人機交互技術(shù) 課件3人機交互模型

人機交互技術(shù)第一章

人機交互概述人機交互模型人機交互框架模型

在人機交互領(lǐng)域的模型研究方面，較早提出的一個有影響的模型是Norman的執(zhí)行-評估循環(huán)模型。Norman將人機交互過程分為執(zhí)行和評估兩個階段，其中包括建立目標、形成意圖、動作描述、執(zhí)行動作、理解系統(tǒng)狀態(tài)、解釋系統(tǒng)狀態(tài)與根據(jù)目標和意圖評估系統(tǒng)的狀態(tài)七個步驟。修正后的Norman模型

Abowd和Beale在1991年修正了Norman模型，這個模型為了同時反映交互系統(tǒng)中用戶和系統(tǒng)的特征，將交互分為系統(tǒng)、用戶、輸入和輸出四個部分一個交互周期中有目標建立、執(zhí)行、表示和觀察四個階段，圖中每一個有向弧線表示了這四個階段，每一個階段對應(yīng)著一中描述語言到另一種描述語言的翻譯過程。一個交互周期以用戶的目標建立階段開始。

人機界面模型

人機界面模型是人機界面軟件的程序框架，它從理論上和總體上描述了用戶和計算機的交互活動。隨著人機界面功能的增長，人機界面的設(shè)計也變得復雜，交互式應(yīng)用系統(tǒng)中界面代碼占70%以上。人機界面模型主要任務(wù)有任務(wù)分析模型、對話控制模型、結(jié)構(gòu)模型和面向?qū)ο竽Ｐ偷取?/p>

任務(wù)分析模型基于所要求的系統(tǒng)功能進行用戶和系統(tǒng)活動的描述和分析；對話控制模型用于描述人機交互過程的時間和邏輯序列，即描述人機交互過程的動態(tài)行為過程；結(jié)構(gòu)模型從交互系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)觀點來描述人機界面的構(gòu)成部件，它把人機交互中的各因素，如提示符、錯誤信息、光標移動、用戶輸入、確認、圖形、文本等有機地組織起來；面向?qū)ο竽Ｐ褪菫橹С种苯硬倏v的圖形用戶界面而發(fā)展起來的，它可以把人機界面中的顯示和交互組合成一體作為一個基本的對象，也可以把顯示和交互分離為兩類對象，建立起相應(yīng)的面向?qū)ο竽Ｐ汀?/p>

人機界面結(jié)構(gòu)模型

Seeheim模型

Seeheim模型是一種界面和應(yīng)用明確分離的軟件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)于1985年在德國的Seeheim舉行的國際人機界面管理系統(tǒng)研討會上首先提出。該模型分為應(yīng)用接口部件、對話控制部件和表示部件三個部件。

Arch模型

Arch模型是1992年在Seeheim模型基礎(chǔ)上提出來的。由領(lǐng)域特定部件、領(lǐng)域適配部件、對話部件、表示部件和交互工具箱部件五部分組成。

對話部件：負責任務(wù)排隊，領(lǐng)域適配器部件是協(xié)調(diào)對話部件和領(lǐng)域特定部件之間的通訊。

交互工具箱部件：是實現(xiàn)與終端用戶的物理交互，表示部件是協(xié)調(diào)對話部件和交互工具箱部件之間的通訊。

領(lǐng)域特定部件：是控制、操作及檢索與領(lǐng)域有關(guān)的數(shù)據(jù)。

面向?qū)ο蟮挠脩艚缑娼换ツＰ统Ｒ姷拿嫦驅(qū)ο蟮挠脩艚缑娼换ツＰ桶∕VC模型、PAC模型、PAC-Amodeus模型、LIM模型和YORK模型等：

MVC模型PAC模型

MVC模型是1983年提出的面向?qū)ο蟮慕换ナ较到y(tǒng)概念模型，該模型是在Smalltalk編程語言環(huán)境下提出來的。由控制器、視圖和模型三類對象組成。

模型：表示應(yīng)用對象的狀態(tài)屬性和行為。

視圖：負責對象的可視屬性描述。

控制器：是處理用戶的輸入行為并給控制器發(fā)送事件。

優(yōu)點：（1）可以為一個模型在運行時同時建立和使用多個視圖。（2）視圖與控制器的可接插性，允許更換視圖和控制器對象，而且可以根據(jù)需求動態(tài)的打開或關(guān)閉、甚至在運行期間進行對象替換。（3）模型的可移植性，因為模型是獨立于視圖的，所以可以把一個模型獨立地移植到新的平臺工作。MVC的優(yōu)點與缺點缺點：（1）增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的復雜性。對于簡單的界面，嚴格遵循MVC，使模型、視圖與控制器分離，會增加結(jié)構(gòu)的復雜性，并可能產(chǎn)生過多的更新操作，降低運行效率。（2）視圖與控制器間過于緊密連接。視圖與控制器是相互分離但又卻是聯(lián)系緊密的部件，如果視圖沒有控制器的存在，其應(yīng)用是很有限的。（3）視圖對模型數(shù)據(jù)的低效率訪問。依據(jù)模型操作接口的不同，視圖可能需要對此調(diào)用才能獲得足夠的顯示數(shù)據(jù)。PAC模型是Coutaz于1987年提出的一種叫做多智能體的交互式系統(tǒng)概念模型。PCA模型PAC模型和MVC模型之間有四個重要的區(qū)別:

（1）PAC模型Agent將應(yīng)用功能與陳述、輸入和輸出行為封裝在一個對象中。

（2）PAC模型用一個獨立的控制器來保持應(yīng)用語義用戶界面之間的一致性。

（3）PAC模型沒有基于任何一種編程環(huán)境。

（4）PAC模型將控制器獨立出來，更加符合UIMS的設(shè)計思想，可以用來表示用戶界面不同的功能部分。

用戶概念模型

用戶概念模型：是一種用戶能夠理解的系統(tǒng)描述，它使用一組集成的構(gòu)思和概念，描述系統(tǒng)應(yīng)該做什么、如何運作、外觀如何等。人機系統(tǒng)設(shè)計的首要任務(wù)是建立明確的、具體的概念模型。概念模型可以分為基于活動的概念模型和基于對象的概念模型兩大類。

基于活動的概念模型

指示類模型：描述的是用戶通過指示系統(tǒng)應(yīng)該做什么來完成自己的任務(wù)，例如，用戶可向某個系統(tǒng)發(fā)出指示，要求打印文件。在Windows和其他GUI系統(tǒng)中，用戶則使用控制鍵，或者鼠標選擇菜單項來發(fā)出指令。指示類型或者支持快速、有效的交互，因此，特別適合于重復性的活動，用于操作多個對象。

對話模型的概念模型：是基于“人與系統(tǒng)的對話”模式設(shè)計的，它與“指示”類型的模型不同?！皩υ挕笔且粋€雙向的通信過程，其系統(tǒng)更像是一個交互伙伴，而不僅僅是執(zhí)行命令的機器，最適合用于那些用戶系用查找特定類型的信息，或者系統(tǒng)討論問題的應(yīng)用。實際的“對話”方式可采用各種形式，如電話銀行、訂票、搜索引擎和援助系統(tǒng)。

操作與導航概念模型：利用用戶在現(xiàn)實世界中積累的知識來操作對象或穿越某個虛擬空間。例如，用戶通過移動、選擇、打開、關(guān)閉、縮放等方式來操作虛擬對象。也可以使用這些活動的擴展方式，即現(xiàn)實世界中不可能的方式來操作對象或穿越虛擬空間，例如，有些虛擬世界允許用戶控制自身的移動，或允許一個物體變成另一個物體。

搜索與瀏覽概念模型：搜索與瀏覽概念模型的思想是使用媒體去發(fā)掘和瀏覽信息，網(wǎng)頁和電子商務(wù)網(wǎng)站都是基于這個概念模型的應(yīng)用?；趯ο蟮母拍钅Ｐ?/p>

對象類型的概念模型是基于對象的模型。這類模型要更為具體，側(cè)重于特定對象在特定環(huán)境中的使用方式，通常是對物理世界的模擬。例如，“電子表格”就是一個非常成功的基于對象的概念模型?；趯ο蟮母拍钅Ｐ陀小敖缑姹葦M”和“交互范型”。

“界面比擬”是采用比擬的方法將交互界面的概念模型與某個（或某些）物理實體之間存在著的某些方面的相似性體現(xiàn)在交互界面設(shè)計中?！敖缑姹葦M”將人們的習慣或熟知的事物同交互界面中的新概念結(jié)合起來，“桌面”和“電子表格”既可以歸類為基于對象的概念模型，同時也是界面比擬的例子。

交互范型（InteractionParadigm）是人們在構(gòu)思交互設(shè)計時的某種主導思想或思考方式。交互設(shè)計領(lǐng)域的主要交互范型就是開發(fā)桌面應(yīng)用——面向監(jiān)視器、鍵盤和鼠標的單用戶使用等。隨著無線、移動技術(shù)和手持設(shè)備的出現(xiàn)，已開發(fā)出各種新的交互范型。這些交互范型已經(jīng)“超越桌面”。如無處不在的計算技術(shù)，滲透性計算技術(shù)、可穿戴的計算技術(shù)、物理/虛擬環(huán)境集成技術(shù)等等。GOMS預測模型

目標操作方法和選擇行為模型（GoalOperatorMethodSelection，GOMS）是人機交互領(lǐng)域最著名的預測模型，是用于分析交互系統(tǒng)中用戶復雜性的建模技術(shù)，主要被軟件設(shè)計者用于建立用戶行為模型。它采用“分而治之”的思想，將一個任務(wù)進行多層次的細化，通過目標（Goal）、操作（Operator）、方法（Method）以及選擇規(guī)則（Selectionrule）四個元素來描述用戶行為。GOMS模型

目標是用戶執(zhí)行任務(wù)最終想要得到的結(jié)果。它可以在不用的抽象層次中定義。如“編輯一篇文章”，高層次的目標可以定義為“編輯文章”，低層次的目標可以定義為“刪除字符”，一個高層次的目標可以分解為若干個低層次目標。

操作是任務(wù)分析到最底層時的行為，是用戶為了完成任務(wù)所必須執(zhí)行的基本動作，如雙擊鼠標左鍵、按下回車等。在GOMS模型中它們是原子動作，不能再被分解。一般情況下，假設(shè)用戶執(zhí)行每個動作需要一個固定的時間，并且這個時間間隔是與上下文無關(guān)的，如點擊一下鼠標按鍵需要0.20秒的執(zhí)行時間，即操作花費的時間與用戶正在完成什么樣的任務(wù)或當前的操作環(huán)境沒有關(guān)系。

方法是描述如何完成目標的過程。一個方法本質(zhì)上來說是一個內(nèi)部算法，用來確定子目標序列及完成目標所需要的操作。如在Windows操作系統(tǒng)下關(guān)閉一個窗口有三種方法：可以從菜單中選擇CLOSE菜單項，可以使用鼠標點擊右上角的“X”按鈕，也可以按ALT+F4。在GOMS中，這三個子目標的分解分別稱為MOUSE-CLOSE方法和F4方法。圖給出GOMS模型中關(guān)閉窗口這一目標的方法描述。關(guān)閉窗口行為描述實例

選擇規(guī)則是用戶要遵守的判定規(guī)則，是已確定在特定環(huán)境下所使用的方法。當有多個方法可供選擇時，GOMS中并不認為這是一個隨機的選擇，而是盡量預測可能會使用哪個方法，這就需要根據(jù)特定用戶、系統(tǒng)狀態(tài)、目標細節(jié)來預測。CMOS模型GOMS模型的應(yīng)用：（1）選出最高層的用戶目標。實例中EDITING任務(wù)的最高層目標是EDIT-MANUSCRIPT。（2）寫出具體的完成目標的方法，即激活子目標。實例中EDIT-MANUSCRIPT的方法是完成目標EDIT-UNIT-TASK，這也同時激活了子目標EDIT-UNIT-TASK。（3）寫出子目標的方法。這是一個遞歸的過程，一直分解到最底層操作時停止。從實例的層次描述中可以了解到如何通過目標分解的遞歸調(diào)用獲得子目標的方法，如目標EDIT-UNIT-TASK分解為ACQUIRE-UNIT-TASK和EXECUTE-NUIT-TASK兩個子目標，并通過順序執(zhí)行這兩個子目標的方法完成目標EDIT-UNIT-TASK。然后通過遞歸調(diào)用，又得到了完成目標ACQUIRE-UNIT-TASK的操作序列，這樣這層目標也就分解結(jié)束；而目標EXECUTE-NUIT-TASK又得到了子目標序列，因此還需要進一步分解，直到全部成為操作序列為止。

基建層次模型

擊鍵層次模型（KLM）可對用戶執(zhí)行情況進行量化預測，能夠比較使用不同策略完成任務(wù)的時間。量化預測的主要好處是便于比較不同的系統(tǒng)，以確定何種方案能最有效地支持特定任務(wù)。擊鍵層次模型的內(nèi)容

Card等人在KLM模型上施加的約束是KLM模型只能應(yīng)用到一個給定的計算機系統(tǒng)和一項給定的任務(wù)。同時，與GOMS模型類似，KLM的應(yīng)用要求任務(wù)執(zhí)行過程中不出現(xiàn)差錯，并且完成任務(wù)的方法事先已經(jīng)確定。也就是說，KLM能夠用來預計任務(wù)差錯執(zhí)行的時間。KLM模型由操作符、編碼方法、放置M操作符的啟發(fā)規(guī)則組成。擊鍵層次模型的局限型

正如Card等人的初衷，KLM模型高度關(guān)注人機交互方面，其目的是為執(zhí)行標準任務(wù)的時間進行建模。但KLM沒有考慮到錯誤、學習型、功能性、回憶、專注程度、疲勞、可接受性等問題。不過Card等人也指出，雖然KLM模型沒有考慮用戶出錯的情況，但是如果知道彌補方法，KLM模型同樣可以預測執(zhí)行彌補任務(wù)的時間。

動態(tài)特性建模

狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)

狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)（StateTransitionNetwork，STN）用于描述用戶和系統(tǒng)之間的對話已經(jīng)有很多年的歷史，它的第一次使用可以追溯到20世紀60年代后期，在20世紀70年代后期開發(fā)為一種工具。STN可被用于探討菜單、圖標和工具條等屏幕元素，還可以展示對外圍設(shè)備的操作。狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)最常用的形式是狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（StateTransitionDiagram，STD）。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是有向圖，圖中的節(jié)點表示系統(tǒng)的各種狀態(tài)，圖中的邊表示狀態(tài)之間可能的轉(zhuǎn)移。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖示例

事件1使用戶從狀態(tài)1到狀態(tài)2，事件4使用戶從狀態(tài)3’到狀態(tài)2’。STN還可以表示手柄、鼠標等外圍設(shè)備的操作。這樣可以幫助設(shè)計者確定的設(shè)備在應(yīng)用中是否合適，還可以指導用于新型界面的指點設(shè)備的開發(fā)。

三態(tài)模型

三態(tài)模型能夠揭示設(shè)備固有的狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。交互設(shè)計者使用設(shè)備的三態(tài)模型幫助確定任務(wù)和設(shè)備的相互關(guān)系，并為特定的交互設(shè)計選擇合適的I/O設(shè)備，不具有特定任務(wù)所需的狀態(tài)的設(shè)備在設(shè)計過程中的初期就被排除在外。

指點設(shè)備可以使用被稱為三態(tài)模型的特殊STN圖來表示所具有的特殊狀態(tài)，即跟蹤運動、拖動運動和無反饋運動。其