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人工智能之人机交互
Research Report of Human-Computer Interaction
2020 年第 3 期
清华大学人工智能研究院
北京智源人工智能研究院
清华-中国工程院知识智能联合研究中心
2020 年 6 月
1 概述篇 ...................................................................................... 1
1.1 人机交互的概念............................................................................................. 1
1.2 人机交互的发展历程..................................................................................... 2
1.3 专家 AI TIME《论道人机交互 VS 智能》 ................................................. 5
2 技术篇 .................................................................................... 13
2.1 触控交互....................................................................................................... 13
2.2 声控交互....................................................................................................... 15
2.3 动作交互....................................................................................................... 21
2.4 眼动交互....................................................................................................... 27
2.5 虚拟现实输入............................................................................................... 31
2.6 多模态交互................................................................................................... 40
2.7 信息无障碍中的智能交互技术................................................................... 42
2.8 人机交互领域必读论文............................................................................... 46
3 人才篇 .................................................................................... 53
3.1 学者情况概览............................................................................................... 53
3.2 代表性学者简介........................................................................................... 56
4 应用篇 .................................................................................... 73
4.1 智能终端....................................................................................................... 73
4.2 智能穿戴....................................................................................................... 75
4.3 智能家居....................................................................................................... 76
4.4 游戏领域....................................................................................................... 77
4.5 教育领域....................................................................................................... 78
4.6 医学领域....................................................................................................... 80
5 趋势篇 .................................................................................... 83
6 结语 ........................................................................................ 85
参考文献 .................................................................................... 87
图目录
图 1-1 人机交互界面的发展 ...................................................................................... 2
图 1-2 Wonder Painter 示例 ........................................................................................ 7
图 1-3 全手型感应 ...................................................................................................... 9
图 2-1 电阻式触摸屏结构示意图 ............................................................................ 13
图 2-2 电容式触摸屏原理示意图 ............................................................................ 14
图 2-3 红外触摸屏原理示意图 ................................................................................ 14
图 2-4 表面声波式触摸屏原理示意图 .................................................................... 15
图 2-5 语音识别系统的主要模块 ............................................................................ 16
图 2-6 语音合成方法 ................................................................................................ 19
图 2-7 指关节跟踪示意图 ........................................................................................ 25
图 2-8 基于眼动跟踪的人机交互研究框架 ............................................................ 28
图 2-9 不同注视位置触发示意图 ............................................................................ 30
图 2-10 (a)单行程眼势;(b)多行程眼势 .................................................................. 31
图 2-11 用户在虚拟现实中使用 QWERTY 实体键盘进行输入 ........................... 32
图 2-12 (a) TipText;(b) BiTipText........................................................................... 36
图 2-13 VISAR 键盘 .................................................................................................. 38
图 2-14 小型触摸表面 .............................................................................................. 39
图 2-15 (a)PizzaText;(b)RingText ........................................................................... 40
图 3-1 人机交互领域全球学者分布 ........................................................................ 54
图 3-2 人机交互领域 TOP5 国家 ............................................................................. 54
图 3-3 人机交互领域学者 h-index 分布 .................................................................. 55
图 3-4 人机交互领域中国学者分布 ........................................................................ 55
图 3-5 中国与其他国家的合作论文数量情况 ........................................................ 56
图 5-1 人机交互技术趋势 ........................................................................................ 83
图 5-2 人机交互国家趋势 ........................................................................................ 84
图 5-3 人机交互机构趋势 ........................................................................................ 84
表目录
表 1-1 各种人机交互界面的特征比较 ...................................................................... 4
表 3-1 近三年高产学者百人名单 ............................................................................ 70
概述篇
1
1 概述篇
1.1 人机交互的概念
人机交互(Human-Computer Interaction, HCI),作为一个术语,首次使用是
在由 Stuart K. Card,Allen Newell 和 Thomas P. Moran 撰写的著作“The Psychology
of Human-Computer Interaction”里
[1]
,它是一门研究系统与用户之间的交互关系
的学问。系统可以是各种各样的机器,也可以是计算机化的系统和软件。人机交
互界面通常是指用户可见的部分,用户通过人机交互界面与系统交流,并进行操
作。人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一,它与认知学、人机
工程学、心理学等学科领域有密切的联系。
目前关于人机交互的定义主要有三种:一是 ACM(Association for Computing
Machinery)的观点,它将人机交互定义为:有关交互计算机系统设计、评估、
实现以及与之相关内容的学科;二是伯明翰大学教授 Alan Dix 的观点:人机交
互指的是研究人、计算机以及它们之间相互作用方式的学科,学习人机交互的目
的是使计算机技术更好地为人类服务;三是宾夕法尼亚州立大学 John M. Carroll
的观点:人机交互指的是有关可用性的学习和实践,是关于理解和构建用户乐于
使用的软件和技术,并能在使用时发现产品有效性的学科。无论是哪一种定义方
式,人机交互所关注的首要问题都是人与计算机之间的关系问题。
人机交互技术的发展与国民经济发展有着直接的联系,它是使信息技术融入
社会、深入群体,达到广泛应用的技术门槛。任何一种新交互技术的诞生,都会
带来其新的应用人群、新的应用领域,带来巨大的社会经济效益。从企业的角度,
改善人机交互能够提高员工的生产效率,学习人机交互能够降低产品的后续支持
成本。在个人的角度,可以帮助用户有效地降低错误发生的概率,避免由于错误
引发的损失。在现代和未来的社会里,只要有人利用通信、计算机等信息处理技
术进行社会活动,人机交互都是永恒的主题,鉴于它对科技发展的重要性,人机
交互是现代信息技术、人工智能技术研究的热门方向
[2]
。
人工智能之人机交互
2
1.2 人机交互的发展历程
人机交互的发展历史,是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史,
交互的信息也由精确的输入输出信息变成非精确的输入输出信息。随着网络的普
及和无线通讯技术的发展,人们的需求不再局限于界面美学形式的创新,现在的
用户更多的希望在使用多媒体终端时,有着更便捷、更符合他们的使用习惯,同
时又有着比较美观的操作界面
[3]
。在过去的几十年间,人机界面经历了从命令行
界面到图形用户界面两个主要发展阶段的演变;近年来,人机界面的发展越来越
强调交互的自然性,即用户的交互行为与其生理和认知的习惯相吻合,随之出现
的主要的交互界面形式为触摸交互界面和三维交互界面
[4]
。
图 1-1 人机交互界面的发展
⚫ 命令行界面
基于命令行界面(Command-line Interface, CLI),用户使用键盘按照一定的
规则输入字符,以形成可供机器识别的命令和参数,并触发计算机进行执行。其
优点是由于键盘输入相对较高的准确率,以及几乎不需要冗余的操作,所以熟练
的用户可以达到非常高的交互效率,同时,通过规则的设计,命令行界面也能支
持丰富灵活的指令形式。但是,命令行界面的缺点在于交互非常不直观,由于机
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