。其成功的关键之处就在于完全引入手势交互而抛弃传统的按键式操作。手势其实在较早的时候就已经成了人机交互的一部分。Brad Myers在1998年发表的一篇文章简单回顾了这一领域，〔5〕介绍了手势技术研究从二十世纪60年代开始直到90年代初步商业化部署的历程。到了二十世纪80年代，Myron Krueger通过投影技术探索人造现实（Artificial Reality）领域则让手势交互技术开始为大众所熟悉。而多点触控技术则从上世纪80年代开始就已经存在，Nimish Mehta在1982年的论文中设计了第一个多点触控交互系统。〔6〕更长远来看，大部分乐器本身就是“手势”和“多点触控”的结合体，而后期电子乐器（电子鼓、电吉他）的出现让这两样交互技术同电子世界联系了起来，这种交互形式已经存在了很久——1928年俄罗斯人发明的泰勒明电子琴（合成器）是世界上最早的使用手势控制的电子设备。

三、结语

综观人机交互的发展和用户界面的演化，不难发现“以人为中心”的思想愈发受到重视。充分关注人的因素，利用用户日常的自然技能，不用接受专业训练和学习，也无须建立新的心智模型，降低认知负荷，提高工作效率，这在人机交互技术的发展过程中得到了非常明显的体现。

人类为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。但是人类的感官并非万能，要想获得更为丰富的信息，进一步研究自然现象，需要借助于代替人类感官的工具。以电学基本原理为基础的感应器基本都具有电信号输出，近年来发展飞速，性能愈强而体积愈小。各类体感设备也应运而生，如智能眼镜、智能手表、智能手环等各种各样的可穿戴式智能设备。它让人们以不同的方式看待技术，即技术如何与人类互动，并将彻底改变人们的传统生活方式。

而下一代的脑机接口尽管目前仍处于初级研究试验阶段，但其中一些研究成果正逐步逼近原来只存在于科幻小说中的技术。未来当脑机接口技术发展到一定程度后，不仅可以修复人体受损功能，也能增强正常人的功能。当然这个领域仍存在着诸多人类伦理学上的分歧争论。

展望未来，人机交互技术的发展还需要很长的路要走，但最终或许会导致用户界面的消失，人们将以本能自然的方式来使用设备，而设备也会智能的进行反馈，使人与设备之间的界限变得模糊，甚至彻底地融合在一起。

〔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.

（责任编辑小糖）

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1672-5646（2017）01-0064-03

汪正刚（1979-），男，辽宁沈阳人，硕士，主要从事交互设计研究。