一、实体交互界面的缘起与历史沿革

 

　　1.实体交互界面的缘起

 

　　实体交互界面的缘起与人机交互（Human-ComputerInteraction）和人机界面（Human-ComputerInterface）有着密切的关联。本文所研究的交互界面专指以计算系统为基础的信息载体。人机交互首次在1975年被提出，[1]专业的称呼出现于1980年，[2]卡德、莫兰和内韦尔（Card，Moran，Newell）在1983年出版《人机交互心理学》一书，自此人机交互的概念迅速普及。[3]人机交互从最初研究人与计算机系统的操作、学习与交流信息的互动过程，到现在的研究人与计算系统支持下的智能环境的交流互动过程；从最开始对计算设备与交互技术的深度依赖，到计算机与智能环境对人的适度配合、易用人性，再到近年来人与计算系统的智能环境的融合共生，人机交互不断在人类的选择中进化发展。与此同时，人机界面作为人与计算系统进行信息交流的载体，不论是信息的输入还是输出，在信息传达与用户认知、解读、理解信息方面都遵循思维模式与认知模式的科学发展规律。

 

　　人机交互与人机界面从文本交互界面发展到多通道、多媒体的智能人机交互界面，将交互界面从最初的两个独立的物理空间与虚拟空间进行了剥离。交互界面从技术层面完成从单通道、单维度向多通道、多维度的演进，从表现层面完成从大体量、单色、延时静态仿真、整体化到小体积、高清晰逼真、实时动态、柔性嵌入化组合式的发展。在各种信息通讯技术以及新能源、新材料等技术支持条件下，交互界面实现了物理空间与虚拟空间深度融合共生，以此催生实体交互界面的诞生。实体交互界面利用多种感知和动作通道(如语音、姿势、视线、表情、脑电波、气味、呼吸等各种方式作为信息输入的途径)，以并行、非精确的方式与计算机支持的智能数字环境进行信息交互，使人机交流信息的方式更为自然，用户理解信息更为高效，用户体验更为简易流畅。实体交互界面分析用户的使用环境与心理意识，通过多通道和多媒体的媒介方式传达信息，结合数字世界与物理世界两大空间的实体交互界面，在物联网大数据的发展背景之下焕发出极大的创造潜力。

 

　　2.实体交互界面基本定义

 

　　实体交互界面是用户通过物理实体和物理环境，与数字信息进行交流互动的界面。最初实体交互界面叫作可触实体界面（GraspableUserInterface）。实体交互界面最早的研究者之一是美国麻省理工学院媒体实验室的石井裕（HiroshiIshii）教授，实体交互界面（研究小组称其为“实体比特”）将数字信息附着在物理实体形态上，使比特可直接被操作和感知。实体比特期待能够将比特和原子进行无缝连接与整合。实体交互界面采用的交互模式被称为MCRpd模型，即模式－控制－载体（物理及数字）（Model-Control-Representation（physicalanddigital））。[4]这种理论强调交互的“模式”与“控制”，重新思考“视觉”的隐喻意义，将图形用户界面中的视觉隐喻转变为物理实物载体和计算系统驱动的数字信息载体。实体交互界面的四个主要特征包括：1.实物交互载体与内部的数字信息由计算叠加重合；2.实物载体本身能够实现交互控制；3.实物载体能够双向反映数字载体与实物载体的双重动态变化；4.实物的物理特性能够体现数字系统的关键特性。由此，实体交互界面在用户界面设计方面具有五个特性：1.空间输入输出信息具有多路通道；2.界面组件的并行使用与并行操控；3.拥有强有力的特定设备装置，能够实现人机交互；4.具有空间感知计算设备；5.具有空间重构装置。目前实体交互界面包含二维互动表面型、装配嵌入式、2.5D变形材料式、体感植入式，以及智能环境型这五大类型。

 

　　3.实体交互界面的历史沿革

 

　　物理世界形式与计算机系统进行互动的模式最初的理念来自XeroxStar（1976），并基于微软和苹果等操作系统的改革而反复创新。这些用于消费生产的硬件设备如摄像头、鼠标、键盘的出现，使使用者遗忘计算机背后的机器语言，而更关注于计算机所传达的信息。1997年，美国MIT媒体实验室在97CHI会议中提到“实体比特”（TangibleBits）的概念，通过开发实体交互界面，与“画出的比特”(PaintedBits)，即图形用户界面进行区别，并期待能够超越图形用户界面的局限。2012年，MIT的实体交互界面研究小组提出“基本原子”（RadicalAtoms）的研究愿景，[5]通过开发可随时间而改变形态的数字实体材料，进而超越实体比特的局限，研究出可根据数字信息而变形的材料，形成显示屏幕的基本元素。这种4D打印的计算机变形的材料所形成的实体交互界面，将数字模型（比特）与物理实体显示界面结合起来，达到双向实时显示数字内容形态所同步激发的实体物理形态的功能变化。界面本身已经转变为可依据环境信息感知而实时改变的智能材料，所有的数字信息完全以物质形式表现出来，并与人们直接互动。在这种情况下，界面也可称为“物质化用户界面”（MaterialUserInterface，MUI）。[6]有别于技术驱动和用户需求驱动的设计研究方法，实体交互界面更强调以愿景想象为驱动的设计方法，依托物质实体，实体交互界面能够在延续物质实体产品的生命周期同时，通过信息通讯技术使物质实体产品更加智能、人性。

 

　　二、实体交互界面的设计方法

 

　　1.视觉隐喻的拟物化风格

 

　　长久以来主导人机交互界面设计的理论以探求使用者的心智模型为主，强调外在环境（物品）通过视觉隐喻的方式与使用者的过往认知体验与经验发生关联，[7]并通过视觉拟物化的形式进行视觉的关联，从黑白灰的文字，到彩色的二维、三维形式的拟物化设计风格，以及信息内容、功能交互形式各个方面，达到与物理现实世界的映射匹配。随着个人计算机的普及，我们被带进了物理世界和数字世界双重公民的时代。不同于传统的看得见摸得着的物理产品、机器或者环境实体，人们只能通过代表数字世界的视窗，透过图形用户界面的屏幕和像素之中反映的图形图像信息，理解图形用户界面所转译的数字信息内容，缺乏直观高效以及流畅易用的功能表达。在图形用户界面时代，设计研究强调以用户为中心的设计。图形用户界面的视觉表现风格方面，从艾文·萨瑟兰（IvanSutherland）1963年设计的Sketchpad[8]，到1972的XeroxAlto[9]，再到1994年索尼推出的MagicCap，微软公司1995年的TheMicrosoftBob，2000年的MicrosoftTaskGallery[10]都尝试用拟物化的隐喻表达多维的视觉信息。与此对应，实体交互界面的视觉呈现则无须进行物理形态的模拟隐喻，减少了界面视觉的冗余信息，突破图形用户界面在屏内空间呈现视觉信息的局限。(图2)

 

　　2.功能交互的示能性与数字载体的视觉扁平化

 

　　生态知觉心理学家詹姆士·吉布森（JamesJ.Gibson）在1977年的文章《示能性理论》中所提出的“示能性”（Affordance）概念，对设计和计算机人机交互领域产生了巨大影响。埃莉诺·吉布森（EleanorJ.Gibson）、雅克布·冯·于克斯屈尔（JakobvonUexküll）、安德森（Anderson)、唐纳德·诺曼（DonaldNorman）逐步将认知心理学的“示能性”理论发展成为人机交互设计的核心原则之一。[11]“示能性”指通过产品本身特性，包括产品形态特征及材质肌理色彩等物理特性和视觉特性，表达一种弱刺激的功能暗示。威廉姆·加维尔（WilliamGaver）在《技术示能性》（1991年）一文中，将“示能性”分为三种：虚假示能性、隐藏示能性与理解型示能性。[12]这种理论，有别于长久以来主导人机交互设计，以探求使用者的心智模型为主的理论，强调外在环境（物品）与使用者共同依存的概念。从设计和操作的角度来看，“示能性”更具实际应用的价值，因此成了近年来设计流程中用以提升产品使用性的重要设计原则之一。在实体交互界面发展时期，设计结合用户的心理需求和心智模型，同时系统考虑智能环境对信息界面和交互方式的暗示与影响，兼顾交互方式、信息界面与用户三者之间的流程用户体验。

 

　　实体交互界面通过赋予物理实体以数字信息，或者依赖人的行为模式作为交互行为的触发开关，把物理实体产品、机器、实体环境甚至人本身转变为信息交流的物理形态的交互界面，充分利用“示能性”的弱刺激将数字载体的信息表达含义与人在物理世界的认知经验产生关联效应与自然交互行为，达到原子与比特世界的自然无缝连接，达到基于原子形态的原子比特双重世界的融合共生。实体交互界面进行信息交互的信息载体是完整的物理实体，可见的非数字信息与不可见的数字信息同时依附于同一个物理实体，视觉呈现减少了转译带来的隐喻手法，因此在界面视觉设计风格方面更加扁平化，以更为自然直接与智能的交互行为进行信息交流与互动，借助实体交互界面，将沉浸在数字世界的具有二元多重身份的用户回归原子物理世界本身，达到身心意的高度融合。图3展示的是由美国麻省理工学院媒体实验室教授希罗希·伊什（HiroshiIshii）带领学生研制的“inFORM”的实体交互界面系统。

 

　　3.实体交互界面的设计方法

 

　　在实体交互界面中，需要处理显性与隐性双重信息，物理实体界面加入时间维度之后也会产生新的变化，如4D打印出来的可变形材料等。因此人们正试图打破人与信息空间之间的界限，利用人们在现实生活中获得的经验，通过赋予数字信息以实物载体，处理用户与物理实体界面与虚拟柔性数字内容之间的关系，运用MCRpd模型，进行交互模型的构建。在实物载体方面关注交互语境分析和交互行为分析，将实物载体与数字载体通过信息内容的意义以及用户意识感知建立映射匹配关系，通过示能性，激发用户在视觉、触觉、听觉等方面的弱刺激与行为关联，最终通过趋于直观、智能的扁平化视觉呈现，使用户达到与信息空间进行无缝的连接与交互，形成自然流畅的用户体验。

 

　　实体交互界面将数字信息赋予实际物体，使物体可以同时表达和控制计算媒体。实体交互界面通过将实物替代物（例如可在空间内移动的物件）与数字媒体表现形式（例如图像与声音）进行重叠，以获得一个虽受计算机控制，但却不被用户看作计算机的用户界面类型。因此实体交互界面的设计需要通过信息载体与交互界面的双重叠加，消除界面隐喻，带来自然的互动行为。实体交互界面的分析设计过程从物理世界中的物理载体出发，设计交互界面的信息语境，再通过信息的物理实体这种载体，完成自然的信息交流过程。这个过程需要考虑用户的使用语境、行为模式、认知心理、原子比特双重信息形态的映射关系、行为与信息的意义匹配，以及达成功能任务的合理性分析。过程中，对于隐性知识和用户认知的处理成为实体交互界面设计的核心内容。而五个步骤中，映射分析成为关键之处，交互界面的设计方法需要结合物理实体与信息、信息载体以及用户认知行为的特性，用户的脑力模型、数据结构以及界面五感的表达都需达到同情和同化，生成直达功能的交互行为。

 

　　4.实体交互界面设计案例剖析

 

　　目前实体交互界面的主要研究机构位于麻省理工学院、斯坦福大学、华盛顿大学、加州大学和多伦多大学等，清华大学近几年也在该领域取得一定进展。微软研究院的所握即所得的数字笔，通过在笔上附加多点触摸和方向的传感器，识别出用户不同的使用行为，并在数字画板上提供钢笔、毛笔、印章等相应的功能，甚至模拟笛子等不同的乐器，从而使用户使用数字笔的体验更为自然丰富。麻省理工学院开发的SifteoCubes智能积木以及Seamless玩具公司开发的ATOMS，宝马所做的魔球展览馆等都应用了实体交互界面的行为语义与示能性，通过实物载体的操作，与数字载体的数字内容以及智能环境信息进行自然交叠融合。(图4）

 

　　三、结语

 

　　实体交互界面实现了从人机交互界面关系的“模拟现实”向“融合现实”的转变，通过实物操作，界面更加自然直观。但在实体交互界面带来智能高效的便利操作的同时，也需要面对其缺陷和困境。设计师关注用户的真实心理需求后发现，并非所有的数字载体内容，用户都希望将其由不可见变为可见可感知的状态；同时对于文字办公等精确操作，实体交互界面并非是最佳解决方案。在任务执行的使用可行度，以及以任务为中心的可用性评测方法不一定适用实体交互界面的易用性与用户体验评价。实体交互界面顺应产业结构转型与可持续发展的时代需求而生，其发展前景与面临的挑战并存。