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清ヽ(′▽?zhuān)?ノ華大學(xué)領(lǐng)銜揭秘人機交互的清華發(fā)展狀況（人工智能三維交互）

第一次使用手機語(yǔ)( ?° ?? ?°)音助手的時(shí)候，它總是大學(xué)會(huì )在我興沖沖地問(wèn)一個(gè)問(wèn)題之?后，令人失望地回答一句：“我好像聽(tīng)不懂你在說(shuō)什么……”

后來(lái)技術(shù)演進(jìn)，領(lǐng)銜它終于能夠通過(guò)我的??揭秘交互交互一些關(guān)鍵詞，聽(tīng)懂我說(shuō)什么了。人機但一板一眼，展狀一字一句，況人程式化十足。工智

不可否認，清華人工智能正在變得越來(lái)越“聰明”，大學(xué)也越來(lái)越貼近人類(lèi)，領(lǐng)銜未來(lái)它會(huì )是揭秘??交互交互什么樣子呢？

近日，清華由清華大學(xué)人工智能研究院、人機北京智源人工智能研究院和清ヽ(′?｀)ノ華-中國工程知識智能聯(lián)合研究中心發(fā)布了《人工智能之人機交互》報告（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《報告》），展狀《報告》梳理了其概念定義和發(fā)展歷程，況人重點(diǎn)??研究了主要技術(shù)的發(fā)展情況、領(lǐng)域專(zhuān)家現狀和應用領(lǐng)域，??并探討了人機交互未來(lái)發(fā)展趨勢。

如果您想獲得本報告的全文pdf，請在雷鋒網(wǎng)(公眾(zhong)號：雷鋒網(wǎng))(公眾號：雷鋒網(wǎng))(公眾號：雷(′?｀)鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng)))微信（leip??hone-sz）回復關(guān)鍵ヽ(′ー｀)ノ詞“609報告”提取。

文檔來(lái)源：清華大學(xué)人工智能研究院

一、人機交互發(fā)展史

1、概念

人機交互（Human-Computer Interaction, HCI），作為一(╯‵□′)╯個(gè)術(shù)語(yǔ)，首次使用是在由 Stuart K. Card，Allen Newell 和 Thomas P. Moran 撰寫(xiě)的著(zhù)作“The Psychology of Human-Computer Interact??ion??”里，它是一門(mén)研究系統與用戶(hù)之間的交互關(guān)系的學(xué)問(wèn)。系統可以是各??種各樣的機器，也可以是計算機化的系統和軟件。

人??機交互界面通常是指用戶(hù)可見(jiàn)的部分，用戶(hù)通過(guò)人機交互(????)界面與系統交流，并進(jìn)行操作。人機交互技術(shù)是計算機用戶(hù)界面設計中的重要內容之一，它ヽ(′ー｀)ノ與認知學(xué)、人機工程學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有密切的聯(lián)系。

人機交互??技術(shù)的發(fā)展與國民經(jīng)濟發(fā)展有著(zhù)直接的聯(lián)系，它是使信息技術(shù)融入社會(huì )、深入群體，達到廣泛應用的技術(shù)門(mén)檻。任何一種新交互技術(shù)的誕生，都會(huì )帶來(lái)其新的應用人群、新的應用領(lǐng)域，帶來(lái)巨大的社會(huì )經(jīng)濟效益。

從企業(yè)的角度， 改善人機交互能夠提高員工的生產(chǎn)效率，學(xué)(xue)習人機交互能夠降低產(chǎn)品的后續支持成本。

在個(gè)人的角度，可以幫助用戶(hù)有效地降低錯誤發(fā)生的概率，避免由于錯誤引發(fā)的損失。

在??現代和未來(lái)的社會(huì )里，只要有人利用通信、計算機等信息處理技術(shù)進(jìn)行社會(huì )活動(dòng)，人機交互都是永恒的主題，鑒于它對科技發(fā)展的重要性，人機交互是現代信息技術(shù)(shu)、人工智能技術(shù)研究的熱門(mén)方向。

2、發(fā)展歷程

過(guò)去的幾十年間，人機界面經(jīng)歷了從命令行界面到圖形用戶(hù)界面兩個(gè)主要發(fā)展階段的演變；近年來(lái)，人機界面的發(fā)展越來(lái)越(╬?益?)強調交互的自然(′?｀)性，即用戶(hù)的ヽ(′▽?zhuān)?/交互行為與其生理和認知的習慣相吻合，隨之出現的主要的交互界面形式為觸摸交互界面和三維交互界面。

基于命令行界面（Command-line Interface, CLI），用戶(hù)使用鍵盤(pán)按照一定的規則輸入字符，以形成可供機器識別的命令和參數，并觸發(fā)計算機進(jìn)行執行。

其優(yōu)點(diǎn)是由于鍵盤(pán)輸入相對較高的準確率，以及幾乎不需要冗余的操作，所以熟練的用戶(hù)可以達到非常高的??交互效率，同時(shí)，通(tong)過(guò)規則的設計，命令行界面也能支持豐富靈活的指令形式。

命令行界面的??缺點(diǎn)在于交互非常不直觀(guān)，由于機器命令與自ヽ(′?｀)ノ然語(yǔ)言的構造規則往往相去甚遠，所以用戶(hù)需要記憶大量的指??令，有時(shí)甚至需要具備計算機領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識和(he)技能，才能達到較高的使用效率。這對 于新手用戶(hù)而言大大提??升了學(xué)習成本，也顯著(zhù)影響了普通用戶(hù)使用命令行界面時(shí)的體驗。

圖形用戶(hù)界面的一大優(yōu)勢是擺脫了抽象的命令，通(′?_?`)過(guò)利用人們與物理世界交互的經(jīng)驗來(lái)與計算機??交互，從而顯著(zhù)降低了用戶(hù)的學(xué)習和認知成本。然而，由于圖形用戶(hù)界面的基本操作是指點(diǎn)，┐(′д｀)┌ 即用戶(hù)需要使用指針來(lái)選擇交互目標，因而其往往對用戶(hù)指點(diǎn)操作的精度有較高的要求。此外，由于鼠標設備所在的控制域（Motor Spac??e）與界面顯現的顯示域（??Visual Space）是分??離的，因而用戶(hù)需要對目標進(jìn)行間接的交互操作（Indirect Manipulation），從而更??加增加了交(′_｀)互的難度。

觸摸交互界面一般包括頁(yè)面 （Page）、控件??（Widget）、圖標（Icon）( ?ω?)和手勢（Gestu??re）這四類(lèi)主要的交互元素。用戶(hù)通過(guò)觸摸、長(cháng)按、拖拽等方式直接操控手指接觸的目標，或(′?｀)者通(′?｀*)過(guò)繪制手勢的方式觸發(fā)交互指令。

目前，觸摸界面主要存在于智能手機和可穿戴設備（如智能手表）等設備ヽ(′ー｀)ノ上。觸摸交互界面的優(yōu)勢是充分利用(yong)了人們?觸摸物(wu)理世界中物體的經(jīng)驗 ，將間接的交互操作轉化為直接的交互操作 （ Direct Manipulation），從而在保留了一部分觸覺(jué)反( ?ヮ?)饋的同時(shí)，進(jìn)一步降低了用戶(hù)的學(xué)習和認知成本。

然而，觸摸操作受困于著(zhù)名的“胖手指問(wèn)題”，即由于手指本身的柔(′_｀)軟，以及手指點(diǎn)擊時(shí)對于屏幕顯示內容??的遮擋，在觸屏上點(diǎn)擊時(shí)往往難以精確地控制落點(diǎn)的位置，輸入信號的粒度遠遠低于交互元素的響應粒度。同時(shí)，由于觸摸交互界面的形態(tài)仍然為二維界面，所以這限制了一些與三維交互元素的交互操作。

用(yong)戶(hù)一般通過(guò)身體（如手部或身體關(guān)節）做出一些動(dòng)作（如 空中的指點(diǎn)行為，或者肢體的運動(dòng)軌跡等），以與(yu)三維空間中的界面元素進(jìn)行??交互，計算機通過(guò)捕捉用戶(hù)的動(dòng)作并進(jìn)行意圖推理，以觸發(fā)對應的交互功能。

目前， 三維交互界面主要存在于體感交互、虛擬現實(shí)、增強現實(shí)等交互場(chǎng)景中。

三維交互界面的優(yōu)勢是進(jìn)一步突破了二維交互界面的限制，將交互擴展到三維空間中。(??-)? 因此，用戶(hù)可以按照與物理世界中相同的交互方式，與虛擬的(de)三維物體進(jìn)行交互，從而進(jìn)一步提升交互自然度，降低學(xué)習成本。

此外，由于相對于(′ω｀)圖形用戶(hù)界面和觸摸交互界面，動(dòng)作交互的幅度一般較大，所以交互的效率??也較低，同時(shí)更容易讓用戶(hù)感到疲勞ヽ(′▽?zhuān)?ノ。

二、技術(shù)發(fā)展方向

目前，人機交互技術(shù)主要發(fā)(fa)展方向包括以下幾個(gè)類(lèi)別：

觸控交互、聲控交互、動(dòng)作(zuo)交互、眼動(dòng)交互、虛擬現實(shí)輸入(ru)、多模式交互以及智能交互等。

1(′ω｀*)、觸控交互

顯示器從僅向用戶(hù)輸出可(′▽?zhuān)?視信息??到成為一種交互界面裝置主要是歸因于觸控功能與顯示器的一體化模式，尤其是在移動(dòng)裝置上的使用。

目前有四種技術(shù)方式能實(shí)現觸控交互。

電阻觸摸屏通過(guò)壓力感應原理來(lái)實(shí)現對屏幕進(jìn)行操作和控制。當手指觸摸屏幕時(shí)，薄膜下層的 ITO 會(huì )和玻璃上層的 ITO 有一個(gè)接觸點(diǎn)，在 X 軸方向就其(qi)中 一面導電層導通了 5V 均勻電壓場(chǎng)，此時(shí)采樣得到的(de)電壓由零變?yōu)橐粋€(gè)正電壓值， 感應器檢測到電壓導通，傳出相應的電信號，進(jìn)行(′_｀)模/數轉換，最終將轉換??后的 電壓值與 5V 相比，即可計算出觸摸點(diǎn)的 X 軸坐標值。同理可以??計算出 Y 軸的 坐標值，這樣就完成了點(diǎn)選的動(dòng)作，并呈現在屏幕上。

當手指觸摸電容式觸摸屏時(shí)，在工作面接通高頻信號，此時(shí)手指與(′；ω；`)觸摸屏工 作面形成一個(gè)耦合電容，這相當于導體，因為工作面上有高頻信號，手指觸摸時(shí)在觸摸點(diǎn)吸走一個(gè)小電流，這個(gè)小電流分別從觸摸屏的四個(gè)角上的電極流出，流經(jīng)四個(gè)電極的電流ヽ(′ー｀)ノ與手指到四角的直線(xiàn)距離成比例，控制器通??過(guò)對(dui)四個(gè)電流比例 的計算，即可得出接觸點(diǎn)坐標值。

當手指觸摸屏幕時(shí)，紅外光線(xiàn)將(jiang)被阻斷，依次選通紅外發(fā)射管及其對應的紅外接收管，在屏幕上方形成一個(gè)紅外線(xiàn)矩陣平 面，從而致使紅外接收端的電壓產(chǎn)生變化，紅外接收端的電壓經(jīng)過(guò) A/D 轉換送達控制端，控制端將據此進(jìn)行計算得出觸摸位置。

表面聲波式觸摸屏主要依靠??安裝在強化玻璃邊角上的超聲波換能器來(lái)實(shí)現觸摸控制的。當手指觸摸顯示屏時(shí)，手指阻擋了一部分聲波能量的傳播，此時(shí)接收波形將會(huì )發(fā)生變化，在波形圖上可以看見(jiàn)即某一時(shí)刻波形發(fā)生衰減，通過(guò)這個(gè)衰減信號控制器就?可以計算出觸摸點(diǎn)位置。

2、聲控交互

語(yǔ)音識別是將音頻數據轉化為文本(T_T)或其他計算機可以處理的信息的技術(shù)。主要由 4 個(gè)部分組成：特征提取、 聲學(xué)模型、語(yǔ)言模型和解碼器搜索。

語(yǔ)音合成就是將一系列的輸入文字信號序列經(jīng)過(guò)適當的韻律處理后，送入合成器，產(chǎn)生出具有盡可能豐富表現力( ?° ?? ?°)和高自然度的語(yǔ)音??輸出，從而使計算機或相關(guān)的系統能夠發(fā)出像???“人”一樣自然流利聲音的技術(shù)。

語(yǔ)音合成的發(fā)展經(jīng)歷了機械式語(yǔ)音合成、電子式語(yǔ)音合成和基于計算機的語(yǔ) 音合成發(fā)展階段。語(yǔ)音合成具體分??為規則驅動(dòng)方和數據驅動(dòng)方。

3、動(dòng)作交互

目標獲取是人機交互過(guò)程中的最基本的交互任務(wù)，用戶(hù)向計算機指明想??要?????交互的目標，其他的交互命令均在此??基礎上完成。隨著(zhù)交??互界面的發(fā)展，在很多自然交互界面上，如遠距離大(da)屏幕，虛擬現實(shí)和增強現實(shí)設備等，傳統的交互設備 （如鼠標，鍵盤(pán)）無(wú)法繼續用ヽ(′?｀)ノ來(lái)完成目標獲取任務(wù)。

因此，在這些界面上，研究者探索使用動(dòng)作交互完成目標獲取任務(wù)的可能方式。主要的輸入方式分為直接和間接兩種。

直接的動(dòng)作選取要求用戶(hù)通過(guò)接觸目標位置的方式對其進(jìn)行選取，例如在增強現實(shí)應用中，用戶(hù)通過(guò)以手部接觸的方式完成虛擬物體的(de)選取。

間接的目標選取方式則需要用戶(hù)通過(guò)身體部分的位置和姿態(tài)來(lái)控制和移動(dòng)光標，再借助光標指示目標的位置進(jìn)行選取。其中，一個(gè)廣泛應用的光標控制方法是光線(xiàn)投射。

手勢可定義為人手或者手和手臂相結合所產(chǎn)生的各種姿態(tài)和動(dòng)作，它分為靜態(tài)手勢（指姿態(tài)，單個(gè)手形）和動(dòng)態(tài)手勢（指動(dòng)作，由一系列姿態(tài)組成），前者對??應模型空間里的一個(gè)點(diǎn)，后者對應一條軌跡。相應地，可以將手勢識別分為靜態(tài)手勢識別和動(dòng)態(tài)手ヾ(＾-＾)ノ勢識別。

姿勢識別常用的算法有三類(lèi)：（1）基于模板匹配的身體姿勢識別方法； （2(′ω｀)）基于狀態(tài)空間的身體姿勢識別方法；（3）基于語(yǔ)義描述的身體姿勢識別方法。

4、眼動(dòng)交互

常用的幾種眼動(dòng)交互方式主要有一下幾種：

駐留時(shí)間觸發(fā)是指當注 視點(diǎn)的駐留時(shí)間達到一定程度??后，可以利用視線(xiàn)代替鼠標點(diǎn)(?????)擊或鍵盤(pán)按鈕等傳統 輸入設備，觸發(fā)相應(′▽?zhuān)?的執行操作。駐留時(shí)間觸發(fā)多用于控制圖形界面或定位鼠標光標等，是一種較為流行的眼動(dòng)交互方式ヽ(′?｀)ノ，它也能夠反映( ?ヮ?)用戶(hù)有意識的控制意圖， 以更好地完成交互。

平滑追隨運動(dòng)多發(fā)生于觀(guān)察場(chǎng)景中有緩慢移動(dòng)的物體或目標，視線(xiàn)會(huì )(′?_?`)產(chǎn)生平滑追隨的運動(dòng)狀態(tài)。平滑追隨運動(dòng)是一種連續反饋的狀態(tài)，眼睛捕捉運動(dòng)目標的信號，將目標運動(dòng)速度、方向、角度等信息反饋給大腦，再控制眼球跟隨目??標物體(ti)發(fā)生相對運動(dòng)。ヾ(′▽?zhuān)??在此過(guò)程中也會(huì )存在一些無(wú)意識眼跳等其他行為，在沒(méi)有運動(dòng)目標的場(chǎng)景下，一般不會(huì )產(chǎn)生該眼動(dòng)行為??，因此平滑追蹤觸發(fā)一??般不是一種常用的眼動(dòng)交互方式。

眼勢是在眼跳的基礎上提出的，但與眼跳的不同之處在于，眼跳往往是人在觀(guān)察場(chǎng)景或對象時(shí)發(fā)生的一種無(wú)意識的視線(xiàn)轉移，其眼跳的起點(diǎn)和終點(diǎn)都未知， 依賴(lài)于人的視覺(jué)注意。而眼勢被定義為一系列有序的視線(xiàn)行程，每一個(gè)行程是兩個(gè)固定注視點(diǎn)或注視區域(yu)的有意的視線(xiàn)移動(dòng)。因此，眼勢作為一種新的眼動(dòng)交互方式，可以反映人的有意識觸發(fā)意圖。不同路徑的行程可以定義不同的眼勢，不同的眼勢可以映??射為不同的交互指令。眼勢可以分為單行程眼勢和多行程眼勢。

5、虛擬現實(shí)輸入

文本輸入作為應??用中重要的交互技術(shù)，為應(T_T)用提供了重要??的交互體驗。目前??已經(jīng)開(kāi)發(fā) 了多種適用于虛擬現實(shí)的文本輸入技術(shù)，現有的 VR 文本輸入技術(shù)主要有實(shí)體鍵盤(pán)技術(shù)、虛擬鍵盤(pán)技術(shù)、新型輸入技術(shù)（手部輸入技術(shù)、圓形鍵盤(pán)輸入技術(shù)、立體輸入技術(shù)）。

6??、多模(′?ω?`)態(tài)交互

不同形式的輸入組合（例如，語(yǔ)音、手勢、觸摸、凝 視等）被稱(chēng)為多模態(tài)交互模式，其目標是向用戶(hù)提供與計算機進(jìn)行交互的多種選擇方??式，以(yi)支持自然(ran)的??用戶(hù)選擇。 相比于傳統的單一界面，多模態(tài)界面可以被定義為多個(gè)輸入模態(tài)的組合，這些組合可以分為 6 種基本類(lèi)型：

互補型：當兩個(gè)或多個(gè)(ge)輸入模態(tài)聯(lián)合發(fā)布一個(gè)命令時(shí)，它們便會(huì )相得益彰。

等(deng)價(jià)型：當用戶(hù)具有使用多個(gè)模態(tài)的選擇時(shí)，兩個(gè)或多個(gè)輸入模態(tài)是等價(jià)的。 例如，用戶(hù)可以通過(guò)發(fā)出一個(gè)語(yǔ)音命令，或從一個(gè)虛擬的調色板中選擇對象ヽ(′ー｀)ノ來(lái)創(chuàng )建一個(gè)虛擬對象。這兩種模態(tài)呈現的是等(????)效的交互，且最終的結果是相同的。

并發(fā)型：當??兩個(gè)或多個(gè)以上的輸入模態(tài)在同一時(shí)間發(fā)出不同的命令時(shí)，它們是并發(fā)的。例如，用戶(hù)在虛擬環(huán)境用手勢來(lái)導航，與此同時(shí)，使用語(yǔ)音命令在該 環(huán)境中詢(xún)問(wèn)關(guān)于對象的問(wèn)題。并發(fā)型讓用戶(hù)可以發(fā)出命令并執行命令，其體現為在做晚餐的同時(shí)也可也以??打電話(huà)的真(zhen)實(shí)世界的任務(wù)。

轉化型：當兩個(gè)輸入模態(tài)分別從對方??獲取到( ?ヮ?)信息時(shí)它們就會(huì )將(jiang)信息轉化，并使用此信息來(lái)完成一個(gè)給定的任務(wù)。多模態(tài)交互轉化的(de)最佳例子之一是在一鍵通話(huà)界面里，語(yǔ)音模態(tài)從一個(gè)手勢動(dòng)作獲得信息，告訴它應激活??通話(huà)。

7、ヽ(′▽?zhuān)?ノ信息無(wú)障礙中的智能交互技術(shù)

信息無(wú)障礙（information acce(′-ι_-｀)ssibility）是一個(gè)學(xué)科交叉的技術(shù)和應用領(lǐng)域， 旨在用信息技術(shù)彌補殘障人士生理和認知(zhi)能力的不足，讓他們可以順暢地與他?? 人、物理世界和信息設備進(jìn)行交互。

從研究和應用水平上看，信息無(wú)??障礙總體還處于比較初步的狀態(tài)。

在應用上，針對信息訪(fǎng)問(wèn)和設備使用，??具有基本功能的技術(shù)可以被應用，但效果和??效率等可用性指標都不高；在現實(shí)生活中，針對聽(tīng)障人士與他人交流、盲人獨??立出行等，能支撐的新技術(shù)還處于原型和概念階 段。

三、未來(lái)趨勢分析

1、技術(shù)趨勢

技術(shù)趨勢分析描述了技術(shù)的出現、變遷和消亡的全過(guò)程，可以幫助研究人員理解領(lǐng)域的研究歷(′▽?zhuān)?)史和現狀，快速識別研究的前沿熱(re)點(diǎn)問(wèn)??題。通過(guò)技術(shù)趨勢分析可以發(fā)現當前該領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究話(huà)題 TOP10 是：Virtual Reality、 Augmented Reality、Social Media、Social Interaction、Interaction Design、Mobile Device、Social Netwo??rk、Ubiquitous Computing、( ?ヮ?)Mobile Phone、Interaction Technique.

2、國家趨勢

國家趨勢分析顯示當前人機交互領(lǐng)域研究熱度 TOP10 的國家分別是：United States、United Kingdom、Germ??any、Canada、China??、Japan、So??uth Kor(???)ea、Australia、France、Netherla.

3、機構趨勢

機構趨勢分析顯示當前(′_｀)人機交互領(lǐng)域研究熱度 TOP10 的機構分別是：Carnegie Mellon University、Washington?? Colleg??e、Univer??sity of California、Stanford Univ??ersity、University of Micヽ(′?｀)ノh??igan、Massachusett??s Institute of Tech??nology、Georgia Institute of Technology、C(???)ornell University、Seoul National University、Yonsei University.

人機交互作為終端產(chǎn)品引領(lǐng)技術(shù)，其作用已經(jīng)為產(chǎn)業(yè)界所普遍認識，多種自然交互??技術(shù)和新型交互終端相繼面世，但圖形用戶(hù)界面仍是交互的主導模式。計算無(wú)所不在，人機交互的研究和開(kāi)發(fā)空間很大，自然高效的交互是發(fā)展趨勢，需要綜合地探索自然交互技術(shù)的科學(xué)原理，建立明確的(′▽?zhuān)?優(yōu)化目標，結合智能技術(shù)， 發(fā)展高效可用的自ヽ(′ー｀)ノ然交互技術(shù)。