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数据交互

引言

人机交互过程实际是一个输入和输出过程，人通过人机界面向计算机输入指令，计算机处理后把输出结果呈现给用户。

数据交互：人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式，是人机交互的重要内容与方式。

常见的数据输入过程：

1. 首先由系统向操作者发出提示，提示用户输入及如何输入
2. 接着用户通过输入设备把数据输入给计算机
3. 然后系统响应用户输入，给出反馈信息，并显示在屏幕上（或其他方式显示）
4. 同时系统对用户输入进行检查，如有错误就向用户指出，让用户重新输入

数据交互方式

输入形式决定数据交互方式，可通过多种形式的数据输入界面向计算机输入数据。

1. 问答式对话数据输入交互：

   即系统提问用户回答。简单易用，但单调冗长速度慢，不适合大量数据输入。

2. 菜单选择数据输入交互：

   若数据从一个确定的可供选择的清单中选取输入，可用菜单方式。用户输入代表各项的数字代码可以选择所需数据。更复杂可以使用笔或者鼠标对文字菜单或图标进行选择。

3. 填表数据输入交互：

   类似于在纸上填写表格，屏幕相当于一张纸，这种方法是常用的数据输入方法，对于要处理大量数据的数据库系统来说是最适合的数据输入方法

4. 直接操纵数据输入交互：

   在支持窗口和图形的系统中，可以使用弹出式窗口显示待输入数据的表格，通过光标移动进行查找并按键选取的直接操纵来完成输入。这种方法输入简单方便，不会出错，但输入数据被限定在预定范围内，且编程复杂，系统开销较大。

5. 关键词数据输入交互：此法比菜单选择数据输入更快速有效。如，在绘图系统中将关键词line、broke、rect等作为画直线、折线、矩形的助记符，进行识别和操作。优点是可以利用特征直接进行选择，并可以不同顺序输入。

6. 条形码数据输入：条形码是由许多粗细不等的竖线组成的标签（暗带），这些竖线在特定的位置“显现”或“不显现” 表示某个特定的数据。条形码由条形码读入器读入，读入器在横穿过条形码时挑出暗带，并根据暗带在特定位置[X,X+1]等处是否出现来表示条形码序列，并把条形码序列翻译成数据序列。计算机将条形码数据与商品库数据相比较以计算出商品的编号、品名、价格等数据。

7. •光学字符识别（OCR）： OCR系统可以让计算机通过模式比较来识别一些具有不同字体和大小的印刷体。首先它让字符识别系统熟悉字体的特征，使计算机系统了解这种字体的规则，然后将这些规则记忆到模式匹配算法中。 OCR主要应用：办公室自动化的文本输入

8. 声音数据输入交互：此法输入的速度很快，最大特点是不用手和眼睛，适合不宜使用纸张及不能使用键盘的场合。

9. 图像数据输入：通过对图像进行特征提取和分析，自动识别限定的标志、字符、编码结构，或者出现在图像内的其他特征。

数据交互设备

人向计算机输入数据和发出控制信息，对于计算机而言为输入；计算机向用户呈现数据和反馈信息，对于计算机而言为输出。

常见的数据输入设备：键盘、鼠标、触摸屏等；

常见的数据输出设备：显示器、打印机、扬声器等。

新型人机交互技术（如虚拟现实）使用更复杂的设备，输入设备有数据手套、三维空间跟踪器、数据服装、语音识别等；输出设备有头盔显示器（HMD）、三维声音产生设备、语音合成设备等。

输入交互方式分为两类：

• 精确交互方式，是指能用一种交互技术来完全说明人机交互目的的交互方式，系统可以精确确定用户的输入。如鼠标、键盘、触摸屏幕、定位器和光笔等。
• 非精确交互方式。是指用户利用不能精确输入的交互方式，如使用话音，姿势、头部追踪、凝视等方式输入。

精确交互中，WIMP界面与某一交互通道结合后，即可完全表达用户的交互目的，在非精确交互中，用户只有使用两种属于不同通道的交互技术才能完全表达交互目的。

数据输入设备

键盘

键盘是文字性数据的输入的主要工具，可有不同的结构、外形及键码排列方式。目前最常用的键盘是20世纪70年代设计的QWERTY键盘。

键盘一般由字母键、数字键、专用符号键、光标控制键、修改键、功能键等组成。有些键入空格键、回车键、Shift键和Ctrl键一般比其他键稍大，使手指容易接触，提高可靠性。

多数计算机还提供了包含一组附加的用于特殊功能或编程功能的功能键，通常有F1~F12。在软件开发中，功能键可用来定义计算机系统预定的功能，而不必输入一串命令字符串。

标准键盘的手腕和手的位置使人不舒服，是不符合人机工程学标准的。

现代键盘融入了高科技的概念和人机工程学的设计，使用更舒服。

依据人机工程学设计原则，苹果、微软、飞利浦等公司分别设计了裂开式的人机工程学键盘。如罗技的极光无影手键盘；微软的Natural Keyboard Pro人机工程学键盘；西门子虚拟键盘和可折叠键盘。

QWERTY 布局

1870年，克里斯托弗·莱瑟姆·肖尔斯（Christopher Latham Sholes）

键盘的精巧布局尽量减少了键与键之间的相互干扰，堪称是机械设计的典范

使得频繁使用的键尽量搭配开，因此它增加了手指的移动距离

Dvorak 布局

1920年

手指的移动距离至少减少了一个数量级

尽管减少了错误的产生，但是人们对它的认可却是一个缓慢的过程

从适应老式键盘转变为适应这种新式键盘，大约需要进行一周的正规训练，然而大多数的用户并不愿意在这上面花费时间

ABCDE 风格

它的26个字母以字母表的顺序排列，一个好处就是非打字人员也能轻易的找到键的位置

其它键盘问题

• 因为少数键的位置，IBM个人电脑键盘被广受批评
  • 其中最关键的反斜杠位于打字员期望的Shift键位置
  • 几个特殊字符的位置靠近Enter键
• 数字键布局
• 手腕和手的位置

光标移动键

• 上，下，左，右
• 有些键盘还提供对角线
• 自然布局是最好的
• 倒T的布局可以让用户把他们手中间的三个手指对应放在三个键上，这样可以减少手和手指的移动
• 十字型布局，对于新用户来说也是一个很好的
• 通常包括自动重复功能
• 对表格填充和直接操纵很重要
• 其它移动可以通过TAB、ENTER、HOME键来实现

键盘和小型设备的键盘

• 无线或折叠式键盘
• 虚拟键盘
• 布键盘
• 软键
• 笔和触摸屏

鼠标

鼠标用来控制光标在显示屏上的位置，并向主机输入用户所选中的操作命令或操作对象。鼠标有机械鼠标、光学鼠标、光学机械鼠标三种。

机械鼠标内部有一个直径约2.5cm的橡胶球，该球的上下方向和左右方向各有一个转轮和它相接触，这两个转轮各自连到一个电阻元件上。

光学鼠标不需要滚动球，鼠标在配有精细网格坐标平板上滑动时，底部装置的光电检测器将移动的网络数据转换后传送给计算机，从而完成光标的同步移动。

光学机械鼠标介于上述二者之间，装有橡胶球，不需要特殊平板，但可通过光电检测实现数据转换。

鼠标按键数目有单键、双键、三键。苹果电脑通常使用单键鼠标，双键鼠标称MS鼠标，三键鼠标叫做PS鼠标。鼠标工作于双键或三键状态主要取决于软件。

鼠标操作方式：

定位 、单击 、释放、拖动、双击

目前流行的新型鼠标主要有：Karna公司的Razer Booms Lang 2000鼠标；罗技公司的极光银貂鼠标；微软光学全功能鼠标和无线鼠标

跟踪球（Tracing Ball）

跟踪球的工作原理同鼠标一样，在结构上可把跟踪球看成鼠标倒置，在鼠标中滚动球在鼠标底部，在跟踪球中，滚动球在顶部。球体可在其支架内自由旋转，由其旋转量转换成两正交方向的运动量，进而控制屏幕上光标的移动方向和大小。

跟踪球占用空间小，多用于笔记本以及空中交通控制中心，或一些电子游戏中。

操纵杆

操纵杆是一种间接的定位设备，它是一个可左右前后扳动的杆，它并不是直接控制屏幕光标的位置，而是控制屏幕光标移动的方向和速率。操纵杆适宜跟踪目标的原因是移动的光标所需要的位移相对较小，同时易于变换方向。目前操纵杆常应用于游戏中。

触摸屏(Touch Panel)

触摸屏是一种直接在显示屏上输入的装置。这类输入设备是在屏幕表面直接安装透明的二维光敏器件阵列，通过用户直接用手指接触它时光束被阻断来检测手指位置。一般触摸屏分为：电阻式、电容式、表面声波式、红外线扫描式和矢量压力传感式五种触摸屏。触摸屏操作简便，在屏幕上输入并显示，构成一个整体化的交互显控系统，广泛应用于机场、车站银行等，不适于编辑或绘图。

手写板

手写板是手写输入系统的感应设备。

• 按输入笔与手写板连接方式分为有线笔和无线笔两类。
• 按是否可以感知手写力度分为有压感和无压感两种。
• 安所采用的连线方式和压感技术的不同分为有线无压、有线有压、无线无压、无线有压四种。

手写板工作原理：

1. 基于电阻手写板技术的手写板。原理简单成本较低，但需要用户使用时用力，容易疲劳，手写板寿命也受影响，目前较少见。
2. 基于电容式手写板技术的手写板。工作原理与电阻压力板基本一样，主要通过手写笔向基板施加压力时，电容值的改变来定位手写笔的位置。使用起来也不方便，产品寿命短，书写笔画没有粗细浓淡变化，目前也比较少见。
3. 基于电磁压感技术的手写板。是目前最为流行的手写板，表层有一块电路板，当电路通电后会在手写板上方的一定范围内产生磁场，同时在手写笔中也有可以产生磁场的装置。使用方便，用户即使没有接触到手写板也可由磁场相互感应来确定手写笔位置。

光笔

光笔是一种较早应用于绘图系统的交互输入设备，用户用它在屏幕上指点一个点就能执行选择、定位和其他任务。光笔与图形软件相配合，可以在显示器上完成输入、绘图、修改图形和变换图形等复杂功能。

光笔形状和普通钢笔相似，由透镜、光导纤维、接触开关以及附加的光电元件、放大整形电路组成。当使用者手持光笔并按下接触开关时，光笔开始工作；放开开关，光笔即关闭。

使用光笔的缺点：需要计算机跟踪程序的配合，每次捡取目标都要抬起光笔，指向屏幕再放下，容易引起疲劳，且跟踪或拖动光标速度不快。目前光笔多应用于手写板，PDA中。

数字化输入板

数字化输入板又称图形输入板，它是间接的定位设备，由图形版和触笔指示器以及电子处理器三部分组成。指示器可在图形版上移动。指示器上透明十字标记帮助用户对准目标，下部按钮供用户选取或输入命令。

数字化输入板的优点：可完成精确图形数字化，完成屏幕光标控制。现在可在数字化输入板上附加字符识别软件，完成文本输入、定位、识别等功能。

手势板

手势板是一种利用自然手势进行计算机输入的设备，是一种超轻薄、大幅面的手势输入工具。大小和普通鼠标垫差不多，可完全模拟单指控制的普通鼠标和手写板的各种操作，如点击、拖曳、卷动以及各种组合功能。同时它能识别多个手指画出的各种图形并完成更复杂的操作。

例如，手指画一条波浪线，计算机会打开浏览器用于网上冲浪；做一个顺时针方向拧开瓶盖的手势，计算机会打开一个文件；关闭文件就用逆时针旋转来拧紧瓶盖；在文字处理中若想移动文字，只需用手指抓起，移动合适位置再放下。

三维输入设备

目前的三维交互设备还处于探索阶段，主要有以下几种：

• 浮动鼠标Flying Mouse.类似标准计算机鼠标，当它离开桌面后成了6自由度的探测器，大部分浮动鼠标内部装有电磁探测器。

• 手持式操纵器Wand.包含一个位置跟踪探测器和几个按钮，适合手持使用，类似于浮动鼠标，没有鼠标球，不能在桌面上滚动。

• 力矩球或空间球Space Ball.安装在一个小型的固定平台上，可以扭转、压下、拉出和来回摇摆。

• 数据手套Data Glove.数据手套基于手势输入技术。最早的手势输入技术是手指在二维平面空间移动的信息识别技术。现在的手势输入技术以扩展到三维空间，其输入装置就是数据手套。

  数据手套可以捕捉手指和手腕的相对动作，提供各种手势信号，包括6自由度探测，用于跟踪手的实际位置和方向。

  现代数据手套采用光纤作为传感器，手套中植入一个或多跟光纤，当光纤收到压力改变弯度时，光在光纤中的传输会发生变化，通过检测分析这种变化，可精确知道手的姿势和移动位置等信息。光纤柔软轻便，数据手套广泛应用于虚拟现实系统中，可通过数据手套实现抓取或推动物体的操作。

数据输出设备

输出设备主要包括视觉输出设备和听觉输出设备。视觉输出设备主要包括显示器、打印机等输出设备。

显示器

显示器按原理或显示器件分为阴极射线管显示器（CRT）、发光二极管显示器（LLD）、液晶显示器（LCD）和等离子显示器（PD）等，目前常用主要液晶型。

阴极射线管显示器：使用最早最常用，技术成熟、寿命长、可靠性高、可现实各种灰度和色彩。CRT显示原理是电子束光栅扫描，结构类似电视机，但显示器不需要电视机的高中频电路，比电视机具有更宽的同步范围和更高的分辨率。

液晶显示器像一块颜色稍暗的玻璃，这块玻璃由前后两片玻璃封装而成，在两片玻璃之间填充液晶材料。它利用液晶晶格的方向在电场的作用下发生变化来显示信息。

液晶显示器和阴极射线管显示器显示方向不同，阴极射线管显示器是主动显示，即本身发出可见光。而液晶显示器是被动显示，即本身不发光，而是将外来光纤反射后显示出来。

在多通道人际交互和虚拟现实中，头盔式显示器（Head Mounted Display,HD）应用较多。头盔式显示器采用立体图绘制技术来产生两幅相隔一定间距的透视图，并直接显示到对应用户左右眼的两个显示器上。头盔上装有液晶显示器和立体声输出装置。

操作者头部位置变动，显示器显示出不同的立体图像，有视觉、听觉、触觉和味觉感受。

头盔式显示器除了应用于虚拟现实外，已得到逐步普及。新的应用是头戴式电脑，它的屏幕像镜片一样可以戴在眼前，只有普通邮票大小，但清晰度如同15存电视机一样，主机挂在腰间，键盘有60个按键，可戴在手腕上，这种电脑的出现给人们的生活方式以及计算机行业带来一股清风。

打印机是常用的输出设备，用来输出硬拷贝。

按打印方式分为击打式打印机和非击打式打印机。击打式打印机有点阵打印机、菊花轮打印机、链式打印机等。非击打式打印机包括喷墨打印机、静电打印机、激光打印机，还有用于高级精美印刷的热升华打印机、热蜡打印机等。

数据输入窗口的设计

数据输入界面的目标是尽量简化用户工作、尽可能减少输入的出错率。设计时要尽可能减少用户记忆负担、使界面具有预见性和一致性、防止用户输入出错、增加自动数据输入等。

1. 尽量减少用户的输入工作量

   以下方法可减少输入工作量：对共同的输入内容设置默认值（缺省值）；使用代码或缩写；自动填入已输入过的内容或需重复输入的内容；若输入内容来自一个有限备选集，可提供列表选择或指点方式。

2. 向用户提供反馈

   首先要明确向用户提示需要输入数据的位置；其次向用户显示用户的输入值，提示有效的输入回答或数值范围。由此可显示系统接收此输入，也可让用户检查输入是否正确。

3. 防止用户出错和修改机构

   可通过以下办法防止出错

   确认输入：按下确认键时，输入才被确认；

   明确取消：若用户想修改而中断一个输入序列，已输入数据不要立刻丢弃；

   确认删除：为避免错误的删除操作造成的损失，在键入了删除命令后，必须进行特别的删除确认，然后才执行删除操作。

   当用户完成一个文件的输入过程，允许用户进行编辑，进行删除、修改、显示等操作，以修改用户正在输入的数据或回去修改以前的输入。

数据输入窗口设计

• 数据输入的主要方式：填表输入。经常用在电子商务、数据库系统、信息系统办公自动化等应用领域。
• 填表输入的优点：能够把系统需要的数据明确提示给用户进行输入，用户不需要经过学习和训练，不必记忆有关语义、语法规则，可以容易完成输入工作。
• 填表输入界面设计需要考虑：表格设计和表格在屏幕上的显示及编辑功能设计，设计要素包括：

有含义的表格标题。点明主题，标题选择用户熟悉的词语；

易于理解的指导性说明文字。采用简短明了的用于描述用户的任务，且注意自始至终要保持指导说明文字的风格统一。

栏目按逻辑分组排序。相关栏目应该互相邻接，对准排齐，用分割线或空一行方式区分各个组，排序应该反映通用的模式。