二、 当前人机工程技术研究的发展趋势

1人机界面技术研究

在人机工程学中人机界面是最重要的一个研究分支，它是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息交流的一切领域都属于人机界面。可将设计界面定义为设计中所面对、所分析的一切信息交互的总和，它反映着人一物之间的关系。

广义的人机界面：在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称为人-机界面，人与机之间的信息交流和控制活动都发生在人机界面上。机器的各种显示都“作用”于人，实现机-人信息传递；人通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，经过脑的加工、决策，然后作出反应，实现人-机的信息传递。人机界面的设计直接关系到人机关系的合理性。研究人机界面主要针对两个问题： 显示和控制。 

狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面。人机界面（Human-Computer Interface），又称人机接口、用户界面（User Interface）、人机交互（Human-Computer Interaction），是计算机科学中最年轻的分支科学之一。它是计算机科学和认知心理学两大科学相结合的产物，同时也吸收了语言学、人机工程学和社会学等科学的研究成果。通过30余年的发展，已经成为一门以研究用户及其与计算机的关系为特征的主要学科之一。尤其80年代以来，随着软件工程学的迅速发展和新一代计算机技术研究的推动，人机界面设计和开发已成为国际计算机界最为活跃的研究方向。随着计算机技术、网络技术的发展，人机界面学的发展，会朝着以下几个方向发展：

（1）高科技化 

信息技术的革命，带来了计算机业的巨大变革。计算机越来越趋向平面化、超薄型化；便捷式、袖珍型电脑的应用，大大改变了办公模式；输入方式已经由单一的键盘、鼠标输入，朝着多通道输入化发展。追踪球、触模屏、光笔、语音输入等竞相登场；多媒体技术、虚拟现实及强有力的视觉工作站提供真实、动态的影像和刺激灵感的用户界面，在计算机系统中，各显其能，使产品的造型设计更加丰富多彩，变化纷呈。

（2）自然化 

早期的人机界面很简单，人机对话都是机器语言。由于硬件技术的发展以及计算机图形学、软件工程、人工智能、窗口系统等软件技术的进步，图形用户界面(Graphic User Interface)、直观操作(Direct Manipulation)、“所见即所得”(What you see is what you get)等交互原理和方法相继产生并得到了广泛应用，取代了旧有“键入命令”式的操作方式，推动人机界面自然化向前迈进了一大步。然而，人们不仅仅满足于通过屏幕显示或打印输出信息，进一步要求能够通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体、手势或口令，更自然地“进入”到环境空间中去，形成人机“直接对话”，从而取得“身临其境”的体验。

（3）人性化 

现代设计的风格已经从功能主义逐步走向了多元化和人性化。今天的消费者纷纷要求表现自我意识、个人风格和审美情趣，反映在设计上亦使产品越来越丰富、细化，体现一种人情味和个性。一方面要求产品功能齐全、高效，适于人的操作使用，另一方面又要满足人们的审美和认知精神需要。 现代电脑设计，已经摆脱了旧有的四方壳纯机器味的淡漠。坚锐的棱角被圆滑、单一的米色不再一统天下；机器更加紧凑、完美，被赋予了人的感情。软界面中颜色、图标的使用，屏幕布局的条理性，软件操作间的连贯性和共通性，都充分考虑了人的因素，使之操作更简单、友好。 目前，人机交互正朝着从精确向模糊，从单通道向多通道以及从二维交互向三维交互的转变，发展用户与计算机之间快捷、低耗的多通道界面。 

（4）和谐的人机环境 

今后计算机应能听、能看、能说，而且应能“善解人意”，即理解和适应人的情绪或心情。未来计算机的发展是以人为中心，必须使计算机易用好用，使人以语言、文字、图像、手势、表情等自然方式与计算机打交道。

国外一些大公司如IBM、微软等在中国国内建立的研究院大多以人机接口为主要研究任务，尤其是在汉语语音、汉字识别等方面，如汉语识别与自然语言理解，虚拟现实技术，文字识别，手势识别，表情识别等。我们应该在人机交互方式技术竞争中，特别是在人机界面的优化设计、视觉-目标拾取认知技术等方面取得主动权。

2视觉-目标拾取认知技术研究

眼睛是心灵的窗户，透过这个窗口我们可了解人的许多心理活动。人类的信息加工在很大程度上依赖于视觉，来自外界的的信息有80～90％是通过人的眼睛获得的。眼动的各种模式一直与人的心理变化相关，对于眼球运动即眼动的研究被认为是视觉信息加工研究中最有效的手段，吸引了神经科学、心理学、工效学、计算机科学、临床医学、运动学等领域专家的普遍兴趣，其研究成果在工业，军事，商业等领域得到广泛应用。

在视觉-目标拾取认知技术科学研究中最为重要的问题就是人对信息流的获取（输入）和信息流的控制（输出）这两个问题。据研究人对外部信息流的获取有80%是通过视觉获得的，由于视觉的重要性，有关视觉-眼动系统的研究始终是科学界关注的问题之一，其中有关人眼的搜索机制早就引起了神经病学家、眼科学家、生理学家、解剖学家以及工程师们的极大兴趣，特别是近年来，世界各国对视觉-眼动系统的研究越来越多：NASA、哈佛、麻省、剑桥、牛津等著名科研机构或大学都设有专门的视觉-眼动系统研究部门。而人对外部信息流的控制主要是通过手、脚、口等效应器官进行的，其中研究人的目标拾取运动这一基本、重要的作业运动形式，可以为人机界面系统的设计、评估、操作提供量化的理论依据和理论指导，因此，该研究具有很好的工程应用价值，并一直是工效学、心理学、生理学等学科的研究热点。近年来，随着计算机及人机界面技术的发展，眼动仪在人机界面设计上受到高度重视。美国空军最早在新的人机交互设计中运用视觉追踪技术，最初的主要目的是要把视觉追踪用于战斗机座舱的设计。这一领域的深入研究表明，视觉追踪技术不但可以用于战斗机座舱的设计，而且还可以运用视觉追踪技术，把人眼作为计算机的一种输入工具，形成视觉输入人机界面。另外，日本的ATR通讯系统研究实验室和东京工业大学已将眼动测量用于对虚拟现实的研究，有效地解决了大的视场和高精度的图象显示之间的矛盾。随着高性能摄像机的出现和图象处理技术的发展，眼动仪将朝着高精度、高实用性和低成本的方向发展。

国内对视觉测量的研究起步始于七十年代末、八十年代初。一般都是引进了国外设备作实验研究，西安电子科技大学在自主开发研制眼动仪样机方面做了很多工作。北京航空航天大学人机环境工程研究所九十年代末开展了飞机座舱人机界面评价实验台的研制，利用视觉与眼动系统分析控制面板仪表布局是研究内容之一。

由于人是人-机-环境系统的主体，只有深刻认识人在系统中的作业特性，才能研制出最大程度地发挥人及人机系统的整体能力的优质高效系统。人的目标拾取运动作为人的一种输出形式，具有速度—精确度的折衷关系，即目标拾取运动的完成时间与命中目标的精确度成反比。这种特性广泛存在于人的各种输出和其他控制系统中。所以如何建立人的目标拾取运动过程中实用、精确的速度—精确度折衷关系理论模型就成了研究的主要任务。

三、 前景展望

现代人机系统中，作业人员是在特定环境中操作和管理复杂系统和各种数字化设备，当人在这种环境中工作时，既要靠眼睛来观察环境，又要靠细致的注视来完成精确的控制动作，通过人机工程技术分析，就可知道人在操作时如何分配注意力、体力，同时了解仪表、屏幕以及外视景如何设计和合理分配才能获得最好的人机交互，既减轻操作人员的工作负荷又避免出错，切实提高人机工效。这对于计算机系统、自动化控制、交通运输、工业设计、军事领域以及社会系统中重大事变（战争、自然灾害、金融危机等）的应急指挥和组织系统、复杂工业系统中的故障快速处理、系统重构与修复、复杂坏境中仿人机器人的设计与制造等问题的解决都有着重要的参考价值。

参考文献：
〔1〕袁修干、庄达民， 《人机工程》. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.3
〔2〕袁修干、庄达民，《人-机-环境系统工程计算机仿真》. 北京：北京航空航天大学出版社，2001.12
〔3〕Thomas B. Sheridan and William R. Ferrell. Man-Machine system. The MIT press，1981
〔4〕刘伟、 袁修干，人-机-环境系统虚拟现实技术应用及发展趋势， 人类工效学，2000，6（2）：43-45
〔5〕刘伟、 袁修干、林海燕，飞机驾驶员视觉信息流系统工效综合评定研究，北京航空航天大学学报，2001，27（2）：175-178
〔6〕刘伟、 袁修干、庄达民、柳忠起，眼动测量系统及其在工效学中的应用.航空学报，2001，22（5）：385-389
〔7〕刘伟、 袁修干、杨春信、柳忠起、王睿，生物视觉及其与计算机视觉的比较，航天医学与医学工程，2001，14（4）：303-307
〔8〕Liu Wei、Yuan Xiu-gan、Wang Li-gong、Liu Zhong-qi. Human movement characteristics of target acquisition. 航天医学与医学工程， 2001，14（5）：313-317
〔9〕刘伟、 袁修干，视觉-目标拾取认知技术的研究及思考，北京航空航天大学学报（社科版），2001，14（4）：14-18
〔10〕Liu Wei、Yuan Xiu-gan、Wang Li-gong、Wang Rui、Kong Wei-yong. The Experimental Design and Analyzing of Human Two-Dimension Target-Aiming Movement.航天医学与医学工程，2002，15（6）：385-390


--------------------------------------------------------------------------------

中图分类号：N945文献标识码：A文章编号：1008-4851(2003)-04-0077-05
收稿日期： 2003年9月30日
作者简介： 刘伟，博士，北京城市学院信息学部教师。

转载请注明出处。