人机界面的技术发展史

1．1 人机交互（Human-Computer Interaction,HCI） 人机交互技术（Human-Computer Interaction Techniques）是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。它包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题等。人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一。它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。 1946年：由指示灯和机械开关组成的操纵界面 1980年代：由终端和键盘组成的字符界面 1990年代：由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI）， PC，工作站，WIMP（W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices）界面，所见即所得 21世纪：虚拟现实（VR）技术的应用（发展方向） 1.2 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。 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，包括：数据交互、图像交互、语音交互、行为交互等。 1．3 人机交互与人机界面的关系 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。 1．4 操作界面Operator Interfaces / 人机界面 Human Machine Interface 在工业自动化中的应用 人机界面（Human-Machine Interface），是人与机器进行交互的操作方式，即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。好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率。 狭义的人机界面（Human Computer Interface）是计算机学科中最年青的分支学科之一。它是计算机科学和认知心理学两大科学相结合的产物，它涉及当前许多热门的计算机技术，如人工智能、自然语言处理、多媒体系统等，同时也是吸收了语言学、工业设计、人机工程学和社会学的研究成果，是一门交叉性、边缘性、综合性的学科。随着计算机应用领域的不断扩大，计算机已经变成一种商品，可以装在人们的口袋里，用来帮助人们处理日常的办公业务和生活事务，自然的人机界面与和谐的人机环境已逐步变成信息世界关心的焦点，尤其是在竞争激烈的市场环境之中，人性化的用户界面更是计算机或者内藏计算机的各类装置赢得客户的重要品质。广大的软件研制人员和计算机用户愈为迫切地需要符合"简单、自然、友好、一致"原则的人机界面。 人机界面的发展 　　手工操作:最早的计算机采用 　　命令通行无阻:DOS等操作系统采用 　　图形用户界面:Windows系列采用 　　人机界面的设计和开发在整个系统的研制中占40%～60%的比重。 　　多媒体人机交互方式: 　　输入 　　键盘输入:传统方式 　　鼠标输入:图形用户界面的重要输入方式 　　手写输入:手写汉字识别,"平板电脑" 　　语音输入 　　触摸屏输入 　　数字化仪输入:适用于CAD/CAM系统 　　扫描输入:条形码、扫描仪、光电阅读器 　　三维输入：数据手套、三维鼠标、力矩球等 　　视觉输入：摄像设备。机器人的视觉 　　输出 　　显示终端输出：重要工具。 　　声响输出：声波 　　打印输出：标准输出设备之一 　　三维输出：产生三维输出的设备有投影显示器、头盔显示器、电视眼境等 　　多媒体人机交互技术应用领域 　　软件界面设计：多媒体化 　　自然语言人机交互 　　输入输出装置的设计 　　计算机辅助设计和制造（Computer Aided design CAD/Computer aided manufacturing CAM） 现今的操作界面系统比以往的都要复杂，对他们所监控的处理过程提供更高精度的监视和控制。其功能可以从一个PLC终端到一个强大的处理平台。在它的基础形态中，界面可以做数据处理，并可以以任意一种方式发送信息给操作者，从文本信息到生动的图形。如今，由于技术的推进，应用规模也日益增大。虽然OI正被开发适应更多的需求，然而用户仍然不断地提出更多的要求。 1．5 工业自动化人机界面发展模式概括： （一）狭长线设计 Advantech自动化公司的 TPC-1260触摸式平板计算机提供一个功能强大的、冷运行处理器在一个无风扇、狭长线设计中。该器件具有12.1-in. SVGA TFT LCD，耐久触摸屏，自由轴储存和一个Transmeta Crusoe 5400 处理器。它提供在板的128MB DRAM和一个紧凑的flash驱动器。该部件支持Windows XP/CE，具有一个保护等级为NEMA 4/IPC 65前面板AL-Mg腔体，使得它适合粗糙的环境。为了在轴自由度不是临界的地方应用，可以使用狭长型器件。 UXGA分辨率显示器 Ann Arbor 技术公司的weblink21高功能工业计算机集成一个大的UXGA 21-in.显示器。模拟耐久性触摸屏具有NEMA4保护等级的铝制前斜面为标准型。主要特性包括：1.7 GHz Pentium 4处理器、DDR RAM （upgradable to 1 GB）、在板100/10 baseT以太网端口、CD-ROM、4USB 端口、附加 6 开放式PCI 插槽。增强的RAM、DVD驱动器、附加USB端口和NEMA 4X 不锈钢斜面是其中的选项。 （二）综合接受能力 GE Fanuc公司推出的快速面板控制和清晰视觉解决方案合并带有Cimplicity机器编辑软件的QuickPanel系列触摸屏和Microsoft Windows CE操作系统。在单独平台上的包容能力提供增强的生产能力和成本效能。触摸屏在一个合并有自动化软件的硬件平台上呈现灵活的、可扩展性能。Cimplicity机器编辑器——一个开放的、集成软件包，适合机器级编程、监控和数据捕获和故障监测——以推动应用软件的开发。 （三）透明访问 Omron电子公司S高级操作界面从单个屏幕上访问信息从PLC到远离的三个网络。信息可以从一个以太网网络、Controllerlink网络（Omron的专有网络），同时上行到两个串行端口。HMI特有4通道视频输入模块去显示来自视觉检测传感器的照相机图象。连通性给予用户广泛的网络访问数据，梯形监控工具可以监控PLC梯形图程序从一个系统菜单，而不需要膝上型电脑或PC。NS保护等级为NEMA 4。 （四）扩展的触模式面板 AutomationDirect 公司的EXTouch触摸面板的扩展系列包括8，10和15-in.狭长器件。狭长型面板使用FDA兼容的塑形材料和触摸覆盖物组成，包括1/4-in。FDA兼容O形垫圈。典型的模块带有内置的数据通路附加接受能力和以太网选择卡。10和15-in.面板带有Modbus Plus、DeviceNet、Profibus或Ethernet I/P接受能力。市场起始定价为419美元，可选择彩色或黑白两种。 （五）可编程人机界面 Xycom Automation公司推出的GP2x01系列触摸式可编程操作界面GP2x01系列触摸式可编程操作界面可以运行在决大多数环境中。该器件特有铝制壳体结构，保护等级为NEMA 4x，Class 1，Div2危险区域认证，紧凑的闪卡实现数据记录并直接提高了配置软件。该器件支持一个宽范围的流行的串行通讯驱动器，可选择的通讯扩展模块提供网络接口，可连接DeviceNet、Profibus、Modbus Plus、AB数据通路plus、AB远程I/O，另外附加标准的RS-232/RS-485网络。 （六）基于文本的HMI Square D/Schneider电气公司推出的Telemecanique Magelis XBT-N操作界面Square D/Schneider电气公司的Telemecanique Magelis XBT-N操作界面被设计为简单并可重复的机器。保护等级为NEMA 4X适合室外使用，UL Class 1, Div. 2危险场所保护，该线性化、小型化基于文本的HMI易于安装和编程。四种规格呈现出高的功能性，并且特有快速响应时间。来自于键盘的操作者行为或来自PLC的要求完成时间少于30ms。操作面板使用软件设置键进行客户化定制，开放的标准确保了它同Schneider电气公司和其他第三方组件的兼容性。 1．6 操作界面Operator Interfaces / 人机界面 Human Machine Interface 和人机工程学的关系 界面是否符合人机工程学原理？你的操作员接口终端是否会给你带来痛楚？我不是指只是由于不能正确发挥功能而引起的失望和沮丧。我指的是真实的感同身受的痛楚，如同任何真正的计算机终端，一个HMI会遭遇到健康以及与安全有关的使用问题等。当结合HMI工作时，一般说来，正确的符合人机工程学不是工程师们内心首先考虑的事情，然而，不关心人机工程学原理会导致作业成本上升的后果，这还没有提到眼睛的过度疲劳，腕关节综合症及扭伤等。 什么是人机工程学？有许多的定义，但本质上这是一门严谨的科学。Microsoft的Encarta网上百科全书定义人机工程学为：这是一门科学，它涉及机器产品和系统的设计，其目的是使用它们的人能最大化地感到安全，舒适和有效。专职的人机工程学认证部门（The Board of Certification in Professional at Ergonomics, BCPE）称之为"关于人类能力、人类局限性和人类特点等一系列设计时要考虑的知识"。不管你如何定义，人机工程学在每一个HMI应用中扮演着重要的角色，影响操作员如何有效地使用产品。更重要的是因不遵守人机工程学而引起的伤害，此外，与工作场所有关的人机工程学伤害可能是代价昂贵的员工索赔要求以及工作时间损失的根源。 人机工程学，各有各的不同，能以各种方式向HMI产品提出有关人机工程学方面的挑战。包括，但不仅限于，肌肉-骨架和视力困难等。Bill Martin, Rockwell Automation公司PanelView Plus 700/1500产品经理说："对于HMI设备，有两个有关人机工程学的问题应考虑：抗强光屏幕和容易操作的按钮。如抗强光外罩等器件降低对眼睛的压力，当它积满尘埃或被脏污时很容易卸除或更换，操作员使用抗强光外罩不仅保护视力，也由于其方便和易于维护的优点。"他继续说："很多操作员使用触摸屏是因为触摸屏更容易得心应手，然而，对那些优先选择按钮的人们是因为当压下按钮时，他们能听到和感受到反馈信息从而减少对身心的压力，操作者不需要反复地压下按钮和担心按钮是否已接触。" Dave Kaley, Rockwell Automation公司Mobile View产品经理观察手持式HMI并评论："因为终端就在你的手中，重要的是终端应易于手持和能否操作自如。例如，便携式终端必须使人感到舒服，并且对左手操作还是右手操作的人都是人机工程学友好的。"Kaley建议："握住终端的手需在自然放松状态，不能处于会导致手腕扭伤的笨拙的弯曲或令人不舒服的位置。" Norma Dorst , National Instruments的LabView平台经理指出："一个经常会被忽略的人机工程学领域即如何设置报警，这是人机工程学的一个部分，人们应给予足够的注意。相同的报警不能用于每一个故障事件，声音必需引起操作人员的警觉，但不能到达干扰人们反应能力的程度。不少HMI给出太多的脉冲和闪烁信号，这都不是符合人机工程学的设计。" 可逆循的诀窍 当选择和设计任何的HMI系统时，可考虑以下的人机工程学因素： ■ 在决定选择时，评估所选HMI产品的人机工程学特性及其功能。屏幕是否抗强光？是否容易操作？是否人机工程学友好？ ■ 当使用HMI产品，其功效如同任何计算机时，应对相同的警告和制约进行检验。需将重复的动作压缩到最小。HMI对任何的修改是开放的从而能适应不同的需要。 ■ 当安装任何新系统时，应花费一定的时间去了解人机工程学的概念和原理。符合人机工程学的智能化运行能增加工作效率和减少丧失工时的人身伤害以及因此而带来员工的索赔要求．