時間：2023-05-30 10:28:33
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇人機(jī)交互，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：安防領(lǐng)域；人機(jī)交互技術(shù)；發(fā)展
前言
自計算機(jī)產(chǎn)生之后，關(guān)于“人機(jī)交互”的研究隨之開展，并且至今仍在繼續(xù)。從二進(jìn)制大型計算器開始，直至當(dāng)前的虛擬顯示技術(shù)，國內(nèi)外的技術(shù)人員無一不為人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展而努力，時至今日，人機(jī)交互技術(shù)所具有的發(fā)展空間是十分廣闊的，尤其在安防領(lǐng)域中。安防領(lǐng)域中應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)后，不僅會促進(jìn)安全防范產(chǎn)品智能化程度的提升，而且安防領(lǐng)域也會更為繁榮的發(fā)展。
1 人機(jī)交互技術(shù)概述
人機(jī)交互技術(shù)是指在計算機(jī)輸入、輸出設(shè)備的輔助下，實現(xiàn)人與計算機(jī)對話的技術(shù)，通過人機(jī)對話，計算機(jī)可提供人所需求的信息，如回答問題、顯示相關(guān)信息等[1]。在計算機(jī)用戶界面設(shè)計工作中，一項重要的內(nèi)容即為人機(jī)交互技術(shù)，該項技術(shù)密切的聯(lián)系著多個學(xué)科領(lǐng)域，例如認(rèn)知學(xué)領(lǐng)域、人機(jī)工程學(xué)領(lǐng)域等，同時，經(jīng)由電極，使神經(jīng)信號相互聯(lián)系于電子信號，促進(jìn)人腦、電腦間溝通的開展。
學(xué)術(shù)界一直未停止關(guān)于人機(jī)交互技術(shù)的研究，且獲得的研究成果比較多，已經(jīng)問世大量的人機(jī)交互產(chǎn)品?，F(xiàn)階段，人機(jī)交互技術(shù)研究的側(cè)重點體現(xiàn)在兩個方面，一方面是側(cè)重多媒體技術(shù)，計算機(jī)可觸摸式的顯示屏、電子書顯示屏可隨意折疊、3D顯示器等均屬于研究的重點；另一方面是側(cè)重多通道技術(shù)，手寫漢字識別系統(tǒng)、數(shù)字墨水技術(shù)、中文語音識別系統(tǒng)、手勢識別技術(shù)等均屬于多通道技術(shù)應(yīng)用到各個領(lǐng)域中的產(chǎn)物[2]。在社會的各個領(lǐng)域中，已經(jīng)開始顯現(xiàn)出人機(jī)交互技術(shù)的重要作用，例如智能手機(jī)領(lǐng)域、游戲領(lǐng)域等，可以預(yù)見，在未來，該項技術(shù)的發(fā)展空間將會十分廣闊。
2 安防領(lǐng)域人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展
2016年，北京舉行了中國國際社會公共安全產(chǎn)品博覽會，參與企業(yè)包含國內(nèi)外千余家，將安防領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)品全面的展示出來，人機(jī)交互技術(shù)產(chǎn)品赫然在列，這也表示著人機(jī)交互技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到安防領(lǐng)域中，并且取得了良好的發(fā)展。
2.1 安防領(lǐng)域人機(jī)交互技術(shù)專利申請增多
近年來，人機(jī)交互技術(shù)在安防領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷加深，并產(chǎn)生了較多的安防產(chǎn)品，無論國內(nèi)或國外，人機(jī)交換技術(shù)產(chǎn)品申請呈現(xiàn)出上升趨勢，主要體現(xiàn)在三個方面：第一，全球?qū)＠暾埩吭龆?，以年為單位，?jīng)統(tǒng)計分析人機(jī)交互技術(shù)點的全球?qū)＠暾埩壳闆r看，處于逐年上升的趨勢，尤其是2001年之后，我國的申請量大幅度的增長，呈現(xiàn)出直線上升，至2015年時，開始出現(xiàn)申請量減少的現(xiàn)象，這說明，在人機(jī)交互技術(shù)點上，我國所掌握的技術(shù)逐漸的成熟，而且飽和狀態(tài)已經(jīng)開始出現(xiàn)，再看美國、日本、德國及中國臺灣，該項技術(shù)專利申請量并未發(fā)生變化；第二，專利申請國分布增多，專利申請國是指專利人申請專利時想要申請的保護(hù)其專利的國家或地區(qū)，專利申請國的分布狀況可將專利可能實施的國家或地區(qū)反映出來，據(jù)調(diào)查可知，人機(jī)交互行業(yè)申請專利時，重點申請的國家為中國、美國、世界產(chǎn)權(quán)組織，三者共占據(jù)總申請數(shù)量的98%左右，余下2%分布在歐洲、日本、英國、德國、加拿大等國家，由專利申請國分布情況發(fā)現(xiàn)，受理國家的數(shù)量不斷增多；第三，專利技術(shù)主要來源國增多，以往，美國為主要的專利權(quán)人來源家，近年來統(tǒng)計結(jié)果顯示，除美國外，中國的專利權(quán)人數(shù)量也不斷的增加[3]。
2.2 用戶界面的操作性及立體性不斷增強(qiáng)
ENIAC為世界上第一臺計算機(jī)，問世后即開始人機(jī)交互，人將相應(yīng)的命令輸入后，操作系統(tǒng)執(zhí)行命令，當(dāng)時，對于計算機(jī)與人機(jī)交互，人們更多的神秘感、專業(yè)感。這一時期，人要主動的適應(yīng)計算機(jī)，才能保證計算機(jī)操作的正確性，為改變這一現(xiàn)狀，人們開始探索更為便利的人機(jī)交互方式。探索發(fā)現(xiàn)，必須要研究人的行為方式，由此，計算機(jī)設(shè)計中開始逐步的運(yùn)用認(rèn)知心理學(xué)，人們也越來越關(guān)注人機(jī)交互的重要性。當(dāng)前，用戶界面的主流為圖像形式，代表為美國微軟，顯示、傳達(dá)信息的目的均利用創(chuàng)口實現(xiàn)，人與計算機(jī)用戶界面交互的方式為鼠標(biāo)、鍵盤，圖像形式的用戶界面使人機(jī)交互的操作性不斷增強(qiáng)[4]。未出現(xiàn)自然化交互設(shè)計技術(shù)時，即已經(jīng)出現(xiàn)多媒體技術(shù)，是一種過濾技術(shù)，而未產(chǎn)生多媒體用戶界面之前，設(shè)計用戶界面過程中，語言轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形已經(jīng)完成。不過，在多媒體技術(shù)不斷進(jìn)步過程中，此種技術(shù)中逐漸的加入了動畫、視頻、音頻等，尤其是引入音視頻后，促進(jìn)計算機(jī)傳達(dá)信息的方式更為豐富，使人們能夠進(jìn)一步的控制、傳達(dá)信息，人機(jī)交互效率大幅度的提升，同時也提高了用戶界面的立體性。
2.3 向著多通道互動及智能互動的方向進(jìn)步
現(xiàn)階段，主要通過鍵盤與鼠標(biāo)來實現(xiàn)人機(jī)交互，尚不具備普及多通道媒體交互的技術(shù)水平，但在安防領(lǐng)域中，工程師及設(shè)計師的探索步伐已經(jīng)邁出，自然人機(jī)交互的實現(xiàn)指日可待。目前，已經(jīng)利用了基于人感覺的開發(fā)效應(yīng)通道，如視線跟蹤系統(tǒng)、三維聽覺定位器、分貝感應(yīng)器、語音識別系統(tǒng)等，這些均是利用人的聽覺、視覺，結(jié)合人機(jī)交互技術(shù)后研發(fā)出的產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物應(yīng)用安防領(lǐng)域后，可顯著的提升安防效果。在感壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員開發(fā)出了觸屏手機(jī)、觸屏電腦，用戶在使用過程中，能夠極為自然的開展人機(jī)交互，而且通道切換也不需要頻繁的開展，促使人機(jī)交互效率的提升，而也顯示了多通道互動技術(shù)的應(yīng)用。在人機(jī)大戰(zhàn)中，第一個勝利的炮彈由深藍(lán)打響，之后技術(shù)人員、研究人員便廣泛的研究智能計算，基本已經(jīng)實現(xiàn)人機(jī)現(xiàn)場合奏即興樂曲，促使人機(jī)交互技術(shù)更為深入的發(fā)展。人工智能技術(shù)出現(xiàn)后，人機(jī)互動的發(fā)展步伐明顯加大，尤其在安防領(lǐng)域中，各種人工智能產(chǎn)物基于人機(jī)交互技術(shù)設(shè)計出來，很大程度上便利可安防工作的開展，例如安放機(jī)器人，通過安防機(jī)器人的應(yīng)用，安防防護(hù)工作可在機(jī)器人的協(xié)助下開展，降低工作人員工作量的同時，可明顯的提升安防工作效率及工作質(zhì)量。
3 結(jié)束語
綜上所述，人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用于安防領(lǐng)域后，其與安防領(lǐng)域的融合程度不斷的加深，開發(fā)出了各種高性能、高質(zhì)量的智能型安全防護(hù)產(chǎn)品，促進(jìn)安防領(lǐng)域工作效率及工作質(zhì)量的提升。鑒于人機(jī)交互技術(shù)自身不斷的發(fā)展與更新，安防領(lǐng)域也會利用該項技術(shù)不斷的創(chuàng)新，研制出更多的智能化程度高的產(chǎn)品，促進(jìn)安防領(lǐng)域更為繁榮的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]李英.基于計算機(jī)技術(shù)的人機(jī)交互應(yīng)用探索[J].信息與電腦（理論版），2016（07）：59-60.
[2]俞凱，陳露，陳博，等.任務(wù)型人機(jī)對話系統(tǒng)中的認(rèn)知技術(shù)――概念、進(jìn)展及其未來[J].計算機(jī)學(xué)報，2015（12）：2333-2348.
隨著技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互界面在不斷改進(jìn)，從最初的命令行、窗口圖形界面再到觸摸屏，人機(jī)交互的方式變得越來越人性化。觸摸屏之后，又會有哪種交互方式帶來新的變革呢？無疑，語音技術(shù)最令人期待，因為它是人類最自然的交流方式。試想，如果你家的電器設(shè)備都能像你的朋友一樣聽懂你的要求，并按照你的要求做出正確的反應(yīng)，那該是多么美妙的體驗。時下，這種語音交互技術(shù)正越來越多地應(yīng)用到我們身邊的電子設(shè)備中。
早在2011年，IBM的超級電腦“沃森”戰(zhàn)勝美國智力問答節(jié)目《危險邊緣》的兩名冠軍選手，引起極大轟動。從某種程度上說，沃森已經(jīng)可以和人類實現(xiàn)自如語音交流，這離不開其背后強(qiáng)大的計算性能。據(jù)介紹，IBM耗費數(shù)年才研制出沃森，沃森擁有10組Power750服務(wù)器，運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)，具有15TB內(nèi)存，2880個處理器，每秒可進(jìn)行80萬億次運(yùn)算，而其體積有10個冰箱大小。
雖然要實現(xiàn)像沃森這樣的自如地人機(jī)交互還挑戰(zhàn)重重，但這并沒有阻止語音技術(shù)在特定環(huán)境特定領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是像車載、移動終端這樣的嵌入式設(shè)備中，語音技術(shù)已經(jīng)得到了消費者的認(rèn)可。
StrategyAnalytics的統(tǒng)計表明，2012年，中國原始設(shè)備制造商（OEM）所提供的具備語音人機(jī)接口的信息娛樂和車載信息通信系統(tǒng)（telematics）的出貨量達(dá)到300萬臺，并預(yù)期在2018年達(dá)到2000萬臺。在北美和歐洲市場，帶語音交互功能的車載設(shè)備應(yīng)用已很普及。福特SYNC系統(tǒng)，即專為手機(jī)和數(shù)字媒體播放器配備的福特車載多媒體通信娛樂系統(tǒng)，是目前車載系統(tǒng)中采用語音交互技術(shù)的成功的案例，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在福特多個系列汽車中。搭載SYNC系統(tǒng)后，配合汽車中控臺上的顯示屏，可通過語音控制、兼容并操控便攜式通信/娛樂設(shè)備等方式，讓駕駛者在開車過程中更輕松，便捷地實現(xiàn)諸如語音撥號、語音播出短信內(nèi)容、語音控制音樂播放等功能。
汽車之外，移動互聯(lián)網(wǎng)終端大概是目前最熱衷采用語音交互的另一類產(chǎn)品，自從蘋果率先在其iPhone4S中推出智能語音助理應(yīng)用Siri后，Google公司也在其安卓智能手機(jī)操作系統(tǒng)中推出了GoogleNow智能語音搜索及問答服務(wù)，微軟公司也將語音技術(shù)應(yīng)用于其WindowsPhone?，F(xiàn)在，幾乎每一家手機(jī)廠商都試圖將語音技術(shù)融于其移動產(chǎn)品、應(yīng)用和服務(wù)中。這其中最主要的一個原因就是這類終端設(shè)備外型小巧，觸摸輸入很不方便，這種情況下，語音交互就變成了一種非常必要的人機(jī)溝通的補(bǔ)充方式。這一點，筆者深有感觸，自從使用安卓手機(jī)后，筆者一度不再發(fā)短信（太麻煩），現(xiàn)在，安裝了一個訊飛語音輸入法后，又開始和朋友們短信交流了，語音輸入真是又方便又快捷。
雖然語音技術(shù)給我們帶來了極大的樂趣和幫助，但要實現(xiàn)真正流暢自然的語音交互還需要強(qiáng)大的軟硬件技術(shù)協(xié)作。語音技術(shù)牽涉到語音合成、語音識別、語音評測、自然語言理解等多個方面，而語言的復(fù)雜性、多樣性都為語音技術(shù)的應(yīng)用帶來多種挑戰(zhàn)。Nuance、科大訊飛、微軟、IBM、Google都在投入力量研發(fā)語音新技術(shù)。其中，作為中文語音技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，科大訊飛已占有中文語音技術(shù)市場70%以上市場份額，其訊飛語音云合作伙伴已經(jīng)超過了10000家，訊飛輸入法已深入人心。Nuance的語音識別平臺在行業(yè)內(nèi)也得到廣泛應(yīng)用，前面提到的福特SYNC系統(tǒng)、蘋果Siri都采用了Nuance技術(shù)。前不久，微軟宣布研發(fā)出一種新型語音識別技術(shù)，這項名為“深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的技術(shù)，能夠像人類的大腦一樣處理語言行為，據(jù)稱該技術(shù)比目前的語音識別技術(shù)快2倍。
有了好的語音軟件和算法，還必須要高性能的硬件來支持。相信，隨著語音技術(shù)的發(fā)展和硬件性能的提高，自然語音將為下一代人機(jī)交互帶來新的變革。
關(guān)鍵詞單片機(jī)；MSP430；LCD；人機(jī)交互接口
1引言
在當(dāng)今的各種實時自動控制和智能化儀器儀表中，人機(jī)交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機(jī)交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來完成，但其實現(xiàn)方式有兩種：一種是由MCU力口驅(qū)動芯片實現(xiàn)，如鍵盤顯示控制芯片SK5279A，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片MAX7219等等，這時顯然MCU沒有LCD的驅(qū)動功能。另一種就是MCU本身具有驅(qū)動功能，它通過數(shù)據(jù)總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式或I／O設(shè)備訪問形式控制鍵盤和LCD實現(xiàn)人機(jī)對話。這里的MCU主要有世界各大單片機(jī)生產(chǎn)廠商開發(fā)的各種單片機(jī)，其中TI公司的MSP430系列因其許多獨特的特性引起許多研究人員的特別關(guān)注，在國內(nèi)外的發(fā)展應(yīng)用正逐步走向成熟。
2LCD簡介
LCD(LiquidCrystalDisplay)，即液晶顯示器。液晶顯示是通過環(huán)境光來顯示信息的，它本身并不發(fā)光，因而功耗很低，只要求液晶周圍有足夠的光強(qiáng)。LCD是人與機(jī)器溝通的重要界面，早期以顯像管(CRT／CathodeRayTube)顯示器為主，但隨著科技不斷進(jìn)步，各種顯示技術(shù)如雨后春筍般誕生。LCD由于具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險、平面直角顯示以
及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，逐漸占據(jù)顯示的主流地位。
LCD的類型，根據(jù)其分類方式的不同而不同。如根據(jù)LCD顯示內(nèi)容的不同可以分為段式LCD和點陣LCD。根據(jù)LCD驅(qū)動方式的不同可以分為靜態(tài)驅(qū)動和多路驅(qū)動。
3MSP430F44X簡介
MSP430F44X系列是TI公司最新推出的具有超低功耗特性的Flash型16位RISC指令集單片機(jī)[2]。該系列單片機(jī)性價比相當(dāng)高，在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢。它主要應(yīng)用在各種要求極低功率消耗的場合，特別適合用于智能測量儀器、各種醫(yī)療器械、智能化家用電器和電池供電便攜設(shè)備產(chǎn)品之中。
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
MSP430F44X的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括：CPU、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、FLL+時鐘系統(tǒng)(片內(nèi)DCO+晶體振蕩器)、看門狗定時器／通用目的定時器(WatchDog)、ADCl2(12位A／D)、比較器A(精確的模擬比較器，常用于斜邊(Slope)A／D轉(zhuǎn)換)、復(fù)位電壓控制／電源電壓管理、基本定時器(BasicTimerl)、定時器(Timer-a和Timer-B)、LCD控制器/比較器(多達(dá)160段)、硬件乘法器、I/O口和串行口[4]。系列中各種具體的型號稍有差別。在本次設(shè)計中，具體選擇MSP430F449作為人機(jī)接口電路的設(shè)計具有許多獨到的優(yōu)勢。這一點，讀者可以根據(jù)TI公司相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行比較。
3.2片內(nèi)外模塊特性
MSP430F44X具有豐富的片內(nèi)模塊，其明顯的特點是：具有48條I／0口線的6個并行口P1-P6，其中P1、p2具有中斷能力，同時具有2個可用于UART/SPI模式選擇的串行口(USART0和USARTl)；內(nèi)含12位的A／D轉(zhuǎn)換器ADCl2，快速執(zhí)行8×8、8×16、16×16乘法操作并立即得到結(jié)果的硬件乘法器；多達(dá)160段的LCD控制器／比較器，可以實現(xiàn)多種方式的驅(qū)動顯示；可以實現(xiàn)UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B；非常靈活的時鐘系統(tǒng)，既可用32768Hz的鐘表晶振產(chǎn)生低頻時鐘，也可以用450kHz-8MHz的晶體產(chǎn)生高頻時鐘，同時還可以使用外部時鐘源或者用不同控制頻率的DCO；多達(dá)幾十kB的Flash空間，這樣數(shù)據(jù)既可以保存在片內(nèi)的Flash信息存儲器，也可保存在程序的Hash中的剩余空間。
4接口電路設(shè)計
4.1接口電路簡圖及說明
典型應(yīng)用電路示意圖。在該圖中，LCD類型和鍵盤種類及數(shù)目的選擇、下拉電阻的數(shù)值大小都必須認(rèn)真考慮，硬件設(shè)計要滿足一定的工作時序關(guān)系，復(fù)位時預(yù)留緩沖時間和懸空部分引腳，晶振的選擇要在適當(dāng)?shù)臄?shù)值，必須保證交流驅(qū)動的頻率在30Hz-1000Hz范圍內(nèi)，其具體的情況請詳細(xì)參考TI公司的相關(guān)資料[3]。
4.2段型液晶顯示屏EDS820A簡介
一般而言，LCD分為筆段型和點陣字符型及點陣圖形型。筆段型主要是顯示數(shù)字，常用于計數(shù)、計量和計時；點陣字符型用于顯示數(shù)字和西文字符；點陣圖形型用于顯示圖形及字符。本設(shè)計中用到的EDS820A就是由西安新敏電子科技有限公司生產(chǎn)的筆段型LCD。是該顯示屏的各個引腳的邏輯功能表。
顯而易見，該產(chǎn)品EDS820A是5位的液晶顯示屏，它只有4個DP，用于顯示小數(shù)點；COM端也只有一個，所以該LCD與MSP430F449的管腳連接應(yīng)該引起足夠重視.
5軟件設(shè)計
硬件連接電路圖為例，編寫了鍵盤控制及顯示程序，程序在IAREmbeddedWorkbench編譯通過。全部主程序包括詳細(xì)的發(fā)射和接收子程序，及初始化和等待鍵盤輸入轉(zhuǎn)換、顯示等等，值得注意的是發(fā)射與接收的控制要適當(dāng)。
該程序是用匯編編寫的。程序?qū)崿F(xiàn)的是等待按鍵輸入，讀取鍵值，最后進(jìn)行鍵值處理和顯示的功能。
檢測是否有鍵按下是通過KEY是否有高電平信號。平時，KEY為低電平，當(dāng)有鍵按下時為高電平，它發(fā)送一個脈沖給單片機(jī)MSP430F449，當(dāng)單片機(jī)檢測到該信號時，判斷按鍵的功能，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。
6人機(jī)接口電路在體內(nèi)電刺激器中的應(yīng)用
醫(yī)學(xué)上，在進(jìn)行疾病控制時，通常可以通過電極以一定波形(如方波、正弦波等)、頻率、幅度、占空比等電信號對神經(jīng)或肌肉進(jìn)行刺激，以使其支配相應(yīng)的功能或肌肉產(chǎn)生收縮／舒張動作，從而有利于癥狀的減輕。由于不同部位的神經(jīng)或肌肉對電刺激發(fā)生的敏感水平不同，不同強(qiáng)弱和不同性質(zhì)的電信號所產(chǎn)生的刺激效果是不一樣的。我們研制的體內(nèi)電刺激器，可以產(chǎn)生手術(shù)時所需要的具有不同的頻率、幅度、占空比的不同波形信號。該儀器幅度、占空比準(zhǔn)確，頻率穩(wěn)定，各參數(shù)均可以精確的調(diào)節(jié)。而且，由于使用了LCD顯示，它與單片機(jī)的連接簡單。LCD具有質(zhì)量輕、體積小、電壓低、功耗小、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點，其人機(jī)界面相當(dāng)友好。但人機(jī)接口電路設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到整臺儀器的使用效果。
根據(jù)需要，我們設(shè)計了5個鍵。這里，S1表示波形的振幅，S2表示波形的頻率，S3表示波形的占空比，S4為+1鍵，S5為-1鍵。通過54，S5可以調(diào)節(jié)波形的各個參數(shù)值。其中，振幅可以是在一個參考值的基礎(chǔ)上的0-99.9％；頻率可以是1Hz-999Hz；占空比調(diào)節(jié)范圍可以為1.0％-99.9％[1]。
關(guān)鍵詞：計算機(jī)應(yīng)用；中文信息處理；自動分詞；未登錄詞識別；陌生文本；人機(jī)交互
中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1 引言
自動分詞是中文信息處理的基礎(chǔ)課題之一。隨著中文電子文本數(shù)量的日益增加，文本的領(lǐng)域呈多樣性發(fā)展，語料庫的加工要求也有所不同。文獻(xiàn)[1]指出，一個分詞系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠處理不同領(lǐng)域的文本和適應(yīng)不同的分詞標(biāo)準(zhǔn)。對于以漢語研究為目的的語料庫建設(shè)而言，如何對現(xiàn)有的大量古代漢語的電子文獻(xiàn)進(jìn)行分詞，如何對珍貴的方言語料進(jìn)行處理等等，都是亟需解決的問題。在此背景下，本文提出了面對中文陌生文本的人機(jī)交互式分詞方法。所謂“陌生文本”，即對于分詞系統(tǒng)來說，沒有關(guān)于該文本的任何詞匯、句法、語義等先驗的語言知識和資源。所謂“人機(jī)交互”，就是由系統(tǒng)自動地從文本中獲取候選字串，由用戶根據(jù)其上下文進(jìn)行篩選，得到適應(yīng)于不同領(lǐng)域的詞語特點和分詞標(biāo)準(zhǔn)的詞表。面向陌生文本的分詞，就是讓系統(tǒng)在沒有詞表和其他資源的條件下，通過人機(jī)交互的方式完成對漢語各種文本的分詞處理。
2 相關(guān)工作
目前，作為主流的基于統(tǒng)計的分詞方法所關(guān)注的是如何從訓(xùn)練語料中盡可能多地學(xué)習(xí)語言知識，再對同質(zhì)文本(“非陌生”文本)進(jìn)行分詞。因此，無法適用于陌生文本的自動分詞。而不需要詞表和訓(xùn)練語料等資源的陌生文本分詞技術(shù)研究較少，還處在實驗階段。文獻(xiàn)[2]使用統(tǒng)計方法從待切分語料中抽詞，又將所抽取的詞條用于自動分詞。文獻(xiàn)[3]利用Y。統(tǒng)計量進(jìn)行自動分詞。文獻(xiàn)[4]使用了串頻統(tǒng)計方法，然后通過長短串的頻次的比值進(jìn)行過濾獲得詞表，再進(jìn)行分詞。文獻(xiàn)[5]則建立了一個文本熵的模型，其原則是文本分詞的結(jié)果越好，則文本的整體熵越低。這些方法是純粹利用統(tǒng)計方法進(jìn)行陌生文本分詞的一個嘗試，分詞的精度既不高也不夠穩(wěn)定。因此，一些學(xué)者考慮使用人機(jī)交互的方式來增加系統(tǒng)的語言知識。文獻(xiàn)[6]利用鄰接漢字的統(tǒng)計信息，讓機(jī)器自動地給出針對該語料的候選詞表，然后由用戶進(jìn)行篩選。通過閾值控制，以半自動循環(huán)的工作方式，最終得到一個詞表。該文沒有進(jìn)一步進(jìn)行全文分詞，但其人機(jī)交互式的方法，可以保證獲取詞表的精確率，缺點是召回率難以保證。
較為實用的陌生文本分詞方法則是文獻(xiàn)[1]提出的基于句子的人機(jī)交互的增量式學(xué)習(xí)方法。首先，利用串頻統(tǒng)計獲取文本中的未登錄詞，然后，基于這個詞表進(jìn)行自動分詞，把分詞結(jié)果提交人工判定，利用學(xué)習(xí)到的詞語和優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行下一輪分詞和未登錄詞的提取。在規(guī)模為9萬詞的語料上，可以達(dá)到近90％的分詞正確率。然而，其未登錄詞的發(fā)現(xiàn)性能不高，在人工判定的條件下，正確率和召回率分別為26％和31％，大量的工作實際上還是通過人工判定來完成。文獻(xiàn)[7]提出了基于Multigram語言模型的主動學(xué)習(xí)方法，首先使用了50M同質(zhì)生語料利用EM算法來參數(shù)估計，再依靠對較為重要的句子提交用戶切分，解決高頻字串的切分問題。在開放測試中，分詞F值為77.7％。
總的來看，在處理陌生文本時，人機(jī)交互的方式比純統(tǒng)計方法的效果好。讓用戶來確定詞，不僅較為準(zhǔn)確，還可讓系統(tǒng)適應(yīng)于不同的分詞標(biāo)準(zhǔn)。然而，這些方法存在的最大問題是未登錄詞發(fā)現(xiàn)的精確率和召回率不高，在人機(jī)交互和機(jī)器自動學(xué)習(xí)的機(jī)制上存在一些問題，導(dǎo)致分詞效果不好或代價過高。
3 算法
上文介紹了人機(jī)交互的兩種方式，基于句子的和基于候選詞的，這兩種方式各有其優(yōu)缺點。前者可以得到切分好的句子集合，但對于用戶而言，切分整個句子比較困難一些。相當(dāng)數(shù)量的詞會反復(fù)出現(xiàn)在不同的句子中，造成人工的浪費，也容易出現(xiàn)對同一個詞切分不一致。同時，要定義生成候選句子的判別函數(shù)也是比較困難的。而基于候選詞的交互方式則可以直接得到該語料的詞表，通過觀察上下文，能夠讓用戶比較容易判定是否是詞，也可以避免對同一個詞的切分不一致。因此，我們采用了基于候選詞的交互方式。
3.1 系統(tǒng)流程
圖1給出了系統(tǒng)流程。首先，由機(jī)器從陌生文本中自動抽取一個高精度的候選詞表。接著，由熟悉該文本的專業(yè)人員或用戶進(jìn)行詞條的甄選，得到一個小規(guī)模詞表。然后，利用這個詞表進(jìn)行自動分詞，在未切分的漢字串中，抽取出更多的候選串，由人工進(jìn)行判定。這樣反復(fù)進(jìn)行人機(jī)交互，最終完成對文本的分詞。
上述過程主要分為兩個問題，一是如何自動地提取候選字串并進(jìn)行自動篩選，保證詞語的精確率和召回率；二是如何通過人機(jī)交互來確定詞表，讓詞語符合用戶的分詞標(biāo)準(zhǔn)。本文提出了改進(jìn)的后綴數(shù)組抽詞算法，對抽取的候選詞語采用互信息(MI)進(jìn)行過濾，得到了性能較好的自動抽詞模塊。同時，提供較好的人機(jī)交互界面，便于用戶增刪詞語。
3.2 改進(jìn)的后綴數(shù)組自動抽詞算法
提取候選字串時，最大的問題是會產(chǎn)生大量垃圾。例如在一個文本中，字串“薩達(dá)姆”、“薩達(dá)”和“達(dá)姆”的頻次都為10次。很明顯，“薩達(dá)”和“達(dá)姆”是需要排除的字串。針對這一問題，目前主要有兩種做法：一種是計算文本中所有的N元字串的頻次，然后使用頻次相減法來過濾[8]。另一種是分別建立前綴數(shù)組和后綴數(shù)組。利用排序的后綴數(shù)組，直接把數(shù)組序列中前綴相同的字串提取出來，這樣可以得到“薩達(dá)姆”，排除“薩達(dá)”。同樣地，建立排序的前綴數(shù)組來把后綴相同的字串提取出來，得到“薩達(dá)姆”，排除“達(dá)姆”，最后把兩個結(jié)果進(jìn)行交集運(yùn)算，得到“薩達(dá)姆”[9]。這兩種方法，在時間和空間上開銷較大，也無法提取頻次為1的詞語。
為了解決計算效率問題，我們提出了改進(jìn)算法，只需建立一個排序的后綴數(shù)組，就可以完成排除子串的過程。首先，利用排序的后綴數(shù)組的最長公共前綴(LCP，Longest Common Prefix)，可以排除“薩達(dá)”。同時，利用上文的后綴信息來排除候選串，如果上文有相同的漢字，則不算作候選字串。如，“達(dá)姆”所在的后綴數(shù)組，其上文都為“薩”，被排除。通過計算它們上文相同的長度，即上文最長公共后綴(LLCS，Longest Left Common Suffix)的長度，就可以跳過這些被長串完全覆蓋的子串。在不增加空間 開銷的前提下，把算法的時間復(fù)雜度由原來的0(N2)降到了0(N*lgN)。由此，利用后綴數(shù)組的LCP、LLCS值，可以從文本中自動獲得大量的n元字串。圖2是從1998年1月《人民日報》語料中提取出來的部分以“薩”和“達(dá)”開頭的后綴數(shù)組，左圖中可以直接提取出“薩達(dá)姆”、“薩達(dá)姆總統(tǒng)”等候選串，右圖則顯示出“達(dá)姆”的上文為“薩”或“阿”，可以直接排除掉“達(dá)姆”這個短串。而“阿達(dá)姆庫斯”則可以通過“阿”開頭的后綴數(shù)組提取出來。
對于頻次為1的字串，本文使用左右擴(kuò)展法來獲取。方法是利用后綴數(shù)組中頻次為1的二字串進(jìn)行左右擴(kuò)展。每次擴(kuò)展的二字頻需為1，否則后退一字。如“薩達(dá)姆”中，假設(shè)“、訴薩、薩達(dá)、達(dá)姆”的頻次分別為5、1、1、1。以“薩達(dá)”為出發(fā)點向左擴(kuò)展，“訴薩”頻次為1，擴(kuò)展為“訴薩達(dá)”；再往左擴(kuò)展，由于“”的頻次大于1，所以刪除“”，剩下“薩達(dá)”，確定左邊界。以相同的方式可以確定右邊界，同時屏蔽掉后綴數(shù)組中相應(yīng)的元素“達(dá)姆”。最后得到頻次為1的“薩達(dá)姆”。需要說明的是，該方法也只能獲取一部分頻次為1的字串。即，多次詞與單次詞相連，且單次詞內(nèi)部的所有鄰接二字對的頻次也為1。
后綴數(shù)組、最長公共前綴數(shù)組LCP和上文最長公共后綴LLCS的構(gòu)造算法如下：
設(shè)S=C1C2…Ci…CCN為一個由N個字符構(gòu)成的字符串。1≤i≤N，Ci屬于字符集∑。Ai=CiCi+1…CN為字符串S從字符i開始的后綴，可以得到{A1，A2，…，AN}。按照字符集∑的順序進(jìn)行排序，得到一個排序的二維數(shù)組SA，即SA1＜SA2＜…＜SAN，“＜”表示字符集中的先后順序。數(shù)組LCP[1…N]存放SAi與SAi-1或SAi+1的公共最長前綴的長度(選擇最大值)，數(shù)組LLCS[1…N]存放SAi與SAi-1或SAi+1的上文公共最長后綴的長度(選擇最大值)。
候選字串提取算法如下：
for(int i=1；i＜=N；i++){／／對于每一個后綴數(shù)組的元素
if(LLCS[i]＞0)／／如果上文相同的漢字個數(shù)＞0，則跳過，不算候選串
break；／／跳出本次循環(huán)
else if(LCP[i]＞1){ ／／如果上文不同，且下文相同的漢字個數(shù)＞1，則把該串加入Hash表
HashTable-＞insert(SA[i]，LCP[i])；
break；／／跳出本次循環(huán)
}
int m=0，n=0；／／m為向左擴(kuò)展的字?jǐn)?shù)，n為向右擴(kuò)展的字?jǐn)?shù)
if(Search2gram(pp[i][0]，pp[i][1])==1){／／如果上文不同，且2字頻次為1
while((Search2gram(pp[i][-m]，pp[i][-m一1])==1)
&&(Search2gram(pp[i][m-1]，pp[i][-m-2])==1))
{／／依次向左擴(kuò)展，條件是Cm-1-Cm二字頻次為1，且Cm-2Cm-1二字頻也為1
blind(pp[i][-m]，pp[i][-m-1])；／／屏蔽Cm-1Cm對應(yīng)的SA
m++；／／左擴(kuò)展字?jǐn)?shù)加1
}
while((Search2gram(pp[i][n]，pp[i][n+1])==1)
&&(Search2gram(pp[i][n+1]，pp[i][n+2]==1))
{／／依次向右擴(kuò)展，條件是CmnCn+1二字頻次為1，且Cn+1+Cn-2二字頻也為1
blind(pp[i][n]，pp[i][n+1])；／／屏蔽CnCn+1對應(yīng)的SA
n++；／／左擴(kuò)展字?jǐn)?shù)加1
}
if(m+n＞0)／／如果左右擴(kuò)展過了
HashTable-＞insert(SA[i]，m+n+1)；／／把該串加入Hash表
}
3.3 互信息過濾
由后綴數(shù)組得到的字串需要經(jīng)過一定的過濾，以提高精確率。文獻(xiàn)[10]對9種常用的統(tǒng)計量進(jìn)行了測試與分析，指出各統(tǒng)計量之間互補(bǔ)性不高。通常情況下，建議直接選用單個效果最好的互信息進(jìn)行二字詞的自動抽取。本文對于二元至四元字串采用條件熵推導(dǎo)出來的點互信息公式，對于五元以上的字串，由于公式過于繁瑣，計算量過大，采用另一個簡化公式。具體計算公式如下，
其中，n≥1，f(C1，…，Cn)是n元字串C1，…，Cn在語料中出現(xiàn)的次數(shù)，N是語料規(guī)模(總字?jǐn)?shù))，P(C1，…，Cn)=f(C1，…，Cn)／N，P(ac)則是字符a和c相隔一個字符時順序共現(xiàn)的概率。
為了提高自動抽詞的性能和效率，我們在系統(tǒng)中加入了識別兩種特殊字串的獨立模塊。一種是由漢字構(gòu)成的“AABB”型重疊式，如“風(fēng)風(fēng)火火”等詞語。一種是“簡單數(shù)詞”，包括阿拉伯?dāng)?shù)字、漢字?jǐn)?shù)字構(gòu)成的數(shù)詞。如，“3000'’、“20萬”、“叁拾”等。這二種字串在漢語文本中經(jīng)常出現(xiàn)，可以作為未登錄詞識別模塊的補(bǔ)充，用于人工篩選。
3.4 人機(jī)交互
人機(jī)交互是讓用戶借助上下文信息判定一個候選字串是不是詞，以得到質(zhì)量較高的詞表，進(jìn)行后續(xù)的抽詞和分詞流程。我們規(guī)定，用戶在篩選候選詞時，只能進(jìn)行三種操作，即“確定”、“刪除”和“添加”。如果候選串是詞，則進(jìn)行“確定”操作；不是詞，則“刪除”；在上下文觀察時發(fā)現(xiàn)新的詞，則“添加”到詞庫中。
我們在VC6.0環(huán)境下實現(xiàn)了該系統(tǒng)。人機(jī)交互界面如圖3，在pku_test(SIGHAN2005)上，系統(tǒng)第一次自動抽詞得到的詞語列表，按音序排列，并給出頻次和互信息值。單擊“巴勒斯坦”，右側(cè)則顯示 出其上下文，用戶可以根據(jù)自己的要求進(jìn)行增刪詞條。
4 實驗結(jié)果及分析
我們對四種規(guī)模、體裁、分詞標(biāo)準(zhǔn)各不相同的語料進(jìn)行測試，其中包括普通分詞系統(tǒng)難以處理的現(xiàn)代漢語和近代漢語的小說語料。
4.1 測試方法
為了說明人機(jī)交互的效果，同時避免人的主觀操作的不穩(wěn)定性，我們采用與答案詞表(即從分詞語料中提取出來的詞表)進(jìn)行比對的方式，模擬用戶的操作過程。系統(tǒng)模擬用戶進(jìn)行“確定”和“刪除”操作時，只需通過查詢答案詞表即可實現(xiàn)，而對于“添加”操作，系統(tǒng)只能在“候選串”的內(nèi)部和外部上下文中進(jìn)行未登錄詞的查找。
內(nèi)部查找：對于一個候選字串S，在其內(nèi)部查找所有的未登錄詞，收入“已知詞表”。
外部查找：在S所在的前100條上下文中尋找五種簡單模式的詞語添加到“確定詞表”中，其他情況的未登錄詞則不再收入“已知詞表”。C-2、C-1，為S的上文2個字，C1、C2為下文的2個字，5條橫線即為查找未登錄詞的5種模式。
4.2 評測標(biāo)準(zhǔn)
我們從未登錄詞識別效果、分詞精度、用戶勞動量等三個方面進(jìn)行評測。對于用戶勞動量，以用戶在進(jìn)行交互時花費的總時間為依據(jù)，采用加權(quán)的方法進(jìn)行計算。在用戶對語料比較熟悉和軟件操作熟練的情況下，“確定”、“刪除”和“添加”三種操作的平均時間的經(jīng)驗值約為1秒、2秒和3秒。因此，工作時間＝“確定”條數(shù)*1+“刪除”條數(shù)*2+“添加”條數(shù)*3。
為了突出多字詞的抽取效果。表2中候選串的正確率、召回率、F值的計算都是以答案詞表中的多字詞條數(shù)作為分母。此外，我們還給出了用于比較分詞性能的Baseline和Topline。Baseline是沒有經(jīng)過用戶篩選，系統(tǒng)反復(fù)獲取未登錄詞，而后進(jìn)行正向最大匹配法(FMM)分詞得到的F值。Topline則是使用答案詞表進(jìn)行FMM分詞得到的F值。
4.3 測試結(jié)果及分析
四個語料的測試結(jié)果顯示，未經(jīng)人機(jī)交互時，系統(tǒng)分詞的F值已經(jīng)可以達(dá)到72％左右。在較少的人工耗費下，分詞F值可以達(dá)到84％以上。其中，《紅樓夢》語料，由于單字詞出現(xiàn)的比例較大，得到的分詞精度最高(94％)。相對于Baseline，在花費了一定的人力進(jìn)行交互以后，系統(tǒng)的分詞性能確有不小的提升，F(xiàn)值分別提高了12個百分點以上。而更為重要的是，用戶通過篩選獲得了一個符合自己的分詞標(biāo)準(zhǔn)的相當(dāng)規(guī)模的領(lǐng)域詞表。當(dāng)然，相對于Topline來說，人工交互的分詞效果還有待進(jìn)一步提高。
從未登錄詞的獲取情況來看，在無人機(jī)交互條件下，系統(tǒng)的F值已達(dá)到40％以上；人機(jī)交互后的總召回率在50％左右，而且用戶添加的詞條僅占總詞條的1／3以下，用戶的勞動量并不是太大。不同的語料在正確率、召回率和用戶添加詞語的比例上有所差異，不過抽取的候選串的F值基本相近，系統(tǒng)得到的詞(候選正確+用戶添加)的總召回率是較為一致的，都保持在50％的水平上，其中的差異可能是由語料的特殊性造成的。然而，文本中依然有50％左右的多字詞沒有識別出來，其中絕大多數(shù)是出現(xiàn)3次以下的詞語，說明系統(tǒng)在獲取低頻詞語方面還需要改進(jìn)，分詞錯誤也主要是由未登錄詞引起的。
由于在模擬人機(jī)交互時嚴(yán)格限定了“添加”詞條操作的范圍，使得人機(jī)交互的最后結(jié)果不夠理想。在實際使用時，系統(tǒng)還允許用戶使用其他先驗詞表，或者自行添加一部分詞語，從而得到更好的分詞精度。
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，我們還設(shè)計了用于提取未切分串中重要信息的模塊。使得分詞精度隨著用戶干預(yù)的增加而不斷提高。經(jīng)過多次人機(jī)交互后，達(dá)到互信息的最低閾值，會導(dǎo)致無法繼續(xù)提取候選串的情況。此時，系統(tǒng)可以把未切分串中的高頻條目進(jìn)行人工判定，從中提取出一些高頻未登錄詞，還可以把未切分串中長度大的條目提交給用戶判定，可以得到中低頻的未登錄詞，豐富系統(tǒng)詞表。使用這兩個模塊后，系統(tǒng)的分詞性能會有所提升。由于使用該模塊并不能直接得到未登錄詞，幾乎完全依靠用戶來判定和添加到詞表中，因此，該模塊僅作為用戶選用的一項輔助措施，沒有參與評測。
5 結(jié)論與未來工作
本文提出了面向中文陌生文本的分詞方法，在沒有分詞底表、訓(xùn)練語料和其他語言知識的條件下，可以根據(jù)用戶的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分詞。該方法采用人機(jī)交互的方式，不斷擴(kuò)大系統(tǒng)詞表，盡可能地獲取文本中的所有詞語，從而達(dá)到較高的分詞精度。系統(tǒng)以Unicode字符集為內(nèi)核，可以處理不同編碼(繁簡體)的文本。在文本的通用性上，可以處理不同時代(現(xiàn)代漢語、近代漢語)、不同領(lǐng)域(新聞、文學(xué)等)的漢語文本，從而為特殊語料庫的加工提供了一個較為高效的分詞工具。在未登錄詞識別方面，重點解決了使用后綴數(shù)組時長短串覆蓋問題和頻次為1的字串的提取問題。
文本是對陌生文本進(jìn)行分詞的一次初步嘗試，還存在一些不足和需要進(jìn)一步研究的問題。如：提高低頻詞語的識別效果；探索更好的人機(jī)交互方式；增強(qiáng)系統(tǒng)的智能性，更好地利用用戶反饋的信息，減少用戶的工作量；解決文本中存在的切分歧義；進(jìn)一步開發(fā)出人機(jī)交互式的詞性標(biāo)注系統(tǒng)、義項標(biāo)注系統(tǒng)，從而使古代漢語文本和漢語的其他特殊文本的深加工能夠在一個較為高效和智能的平臺上展開。
收稿日期：2006－08－28 定稿日期：2007－02－14
基金項目：南京師范大學(xué)211資助項目(1240702504)
作者簡介：李斌(1981－)，男，博士生，主要研究方向為計算語言學(xué)。
參考文獻(xiàn)：
[1]Zhongjian WANG,Kenji ARAKI,Koji TOCHINAI.A Word Segmentation Method with Dynamic Adapting to Text Using Inductive Learning[A].In:Proceedings of the First SIGHAN Workshop on Chinese Language Processing[C].2002.113-117.
[2]王開鑄，李俊杰，吳巖．無詞典自動分詞的研究[A]．陳力為，袁琦主編．計算語言學(xué)進(jìn)展與應(yīng)用[C]．北京：清華大學(xué)出版社，1995．
[3]黃萱菁，吳立德，王文欣，等．基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無需人工編制詞典的切詞系統(tǒng)[J]．模式識別與人工智能．1996，9(4)：297－303．
[4]傅賽香，袁鼎榮，黃伯雄，等．基于統(tǒng)計的無詞典分詞方法[J]．廣西科學(xué)院學(xué)報，2002，18(4)：252-255．
[5]Xiaopeng Tao,Shuigeng Zhou.Chinese Word Segmen-tation Without Auxiliary Data[A].Maosong Sun,Tianshun Yao,Chunfa Yuan.In:Advances in Compu-tation of Oriental Languages[C].Beijing:Tsinghua University Press,2003.88－94.
[6]Sun Maosong,Shen Dayang.,Hang Changning.Deri-ving Chinese Lexicons from Large Corpora[A].In:NLPRS-95[C].Taejon,Korea,1995.
[7]馮沖，陳肇雄，黃河燕，等．基于Multigram語言模型的主動學(xué)習(xí)中文分詞[J]．中文信息學(xué)報，2006，20(1)：50－58．
[8]金翔羽，孫正興，張福炎．一種中文文檔的非受限無詞典抽詞方法[J]．中文信息學(xué)報，2001，15(6)：33－39．
關(guān)鍵詞：人機(jī)交互 體感 Kinect
中圖分類號：TH789 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）09-0065-02
1 前言
計算機(jī)的發(fā)展歷史，不僅是處理器速度、存儲器容量飛速提高的歷史，也是不斷改善人機(jī)交互技術(shù)的歷史。ACM圖靈獎1992年獲得者、微軟研究院軟件總工程師ButlerLampson在題為“二十一世紀(jì)的計算研究”報告中指出，“計算機(jī)有三個作用：第一是模擬；第二是計算機(jī)可以幫助人們進(jìn)行通信；第三個是互動，也就是與實際世界的交流”。
人機(jī)交互（Human Computer Interaction，HCI）是研究人、計算機(jī)以及它們間相互影響的技術(shù)。人機(jī)交互技術(shù)，如鼠標(biāo)器、窗口系統(tǒng)、超文本、多媒體等，已對計算機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，而且還將繼續(xù)影響全人類的生活。人機(jī)交互技術(shù)是當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)競爭的一個焦點，世界各國都將人機(jī)交互技術(shù)作為重點研究的一項關(guān)鍵技術(shù)。
2 發(fā)展階段
人機(jī)交互的發(fā)展歷史，是從人適應(yīng)計算機(jī)到計算機(jī)不斷地適應(yīng)人的發(fā)展史。
20世紀(jì)40年代到70年代，人機(jī)交互采用的是命令行方式，用戶采用鍵盤輸入信息，以文本編輯的形式與計算機(jī)進(jìn)行交流，這是第一代人機(jī)交互。這種交互方式的信息量十分有限，效率與易用性都比較低，而且對交流技術(shù)的要求也較高，使用者需要經(jīng)過相當(dāng)時間的學(xué)習(xí)培訓(xùn)。
到20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)了圖形用戶界面方式，并直接引發(fā)了桌面式操作系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，引入了鼠標(biāo)這一劃時代的交互設(shè)備。圖形用戶界面簡潔而直觀，效率和易用性都有了很大的提高，降低了對使用者的技術(shù)要求。
進(jìn)入90年代，多媒體技術(shù)的發(fā)展使得人機(jī)交互進(jìn)入了一個信息量迅速增長的時代，計算機(jī)界面輸出更加動態(tài)，二維圖形/圖像及其它多媒體信息的方式，有效增加了計算機(jī)與使用者溝通的渠道。
圖形技術(shù)的飛速發(fā)展說明，對于終端應(yīng)用層面，使處理的數(shù)據(jù)易于操作并直觀是十分重要的問題。人類之間交互的方式都是基于三維空間的，無論是命令行方式，圖形界面方式還是多媒體方式，它們在實質(zhì)上都屬于基于二維空間精確信息的人機(jī)交互模式，不夠自然、形象、直觀。以人為中心、自然、高效將是發(fā)展新一代人機(jī)交互的主要目標(biāo)。
3 新一代人機(jī)交互技術(shù)
多通道交互（Multi-Modal Interaction，MMI）是近年來迅速發(fā)展的一種人機(jī)交互技術(shù)，它既適應(yīng)了“以人為中心”的自然交互準(zhǔn)則，也推動了互聯(lián)網(wǎng)時代信息產(chǎn)業(yè)（包括移動計算、移動通信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等）的快速發(fā)展。MMI是指一種使用多種通道與計算機(jī)通信的人機(jī)交互方式通道（modality）涵蓋了用戶表達(dá)意圖、執(zhí)行動作或感知反饋信息的各種通信方法，如言語、眼神、臉部表情、唇動、手動、手勢、頭動、肢體姿勢、觸覺、嗅覺或味覺等，采用這種方式的計算機(jī)用戶界面稱為“多通道用戶界面”。
在多通道交互技術(shù)中、發(fā)展最快、應(yīng)用前景最廣的是人體動作感應(yīng)技術(shù)，簡稱體感技術(shù)，包括手勢識別，面部識別，肢體識別及眼動追蹤等。體感技術(shù)實現(xiàn)的方式主要是以紅外/激光/可見光等方式追蹤使用者的物理特征變化，并轉(zhuǎn)化為響應(yīng)的數(shù)字信號。目前發(fā)展較為成熟、應(yīng)用相對較多的是手勢及肢體識別技術(shù)。本文以微軟公司最新推出的民用級體感設(shè)備Kinect為例，重點探討基于體感技術(shù)的人機(jī)交互環(huán)境。
4 Kinect的技術(shù)特點
Kinect是微軟基于Windows平臺打造的一款運(yùn)動感知輸入設(shè)備，作為一款體感外設(shè)，它實際上是一個采用全新空間定位技術(shù)（LightCoding）的3D體感攝像頭，利用即時動態(tài)捕捉、影像辨識、麥克風(fēng)輸入、語音辨識等功能，允許使用者使用身體姿勢和語音命令通過自然用戶界面技術(shù)與計算機(jī)交互，從而完全擺脫了傳統(tǒng)輸入設(shè)備的束縛。
Kinect的主要配置有：雙RGB攝像頭：提供紅、綠、藍(lán)三顏色通道，主要作用在于動作追蹤；深度傳感器：深度傳感器由紅外線投影機(jī)加單色CMOS傳感器組成；多點陣麥克風(fēng)：主要功能是為了聊天以及語音命令識別，并可以幫助過濾環(huán)境噪聲；定制處理器和微軟的定制軟件：所有硬件都由微軟設(shè)計的軟件控制。
4.1 智能模糊建模
傳統(tǒng)計算機(jī)編程基于一系列的規(guī)則，結(jié)果也很簡單：是與不是，非A即B。在為輸入輸出數(shù)目有限的簡單系統(tǒng)建模時，這種方式簡單而有效。然而真實世界并不僅僅有“是”與“不是（非）”，還有“似是而非”，有“也許是”，還有“也許不是”，我們無法用簡單的二元方式來定義真實世界。以揮手為例，這一簡單動作對計算機(jī)判定來說，具有非常多的影響因子：手揮動的幅度，背景環(huán)境差異，現(xiàn)場光照的明暗，衣服質(zhì)地的不同，體型差異造成的動作差異等。為此，我們必須用新的編程方式來教會計算機(jī)以更接近人腦的方式來解決問題，即智能模糊建模。
對于人類來說，當(dāng)你遇到一個人的時候，你的大腦立即將注意力集中在他身上，并根據(jù)經(jīng)驗辨識出他的身份。這一過程并不是通過數(shù)百層的決策樹來實現(xiàn)，而是人腦通過海量的學(xué)結(jié)推斷出的。Kinect以類似的方法被創(chuàng)造出來。它觀察身邊的世界，它注意觀察并不停學(xué)習(xí)你的動作。即使Kinect從來沒見過你揮過手，也能很快地從它學(xué)習(xí)過的TB級數(shù)據(jù)中猜測出你所做動作的含義。
4.2 傳感方式
Kinect所采用的是光編碼技術(shù)，顧名思義就是用光源照明給需要測量的空間編上碼，其本質(zhì)仍是結(jié)構(gòu)光技術(shù)。它通過紅外線投影機(jī)將空間劃分為連續(xù)的的數(shù)百個約10cmX10cm大小的格子，每個格子都有其唯一的編碼，當(dāng)人體在空間中移動時，劃過的相應(yīng)的格子，傳感器就會捕捉到對應(yīng)的編碼值，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中進(jìn)行插值處理，即可得到相當(dāng)精確的人體移動的速度、角度、范圍等三維信息。
與此同時，Kinect的雙攝像頭會對場景進(jìn)行實時記錄，對得到的圖像進(jìn)行像素級評估，來辨別人體的不同部位。通過優(yōu)化的智能算法，Kinect將人體從背景環(huán)境中區(qū)分出來，并最大限度的減少外界環(huán)境的干擾，如光照條件、衣物、發(fā)型、身高體型差異等，從噪音中提取出有用信號。
4.3 動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化
通過圖像信息和三維空間數(shù)據(jù)的整合處理，使用者圖像的每一個像素都被傳送進(jìn)一個辨別人體部位的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中。隨后該系統(tǒng)將給出了某個特定像素屬于哪個身體部位的可能性。將所有的這些可能性輸入到接下來的處理流程中并且等到最后階段進(jìn)行判斷。通過所有數(shù)據(jù)的全面對比計算，Kinect可將人體分為20個主要節(jié)點，并依此描繪出骨骼模型，目前其可以主動追蹤最多兩名使用者的全身骨架，或者被動追蹤最多四名玩家的形體和位置。
5 應(yīng)用前景分析
體感技術(shù)相對于傳統(tǒng)的交互手段，交互方式更加自由，而且發(fā)出指令的形式也更多樣，只要在系統(tǒng)中把動作與相應(yīng)的計算機(jī)操作一一對應(yīng)即可。例如，在演示圖片時，雙手分開視為放大操作，反之，雙手合攏即為縮小操作，同樣，模仿翻書手勢的左/右揮手即為翻頁命令，等等。對于某些特定場合，如手術(shù)中的醫(yī)生，其非接觸式的操作方式更是非常方便。
體感技術(shù)還具有貼近人類自然行為的操作特點。目前仿真機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，但對于擁有數(shù)個關(guān)節(jié)和驅(qū)動電機(jī)的仿真機(jī)械手臂，傳統(tǒng)的手柄加按鍵的控制方式極為繁瑣，對于使用者的技術(shù)要求也很高。如采用體感交互技術(shù)，使用者就不是在操作機(jī)械手臂，而是機(jī)械手臂在模仿學(xué)習(xí)人類的行為動作，方便程度不言而喻。
體感交互技術(shù)還可與三維顯示技術(shù)結(jié)合，營造更加完善的虛擬現(xiàn)實體驗環(huán)境，使沉浸感與交互性都進(jìn)一步加深。無論是三維環(huán)幕立體投影或是頭戴式顯示器，使用者通過體感技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)的操作手段，從而能夠用更貼近現(xiàn)實世界的方式去控制計算機(jī)，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的可能性。
6 結(jié)語
本文介紹了人機(jī)交互發(fā)展的過程，分析了作為新一代的人機(jī)交互方式之一的體感技術(shù)，其自身擁有的獨特優(yōu)勢，并以微軟Kinect為例，介紹了基本的技術(shù)原理，認(rèn)為體感技術(shù)具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。目前下一步的研究重點在于如何使用體感技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜的計算機(jī)命令，以及優(yōu)化動作識別的效率與精確度，從而提高體感技術(shù)的實用價值。
參考文獻(xiàn)
[1]譚劍波.張光劉.李琳.體感設(shè)備與被動立體相結(jié)合的人機(jī)交互方法研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，34（2）：252-254.
[2]柳克俊.關(guān)于人機(jī)交互人機(jī)和諧環(huán)境的思考[J].計算機(jī)應(yīng)用，2005，25（10）：2226-2227.
關(guān)鍵詞：人機(jī)交互 課程教學(xué) 課程情況
中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0109-01
在過去的30年中，人機(jī)交互是個快速發(fā)展、并飛速進(jìn)步著的研究領(lǐng)域，新式的人機(jī)交互系統(tǒng)已徹底改變了我們使用電腦的方式。人機(jī)互動發(fā)生于使用者與電腦之間的使用平臺上，這種互動包括了軟件與硬件兩方面，例如：個人電腦屏幕上顯示的字體、物件;使用者使用硬件比如鍵盤、鼠標(biāo)所發(fā)出的信號，還有其他大型的電腦人機(jī)交互系統(tǒng)，比如飛機(jī)上的儀表板、或是發(fā)電廠的控制室，等等。
電腦機(jī)械聯(lián)盟把“人機(jī)交互”定義為這樣一個學(xué)科：設(shè)計、評估、實現(xiàn)以人類使用為目標(biāo)的交互電腦系統(tǒng)，以及其相關(guān)的各式主要現(xiàn)象。值得注意的一點是，人機(jī)交互的一個非常主要的方面便是保證用戶的使用滿意度。正因為此，人機(jī)交互研究的是一個人與一個機(jī)器的溝通，這門學(xué)科需要機(jī)器與人同時兩方面的知識來支持它。在電腦方面來說，需要的技術(shù)有電腦繪圖、操作系統(tǒng)、電腦編程語言和發(fā)展環(huán)境等相關(guān)知識;而另一方面，從使用者方面來說，需要的學(xué)科有：溝通理論、圖像和產(chǎn)業(yè)設(shè)計理論、語言學(xué)、社會科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、社會心理學(xué)和其他與人類相關(guān)的理論，比如說電腦使用者滿意度等等。除此以外，工程和設(shè)計手法也都是相關(guān)的。正因為人機(jī)交互的多樣性與多學(xué)科性，不同背景的不同專家們都對它的成功有著關(guān)鍵作用，也都作出過貢獻(xiàn)。
1 美國大學(xué)《人機(jī)交互》課程教學(xué)情況
當(dāng)今，在歐美電腦發(fā)達(dá)的大學(xué)和研究室里，人機(jī)互動都是最熱門的課題和課程。在此文中，我們將以美國馬薩諸塞州的威斯利學(xué)院的《人機(jī)交互》課程為例，深入研究探討美國大學(xué)“人機(jī)交互”（human-computer interaction）的情況。
在威斯利學(xué)院，《人機(jī)交互》是一門中級課程，要選該課程的學(xué)生必須上過初級的電腦科學(xué)課程，才可選上人機(jī)交互課程。《人機(jī)交互》是一門非常熱門的課程，通常只有大三大四學(xué)生才能夠幸運(yùn)選上。
1.1 《人機(jī)交互》課程前期課程要求
由于此項課程是中級課程，學(xué)生們必須完成了以下四門課程中的一項才能注冊：CS110、CS111、CS112或者CS117。CS110是最基礎(chǔ)的電腦入門課程，介紹了電腦、網(wǎng)絡(luò)、信息顯示和一些簡單的編程技術(shù)。CS111是電腦編程和問題解決，這節(jié)課向?qū)W生們介紹了Python程序設(shè)計語言，并且為學(xué)生們奠定了整個大學(xué)電腦課程的基礎(chǔ)。CS112的名稱為“科學(xué)中的電腦運(yùn)算”，這門課程專為科學(xué)和數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生而開設(shè)，尤其是需要在科學(xué)研究中運(yùn)用到電腦，例如MATLAB的學(xué)生。CS117則是另一個領(lǐng)域的基礎(chǔ)課程，它的全名為發(fā)明移動應(yīng)用程序，對于手機(jī)應(yīng)用程序的編程感興趣的學(xué)生可以考慮以這門課作為他們電腦專業(yè)的起點。完成過這四門課程中的任意一門的學(xué)生若對人機(jī)互動有興趣，都可以選上《人機(jī)交互》課程。該校的《人機(jī)交互》課程分兩個級別：首先是初級的入門級課程，在上完這節(jié)課后，有興趣的同學(xué)還能選擇更高一級別的同類課程。此處我們研究的是入門級的《人機(jī)交互》課程。
1.2 入門級的《人機(jī)交互》課程的內(nèi)容
初級課程包含了基本的手法、理論，和一些適用于設(shè)計、編碼和試驗互動系統(tǒng)的工具。課程涵蓋的主題包括了實用性、可負(fù)擔(dān)性、以人為本的設(shè)計、人體認(rèn)知和物理工程學(xué)、信息和互動基礎(chǔ)、互動式樣、互動技巧和以移動互動模式為重點的人機(jī)互動軟件工具，除此之外，此課程也回顧了人機(jī)交互的最新發(fā)展?fàn)顩r，包括了新興的互動方式（例如移動互動，真實感，可觸摸人機(jī)互動，和普適計算等），和多樣化的互動技巧（例如利用聲音、手勢和眼球的移動）。
1.3 《人機(jī)交互》課程的教學(xué)安排
《人機(jī)交互》上課的課程內(nèi)容安排是由教授上課、上機(jī)實踐、課后答疑、學(xué)術(shù)界相關(guān)人士客座講座等形式構(gòu)成。
每周有兩次各70 min的課程，由教授主講，每節(jié)課老師都會定一個主題，老師上課用PPT形式展示內(nèi)容，學(xué)生也都會拿到相對應(yīng)的講義，便于學(xué)生做筆記。老師上課以講解為主，但是也鼓勵學(xué)生們?nèi)绻腥魏尾欢伎梢噪S時打斷老師，問問題。這每周兩節(jié)課是學(xué)生吸收新知識的主要來源，學(xué)生在上課前都應(yīng)讀好相對應(yīng)的閱讀，做好準(zhǔn)備，這樣老師上課時能更好得吸收新知識，而不會一頭霧水。學(xué)期中也穿插了幾次機(jī)房上課讓學(xué)生實踐，在機(jī)房課中也會有兩個學(xué)生助教來幫助學(xué)生，因為學(xué)生對于相關(guān)知識大多是第一次接觸，所以有比較多的疑問，或是在操作過程中碰到許多問題。課后老師每周有數(shù)小時的辦公室開放時間，學(xué)生可去問問題，也可與老師郵件溝通，或另約時間會談。
除此之外，一學(xué)期中會有兩到三次的客座講座，教授會盡力請來學(xué)術(shù)界或是業(yè)界相關(guān)人士來替學(xué)生們演講，學(xué)生們都會抓緊這個機(jī)會去向?qū)I(yè)人士學(xué)習(xí)，也會向?qū)I(yè)人士展示自己的學(xué)術(shù)課題，征詢專業(yè)人士的建議。這些客座講座對學(xué)生來說是非常珍貴的機(jī)會，是學(xué)生們拓展交際圈的寶貴機(jī)會，有的學(xué)生也可由此機(jī)會拿到暑期實習(xí)機(jī)會。
1.4 《人機(jī)交互》課程的閱讀和作業(yè)要求
此課程對閱讀材料也有相當(dāng)多的需求，不僅有必備的一本課本：《設(shè)計應(yīng)用界面》，還有許多輔助的閱讀材料。對于手機(jī)應(yīng)用程序編程不熟悉的學(xué)生需要自行學(xué)習(xí)HTML編程語言。除此之外，在每周兩次的例行課程上，教授都會布置其他的輔助閱讀。
這門課程一學(xué)期設(shè)有四個獨立的作業(yè)，幫助學(xué)生從概念上、技術(shù)上同時探索人機(jī)交互系統(tǒng)。除此以外，該課程還有一個大型的期末項目，需要學(xué)生以團(tuán)隊為組織，設(shè)計、完成并且分析一個完整的移動用戶界面。教授將在學(xué)期初分配好學(xué)生小組。每一個小組，在完成這個移動用戶界面時，都要完成以下幾個重要的要求。首先，找到一個問題，并在后續(xù)編程的過程中，努力解決這個問題。接下來進(jìn)行的便是創(chuàng)新移動用戶界面的概念性設(shè)計，在此階段中，學(xué)生們會借助畫草圖、情節(jié)串聯(lián)圖版和行為說明書等輔助的設(shè)計手法來幫助完善小組的設(shè)計。第三步，在有了明確的概念后，學(xué)生們便會使用HTML，CSS和JavaScript來建造他們的應(yīng)用程序，這個過程將會是比較冗長、重復(fù)的過程，因為學(xué)生們將圍繞重復(fù)設(shè)計、建造、然后評估這三個步驟很多次。最后，學(xué)生們需要建立一個簡易的網(wǎng)站，在網(wǎng)站中用照片、視頻、示意圖和文字來展示他們的項目成果。這個網(wǎng)站會被收入該校的人機(jī)交互網(wǎng)上集錦。而在學(xué)期的最后一天，老師會組織一個開放日，歡迎全校各界人士來聽本班學(xué)生匯報項目成果。除了以上提到的這些作業(yè)、項目，這門課程還會有期末考試，期末考試是開卷形式，囊括了一學(xué)期課間閱讀材料以及講座中所提到的各個話題。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；MSP430；LCD；人機(jī)交互接口
1 引言
在當(dāng)今的各種實時自動控制和智能化儀器儀表中，人機(jī)交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機(jī)交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來完成，但其實現(xiàn)方式有兩種：一種是由MCU力口驅(qū)動芯片實現(xiàn)，如鍵盤顯示控制芯片SK5279A，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片MAX7219等等，這時顯然MCU沒有LCD的驅(qū)動功能。另一種就是MCU本身具有驅(qū)動功能，它通過數(shù)據(jù)總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式或I／O設(shè)備訪問形式控制鍵盤和LCD實現(xiàn)人機(jī)對話。這里的MCU主要有世界各大單片機(jī)生產(chǎn)廠商開發(fā)的各種單片機(jī)，其中TI公司的MSP430系列因其許多獨特的特性引起許多研究人員的特別關(guān)注，在國內(nèi)外的發(fā)展應(yīng)用正逐步走向成熟。
2 LCD簡介
LCD(Liquid Crystal Display)，即液晶顯示器。液晶顯示是通過環(huán)境光來顯示信息的，它本身并不發(fā)光，因而功耗很低，只要求液晶周圍有足夠的光強(qiáng)。LCD是人與機(jī)器溝通的重要界面，早期以顯像管(CRT／Cathode Ray Tube)顯示器為主，但隨著科技不斷進(jìn)步，各種顯示技術(shù)如雨后春筍般誕生。LCD由于具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險、平面直角顯示以
及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，逐漸占據(jù)顯示的主流地位。
LCD的類型，根據(jù)其分類方式的不同而不同。如根據(jù)LCD顯示內(nèi)容的不同可以分為段式LCD和點陣LCD。根據(jù)LCD驅(qū)動方式的不同可以分為靜態(tài)驅(qū)動和多路驅(qū)動。
3 MSP430F44X簡介
MSP430F44X系列是TI公司最新推出的具有超低功耗特性的Flash型16位RISC指令集單片機(jī)[2]。該系列單片機(jī)性價比相當(dāng)高，在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢。它主要應(yīng)用在各種要求極低功率消耗的場合，特別適合用于智能測量儀器、各種醫(yī)療器械、智能化家用電器和電池供電便攜設(shè)備產(chǎn)品之中。
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
MSP430F44X的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括：CPU、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、FLL+時鐘系統(tǒng)(片內(nèi)DCO+晶體振蕩器)、看門狗定時器／通用目的定時器(WatchDog)、ADCl2(12位A／D)、比較器A(精確的模擬比較器，常用于斜邊(Slope)A／D轉(zhuǎn)換)、復(fù)位電壓控制／電源電壓管理、基本定時器(Basic Timerl)、定時器(Timer-a和Timer-B)、LCD控制器/比較器(多達(dá)160段)、硬件乘法器、I/O口和串行口[4]。系列中各種具體的型號稍有差別。在本次設(shè)計中，具體選擇MSP430F449作為人機(jī)接口電路的設(shè)計具有許多獨到的優(yōu)勢。這一點，讀者可以根據(jù)TI公司相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行比較。
3.2 片內(nèi)外模塊特性
MSP430F44X具有豐富的片內(nèi)外圍模塊，其明顯的特點是：具有48條I／0口線的6個并行口P1-P6，其中P1、p2具有中斷能力，同時具有2個可用于UART/SPI模式選擇的串 行口 (USART0和USARTl)； 內(nèi)含12位的A／D轉(zhuǎn)換器ADCl2，快速執(zhí)行8×8、8×16、16×16乘法操作并立即得到結(jié)果的硬件乘法器；多達(dá)160段的LCD控制器／比較器，可以實現(xiàn)多種方式的驅(qū)動顯示；可以實現(xiàn)UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B；非常靈活的時鐘系統(tǒng)，既可用32768Hz的鐘表晶振產(chǎn)生低頻時鐘，也可以用450kHz-8MHz的晶體產(chǎn)生高頻時鐘，同時還可以使用外部時鐘源或者用不同控制頻率的DCO；多達(dá)幾十kB的Flash空間，這樣數(shù)據(jù)既可以保存在片內(nèi)的Flash信息存儲器，也可保存在程序的Hash中的剩余空間。
4 接口電路設(shè)計
4.1 接口電路簡圖及說明
典型應(yīng)用電路示意圖。在該圖中，LCD類型和鍵盤種類及數(shù)目的選擇、下拉電阻的數(shù)值大小都必須認(rèn)真考慮，硬件設(shè)計要滿足一定的工作時序關(guān)系，復(fù)位時預(yù)留緩沖時間和懸空部分引腳，晶振的選擇要在適當(dāng)?shù)臄?shù)值，必須保證交流驅(qū)動的頻率在30Hz-1000Hz范圍內(nèi)，其具體的情況請詳細(xì)參考TI公司的相關(guān)資料[3]。
4.2 段型液晶顯示屏EDS820A簡介
一般而言，LCD分為筆段型和點陣字符型及點陣圖形型。筆段型主要是顯示數(shù)字，常用于計數(shù)、計量和計時；點陣字符型用于顯示數(shù)字和西文字符；點陣圖形型用于顯示圖形及字符。本設(shè)計中用到的EDS820A就是由西安新敏電子科技有限公司生產(chǎn)的筆段型LCD。是該顯示屏的各個引腳的邏輯功能表。
顯而易見，該產(chǎn)品EDS820A是5位的液晶顯示屏，它只有4個DP，用于顯示小數(shù)點；COM端也只有一個，所以該LCD與MSP430F449的管腳連接應(yīng)該引起足夠重視.
5 軟件設(shè)計
硬件連接電路圖為例，編寫了鍵盤控制及顯示程序，程序在IAR Embedded Workbench編譯通過。全部主程序包括詳細(xì)的發(fā)射和接收子程序，及初始化和等待鍵盤輸入轉(zhuǎn)換、顯示等等，值得注意的是發(fā)射與接收的控制要適當(dāng)。
該程序是用匯編編寫的。程序?qū)崿F(xiàn)的是等待按鍵輸入，讀取鍵值，最后進(jìn)行鍵值處理和顯示的功能。
檢測是否有鍵按下是通過KEY是否有高電平信號。平時，KEY為低電平，當(dāng)有鍵按下時為高電平，它發(fā)送一個脈沖給單片機(jī)MSP430F449，當(dāng)單片機(jī)檢測到該信號時，判斷按鍵的功能，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。
6 人機(jī)接口電路在體內(nèi)電刺激器中的應(yīng)用
醫(yī)學(xué)上，在進(jìn)行疾病控制時，通?？梢酝ㄟ^電極以一定波形(如方波、正弦波等)、頻率、幅度、占空比等電信號對神經(jīng)或肌肉進(jìn)行刺激，以使其支配相應(yīng)的功能或肌肉產(chǎn)生收縮／舒張動作，從而有利于癥狀的減輕。由于不同部位的神經(jīng)或肌肉對電刺激發(fā)生的敏感水平不同，不同強(qiáng)弱和不同性質(zhì)的電信號所產(chǎn)生的刺激效果是不一樣的。我們研制的體內(nèi)電刺激器，可以產(chǎn)生手術(shù)時所需要的具有不同的頻率、幅度、占空比的不同波形信號。該儀器幅度、占空比準(zhǔn)確，頻率穩(wěn)定，各參數(shù)均可以精確的調(diào)節(jié)。而且，由于使用了LCD顯示，它與單片機(jī)的連接簡單。LCD具有質(zhì)量輕、體積小、電壓低、功耗小、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點，其人機(jī)界面相當(dāng)友好。但人機(jī)接口電路設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到整臺儀器的使用效果。
根據(jù)需要，我們設(shè)計了5個鍵。這里，S1表示波形的振幅，S2表示波形的頻率，S3表示波形的占空比，S4為+1鍵，S5為-1鍵。通過54，S5可以調(diào)節(jié)波形的各個參數(shù)值。其中，振幅可以是在一個參考值的基礎(chǔ)上的0-99.9％；頻率可以是1Hz-999Hz；占空比調(diào)節(jié)范圍可以為1.0％-99.9％[1]。
關(guān)鍵詞：GIS；；人機(jī)交互；監(jiān)控；管理
中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2011)22-5480-04
Research of Human-machine Communicative Technology in the Information System Based on WebGIS
WANG Rong-hao1, WANG Chuan1, CHEN Dong-hao2, YANG Qi-liang1
(1.Engineering Institute of Engineering Corps, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China; 2.Engineering Institute of NorthSea, Qingdao 266012, China)
Abstract: This thesis develops the WebGIS-based human-machine communicative system that can monitor, manipulate and administrate devices or infrastructure in the information system by means of using the technology of and GIS and integrating effectively the strategies of client-side and server-side. The purpose of the system is to make it possible to not only realize the functions of resizing the map and navigation but also show the current information of the devices or infrastructure and at the same time monitor them.
Key words: GIS; ; human-machine communicative; monitor; administrate
1 研究背景
在工程信息化建設(shè)和管理中，我們需要及時掌握工程所在處的地理信息、工程內(nèi)部設(shè)備位置、工程中攝像頭監(jiān)控等信息。如果采用C/S技術(shù)，則需要客戶機(jī)上安裝客戶端應(yīng)用程序才能夠完成各種功能，這給我們帶來很大的不便。B/S結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件。B/S架構(gòu)的軟件只需要管理服務(wù)器就行了，所有的客戶端只需安裝瀏覽器，根本不需要做任何的維護(hù)。只要有一臺能夠上網(wǎng)的電腦或者能連接到網(wǎng)絡(luò)的PDA設(shè)備甚至手機(jī)就能使用，客戶端零維護(hù)。系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易，只要能上網(wǎng)，再由系統(tǒng)管理員分配一個用戶名和密碼，就可以使用了。
WebGIS技術(shù)是基于Web的地理信息系統(tǒng)，在實現(xiàn)實時監(jiān)控和實時道路信息方面有著良好的用戶體驗和可視化效果。用過Goolgle地圖的人就會發(fā)現(xiàn)WebGIS的便捷性和有效性。使用B/S策略開發(fā)基于Web的GIS系統(tǒng)，使管理者和決策者隨時隨地掌握工程現(xiàn)場的各種道路信息、設(shè)備信息、監(jiān)控信息等，方便其及時做出決策。
2 系統(tǒng)功能設(shè)計
WebGIS的開發(fā)技術(shù)很多，我們用MapInfo公司開發(fā)的基于MapXtreme技術(shù)來設(shè)計WebGIS軟件以完成所需的功能。MapXretme平臺提供了一個高度可視化的、直觀的組件，便于將地圖功能集成到任何Web應(yīng)用中，可以和.NET平美結(jié)合，可以支持在一個集中管理的服務(wù)器上運(yùn)行地圖應(yīng)用，降低了硬件和管理成本，同時極大地提高了應(yīng)用性能、可靠性和安全性。
1）地圖
將矢量地圖通過MapXtreme技術(shù)轉(zhuǎn)化成GIF或者其他柵格圖像，使用戶可以通過www瀏覽器訪問地圖。MapXtreme支持java，可以完成多平臺的地圖縮放、平移操作。由于傳遞到客戶端(瀏覽器端)的只是一幅經(jīng)過高度壓縮的柵格圖像，而真正的矢量圖像仍保留在服務(wù)器端，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，并且降低了原始數(shù)據(jù)被盜用的可能。
2）信息可視化
通過地圖表達(dá)聲音、圖像、文字等信息，直觀而且信息量豐富。
3）MapXtreme的地圖化功能
① 專題圖：利用暈渲、等級符號、獨立值、點密度、餅圖、直方圖進(jìn)行區(qū)域值的顯示；
② 對象處理：合并、緩沖、相交、刪除對象（點、線、面）、返回結(jié)果數(shù)據(jù)；
④ 繪制圖層：允許開發(fā)人員繪制定制的地圖對象，如尺標(biāo)、天線傳送方向箭頭；
⑤ 查找：通過州名、ZIP碼、城市名、街道名或客戶名進(jìn)行查找；
⑥ 廣泛的數(shù)據(jù)源：使用通用的數(shù)據(jù)界面，包括ODBC、DAO、ClipBoard和OLE Data界面訪問數(shù)據(jù)。
通過MapXtreme，用戶可以在Web上基于電子地圖的應(yīng)用系統(tǒng)。所有的最終用戶只需要安裝瀏覽器即可訪問服務(wù)器端的數(shù)據(jù)，用戶可以很方便的對地圖進(jìn)行放大、縮小、漫游、查詢、統(tǒng)計等操作。此外，MapXtreme還提供了許多強(qiáng)大的地圖化功能，滿足用戶的不同層次的需要，包括：專題圖、緩沖區(qū)分析、對象（地圖）編輯、繪制圖層、查找、直接讀取LotusNotes、圖層控制、空間選擇、訪問各種數(shù)據(jù)源等。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
單純的服務(wù)器策略和客戶端策略都有明顯的局限性。當(dāng)服務(wù)器策略涉及頻繁的數(shù)據(jù)傳輸時，它們的效率受到網(wǎng)絡(luò)寬帶和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的嚴(yán)重影響。而在客戶端策略中，當(dāng)處理請求和處理能力不一致時，受計算能力的影響，某些任務(wù)可能運(yùn)行緩慢，甚至根本無法完成。服務(wù)器端策略和客戶端策略的有效組合則可以為問題的解決提供一個很好的方案。當(dāng)涉及大量的數(shù)據(jù)操作和復(fù)雜分析任務(wù)時，可以讓計算能力很強(qiáng)的服務(wù)器來處理。當(dāng)涉及用戶交互較多的任務(wù)時，可以用客戶機(jī)進(jìn)行處理。在這種情況下，服務(wù)器和客戶機(jī)可以共享它們的性能和數(shù)據(jù)處理能力，從而合理的分配數(shù)據(jù)處理程序，使系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。
1）地圖制作
將圖片光柵化后作為地圖的底圖。柵格圖像轉(zhuǎn)化為矢量圖，將柵格圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，確定地圖上各點的經(jīng)緯度。然后根據(jù)圖像配準(zhǔn)布局地圖，在柵格背景圖的基礎(chǔ)上通過MapInfo的畫圖工具做出各個圖層，如道路，水路，植被等。
2）事件圖層的管理控制
將事件信息寫入地圖的表中，在主程序中通過編寫代碼實現(xiàn)事件信息的查詢、觸發(fā)等。
3）優(yōu)化WebGIS運(yùn)行速度的方法
① 對每個圖層設(shè)置Zoom范圍；
② 啟用COM+的Session池；
③ 啟用Cache；
④ 用文件方式存儲地圖數(shù)據(jù)，將地圖.tab文件存儲在.mws工作空間當(dāng)中。
4 關(guān)鍵技術(shù)
1）地圖加載及放大、縮小、拖動等功能的實現(xiàn)
private Map GetMapObj(string mapAlias)
{ Map map = null;
if (mapAlias == null || mapAlias.Length
{ map = MapInfo.Engine.Session.Current.MapFactory[0];
}else
{ map = MapInfo.Engine.Session.Current.MapFactory[mapAlias];
if (map == null) map = MapInfo.Engine.Session.Current.MapFactory[0];
} return map;
}
private bool IsDirtyMapXtremeSession()
{ return (MapInfo.Engine.Session.Current.CustomProperties["DirtyFlag"] != null);
}
private bool IsUsersFirstTime()
{ return (HttpContext.Current.Session[StateManager.GetKey("Zoom")] == null);
}
public static void BeginRequest(System.Web.SessionState.HttpSessionState session, string mapAlias)
{ if (StateManager.GetStateManagerFromSession() == null)
{
StateManager.PutStateManagerInSession(new AppStateManager());
MapInfo.WebControls.MapControlModel controlModel = MapControlModel.GetModelFromSession();
}
StateManager.GetStateManagerFromSession().ParamsDictionary [StateManager.ActiveMapAliasKey] = mapAlias;
StateManager.GetStateManagerFromSession().RestoreState();
} public static void EndRequest()
{
StateManager.GetStateManagerFromSession().SaveState();
} #endregion
}
2）基于MapXtreme的鷹眼技術(shù)
鷹眼是除了主視圖外的一個小視圖窗口，用來顯示全圖，并用1個矩形表示大圖的地圖邊界。點擊鷹眼窗口時，地圖自動定位到相應(yīng)位置，當(dāng)?shù)貓D視圖（包括縮放比例和中心）發(fā)生變化時，鷹眼上的導(dǎo)航矩形框相應(yīng)變化，以指示用戶當(dāng)前所處的位置。
鷹眼的實現(xiàn)思路：在同一頁面表單上放置2個MapControl控件,分別為地圖主窗口(mainMapControl)和鷹眼窗口(overviewMapControl)，地圖主窗口用于顯示實際的地圖，鷹眼窗口則需要將地圖按合適的比例尺顯示，然后在鷹眼窗口上創(chuàng)建1個圖層，在該圖層上添加1個矩形對象FeatureGeometry，該矩形的大小隨著主圖邊界而變化。由于兩個窗口的大小不同，需要經(jīng)過1次比例轉(zhuǎn)換，因此首先定義1個setView( )方法，該方法用于實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)自適應(yīng)任意大小地圖窗口。當(dāng)?shù)貓D主窗口中的圖形被縮放或者平移之后，在鷹眼窗口已有圖層中加入1個臨時層，在臨時層上動態(tài)生成1個藍(lán)色矩形，顯示地圖主窗口中顯示的圖形在整體地圖中所處的位置。
系統(tǒng)中鷹眼功能的具體實現(xiàn)步驟如下：
① 判斷用戶是否對主地圖窗口進(jìn)行了縮放或平移操作，若沒有變換則鷹眼窗口內(nèi)容不變，若有變換則獲取主地圖窗口顯示的地圖范圍。然后創(chuàng)建1個矩形對象并設(shè)置其顏色和寬度屬性，創(chuàng)建窗口樣式并設(shè)置樣式屬性；
② 判斷鷹眼窗口的圖層中是否已經(jīng)存在臨時圖層，若存在則先清空臨時圖層中的所有對象；若不存在則創(chuàng)建1個臨時圖層并將臨時圖層加入到鷹眼窗口圖層中；
③ 將矩形對象插入臨時圖層。到此系統(tǒng)即完成了鷹眼窗口的地圖視圖變換。
④ 通過讓 Overview（概覽圖）和主地圖使用相同的地圖，我們可以將服務(wù)器上的計算負(fù)載降低到最低限度；僅在內(nèi)存中保存一個地圖可以降低應(yīng)用程序的內(nèi)存占用率，只有在地圖發(fā)生更改時才需要渲染兩次，一次用于渲染主地圖，一次用于渲染概覽圖。
3）鼠標(biāo)中鍵縮放功能的實現(xiàn)
MapXtreme 2008中，在Windows應(yīng)用程序中自帶鼠標(biāo)中鍵縮放的功能，而在Web應(yīng)用程序中卻沒有，如果能夠?qū)崿F(xiàn)會顯得更加人性化。根據(jù)MapXtreme平臺的組件開發(fā)技術(shù)原理，編寫代碼如下：
① 在頁面的之前添加如下JavaScript代碼：
function map_image()
{ var Img = document.getElementById("MapControl1_Image");
if (Img != null)
{ Img.attachEvent('onmousewheel', GetMouseWheelEvent());
}
}function GetMouseWheelEvent()
{ var mapImage = document.getElementById("MapControl1_Image");
var url = "MapController.ashx?Command=WheelZoom&Width=" + mapImage.width + "&Height=" + mapImage.height+ "&ExportFormat=" + mapImage.exportFormat + "&Ran=" + Math.random() + "&wheelvalue=" + event.wheelDelta;
if (mapImage.mapAlias)
url += "&MapAlias=" + mapImage.mapAlias;
try
{mapImage.src = url;
}
catch (e)
{ alert("Error!");
}}
② 在自定義的后臺代碼文件EagleEyes.cs中添加如下類：
[Serializable]
public class WheelZoom : MapBaseCommand
{ public WheelZoom()
{
Name = "WheelZoom";
} public override void Process()
{ int wheelvalue = int.Parse(System.Convert.ToString (HttpContext. Current.Request["wheelvalue"]));
MapControlModel model = MapControlModel. GetModelFromSession();
model.SetMapSize(MapAlias, MapWidth, MapHeight);
try
{MapInfo.Mapping.Map map = model.GetMapObj(MapAlias);
MapInfo.Geometry.Distance d;
if (wheelvalue > 0)
{d = new MapInfo.Geometry.Distance(map.Zoom.Value * 0.9, map.Zoom.Unit);
}else
{d = new MapInfo.Geometry.Distance(map.Zoom.Value * 1.1, map.Zoom.Unit);
}map.Zoom = d;
}
finally
{ System.IO.MemoryStream ms = model.GetMap(MapAlias, MapWidth, MapHeight, ExportFormat);
StreamImageToClient(ms);
}} }
③ 在頁面加載處注冊Command：
if (Session.IsNewSession)
{MapInfo.WebControls.MapControlModel controlModel = MapControlModel.GetModelFromSession();
mands.Add(new GetOverviewMapCommand());
mands.Add(new Info());
mands.Add(new WheelZoom());
}
4）地圖視頻監(jiān)視事件的實現(xiàn)
將設(shè)備信息寫入到地圖文件中，自定義信息查詢組件，當(dāng)鼠標(biāo)單擊信息工具時獲取圖元的各種信息并顯示。信息查詢組件的開發(fā)技術(shù)原理與鼠標(biāo)中鍵縮放功能的組件開發(fā)技術(shù)原理大體一致，這里不再贅述。
5 總結(jié)
本文介紹了利用MapXtreme技術(shù)和.NET平臺開發(fā)信息化WebGIS系統(tǒng)的流程，實現(xiàn)了地圖鷹眼、鼠標(biāo)中鍵縮放、實時監(jiān)控、設(shè)備信息監(jiān)控等功能，詳細(xì)闡述了實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，所開發(fā)的系統(tǒng)為管理和決策者提供了實時信息，方便其快速準(zhǔn)確地做出決策。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王橋,張宏,李旭文,等.水資源地理信息系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.
[2] 孟令奎,史文中,張鵬林,等.網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.
[3] 張建新,趙黎民.基于3S技術(shù)的縣級土地利用數(shù)據(jù)庫建設(shè)[J].國土資源科技管理,2008,25(4):67-70.
[4] 2.0揭秘[M].北京:人民郵電出版社,2007.
[5] Karli.C#入門經(jīng)典[M].3版.北京:清華大學(xué)出版社,2006.
[6] 哈特 2.0經(jīng)典教程[M].北京:人民郵電出版社,2007.
摘要： 介紹了自20世紀(jì)90年代以來，科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，國際交流頻繁，全球經(jīng)濟(jì)文化相互依賴增強(qiáng)。多媒體人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展迅速。同時，在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域以及產(chǎn)品展示和銷售方面也起到了很大的作用。針對產(chǎn)品設(shè)計中的多媒體人機(jī)交互的主要交互方式，包括了網(wǎng)絡(luò)虛擬的交互方式和多媒體、多通道的智能人機(jī)交互方式。以及這些交互方式中所存在問題做了詳細(xì)分析。通過現(xiàn)有的這些人機(jī)交互技術(shù)的分析研究，提出了多媒體人機(jī)交互技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域未來的發(fā)展方向及發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞： 多媒體；人機(jī)交互；產(chǎn)品設(shè)計；網(wǎng)絡(luò)虛擬；多通道
中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2012）22-0185-031 概述
人機(jī)交互技術(shù)，又稱為人機(jī)互動技術(shù)（Interaction Design），它為人類與計算機(jī)之間的信息交流開辟了一條新的溝通渠道，從計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)到今天數(shù)字媒體技術(shù)普及盛行。人機(jī)交互技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。盡管仍在廣泛使用的圖形圖像用戶界面，在操作直觀性上有了顯著提升，但用戶仍是在外部觀察和操作。以計算機(jī)為中心，讓用戶適應(yīng)計算機(jī)的這種傳統(tǒng)的交互模式并沒有改變。多媒體技術(shù)被認(rèn)為是在智能用戶界面和自然交互技術(shù)取得突破之前的一種過渡技術(shù)。在人機(jī)交互過程中，多媒體的強(qiáng)大主要體現(xiàn)在它能提高用戶對信息表現(xiàn)形式的選擇和控制能力，同時，在表現(xiàn)形式與人的邏輯創(chuàng)造能力上高度結(jié)合。因此，多媒體人機(jī)交互技術(shù)是多媒體技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)的完美結(jié)合，傳達(dá)信息的多樣化和通過多種輸出、輸入設(shè)備與計算機(jī)進(jìn)行交互是多媒體人機(jī)交互技術(shù)的所要解決的問題。早在多媒體人機(jī)交互設(shè)計這個概念被提出之前，產(chǎn)品設(shè)計在企業(yè)品牌爭奪產(chǎn)品市場的競爭中已經(jīng)發(fā)揮著不可替代的作用。隨著計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和普及，市場上的產(chǎn)品也越來越智能化、復(fù)雜化，功能不斷的累加和集成，消費者因此產(chǎn)生了很多認(rèn)知上不必要的錯誤，當(dāng)人們感覺到簡單的界面不能滿足人的消費需求的時候，多媒體人機(jī)交互技術(shù)作為一個獨立的設(shè)計階段出現(xiàn)。早期的多媒體人機(jī)界面主要是通過豐富的信息表現(xiàn)形式拓寬計算機(jī)到用戶的通信帶寬，在此之后，人機(jī)交互設(shè)計開始備受關(guān)注。人機(jī)交互技術(shù)既可以理解為人與計算機(jī)的交互，也可以理解為人與包含計算機(jī)的產(chǎn)品之間的交互?，F(xiàn)在，視線跟蹤、語音識別、手勢輸入、感覺反饋等新的交互技術(shù)直接影響著產(chǎn)品和用戶的交互方式，有助于提高人機(jī)交互的效率和用戶友好性，將產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品展示引向更高的境界。
2 產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中人機(jī)交互的主要方式
多媒體人機(jī)交互的過程是用戶通過人機(jī)界面向計算機(jī)輸入指令，計算機(jī)經(jīng)過處理后再把結(jié)果反饋給用戶的過程。為了使人機(jī)交互變得更方便，更快捷，更人性化，滿足不同消費人群的需求，發(fā)展出了多種不同的輸出、輸入形式，這也大大地豐富了人機(jī)交互的方式。從早期的面板開關(guān)、顯示燈和穿孔紙袋等交互裝置，到今天的視線跟蹤、語音識別、手勢輸入、感覺反饋等具有多種感知能力的交互裝置，從發(fā)展史的角度上來說，多媒體人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了五種交互方式，它們分別是：手工操作、命令語言、圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)虛擬的人機(jī)交互、多媒體（多通道）的智能人機(jī)交互，但從介入產(chǎn)品設(shè)計的領(lǐng)域來說，在其中起著輔助設(shè)計和產(chǎn)品展示作用的是網(wǎng)絡(luò)虛擬的人機(jī)交互方式和多媒體（多通道）的智能人機(jī)交互方式。
2.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬的交互方式 目前，在網(wǎng)絡(luò)上廣泛應(yīng)用的虛擬交互方式就是廣告和網(wǎng)上購物，通過網(wǎng)絡(luò)上提品信息，可花費很少的額外投資，加強(qiáng)現(xiàn)有廣告的功效。向在線的產(chǎn)品目錄和產(chǎn)品介紹中添加一些多媒體內(nèi)容，可以使用戶對產(chǎn)品產(chǎn)生興趣，從而增加銷售量和產(chǎn)品知名度。[1]
以超文本標(biāo)記語言（HTML）及超文本傳輸協(xié)議（HTTP）為主要基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器是網(wǎng)絡(luò)用戶界面的代表。這類人機(jī)交互技術(shù)有著發(fā)展快，新技術(shù)不斷出現(xiàn)的特點，如搜索引擎、網(wǎng)絡(luò)加速、網(wǎng)絡(luò)動畫，產(chǎn)品的Web3D等。網(wǎng)絡(luò)虛擬的交互方式可以表現(xiàn)出產(chǎn)品的形態(tài)、顏色、材質(zhì)、功能信息和操作等方面的詳細(xì)信息，還具有實時交互的特征。用戶可以從多種視角來觀察產(chǎn)品的三維圖像，并且有選擇性的篩選產(chǎn)品的設(shè)計款式，獲得需要的產(chǎn)品信息。網(wǎng)絡(luò)虛擬的交互方式支持三維顯示時，可以實現(xiàn)多種的交互行為，例如消費者可以通過網(wǎng)絡(luò)界面的選項給產(chǎn)品更換顏色、材質(zhì)、配件等，還可以模擬產(chǎn)品的操作，如旋轉(zhuǎn)按鈕、放大、打開或組合部分結(jié)構(gòu)等，能體驗到產(chǎn)品設(shè)計中的很多細(xì)節(jié)。例如通用汽車的網(wǎng)絡(luò)虛擬展示，用戶可以操作按鈕進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，觀看汽車的設(shè)計模型。還能為汽車更換自己想要的顏色，打開車門，進(jìn)入到車廂的內(nèi)部，全方位的體驗駕駛的視野、駕乘的空間等。網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品虛擬展示技術(shù)是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)3DVR技術(shù)而實現(xiàn)的，一些相關(guān)軟件可以支持3D模型的實時顯示，如Cult3D、ViewPoint、Live3D、Viscape等。通過這些軟件進(jìn)行交互行為的設(shè)定?？偟膩碚f，網(wǎng)絡(luò)虛擬展示仍是一種平面的3D顯示。要想使產(chǎn)品達(dá)到可使用、觸摸、感覺的真實虛擬人機(jī)交互效果，需要使用價格較高的立體投影儀、傳感器等。
2.2 多媒體（多通道）的智能人機(jī)交互方式 產(chǎn)品設(shè)計通常會運(yùn)用到多種表達(dá)方法，多通道的智能人機(jī)交互方式把產(chǎn)品設(shè)計不同的表達(dá)形式結(jié)合起來，將產(chǎn)品設(shè)計的大量信息凝聚在一起，利用多媒體的人機(jī)交互優(yōu)勢，用戶可以依照自己的需求，選擇自己關(guān)注的內(nèi)容進(jìn)行瀏覽?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上的計算機(jī)擬人化和以手持電腦、智能手機(jī)為代表的微型化、隨身化、嵌入化，是當(dāng)前計算機(jī)的主要發(fā)展趨勢。多媒體可以集成文字、圖形、圖像、動畫、視頻、聲音等多種元素，用戶通過一定的人機(jī)交互界面進(jìn)行與產(chǎn)品的溝通，如何將豐富的多媒體信息組織并結(jié)合在一起，通過設(shè)計合理的交互方式，使人們便于使用和溝通，是多媒體智能人機(jī)交互的表達(dá)重點。這種表達(dá)方式可用于產(chǎn)品設(shè)計投標(biāo)、產(chǎn)品廣告、產(chǎn)品展示等。對于不同的表達(dá)對象，要有選擇性的采取不同的多媒體人機(jī)交互方式，例如制作產(chǎn)品設(shè)計投標(biāo)用的多媒體人機(jī)交互方案，面對的對象是產(chǎn)品企業(yè)投資者，在投資者的角度來說，他們更關(guān)注產(chǎn)品的市場前景、投入與回報、高科技含量、文化價值等問題，而不希望過多的目錄選擇，那么在進(jìn)行多媒體人機(jī)交互界面設(shè)計時，就要簡潔大方的對關(guān)注的問題進(jìn)行闡述；如果是面向消費者的產(chǎn)品設(shè)計展示宣傳，所交互的對象是廣大的消費者，從消費者的角度來說，他們更關(guān)注產(chǎn)品的造型、顏色、功能、質(zhì)量、價格等。消費者可能來自不同的地區(qū)、有著不同的文化背景，那么他們有興趣的問題也不盡相同，為了適合大多數(shù)人的需求，在多媒體人機(jī)交互界面上要把消費者普遍關(guān)心的問題放在顯眼位置，并重點介紹。[2]除此之外，還應(yīng)該提供更多可選擇性的交互信息，以便消費者交互閱讀。在交互界面設(shè)計上要注重趣味性和娛樂性，以引起消費者的關(guān)注。利用人的多種感覺通道，以并行、非精確的方式與計算機(jī)環(huán)境進(jìn)行交互，可提高人機(jī)交互的自然性和高效性。
（華南理工大學(xué)工商管理學(xué)院工業(yè)工程系，廣州 510640）
摘要：工程師在設(shè)計電梯等復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)時，很難準(zhǔn)確全面地確定各種利益相關(guān)者的不同需求，而最終客戶需求的全面分析對于開發(fā)高附加值的、界面友好的、實用的產(chǎn)品至關(guān)重要。面向電梯產(chǎn)品的設(shè)計，基于管道管理模型以及圖形工具的引入，本文提出一種以人為中心的、面向人機(jī)交互密集的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計方法，將多種用戶多種角色納入到分析對象中，并進(jìn)行了三維虛擬人體的分析，將這些角色的偏好及能力轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品概念，增強(qiáng)了產(chǎn)品的適用面、舒適性與創(chuàng)新性。
關(guān)鍵詞 ：以人為中心；復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)；電梯；設(shè)計
中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）24-0219-05
基金項目：廣東省創(chuàng)新方法工作項目（2013B061000004）；廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室開放課題基金。
作者簡介：賴朝安（1973－），男，廣西欽州人，副教授，博士，主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新、人因工程等。
0 引言
在復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的開發(fā)流程中，各種利益相關(guān)者的需求都應(yīng)被充分考慮。特別是對于存在密切人機(jī)交互的系統(tǒng)，人應(yīng)該處于系統(tǒng)設(shè)計的核心位置，以保證系統(tǒng)可以滿足各種使用情況下的需求。在設(shè)計界，以人為中心的設(shè)計已經(jīng)成為主流的觀點，以至于設(shè)計人員經(jīng)常不加思考地采用。本文基于以人為中心的設(shè)計（human-centered design，HCD）進(jìn)行擴(kuò)展，引入行為圖、基于情景的設(shè)計（scenario-based design，SBD）準(zhǔn)則，提出一種適合復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計流程。
HCD是指在設(shè)計產(chǎn)品或系統(tǒng)時，將客戶置于設(shè)計與開發(fā)過程的中心[1]。HCD在產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。在激烈的市場競爭中，產(chǎn)品成功由客戶是否滿意決定，而客戶滿意由客戶需求的滿足來實現(xiàn)。HCD方法使產(chǎn)品設(shè)計與客戶需求匹配[2]，通過這種匹配提高產(chǎn)品質(zhì)量、客戶滿意度與產(chǎn)品成功率。然而，設(shè)計與需求的匹配是困難的、不準(zhǔn)確的[3]?？蛻敉ㄟ^使用非技術(shù)語言來描述他們的需求。HCD方法需要將技術(shù)設(shè)計與非技術(shù)語言匹配，這種匹配準(zhǔn)確度通常比較低。因此，大部份產(chǎn)品并沒有與客戶需求相匹配。
HCD的缺陷在于，HCD以已經(jīng)作好技術(shù)準(zhǔn)備為前提，一旦明確客戶需求，可以迅速地完成產(chǎn)品設(shè)計并推出市場。另外，以人為中心還缺乏明確的實現(xiàn)途徑。Don Norman在ACM通信雜志“交互設(shè)計”專欄中寫道：“這個世界上的大多數(shù)東西都是在沒有得益于以人為中心的設(shè)計方法的情況下被設(shè)計出來的，不過這些東西仍然工作得很好。...最基本的原因就是，在它們被設(shè)計時，這些物品所被用來從事的活動是經(jīng)過深入理解的，這就是以行為為中心的設(shè)計”。人的行為才應(yīng)該是設(shè)計的焦點。
HCD已經(jīng)納入到ISO標(biāo)準(zhǔn)中。ISO 13407明確定義了HCD的4種主要活動[4]：理解并定義使用情景，定義客戶及組織的需求，制訂設(shè)計方案，并依據(jù)需求對設(shè)計進(jìn)行評估。
本文的主要目標(biāo)是設(shè)計一種新型的電梯產(chǎn)品，以支持老人、病人的特殊需求，滿足老齡化社會的需要，而相關(guān)的支撐技術(shù)并未完全具備。
基于以人為中心的啟發(fā)，具有特殊需要的人群，包括制造商、老人、病人，以及他們的護(hù)士等各種人群及其行為過程，被納入到電梯系統(tǒng)開發(fā)的每一步驟中：從電梯系統(tǒng)開發(fā)的最早的概念階段，進(jìn)行用戶的行為分析，直至電梯系統(tǒng)設(shè)計的最終評價。
以行為為中心以及SBD是本文依據(jù)的另一方法準(zhǔn)則。在人機(jī)交互領(lǐng)域中，場景已經(jīng)被作為一種多個系統(tǒng)開發(fā)階段使用的工具，它能幫助所有的利益相關(guān)者貢獻(xiàn)自己的系統(tǒng)分析、設(shè)計與評價意見。
設(shè)計師通常使用情景來組織、論證和交流思想。情景作為語言的輔助，描述人的行為，使客戶可以融入到設(shè)計流程中，并幫助他們確定需求。通過描述多種情景下的各種行為過程，可展現(xiàn)出序列性的需求。在整個設(shè)計循環(huán)中，描述行為的工具可首先用于描述產(chǎn)品當(dāng)前使用的目標(biāo)與需求，然后通過迭代的設(shè)計與評估過程轉(zhuǎn)換、提煉設(shè)計目標(biāo)與需求。多情景下的行為描述有助于檢驗、仿真分析、展示各種可能的設(shè)計方案結(jié)果。
1 設(shè)計流程的思考
通常，客戶需求空間向產(chǎn)品設(shè)計空間轉(zhuǎn)換的過程會導(dǎo)致信息的丟失。一些產(chǎn)品開發(fā)的機(jī)制，例如質(zhì)量功能展開（QFD）關(guān)注產(chǎn)品的性能、可靠性、壽命等因素在后續(xù)開發(fā)過程中的貫徹，但與情感有關(guān)的因素由于較難獲取與描述，因而在質(zhì)量功能展開過程中易于被忽略、丟失[5]。
關(guān)于開發(fā)流程，學(xué)術(shù)界及管理實踐逐漸形成了如下四種觀點[6]：門徑管理；管道管理；功能-作用原理-結(jié)構(gòu)的映射過程；風(fēng)險管理系統(tǒng)。
管道管理模型[7]為最主流的觀點，它將產(chǎn)品開發(fā)流程定義為：產(chǎn)品規(guī)劃－概念開發(fā)－系統(tǒng)級設(shè)計－詳細(xì)設(shè)計－測試糾正及生產(chǎn)起步。這一流程類似一條不斷縮窄的管道，在這一喇叭形態(tài)的“管道”中，流動著的新產(chǎn)品可選方案及對應(yīng)的開發(fā)項目數(shù)量越來越少，而新產(chǎn)品方案的信息卻越來越豐富、具體。
然而這一流程模型對人機(jī)交互的需求缺乏足夠的考慮與重視。為此，文獻(xiàn)[8]提出，具有復(fù)雜人機(jī)交互的系統(tǒng)的研發(fā)流程應(yīng)具有如下步驟：焦點開發(fā)－創(chuàng)建當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用的工作流－問題定義及確定設(shè)計目標(biāo)－創(chuàng)建未來系統(tǒng)應(yīng)用的工作流－創(chuàng)建功能概要－創(chuàng)建物理概要－將物理概要分解至可管理的模塊。通過對當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用工作流的分析，存在的問題得到全面的展示；通過對未來系統(tǒng)應(yīng)用工作流的規(guī)劃，引導(dǎo)思維邊界的突破及全新觀念的產(chǎn)生。
基于以上研究可以設(shè)想，構(gòu)建一種圖形化的、易于理解的多層次行為視圖，使非專家的普遍客戶也能參與到設(shè)計中來，也使設(shè)計工程師能更好地理解電梯行業(yè)、護(hù)理行業(yè)等多個不同領(lǐng)域的背景與技術(shù)，以更有效地利用所有利益相關(guān)者在設(shè)計過程中達(dá)成的共識。俗話說：一圖勝千言，在開發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)時特別如此。下文以電梯為例說明。（圖2）
2 電梯實例
隨著老齡化社會的臨近，越來越多地需要在公共設(shè)施設(shè)計中考慮老年人、病人的需要，電梯作為一種垂直升降的公共交通設(shè)施，需要重視這一趨勢。
為此，首先在設(shè)計其轎廂內(nèi)部裝潢時，應(yīng)考慮到人的情感因素，盡量使電梯給人一種舒適溫馨的感受，多使用溫暖色調(diào)，避免冰冷暗淡的色調(diào)；其次，需要考慮病人以及各種醫(yī)療設(shè)備，例如病床、吊瓶架、氧氣瓶等搶救設(shè)備所需要的大尺寸空間，以及殺菌化學(xué)制劑的使用；最后，適當(dāng)考慮防撞緩沖的需求，減輕相撞時的沖擊保護(hù)病床上的病人。
目前，還沒有一種電梯能滿足這一需要：不只需要考慮正常人的使用，還要考慮承載病人，運(yùn)送病床及醫(yī)療設(shè)備，同時需要考慮這些特殊情況發(fā)生的偶然性，考慮電梯的可制造性、可裝配性，以盡可能降低產(chǎn)品成本與能量消耗，并具有較高水平的人機(jī)交互界面與可操作性。
2.1 步驟1：產(chǎn)品規(guī)劃
產(chǎn)品規(guī)劃環(huán)節(jié)由開發(fā)團(tuán)隊執(zhí)行，其目的是制定產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書。團(tuán)隊包括如下成員：工業(yè)設(shè)計師1人，電梯設(shè)計工程師5人，制造工程師1人，醫(yī)護(hù)人員1人，醫(yī)學(xué)專業(yè)人員1人，電梯維護(hù)人員1人。經(jīng)過市場的細(xì)分與分析、技術(shù)發(fā)展趨勢分析、企業(yè)戰(zhàn)略分析三者的匹配，最后經(jīng)過頭腦風(fēng)暴會議來完成產(chǎn)品規(guī)劃。
產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書的研究對象是：明確設(shè)計的焦點；定義新產(chǎn)品的概念；確認(rèn)目標(biāo)客戶；確認(rèn)安全有效使用電梯的障礙；搜集對產(chǎn)品設(shè)計特征的意見。
通過產(chǎn)品規(guī)劃，認(rèn)為新型電梯的焦點是感性設(shè)計、人機(jī)交互，在有限的空間內(nèi)需要容納擔(dān)架、輪椅及病人，減少碰撞振動與不適，并進(jìn)行安全高效的電梯控制操作，同時又要滿足節(jié)能環(huán)保的要求。
在開發(fā)過程的早期階段確定產(chǎn)品的焦點是一項困難的工作。通過這一階段，潛在的設(shè)計意圖逐漸變得清晰。
2.2 步驟2：客戶需求獲取
2.2.1 理解當(dāng)前使用情景
通過歸納客戶操作電梯的行為習(xí)慣和固有特性，創(chuàng)建當(dāng)前系統(tǒng)的行為圖，形成獲取多層次客戶需求的框架，這是多層次信息視圖的重要組成部份。步驟如下：
首先，以來自醫(yī)院的醫(yī)護(hù)人員，以及家有老人病人的普遍電梯客戶共50人，為訪談對象，基于步驟1確定的產(chǎn)品設(shè)計焦點與概念，進(jìn)行面對面的半結(jié)構(gòu)化的訪談（interview）。該步驟主要用于明確如下問題：需要用擔(dān)架、輪椅搬運(yùn)病人時電梯的操作過程；在這過程中所遇到哪些問題，以及這些問題的條件、過程與后果；對于電梯設(shè)施有何感性需求；任何影響在執(zhí)行醫(yī)護(hù)任務(wù)時安全高效使用電梯的因素。
對系統(tǒng)實際操作環(huán)境及客戶的全面且精確的洞察，對于系統(tǒng)的設(shè)計以及客戶需求的滿足至關(guān)重要。為了確認(rèn)當(dāng)前實踐的問題，設(shè)計者應(yīng)首先將總結(jié)所獲得的設(shè)計信息轉(zhuǎn)換為行為圖，以描述當(dāng)前系統(tǒng)的作用。僅作為示意，如圖2所示，該行為圖顯示了電梯從制造裝配、運(yùn)輸、安裝維護(hù)到客戶使用的全生命周期的行為，以圖形化的直觀方式使得全面的客戶需求，且不易遺漏。圖中，方向線的粗細(xì)表示該方向所指的行為的頻率，線越粗表示該行為越常見；箭頭的方向表示行為的串行關(guān)系。
2.2.2 確認(rèn)存在問題及設(shè)計目標(biāo)
2.2.2.1 訪談與數(shù)據(jù)收集
基于當(dāng)前使用行為圖指出的每一使用模式，圍繞如下問題進(jìn)行訪談并收集數(shù)據(jù)：
①客戶在與電梯交互過程中遇到的問題，以及這些問題如何隨著客戶屬性的變化而變化；
②這些問題發(fā)生的頻率，以及對不同客戶產(chǎn)生的后果；
③新型電梯應(yīng)如何克服這些問題；
④安全高效使用電梯的障礙；
⑤新型電梯對病人、普通用戶、電梯安裝維護(hù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)護(hù)人員等各種客戶有何益處；
⑥新型電梯的設(shè)計偏好。
2.2.2.2 數(shù)據(jù)組織與分析
在上述步驟系統(tǒng)性地收集資料的基礎(chǔ)上，基于質(zhì)性分析的方法，尋找反映客戶需求本質(zhì)的核心概念，然后通過這些概念之間的聯(lián)系建構(gòu)完整的需求模型。訪談?wù){(diào)研數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為如下三個類別：需求；障礙；設(shè)計，簡潔地展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如表1所示。
對原始資料進(jìn)行進(jìn)一步的定性分析以后，明確存在的問題及設(shè)計目標(biāo)：
①電梯生產(chǎn)與運(yùn)輸。
電梯包裝箱在很長一段時間不能引起廠商及設(shè)計人員的重視，只是簡單給以部件包裹，這才很大程度上違背了人性化的設(shè)計原則。電梯包裝箱存在如下問題：裸包裝部件遇潮濕后易生銹，不便于運(yùn)輸；紙箱包裝，易損壞，不便運(yùn)輸，零散易丟件。應(yīng)考慮新型的包裝箱，以達(dá)到方便搬運(yùn)、整齊美觀的目的。
②電梯操縱顯示器。
電梯操縱顯示器在感性需求上尤為重要。乘客首先接觸的是電梯的外部操縱顯示器，進(jìn)入轎廂后同樣需要操控電梯內(nèi)部的操縱顯示器，進(jìn)行樓層選擇。色彩搭配以及按鈕布局排布是其感性設(shè)計的關(guān)鍵。當(dāng)人在受到色彩的刺激后，會產(chǎn)生心理暗示，色彩搭配必須尊重這種因果關(guān)系。
③電梯的空間。
常用的電梯長度從1.3米到1.6米不等，而一部急救擔(dān)架的長度超過1.8米。狹小的電梯放不下?lián)?。由于患者不能顛簸晃動，醫(yī)護(hù)人員（或家屬）常常只能將擔(dān)架半豎著放進(jìn)電梯，讓患者斜躺在擔(dān)架上，容易使病情加重?！蹲≌O(shè)計規(guī)范》(GB50096-1999)規(guī)定：“十二層及以上的高層住宅，每棟樓不能少于兩臺電梯，其中一臺電梯應(yīng)該能容納擔(dān)架?！比欢_發(fā)商從成本的角度考慮，在不少的電梯上沒有執(zhí)行這一規(guī)定。
④不適合行動不便人員使用。
目前電梯按鈕主要采用亮光來顯示樓層，并不適合于盲人使用。盲人進(jìn)入電梯時，不便于方便的找到希望到達(dá)的樓層，所以對于盲人來說，單獨乘坐電梯很不方便。
扶手在安裝時往往有螺釘突出，行動不便人員往往難以避開，并且不美觀。
電梯震動或墜落時，電梯無適當(dāng)?shù)闹挝?，震動或墜落會造成傷害，對行動不便人員的傷害特別大。
⑤電梯環(huán)境。
傳統(tǒng)的通風(fēng)裝置是電力驅(qū)動的風(fēng)扇，購置成本與使用成本較高。
2.2.3 設(shè)計未來的使用情景
在這一步驟中，將當(dāng)前的使用情景轉(zhuǎn)換為未來的使用情景，如圖3所示。在未來的使用情景中，當(dāng)前問題被消除，產(chǎn)品愿景得以實現(xiàn)。未來的使用情景是一種對人機(jī)交互過程的高度概括，有助于設(shè)計團(tuán)隊及設(shè)計參與者理解電梯使用的環(huán)境，顯示關(guān)鍵的設(shè)計問題。
在未來的使用情景中，不需擴(kuò)大轎廂的整體尺寸而低成本地實現(xiàn)大尺寸的空間，保證擔(dān)架可以進(jìn)入并平放；行動不便的人可以舒適地保持平衡；視覺不良的人可以方便地進(jìn)行目的地樓層設(shè)置，并可修正錯誤的設(shè)置；等等。生產(chǎn)安裝情景分析在此省略。
2.3 步驟3：系統(tǒng)級設(shè)計
2.3.1 功能分析
功能分析的結(jié)果展示系統(tǒng)功能的實現(xiàn)目標(biāo)。對于復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)，將功能分析為多項子功能十分必要，它可以闡明問題，使設(shè)計師可以聚焦到最關(guān)鍵、最有可能實現(xiàn)創(chuàng)新的子功能上。
在檢修運(yùn)行、（自動）開門、（自動）關(guān)門、自動返回基站、滿載直駛、司機(jī)操作、獨立運(yùn)行、通風(fēng)等基本功能，使用溫和的工業(yè)設(shè)計風(fēng)格，并增加如下功能：遠(yuǎn)程監(jiān)控；PDA在線交互；可變的空間尺寸；碰撞緩沖與支撐；盲文及聲控；錯誤修正。需要在成本得到控制的情況下，在傳統(tǒng)的電梯上增加以上功能。
具體的功能描述在此不表，它應(yīng)提供詳細(xì)的使用背景信息，以及明確的、定量的功能目標(biāo)。例如，可變的空間尺寸的需求項中指出：擴(kuò)大后的空間尺寸應(yīng)能容納1.8米長的擔(dān)架。
通過達(dá)到以上產(chǎn)品功能，電梯將能更高效迅速地安裝維護(hù)，更安全、舒適地使用，減少碰撞、震動、壓力與不適。這時，開發(fā)團(tuán)隊堅信，這一電梯的市場需求是廣闊的、迫切的。
在以上需求實現(xiàn)之前，研發(fā)團(tuán)隊認(rèn)識到，以上功能最困難的部份是可變的空間尺寸、碰撞緩沖與支撐、盲文及聲控等需求。
2.3.2 制定系統(tǒng)解決方案
在這一步驟中，依據(jù)“功能—作用原理（效應(yīng)）——物理結(jié)構(gòu)”的映射過程，將產(chǎn)品的功能要求轉(zhuǎn)化為解決方案。解決方案是具體物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點，它指出每一主要功能實現(xiàn)的關(guān)鍵點，以及主要部件的空間及結(jié)構(gòu)上的關(guān)系。
解決方案應(yīng)遵守功能及技術(shù)需求的約束，并基于最終用戶的需求進(jìn)行評估，選擇最佳的解決方案。
在設(shè)計過程中，知識會不斷進(jìn)化，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的部件也隨之進(jìn)化。解決方案可用于修正未來的使用情景，使設(shè)計意圖進(jìn)一步明確。
以幾個主要的子功能為例，說明其解決方案：
①根據(jù)發(fā)明問題解決理論（TRIZ），使用“基于條件的分離”這一分離原理，以及“動態(tài)化”這一發(fā)明原理，實現(xiàn)動態(tài)的轎廂深度。解決方案為：轎廂下后壁可以向背離轎廂門的方向打開、折疊，充分利用井道空間，在需要運(yùn)輸擔(dān)架時，通過折疊，動態(tài)產(chǎn)生額外的空間，提高了擔(dān)架出入時的安全性，并增加載重的均勻性。其平時可充當(dāng)普通載客電梯，具備普通電梯轎廂的寬度與深度；在特殊情況下，延展電梯轎廂的深度，滿足普通人平躺在擔(dān)架上的長度要求，充當(dāng)救援用的擔(dān)架電梯。因此，這一功能可增大深度卻不增加土建面積，達(dá)到節(jié)省成本與能量消耗的目的。
②碰撞緩沖與支撐功能的解決方案為：扶手連桿上套有端座外套，將扶手端座表面覆蓋，遮蓋螺釘，防止行動不靈活的人在轎廂內(nèi)轉(zhuǎn)身時劃傷，同時保持轎廂內(nèi)美觀。轎廂頂部安裝有吊環(huán)，在震動特別是墜落時，抓住吊環(huán)可顯著減少傷害。
③盲文及聲控功能的解決方案為：按鍵的按壓位置處設(shè)有凸起的盲人數(shù)字，按鍵連接有發(fā)聲話筒，開關(guān)、發(fā)聲話筒均與用于樓層登記的電路連接。
④通風(fēng)的解決方案為：通過轎廂上的風(fēng)滯壓力產(chǎn)生電梯轎廂中的豎直的氣流，實現(xiàn)免電力的通風(fēng)。風(fēng)扇僅在需要時打開，減少了電力消耗與使用成本。
電梯作為一種成熟產(chǎn)品，目前已經(jīng)存在海量專利。以上的構(gòu)思可能與已有專利沖突，需要進(jìn)行查詢分析，避開已有的相似專利，同時基于專利挖掘，進(jìn)行技術(shù)成熟度分析。對關(guān)于轎廂的專利進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在轎廂深度調(diào)整、碰撞緩沖、盲文及聲控、通風(fēng)等方面的技術(shù)都仍處于成長期，值得加大投入進(jìn)行研發(fā)。
2.3.3 系統(tǒng)級的參數(shù)分配至模塊
通過以上步驟，從轎廂空間調(diào)整裝置、碰撞緩沖與支撐裝置、盲文及聲控裝置、通風(fēng)等方面實現(xiàn)了電梯系統(tǒng)人性化創(chuàng)新及改良設(shè)計。
在上述步驟中，系統(tǒng)作為一個集成的解決方案進(jìn)行思考。在模塊化的設(shè)計方案中，需將設(shè)計需要分配至模塊，是最終實現(xiàn)產(chǎn)品功能需要的必然的步驟。然而，將技術(shù)參數(shù)分配至模塊具有很高的復(fù)雜性，它需要依據(jù)兩個準(zhǔn)則：一是保證系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)與模塊的技術(shù)參數(shù)的一致性，也就是說，實現(xiàn)模塊的技術(shù)參數(shù)后，能保證系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)得到保證；二是各個模塊的實現(xiàn)難度保持相近，不能讓某些模塊很難實現(xiàn)，否則會使成本不必要地上升。系統(tǒng)的模塊化的好處是：使得最終客戶可以按其需求定制產(chǎn)品。
通過對電梯的模塊化劃分，使得功能與模塊近似地具有一對一的關(guān)系。在這一設(shè)計方案中，如下5個模塊被定義：廂體、導(dǎo)軌、驅(qū)動、無線通訊、轎廂空間尺寸調(diào)整、碰撞緩沖與支撐、控制與顯示、通風(fēng)與照明。其設(shè)計方案如圖4所示。
2.4 步驟4與5：詳細(xì)設(shè)計與測試糾正
方案的產(chǎn)生與方案評估密不可分。在跨功能的研發(fā)團(tuán)隊組建開始，各個團(tuán)隊人員以及參與設(shè)計的多種角色，都從一開始就貢獻(xiàn)其知識經(jīng)驗，以驗證提出來的各種新構(gòu)想，使得最終的解決方案更具市場可行性與可用性。在開發(fā)的后期階段，解決方案逐漸具體與可視化，設(shè)備供應(yīng)商開始參與設(shè)計，以確認(rèn)方案的技術(shù)可行性。由于方案表達(dá)為易于理解的形式，包括三維虛擬人體的應(yīng)用情景展示，團(tuán)隊可以在早期的設(shè)計階段，向商業(yè)合作伙伴證明新型電梯的高附加值。
經(jīng)過可用性評估，最終的設(shè)計方案得到了較高的評價。
3 結(jié)論
本研究基于以人為中心設(shè)計的理念，提出了一種適用于復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計的、以人為中心的設(shè)計流程，并進(jìn)行電梯系統(tǒng)的創(chuàng)新優(yōu)化與改良設(shè)計，解決了電梯系統(tǒng)中幾個非人性化設(shè)計缺陷，規(guī)劃、定義了電梯的主要模塊，并進(jìn)行了三維虛擬人體的分析，提出一種具有良好人機(jī)操作界面的綠色電梯系統(tǒng)。經(jīng)評估認(rèn)為，這一新型電梯具有較廣闊的市場需求。本文提出通過行為圖的引入，擴(kuò)展了以人為中心設(shè)計的觀點，有助于將各種利益相關(guān)者的需求融合到一個框架內(nèi)，并清晰展現(xiàn)。
本研究所提出的方法適用于電梯之外其它類型的、存在復(fù)雜人機(jī)交互的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計。
參考文獻(xiàn)：
[1]Hans-Jo¨rg Bullinger, Wilhelm Bauer,Gu¨nter Wenzel. Towards user centred design (UCD) in architecture based on immersive virtual environments [J]. Computers in Industry 61 (2010) 372-379.
[2]Li Lin, Ming-Qing Yang, Jing Li. A systematic approach for deducing multi-dimensional modeling features design rules based on user-oriented experiments [J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 42 (2012) 347-358.
[3]Xue-Zheng Chu, Liang Gao, Hao-Bo Qiu. An expert system using rough sets theory and self-organizing maps to design space exploration of complex products [J]. Expert Systems with Applications. 37 (2010) 7364-7372.
[4]ISO/IEC 13407, 1999 (E). Human-centred design processes for interactive systems.
[5]賴朝安，朱文文.水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品風(fēng)格優(yōu)化的感性工學(xué)方法 [J].工業(yè)工程與管理，2012，17（6）：122-127.
[6]賴朝安著.新產(chǎn)品開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014，2.
關(guān)鍵詞：觸摸屏；顯示屏；交互技術(shù)；Move&Touch
中圖分類號：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2011)08-1893-02
The Research of Human-computer Interaction Based on Touch-screen Technology of Move & Touch
WANG Hui, YAO Xiao-hui, JI Bo, RUAN Han-qing
(Information and Control Institute, Xi'an University of Architecture & Technology, Xi'an 710055, China)
Abstract: In recent years, the touchscreen-phone is becoming increasing popularity.The interactive technology based on touch-screen has been penetrated into every aspect of people's lives because of it's natural and comfortable. Based on the research of primary interaction techniques for displays, the thesis present Move&Touch: a novel interaction technique for displays based on touchscreen-phone. Move & Touch use touchscreen-phone as an interaction device, users achieve the remote control and manipulation of large displays through operations such as sliding and tapping on mobile phone's touchscreen, the control and manipulation they can achieve including cursor position, object selection and scrolling. Move&Touch is a natural and intuitive interaction technique for displays, it has the features of well-use, universality and extensibility.
Key words: Touchscreen; Display; Interaction techniques; Move&Touch
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在許多公共和非公共場所，隨處可見顯示屏的應(yīng)用，顯示屏的尺寸變得越來越大，而分辨率也越來越高，顯示效果越來越好，社會的發(fā)展使得顯示屏深入到了人們生活的方方面面。與此同時，針對顯示屏的交互技術(shù)也被眾多的國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注，各種不同的交互技術(shù)相繼出現(xiàn)，如何使顯示屏和用戶之間的交互更加穩(wěn)定、方便、直觀和自然是當(dāng)前顯示屏交互技術(shù)的重點研究方向。
對于當(dāng)前存在的許多顯示屏交互技術(shù)，或多或少都存著一些不足之處，有些交互方式不夠自然，有些交互方式不夠精確穩(wěn)定，還有些嚴(yán)重缺少便攜性等。雖然有著各式各樣的缺點，但是在各自適合的場景，都可以發(fā)揮技術(shù)本身的優(yōu)勢來實現(xiàn)人機(jī)交互。新的人機(jī)交互技術(shù)的出現(xiàn)可以補(bǔ)充當(dāng)前顯示屏交互技術(shù)的不足，豐富顯示屏交互技術(shù)的特性，在越來越多的場合提供更為便利的交互方式，以滿足社會不斷發(fā)展的需要。
國內(nèi)在顯示屏遠(yuǎn)程交互方面的研究比較少，與國外的差距也比較大。清華大學(xué)計算機(jī)系媒體所提出了一種基于激光筆的遠(yuǎn)程人機(jī)交互技術(shù)[4]。該系統(tǒng)只需要添加一個攝像機(jī)和視頻采集卡就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的人機(jī)交互。
國外的HCI學(xué)者在這方面的研究比較多，其中，Sweep and Point & Shoot[5]是一種基于手機(jī)相機(jī)的顯示屏交互技術(shù)，該技術(shù)利用手機(jī)拍照功能完成顯示屏上指針的控制以及對象的選擇和操作。
C-blink[6]通過將手機(jī)的彩色液晶顯示屏作為一種可見光源可以產(chǎn)生光信號，然后利用安裝在顯示屏上方的攝像頭不斷地檢測和接收光信號，通過處理光信號產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息，從而實現(xiàn)對顯示屏的操作和控制。SnapAndGrab[7]提出了一種新穎的大型公共數(shù)字顯示屏交互技術(shù)。該系統(tǒng)允許用戶通過帶有藍(lán)牙和照相功能的手機(jī)來訪問和共享公共多媒體信息系統(tǒng)的豐富的多媒體信息，例如上傳和下載圖片。該系統(tǒng)的易用性在于不需要在手機(jī)上安裝任何軟件即可訪問顯示屏。
1 Move&Touch技術(shù)的功能設(shè)計
1.1 指針定位
在指針定位是指遠(yuǎn)距離控制顯示屏光標(biāo)的移動。用戶通過在手機(jī)觸摸屏上移動手指，來相應(yīng)地控制顯示屏光標(biāo)的移動，顯示屏光標(biāo)的移動方向與用戶手指的移動方向相同，同時光標(biāo)的移動距離與手指的移動距離成比例。
1.2 對象選取
通過對象選取功能，我們可以對顯示屏端的圖標(biāo)，菜單等進(jìn)行直接操作，這是通過模擬鼠標(biāo)左鍵單擊和雙擊操作以及右鍵單擊操作來實現(xiàn)的，用戶使用觸摸屏與顯示屏交互時，必須能實現(xiàn)傳統(tǒng)的鼠標(biāo)所能實現(xiàn)的基本操作。
1.3 滑動滾屏
在與顯示屏進(jìn)行交互的過程中，有時需要對顯示屏當(dāng)前窗口內(nèi)容進(jìn)行滾屏操作，Move&Touch技術(shù)允許用戶在特定區(qū)域滑動手指來實現(xiàn)類似鼠標(biāo)滾輪的操作，從而達(dá)到翻頁的效果。通過記錄手指滑動時的軌跡坐標(biāo)，來判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)行滾屏操作，以及滾動的行數(shù)或列數(shù)。滑動滾屏功能類似于筆記本觸摸板的滾動翻頁操作，通過統(tǒng)計實驗結(jié)果，電容屏上實現(xiàn)的滑動滾屏功能在效果上優(yōu)于筆記本觸摸板。
2 Move&Touch技術(shù)原型的實現(xiàn)
2.1 坐標(biāo)映射算法
通當(dāng)手指在觸摸屏上進(jìn)行滑動時，顯示屏上的指針移動速率需要適應(yīng)不同的場景。例如在像素面積較小的區(qū)域進(jìn)行最小化，關(guān)閉的操作，或者在播放器中調(diào)節(jié)音量時，指針的移動要做到精確、平穩(wěn)，而當(dāng)我們需要將光標(biāo)從顯示屏的一端移動到另一段時，受到觸摸屏面積小的限制，要想以較少的滑動次數(shù)達(dá)到長距離移動的效果就必須設(shè)置相應(yīng)的加速系數(shù)。因此，手指移動軌跡和顯示屏光標(biāo)移動軌跡的映射關(guān)系需要設(shè)計相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法來實現(xiàn)。
圖1為手機(jī)和顯示屏的坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)手指在觸摸屏上滑動時，將會產(chǎn)生連續(xù)的指針拖動事件，手指接觸點的坐標(biāo)值也在不斷變化，相鄰兩次事件間的坐標(biāo)變化值記為ΔX、ΔY。顯示屏原坐標(biāo)值為Xprev、Yprev，新坐標(biāo)值為Xnew、Ynew，則新坐標(biāo)值Xnew、Ynew由以下公式計算：
ST為轉(zhuǎn)換系數(shù)， ST的大小主要與手機(jī)屏幕分辨率和顯示屏的分辨率，以及需要的精確度和移動效率有關(guān)。
當(dāng)手指滑動時，產(chǎn)生連續(xù)的MT_MOUSEMOVE事件，手指接觸點的坐標(biāo)值也在不斷變化，相鄰兩次事件間的坐標(biāo)變化值記為ΔX、ΔY。顯示屏指針原坐標(biāo)值為Xprev、Yprev，新坐標(biāo)值為Xnew、Ynew，則新坐標(biāo)值Xnew、Ynew由公式（1）和（2）計算：
（1）
（2）
SV為加速系數(shù)，SV的大小決定了手指滑動速度對顯示屏指針移動速度的影響。SV的大小是由相鄰兩次事件間的坐標(biāo)變化值ΔX、ΔY決定的，ΔX、ΔY的絕對值越大，表示手指滑動速度越快。因此，SV的大小可由公式（3）和（4）計算：
（3）
（4）
SV'為常量，其大小依賴于特定設(shè)備上ΔX、ΔY的大小。最終，新坐標(biāo)值Xnew、Ynew由公式（5）和（6）計算：
（5）
（6）
2.2Move&Touch的標(biāo)準(zhǔn)輸入事件流
Move&Touch標(biāo)準(zhǔn)輸入事件流作為一種中間性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在，使得Move&Touch在不同的操作系統(tǒng)之間具有好的可移植性，所有基于Move&Touch技術(shù)的系統(tǒng)平臺只要能夠處理標(biāo)準(zhǔn)的事件結(jié)構(gòu)就能夠很好的響應(yīng)用戶的操作。我們定義的Move&Touch標(biāo)準(zhǔn)輸入事件流的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含五個數(shù)據(jù)項：事件類型EventType、橫坐標(biāo)x、豎坐標(biāo)y、加速系數(shù)SV以及轉(zhuǎn)換系數(shù)ST。下面是每個數(shù)據(jù)項對應(yīng)的鼠標(biāo)動作：
事件類型EventType的數(shù)據(jù)類型為整形，包括五種值：MT_LBUTTONDOWN（按下左按鍵事件）、MT_RBUTTONDOWN（按下右按鍵事件）、MT_MOUSEMOVE（鼠標(biāo)移動事件）、MT_LBUTTONDBLCLK（鼠標(biāo)左鍵雙擊）、MT_MOUSEWHEEL（滑動滾輪）。
3 功能性測試
指針定位和對象選取的性能對系統(tǒng)的可用性有重要影響,具體測試方法如下：
測試任務(wù)為分別使用Move&Touch技術(shù)、筆記本觸摸板、藍(lán)牙鼠標(biāo)進(jìn)行對象選取操作。實驗對象要求完成一個基于ISO 9241-9標(biāo)準(zhǔn)的多方向點擊測試，此標(biāo)準(zhǔn)用于測試操作可視顯示終端的無鍵盤輸入設(shè)備的性能。如圖2所示，多方向點擊測試程序在窗口中顯示一系列小圓圈，這些小圓圈均勻排列成圓形，圓圈之間的距離相等。圓圈大小、數(shù)量、圓圈之間的距離、點擊順序都可以由程序控制，以改變?nèi)蝿?wù)的復(fù)雜度。若小圓圈被點擊中，則變成灰色。
在本系統(tǒng)的測試中，圓圈數(shù)量為19個，圓圈直徑為60像素，圓圈中心之間的距離為600像素，實驗對象要求按圖中所示順序依次點擊小圓圈，直到所有小圓圈都變成紅色即完成任務(wù)，指針初始位置在圓形中心。
4 結(jié)論與展望
本文研究了Move&Touch這種新穎自然的觸摸屏交互技術(shù)，為用戶提供了一種新得人機(jī)交互設(shè)備，系統(tǒng)具有較好的可用性，但尚需就以下問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究：
1) 安全性。當(dāng)前顯示屏交互技術(shù)存在的一個重要問題就是安全性。如果用戶可以隨意控制公共顯示屏，那么某些用戶可能會惡意修改顯示屏的信息和數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)建立一個完善的安全機(jī)制來約束用戶的使用權(quán)限。
2) 多點觸摸功能。多點觸摸功能的應(yīng)用可以讓用戶直接對顯示屏端的對象進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，將極大地提高用戶的操作體驗。
3) 多用戶同時交互。目前該技術(shù)只支持單用戶交互，基于藍(lán)牙支持多個設(shè)備同時通信的特點和共享顯示屏的多用戶交互技術(shù)，將來的系統(tǒng)可以擴(kuò)展為多用戶交互系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)：
[1] Alan D,Janet F,Gregory D A,et al.人機(jī)交互[M].蔡立棟,方思行,周繼鵬,譯.3版.北京:電子工業(yè)出版社,2006.
[2] Mark W.The computer for the 21st century[J].Scientific American,1991,265(3):94-104.
[3] Brad M,Jim H,Isabel C,et al.Strategic directions in human-computer interaction[J].ACM Computing Surveys,1996,28(4):794-809.
[4] 劉芳,林學(xué),史元春.基于激光筆的遠(yuǎn)程人機(jī)交互技術(shù)[J].中國圖象圖形學(xué)報,2003,8(11):1856-1360.
[5] Rafael B,Michael R,Jennifer GS.Sweep and point & shoot:phonecam-based interactions for large public displays[C].CHI 2005,2005:1200-1203.
(訊)BOTs時代即將到來，我們預(yù)計未來三到五年內(nèi)，BOTs應(yīng)用將滲透到各行各業(yè)，新的入口——工具——應(yīng)用——平臺——生態(tài)格局將重構(gòu)。
在計算機(jī)智能化，操作方式便捷化的人機(jī)交互進(jìn)化方向上，虛擬機(jī)器人(BOTs)必將成為高級別人機(jī)交互的必經(jīng)通道。App已經(jīng)過多，長尾應(yīng)用泛濫+用戶時間稀缺，導(dǎo)致大部分App被束之高閣，甚至成為僵尸應(yīng)用。
據(jù)Gartner數(shù)據(jù)顯示，目前大約有38%的美國消費者習(xí)慣使用他們智能手機(jī)上的虛擬助理服務(wù)。據(jù)估計，截止到2016年底，這一數(shù)字在發(fā)達(dá)國家消費市場將會達(dá)到三分之二。所有的跡象都指向了一個人工智能帶來的變革：改變我們與一切事物的互動。
行業(yè)驅(qū)動因素，引發(fā)虛擬機(jī)器人爆發(fā)有3大因素：(1)硬件層面，移動終端的大規(guī)模普及是BOTs爆發(fā)的必要條件；(2)軟件層面，移動App數(shù)量繁多催生行業(yè)新痛點亟待解決，聊天軟件的高使用率使其成為人機(jī)交互通道的最佳入口；(3)技術(shù)層面，自然語言處理等人工智能技術(shù)發(fā)展速度加快，足夠支撐BOTs開發(fā)，巨頭的布局將加快工具和應(yīng)用的迭代速度。
BOTs將滲透到各行各業(yè)中，形成新的行業(yè)生態(tài)。目前國際各IT巨頭爭相布局BOTs領(lǐng)域，國內(nèi)BAT也不甘落后，BOTs進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。從鍵盤到圖形界面再到觸屏，每一次人機(jī)交互的變革都成就了一家巨無霸級別IT公司。
“BOTs經(jīng)濟(jì)”可分為2B和2C兩大方向，整體來看BOTs市場會呈現(xiàn)出與當(dāng)下App市場類似的格局，但技術(shù)成熟度、先發(fā)優(yōu)勢、市場推廣等多方因素將導(dǎo)致市場新一輪洗牌。1、2B端，寡頭型平臺公司將瓜分聚合分發(fā)市場，同時，提供行業(yè)專屬智能解決方案的公司將會蓬勃發(fā)展；
2、2C端，新的平臺將有望異軍突起，針對不同的智能終端(手機(jī)、車載屏、智能家居等)的良好用戶體驗將重洗“入口”格局。3、從應(yīng)用形式來看，BOTs未來將由純軟件向軟硬件結(jié)合的實體機(jī)器人發(fā)展；文字會先于語音被BOTs大規(guī)模應(yīng)用。
作為“智能化的App”，BOTs盈利模式與移動App高度相似，總的說來仍然為產(chǎn)品、廣告、增值服務(wù)這3大類。
風(fēng)險因素：技術(shù)成熟度及市場推廣低于預(yù)期。(來源：中銀國際證券 文/吳硯靖 編選：中國電子商務(wù)研究中心）
