人机交互基础知识

人机交互的一方面是人，随着 UCD 的发展，人机交互中人的因素越来越重要。因此，人机交互的基础研究，必须回到人本身，包括人的认知、心理等各个方面。

信息处理模型

信息处理模型即将人对外界信息的接收、存储、集成、检索和使用等过程进行建模，进行任务的分析、设计和预测。典型的信息处理模型有：

• 信息处理机模型：包括输入、编码、比较、响应选择、响应执行、输出等过程。一个扩展是：引入了注意和记忆功能，它们与信息处理的各个阶段均存在着交互。

扩展的信息处理机模型

• 人类处理机模型：是最著名的信息处理模型。包含三个交互式组件：感知处理器（类似传感器，将外界信息处理后输出到位于工作记忆的相应“音频”和“视频”存放区）、认知处理器（根据长期记忆和工作记忆进行处理，再将结果输出到工作记忆中）和动作处理器（用于执行任务）。这一模型之所以经典且重要，是因为它基于一系列认知实验数据，所以成为了后面很多工作的基础。

人类处理机模型

工作记忆和长期记忆

• 工作记忆：是人们在进行认知任务时，用于存储和处理信息的临时存储器。它是一个有限容量的存储器，用于存储短期信息，以便在认知任务中使用。
• 长期记忆：是人们存储知识和信息的永久存储器。它是一个几乎无限容量的存储器，且存储的信息是永久存在的，虽然有时可能会遗忘（无法提取，但不会丢失），但可以很快地复原。

下面还会详细介绍这一部分。

人类处理机模型存在的一些问题主要为：只关注单个人、单个任务的处理。而在实际的人机交互中，人们往往需要协作，因此，分布式认知模型和外部认知模型应运而生。

格式塔心理学

格式塔心理学研究人是如何从整体上感知一个良好组织的模式的。它认为事物的整体区别于部分的组合，即整体大于部分。由此出发，提出了以下几种原则：

相近性原则

空间上比较靠近的物体，容易被视为整体。因此应该对相关的元素进行分组，并将组内的元素靠近放置，组间的元素远离放置。

近的元素被视为一组
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合理运用接近性法则，它能让界面层次清晰有序。

相似性原则

人们习惯将看上去相似的物体看成一个整体。因此，相似功能的元素应该具有相似的外观，以便用户能够快速识别。

相似的元素被视为一组
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例如，可以较为常用的功能用大而高饱和度的图标表示，不常用的功能用小而低饱和度的图标表示。

连续性原则

人的视觉倾向于完整地连接一个图形，而不是将其视为零散的碎片。因此，将元素对齐，更有助于用户理解。

人脑会自动连接连续的元素
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对称性原则

人们倾向于将对称的物体视为整体。规则、对称的物体能给人一种坚不可摧的感觉，不管有多远的距离，都可以将其归属在一起并成为一个相对的整体。

常见的瀑布流就应用了对称性原则
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完整性与闭合性原则

人们倾向于忽视轮廓的间隙而将其视作一个完整的整体。因此，应该合理地应用界面上的空白，来给人带来希望达到的效果。

一个巧妙的方式是，当我们希望提示某个边缘组件再边界外还有内容，可以显示它的一部分，让用户知道还有内容，同时不会让用户感到界面过于拥挤。

一种常用的设计思路

前景和背景

人们倾向于将前景和背景分开，优先注意前景。通过对主体与背景关系的处理，可以向用户传递出不同内容的优先级。

利用前景和背景凸显元素
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前景和背景

前景和背景在某些情况下可以互换。例如，当我们希望突出显示某个元素时，可以通过调整背景的颜色、透明度等来实现。

前景和背景的互换

人脑的记忆结构

人脑的记忆结构主要包括感觉记忆、短期记忆和长期记忆三个阶段，阶段之间可以进行信息交换。

• 感觉记忆：即瞬时记忆，在人脑的停留时间约为一秒钟。它帮助我们把相继出现的一组图片组合成一个连续的图像序列，产生动态的影像信息。
• 短时记忆：又称工作记忆，由感觉记忆编码形成，在人脑的停留时间约为 30 秒。它储存的是当前正在使用的信息，是信息加工系统的核心，可理解为计算机的内存。
• 长时记忆：短时记忆中的信息，如果与已有长时记忆区中的信息有联系，可以经进一步加工后会变为长时记忆。长时记忆的信息容量几乎是无限的，且长时记忆的信息是永久存在的。长时记忆中的信息有时是无法提取，但不代表长时记忆区的信息丢失了。

$7\pm 2$ 法则

短时记忆的容量是有限的，心理学家曾经提出了$7\pm 2$法则，即短时记忆的容量大约为五个到九个信息单元。因此，在菜单上一般只有七个选项，工具栏上一般只有七个图标。

在图形用户界面中，有时可以摒弃 $7\pm 2$ 法则设计约束，在界面上放置多个界面组件。这是因为，图形用户界面利用视觉空间将信息外部化，使用户不必依赖短期记忆来记住信息。通过图标、菜单、按钮和提示，用户可以直接在界面上看到所需的信息，而不必同时记住所有选项。此外，图形用户界面设计通常遵循分层注意力模型，根据用户的使用场景和目标划分信息的优先级。用户不会一次性关注所有界面组件，而是基于任务需求逐步处理界面信息。因此，图形用户界面设计可以突破 $7\pm 2$ 法则的限制，但这并不意味着 $7\pm 2$ 法则出现了错误。

界面类型

• 命令行界面
• 图形用户界面：包括 WIMP 和 GUI，其中 WIMP 是 Windows、Icon、Menu、Pointer 的缩写，是 GUI 的一种。目前研究的问题为如何进行窗口管理、消除图标歧义等。
• 多媒体界面：在单个界面中组合不同的媒体。
• 信息可视化仪表盘
• 虚拟现实和增强现实
• 新兴技术：如触摸交互、手势界面、实物界面、脑机界面、可穿戴计算等等。

人机交互的发展历史

人机交互发展历史的整体表现为：

• 新的界面变革包含了上一代界面；
• 旧的交互方式仍有其存在的必要性，因为过去的用户不可能完全消失；
• 利用原有技术实现新的交互手段。

主要发展阶段

• 批处理阶段：单用户，单任务，使用机器语言编程。局限性很显然，完全不符合人的认知和习惯，既低效又容易出错，只适合专业人员。
• 联机终端时代 命令行界面：是一维界面（回车后无法更改），需要用户记忆命令。局限性为可修改性差、操作严格、易出错、用户学习成本高。但相比批处理，在效率上有了很大的提升。挑战为如何为各种命令制定恰当的名称以减少用户的记忆负担。
• 图形用户界面 GUI：用户可在窗口内选取任意交互位置，且不同窗口之间能够叠加（WIMP设计）。显然，能为用户提供更加直观方便的操作方式。但也存在信息过载、操作复杂等问题。实际上，不同的交互方式本身在可用性方面并没有根本性的不同，也不存在绝对的优劣之分。一些著名的事件为：
  • $1963$年，$\text{Ivan Sutherland}$ 发明了第一个交互式绘图系统，他还制作了第一个交互式头盔；
  • $1964$ 年，$\text{Douglas Engelbart}$ 发明了鼠标；
  • $1973$ 年，$\text{Xerox}$ 公司发明了首台搭载图形界面的个人计算机；
  • $1984$ 年，$\text{Apple}$ 公司推出了Macintosh，获得了商业的巨大成功；
  • $1987$ 年，$\text{Microsoft}$ 公司正式推出了 MS Windows。

未来的人机交互

下一代界面的主要风格将是没有命令的用户界面，由更多的媒体类型来构成更高的信息维度，交互也将高度便携和个性化。上文介绍的新兴技术将会成为未来人机交互的主要发展方向。