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嵌入式人机交互的研究与应用解读

嵌入式人机交互的研究与应用

摘要

随着现代计算机技术的高速发展，人们越来越关注入机交互界面的可用性和

用户使用效率的提高，人机交互已经成为国际计算机界最热门的研究领域。

“以

人为本”、“自然和谐”的交互方式已经成为人机交互学的基本理念。

另一方面，进入二十一世纪以来，基于嵌入式的数字化产品在全球范围内得到了突飞猛进的发展，产生了许多形态各异的嵌入式设备，如PDA、智能手机、机顶盒等等。

嵌入式系统由于其体积小、屏幕尺寸小、操作界面简单、实时性要求高、处理器资源匮乏、存储空间不大等特点，其用户交互界面设计方法与PC平台有很大不同。

论文首先从传统的人机交互学出发，根据嵌入式系统的特点，阐述了人机交

互基本设计原则在应用于嵌入式产品设计时产生的困境，阐述了本文的研究意义。

关键词：

人际交换；嵌入式；原型设计

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodemcomputertechnology,peoplepaymoreandmoreconcerninhuman-computerinterfaceusabilityandtheimprovementofuserefficiency．Human-computerinteraction（HCO）hasbecomeaninternationalcomputerindustrymostpopularfieldofstudy．“People-oriented”,“naturalnessandharmony”havebecomethebasicconceptsofhuman-computerinteraction．

Ontheotherhand，embeddeddigitalproductshasbeenrapiddevelopedonaglobalscale，thisbringsmanydifferentformsofembeddeddevices．Embeddedsystems，becauseoftheirfeaturessuchassmallscreensize,highreal-timerequirements，lackofprocessorsresourcesandsoon,methodsofuserinteractiondesigningbasedonembeddeddevicesandPCplatformsaleverydifferent．

Thispaperstartswiththetraditionalhuman-computerinteractiontheory．Asthecharacteristicsofembeddedsystems，thepaperdescribestheplightofapplyingthebasicdesignprinciplesofhuman-computerinteractionintheembeddedproducts，anddiscussesthesignificanceofthispaper．

KeyWords：

Human-ComputerInteraction；Embedded；PrototypeDesign

目录

1绪论1

1.1课题背景概述1

2人机交换2

2.1换的现状2

2.2人机交互的发展方向3

3嵌入式系统与人机交互3

3.1嵌入式系统4

3.2嵌入式人机交互4

3.3嵌入式人机交互的困境与研究意义5

4嵌入式人机交换展望6

结论8

参考文献10

1绪论

人机交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是关于设计、评价和实现供

人们使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面的主要现象进行研究的科学．近

年来，随着现代计算机技术的发展，嵌入式设备不断更新换代，其性能也越来越

强大。

嵌入式入机交互界面技术已经成为人机交互技术研究的一个重要领域。

阐述了本文的课题背景，同时结合人机交互技术和嵌入式开发技术的实际发展现状，论述本课题设计与研究的意义。

1.1课题背景概述

同其他学科一样，人机交互学首先是为适应人们的生产和生活的需求发展起来的，随后计算机自身技术的进步又促进了这种发展。

20世纪80年代以来，随着机工程学、认知心理学、计算语言学以及人工智能等相关学科的迅速发展和新一代计算机技术研究的推动，人机交互设计和开发已成为国际计算机界最为活跃的研究方向。

针对传统意义上的计算机设备，人机交互学科已经形成了独立的理论体系，强调认知心理学、人机工程学和行为学等某些人文学科的理论指导。

同时，在实践范畴方面，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（Human-ComputerInterface）_词已经逐渐被人机交互（Human-ComputerInteraction）所取代。

同时，作为另一个热门的研究领域一嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

进入二十一世纪以来，基于嵌入式的数字化产品在全球范围内得到了突飞猛进的发展，产生了许多形态各异的嵌入式设备，如手持电脑、可上网的无线移动电话、机顶盒、家庭网关、可上网的车载盒、智能家用电器等等。

嵌入式设备由于其体积小、屏幕尺寸小、操作界面简单、实时性要求高、处理器资源匮乏、存储空间不大等特点，其用户交互界面与传统的PC平台具有很大不同。

一方面，嵌入式设备的交互设计符合人机交互设计的一般规律，可以利用人机交互界面的一般设计方法；另一方面，由于嵌入式设备的独特性，嵌入式交互设计又有其自身的特点。

针对嵌入式设备的人机交互研究目前尚处于起步阶段，目前国内外有许多学者或研究机构针对嵌入式设备上的界面开发规范进行了一些初步的研究。

具有优秀的嵌入式人机交互界面的产品往往能受到用户的欢迎，具有良好的市场前景。

2人机交换

在计算机技术发展的初期，由于系统的运行速度慢、价格昂贵和可靠性差等特点，不可能进行交互使用，用户必须调整自己的行为去适应机器的要求。

因此，与计算机使用中的其它问题相比，交互界面只是一个小问题。

随着计算机性能的提高，系统能够用一部分资源来处理人一计算机交互界面，人机交互开始引起人们的注意。

经过几十年的发展历程，人机交互已经成为一门单独的计算机科学，并在计算机技术的发展中起着越来越重要的作用。

2.1换的现状

入机交互指的是人、计算机以及环境之间通过信息交换进行交互，这种交互是双向的，可由人向计算机输入信息，也可由计算机向人反馈信息。

随着技术的发展和应用的变化，交换的信息内容从简单的字符信息向图形图像、声音、视频等多媒体信息发展，交互的方式也变得多种多样．人机交互的支撑软件和硬件称为人机交互界面，如带有鼠标的图形显示终端，它是用户与计算机系统间的通信媒体或手段，所以人机交互是通过一定的人机交互界面来实现的（如图1所示）。

图1机交互界面在人机系统中的重要地位

人机交互技术几十年来经历了几个不同的主要发展阶段和典型风格（如图2示）。

在第一台计算机ENIAC在宾夕法尼亚大学的实验室中诞生以后，很长的一段时间内，信号灯、开关面板及后来出现的“先进"的纸带、读卡器等成为了人们对人机交互界面的唯一印象。

图2人机交换界面的发展

2.2人机交互的发展方向

如今，“以人为本"、“自然和谐’’的交互方式已经成为人机交互技术的基本理念，概括地讲，新一代人机交互技术的发展将主要围绕以下几个方面：

集成化：

人机交互将呈现出多样化、多通道交互的特点，直接与间接操纵、语音、手势等多种交互手段将集成在一起，成为交互技术的发展方向。

网络化：

无线互联网、移动通信网等的快速发展，对人机交互提出了更高的要求，人机交互应更加需要考虑在不同网络、不同平台下的用户交互。

此外，网格技术等新一代网络技术的发展也给人机交互的发展提供了很好的机遇。

智能化：

在人机交互中，如何使计算机更好的捕捉用户赋予的信息，并做出合适的反馈或动作，提高交互活动的自然性和高效性，是人机交互的重要发展方向。

标准化：

目前在人机交互领域，ISO已经正式发布了许多国际标准，如ISO

13407：

1999、ISO／IEC10741：

1995等等，以指导产品设计、测试和可用性评估。

但是针对不同平台、不同领域的人机交互标准还需要一个长期而变化的过程去制定。

3嵌入式系统与人机交互

针对嵌入式人机交互的研究是人机交互学在各个领域不断发展后的必然。

与人机交互学的其他应用领域一样，嵌入式人机交互首先必须了解嵌入式系统的特点。

3.1嵌入式系统

嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。

嵌入式系统具有以下几个重要的特点：

系统内核小、专用性强、系统精简、需要专门的开发工具和环境。

3.2嵌入式人机交互

通过对标所谓嵌入式人机交互界面，是相对传统人机交互而言。

传统的人机交互由于应用环境不同，系统资源强大，所以在人机交互界面设计时，往往以用户为中心，多考虑功能强大、资源需求庞大的交互界面。

嵌入式人机交互界面则是运行于以嵌入式处理器为核心的硬件系统之上（如图l-4所示），所以嵌入式人机交互原则上要考虑嵌入式系统本身所具有的特点，但又不能过多丢弃传统人机交互的理念。

图4嵌入式系统结构与嵌入式人机交互界面

在嵌入式设备HI]Ht]兴起的早期，常见的机顶盒、PDA等小型手持式设备上，由于硬件条件等的限制，使用的人机交互方式非常简单，一般通过键盘、开关、LED、LCD显示屏等方式进行字符型的交互。

几乎看不到我们在PC机上看到的如GUI等种种支持。

随着手持式设备硬件条件的提高，在最近的WindowsMobile、Symbian、Palm等嵌入式设备上，出现了如温度传感器、压力传感器、

触摸屏、摄像头、语音等人机交互方式。

如前所述，目前国内外的众多计算机专家和研究机构针对人机交互界面开展了大量的研究，制定出了一系列应用于PC平台上的人机界面开发规范和基本原则。

但是针对嵌入式设备的人机交互研究目前尚处于起步阶段。

3.3嵌入式人机交互的困境与研究意义

近几年来，嵌入式计算机在应用数量上远远地超过了传统的通用计算机。

在制造工业、仪器、过程控制、通讯、仪表、军事装备、汽车、船舶、航空航天、消费类产品等方面均是嵌入式设备的应用领域。

嵌入式系统面向用户的特性决定了嵌入式人机交互方式在所有嵌入式系统开发中的重要地位。

我们时常在PC机上看到Windows图形用户界面，以及Linux上的kde、gnome，SUN的Machintosh，这些图形用户界面美观且方便用户操作，功能全面。

嵌入式系统经常有一些特殊的要求，而这些要求是普通的PC机上的图形窗口系统不能满足的。

比如特殊的外观效果、控制提供给用户的函数、提高装载速度、特殊的低层图形或输入设备。

因此，嵌入式系统必须要有自己的交互界面。

嵌入式设备中最影响用户交互界面设计的因素是屏幕的物理尺寸而非屏幕的分辨率。

嵌入式设备的屏幕分辨率一般为128X160，176X220，320X240，有的时候可以高达640×480，但是屏幕的物理尺寸却不能过高，3英寸几乎是嵌入式设备的极限，如果你还想把它们装在口袋里的话。

实际上随着技术的进步，生产厂商可以不断地为嵌入式设备的屏幕增加分辨率，但是却不能无限制地增加屏幕的物理尺寸，因为这样做的后果就是你的嵌入式设备和你的PC一样大。

一旦屏幕的物理尺寸固定，那么在屏幕上显示给最终用户的内容也将固定。

随着智能手机、PDA、MP3、MP4、电子词典等设备的普及，已经有很多人拥有了自己的嵌入式设备。

大部分人在选择购买新的设备之前，都比较关注外在的东西，比如说漂亮的工业设计或者是硬件配置参数，很少去关注它们的内在。

但是一旦他们真的从商店购买回来开始使用，他们就会发现低效愚蠢的用户界面会使这些设备变得十分难用。

销售商和生产商必须更加了解用户的心理，他们必须确切地知道用户需要什么，尽管有的时候这些要求是那么不合理。

一个有趣的普遍现象表明，当消费者对产品的相关专业知识了解得越多，他们对产品外在的需求就越少，内在的需求会增多。

内在的需求通常指软件设计，但是在用户的眼里，内在的需求就是用户交互界面设计。

嵌入式人机交互界面的设计对用户的重要性究竟如何?

除了主屏以外，在购买之前，普通用户通常并不太注意具体的用户交互界面设计，但是一旦他们开始使用这些设备并和其他设备进行比较，他们就会了解到设备的实际交互效率，而这一感受通常会在消费者心中建立对设备本身甚至品牌的第一印象。

如果不幸设备很难用，那么用户会在下一次更换设备时放弃这一品牌。

有一些嵌入式产品在人机交互上做得十分出色，例如苹果公司出品的Ipod手持播放器、Iphone智能手机，Sony公司的PSP手持游戏机等等。

这些操作简洁、界面舒适的产品往往受到用户的欢迎，拥有良好的市场前景。

目前大多数的程序员，尤其是经常设计桌面平台的软件系统的设计人员，在设计嵌入式设备的系统时，常常会把传统的计算机设计方法和人机交互设计方法应用到嵌入式产品的设计中。

在设计理念中无法摒弃彩色的大屏幕、桌面隐喻、大量电源与内存、完整的键盘和鼠标等等。

完全忽视了嵌入式设备所固有的特性导致的屏幕大小、显示密度、操作复杂性等等问题。

正如著名的Ul专家AlanCooper所说：

“不要把桌面计算机世界中的所有行李（这里指习惯用法和术语）带到照相机和微波炉的设计中。

一所以我们很难见到优秀的嵌入式交互界面作品，包括Microsoft公司的PocketPC也是在吸取了许多教训之后才能不断地改进。

可见，基于嵌入式设备的人机交互研究具有重要的科学和现实意义。

4嵌入式人机交换展望

“人本界面”的理念已经深入人心，人机交互学也已经成为计算机科学中越来越重要的一个分支。

优秀的人机交互界面对于嵌入式设备的重要性也随着Iphone、PlayStationPortable等优秀交互设备的风靡全球而得到验证。

CarnegieMellon大学、NewYork大学、Califomia大学、Helsinki设计学院等大学或研究机构先后创立了嵌入式人机交互实验室。

近几年的IEEE和谐人机环境的会议上，越来越多的国内外专家已经把研究重心转移到嵌入式人机交互上。

目前实验室已经开始着手于信息化作战环境下的航空电子系统人机交互界面设计的研究。

通过合适的设计来满足用户需求是嵌入式产业界的发展目标，优秀而多元化的交互界面设计代表了嵌入式系统更加人性化的未来。

针对嵌入式人机交互界面的研究，对完善人机交互学应用领域，改进嵌入式人机交互效率，提高嵌入式设备制造水平，提高人类生活水准，具有重大的学术意义和社会应用价值。

结论

人机交互，简单来说，就是人类与计算机交流互动。

两者之间有这样一个传导链：

通过人机接口技术，使人能够与计算机发生联系;而计算机则通过一种界面，使人能了解联系后的效果。

人机交互是计算机系统的重要组成部分，是当前计算机行业竞争的焦点，它的好坏直接影响计算机的可用性和效率。

计算机处理速度和性能的迅猛提高并没有相应提高用户使用计算机交互的能力，其中一个重要原因就是缺少一个与之相适应的高效、自然的人-机界面。

人机交互是未来IT的核心技术，也是目前国际上计算机科学研究领域中的一个热点。

随着计算机在人们日常生活和工作中的作用越来越大，人机交互技术变得越来越重要。

致谢

在此次设计中，首先感谢的是我的课程设计老师姚培娟老师，让我巩固了嵌入式及以前所学的很多知识，使我从单纯的理论学习上升到了实践应用学习这一环节。

通过学习这个课程，我的理论知识和动手能力在一定程度上都得到了提高，也学到很多新知识。

我了解到只有理论联系实际，结合专业知识来分析解决问题；掌握用嵌入式进行实际产品开发的基本过程，加强模块化设计思想的培养，才能对专业的产生浓厚的兴趣，从而为我们以后的工作打下基础。

参考文献

【1】郭亚军，金先级．人机交互【M】．武汉：

华中科技人学出版社，2005．

【2】陈启安．软件人机界面设计口涯1．北京：

高等教育出版社，2004．

【3】盂祥旭，李学庆．人机交互技术．原理与应用[MI．北京：

清华大学出版社，2004．

【4】董士海．人机交互的进展及面临的挑战【J】．计算机辅助设计与图形学学报，2004．

【5】戴文华，焦翠珍．嵌入式系统下的图形用户界面设计【J】．湖北民族学院学报（自然科学版），2005．

【6】吕凌鸥．嵌入式人机界面组态软件研究【D】．辽宁：

大连理工大学，2006．

【7】刘元盛．嵌入式系统在远程控制中的应用fD】．北京：

北京交通大学，2004．

【8】王炳锡．实用语音识别基础【M】．北京：

国防工业出版社，2005：

33．

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。

——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。

——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

8、读书要三到：

心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。

——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。

——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。

——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。

——笛卡儿

17、学习永远不晚。

——高尔基

18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。

——刘向

19、学而不思则惘，思而不学则殆。

——孔子

20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。

——培根