Эволюция технологии общения с компьютером и видов пользовательского интерфейса

 Первая система с графическим  интерфейсом 8010 Star Information System группы PARC появилась за четыре месяца до выхода в свет первого компьютера фирмы IBM⁸ в 1981 году. Первоначально визуальный интерфейс использовался только в программах. Постепенно он стал переходить и на операционные системы, используемых сначала на компьютерах Atari и Apple Macintosh⁹, а затем и на IBM - совместимых компьютерах.

С более раннего времени, и под влиянием также и этих концепций, проходил процесс по унификации в использовании клавиатуры и мыши прикладными программами. Слияние этих двух тенденций и привело к созданию того пользовательского интерфейса, с помощью которого, при минимальных затратах времени и средств на переучивание персонала, можно работать с любыми программным продуктом.  

Простой графический интерфейс. На первом этапе графический интерфейс очень походил на технологию командной строки. Отличия от технологии командной строки заключались в следующим:

1. При отображении символов допускалось  выделение части символов цветом, инверсным изображением, подчеркиванием  и мерцанием. Благодаря этому  повысилась выразительность изображения.

2. В зависимости от конкретной  реализации графического интерфейса курсор может представляться не только мерцающим прямоугольником, но и некоторой областью, охватывающей несколько символов и даже часть экрана. Эта выделенная область отличается от других, невыделенных частей (обычно цветом).

3. Нажатие клавиши Enter не всегда приводит к выполнению команды и переходу к следующей строке. Реакция на нажатие любой клавиши во многом зависит от того, в какой части экрана находился курсор.

4. Кроме клавиши Enter, на клавиатуре все чаще стали использоваться клавиши управления курсором.

5. Уже в этой редакции графического  интерфейса стали использоваться  манипуляторы (типа мыши, трекбола  и т.п. - см. рис.4) Они позволяли быстро выделять нужную часть экрана и перемещать курсор.

Рис.4. Манипуляторы

Подводя итоги, можно  привести следующие отличительные  особенности этого интерфейса.

1) Выделение областей  экрана.

2) Переопределение клавиш  клавиатуры в зависимости от контекста.

3) Использование манипуляторов  и клавиш клавиатуры для управления  курсором.

4) Широкое использование  цветных мониторов.

Появление этого типа интерфейса совпадает с широким  распространением операционной системы MS-DOS. Именно она внедрила этот интерфейс в массы, благодаря чему 80-е годы прошли под знаком совершенствования этого типа интерфейса, улучшения характеристик отображения символов и других параметров монитора¹⁰.

Типичным примером использования  этого вида интерфейса является файловая оболочка Nortron Commander¹¹ и текстовый редактор Multi-Edit¹². А текстовые редакторы Лексикон, ChiWriter и текстовый процессор Microsoft Word for Dos являются примером, как этот интерфейс превзошел сам себя. 

WIMP - интерфейс. Вторым этапом в развитии графического интерфейса стал "чистый" интерфейс WIMP¹³, Этот подвид интерфейса характеризуется следующими особенностями.

1. Вся работа с программами,  файлами и документами происходит  в окнах - определенных, очерченных, рамкой частях экрана.

2. Все программы, файлы, документы, устройства и другие объекты представляются в виде значков - иконок. При открытии иконки превращаются в окна.

3. Все действия с  объектами осуществляются с помощью  меню. Хотя меню появилось на  первом этапе становления графического интерфейса, оно не имело в нем главенствующего значения, а служило лишь дополнением к командной строке. В чистом WIMP - интерфейсе меню становится основным элементом управления.

4. Широкое использование  манипуляторов для указания на  объекты. Манипулятор перестает быть просто игрушкой - дополнением к клавиатуре, а становится основным элементом управления. С помощью манипулятора указывают на любую область экрана, окна или иконки, выделяют ее, а уже потом через меню или с использованием других технологий осуществляют управление ими.¹⁴

Следует отметить, что WIMP требует для своей реализации цветной растровый дисплей с  высоким разрешением и манипулятор. Также программы, ориентированные на этот вид интерфейса, предъявляют повышенные требования к производительности компьютера, объему его памяти, пропускной способности шины и т.п. Однако этот вид интерфейса наиболее прост в усвоении и интуитивно понятен. Поэтому сейчас WIMP - интерфейс стал стандартом де-факто.

Ярким примером программ с графическим интерфейсом является операционная система Microsoft Windows¹⁵.

Речевая технология. С середины 90-х годов, после появления недорогих звуковых карт и широкого распространения технологий распознавания речи, появился так называемая "речевая технология" SILK - интерфейса. При этой технологии команды подаются голосом путем произнесения специальных зарезервированных слов - команд. Основными такими командами (по правилам программы распознавания речи  Dragon Dictates, русский модуль "Горыныч") являются¹⁶:

"Проснись" - включение  голосового интерфейса.

"Отдыхай" - выключение  речевого интерфейса.

"Открыть" - переход  в режим вызова той или иной  программы. Имя программы называется  в следующем слове.

"Буду диктовать" - переход из режима команд  в режим набора текста голосом.

"Режим команд" - возврат в режим подачи команд голосом, и некоторые другие.

Слова должны выговариваться четко, в одном темпе. Между словами  обязательна пауза. Из-за неразвитости алгоритма распознавания речи такие  системы требует индивидуальной предварительной настройки на каждого конкретного пользователя.

"Речевая" технология  является простейшей реализацией  SILK - интерфейса.

Семантический (общественный) интерфейс. Этот вид интерфейса возник в конце 70-х годов XX века, с развитием искусственного интеллекта. Его трудно назвать самостоятельным видом интерфейса - он включает в себя и интерфейс командной строки, и графический, и речевой, и мимический интерфейс. Основная его отличительная черта - это отсутствие команд при общении с компьютером. Запрос формируется на естественном языке, в виде связанного текста и образов. По своей сути это трудно называть интерфейсом - это уже моделирование "общения" человека с компьютером. С середины 90-х годов XX века публикации, относящихся к семантическому интерфейсу, уже не встречались. Похоже, что в связи с важным военным значением этих разработок (например, для автономного ведения современного боя машинами - роботами, для "семантической" криптографии) эти направления были засекречены. Информация, что эти исследования продолжаются, иногда появляется в периодической печати (обычно в разделах компьютерных новостей). 

Биометрическая технология. Эта технология возникла в конце 90-х годов XX века. Для управления компьютером используется выражение лица человека, положение тела, жесты, направление взгляда, размер зрачка и другие признаки. Для идентификации пользователя используется рисунок радужной оболочки его глаз, отпечатки пальцев и другая уникальная информация.¹⁷ Изображения считываются с цифровой видеокамеры, а затем с помощью специальных программ распознавания образов из этого изображения выделяются команды.

Настоящим прорывом в данной области стала выпущенная в ноябре 2010 года корпорацией Майкрософт технология Kinect¹⁸ (ранее известная как Project Natal). Основанный на добавлении периферийного устройства к игровой приставке Xbox 360, Kinect позволяет пользователю взаимодействовать с ней без помощи игрового контроллера через устные команды, позы тела, жесты, мимику и показываемые объекты или рисунки. 

Kinect представляет из себя устройство (см. рис. 5), состоящее из двух сенсоров глубины, цветной видеокамеры и микрофонной решетки. Проприетарное программное обеспечение осуществляет полное 3-х мерное распознавание движений тела, мимики лица и голоса. Микрофонная решетка позволяет производить локализацию источника звука и подавление шумов, что дает возможность говорить без наушников и микрофона. Датчик глубины состоит из инфракрасного проектора, объединенного с монохромной КМОП-матрицей, что позволяет датчику Kinect получать трёхмерное изображение при любом естественном освещении. Диапазон глубины и программа проекта позволяет автоматически калибровать датчик с учётом условий игры и окружающих условий, например мебели, находящейся в комнате

Рис. 5. Microsoft Kinect

1.3 Типы интерфейсов

Интерфейсы пользователя бывают двух типов:

1) процедурно-ориентированные: консольные,  меню и со свободной навигацией.

2) объектно-ориентированные: прямого манипулирования.

Процедурно-ориентированный  интерфейс использует традиционную модель взаимодействия с пользователем, основанную на понятиях "процедура" и "операция". В рамках этой модели программное обеспечение предоставляет пользователю возможность выполнения некоторых действий, для которых пользователь определяет соответствие данных и следствием выполнения которых является получение желаемого результата.¹⁹ Особенности процедурно-ориентированных интерфейсов:

1) Обеспечивают пользователю  функции, необходимые для выполнения задач;

2) Акцент делается  на задачи;

3) Пиктограммы представляют  приложения, окна или операции;

4) Содержание папок  и справочников отражается с  помощью таблицы-списка.

Консольным называют интерфейс, который организует взаимодействие с пользователем на основе последовательного ввода и вывода информации в текстовом режиме по принципу «вопрос-ответ». Обычно такой интерфейс реализует конкретный сценарий работы, например: ввод данных – решение задачи – вывод результата (рис.6). Единственное отклонение от последовательного процесса, которое обеспечивается данным интерфейсом, заключается в организации цикла для обработки нескольких наборов данных (рис.7). Подобные интерфейсы в настоящее время используют только в процессе обучения программированию или в тех случаях, когда вся программа реализует одну функцию, например, в некоторых системных утилитах.²⁰

 

Рис. 6. Структура программы с консольным интерфейсом	Рис. 7. Структура программы с консольным интерфейсом с организацией цикла

Интерфейс-меню, в отличие от консольного интерфейса, позволяет пользователю выбирать необходимые операции из специального списка, выводимого ему программой. В этом типе интерфейсов последовательность действий выбирается самим пользователем (рис. 8). Различают одноуровневые и иерархические меню. Первые используют для сравнительно простых случаев, когда  вариантов немного (не более 5–7), и они включают операции одного типа, например, Создать, Открыть, Закрыть и т.п. Вторые применяются при большом количестве вариантов или их очевидных различиях, например, операции с файлами и операции с данными, хранящимися в этих файлах.

Рис. 8. Структура программы с интерфейсом-меню

 

Алгоритм программы  с многоуровневым меню обычно строится по уровням, причем выбор команды на каждом уровне осуществляется так же, как для одноуровневого меню.²¹

Интерфейс-меню предполагает, что программа в любой момент времени находится либо в состоянии обслуживания меню (ожидания выбора со стороны пользователя), либо в состоянии выполнения операции. Пользователь, как правило, вынужден ожидать, пока выполняется выбранное им действие.

Меню может быть построено  различными способами. Простейший вариант реализации меню – вывод списка пунктов и предложение ввести номер пункта из этого списка. Более сложный вариант – список, по которому можно перемещаться с помощью клавиш (обычно клавиши управления курсором). Достоинства этого способа в том, что он удобнее, привлекательнее выглядит, не требует от пользователя соотнесения текста меню с номером пункта и уменьшает вероятность ошибки при выборе за счет того, что текущий пункт меню «подсвечивается».

Интерфейс со свободной навигацией поддерживает концепцию интерактивного взаимодействия с ПО, визуальную обратную связь с пользователем и возможность прямого манипулирования объектом (кнопки, индикаторы, строки состояния). В отличие от интерфейса Меню, интерфейс со свободной навигацией обеспечивает возможность осуществления любых допустимых в конкретном состоянии операций, доступ к которым возможен через различные интерфейсные компоненты ("горячие" клавиши и т.д.).

На данный момент сформировался стандартный набор компонент пользовательского интерфейса, которые широко применяются в самых разнообразных программах и поддерживаются многими операционными системами и библиотеками. Поскольку даже разные реализации этих компонент подчиняются некоторым общим принципам управления, интерфейсы, построенные на их основе, привычны и понятны любому пользователю.

Существенной особенностью интерфейсов со свободной навигацией является способность изменяться в процессе взаимодействия с пользователем, предлагая выбор только тех операций, которые имеют смысл в конкретной ситуации (например, блокируя ввод в те или иные поля).

Объектно-ориентированные интерфейсы используют модель взаимодействия с пользователем, ориентированную на манипулирование объектами предметной области. В рамках этой модели пользователю предоставляется возможность напрямую взаимодействовать с каждым объектом и инициировать выполнение операций, в процессе которых взаимодействуют несколько объектов. Задача пользователя формулируется как целенаправленное изменение некоторого объекта. Объект понимается в широком смысле слова - модель БД, системы и т.д. Объектно-ориентированный интерфейс предполагает, что взаимодействие с пользователем осуществляется посредством выбора и перемещения пиктограмм соответствующей объектно-ориентированной области. Различают однодокументные (SDI) и многодокументные (MDI) интерфейсы. Особенности объектно-ориентированных интерфейсов: