Новые возможности в человеко-машинном интерфейсе

Электронно-вычислительные машины заняли место рядом с человеком с середины XX века, и со временем взаимодействие человека и компьютера только увеличивается. Наверно, не осталось сферы человеческой деятельности, где так или иначе не используются вычислительные устройства. И, если на заре развития электронно-вычислительной техники общаться с компьютерами могли только "посвященные", человек был вынужден использовать язык понятный машине, то в современной действительности вычислительные устройства становятся все более дружественными и для взаимодействия с компьютером серьезной подготовки человеку уже не требуется, разумеется, если это взаимодействие не предполагает решения сложных профессиональных задач.

Вполне объяснимо стремление разработчиков сделать взаимодействие с вычислительными устройствами как можно более естественным для человека. Развитие этого направления сдерживалось недостаточным технологическим уровнем. Однако в последнее время в деле гуманизации пользовательских интерфейсов наметились серьезные продвижения. Появление сенсорных экранов и функций множественного касания ( multitouch ) позволяет взаимодействовать с компьютером на интуитивном уровне, это подтверждается быстрым освоением подобных устройств детьми. Если следовать дальше, было бы логичным ожидать от компьютеров способности понимать словесные команды, реагировать на мимику и жесты людей, анализировать поведение человека и включенность его в окружающую действительность. И, оказывается, эти ожидания не напрасны, современное развитие технологий обработки речи, изображений и видео, выводит взаимодействие человека с компьютером на новый этап.

Появились идеи естественно-интуитивного взаимодействия человека с компьютером ( perceptual computing ), предполагающие способность вычислительных устройств понимать человека через физический контакт, словесные команды и жесты. Разработчикам программного обеспечения использование новых идей позволит создавать приложения, вносящие ощущение присутствия и погружения. Такого эффекта можно добиться реализацией возможностей отслеживания жестов рук и пальцев, анализа лица (мимики), распознавания голоса (речи), отслеживания перемещений 2D/3D объектов. Умение разрабатывать такие приложения в ближайшем будущем будет востребовано. Данный курс предлагает изучить инструмент Intel Perceptual Computing SDK и научиться с его помощью добавлять элементы естественно-интуитивного взаимодействия в свои приложения. В дополнение к бесплатному комплекту средств разработки Intel разработчикам понадобится интерактивная камера Interactive Gesture Camera производства компании Creative . Эта камера очень похожа на бесконтактный игровой контроллер Kinect от Microsoft, только меньше по размеру. Но главная разница между этими устройствами состоит в том, что интерактивная камера от Creative разработана для работы на более близких дистанциях и поэтому может распознавать движения пальцев. Корпорация Intel использовала возможности этой камеры в своем SDK , позволяющем разработчикам создавать следующее поколение естественного, современного ПО с элементами (эффектом) присутствия.

Идеи цифровых вычислительных машин начали развиваться еще в XVIII-XIX веках, компьютерные технологии стали доступны в середине XX века. Первые электронно-вычислительные машины были ориентированы, в первую очередь , на выполнение трудоемких расчетов и на взаимодействие со специалистами. Например, для первой электронной машины ENIAC (1943 г.) ввод программы выполнялся с помощью переключателей и гибких кабелей со штекерами, вставляемыми в нужные разъемы.

В ЭВМ Mark I (1945 г.) уже использовались перфоленты с нанесенной на них программой, что несколько облегчило труд оператора. Перфоленты и перфокарты долго оставались носителями информации, которые использовались для хранения программ и ввода их в ЭВМ для исполнения.

В 1960 году Дж.К.Р. Ликлайдер (J.R.Licklider) выдвинул идею "симбиоза человека и компьютера" – объединения человеческого интеллекта и вычислительной техники для управления информацией. Предложил промежуточные цели, достижение которых предполагает реализацию данной идеи.

• разделение времени компьютера между пользователями;
• электронный ввод/вывод символьной и графической информации;
• интерактивные системы реального времени для обработки информации и программирования;
• крупномасштабные системы хранения и поиска информации.

• координация объединения разработчиков для проектирования и программирования больших систем;
• способность ЭВМ распознавать речь оператора;
• способность ЭВМ распознавать рукописные тексты;
• возможность использования светового пера, в качестве устройства ввода координат и указки (световое перо – светочувствительное устройство, позволяющее выбрать точку экрана дисплея, указывая на нее).

• понимание ЭВМ естественного языка;
• способность ЭВМ распознавать речь произвольного пользователя;
• эвристическое программирование, т.е. "интеллектуализация" работы программы путем придания ей большей гибкости и эвристичности "мышления".

Развитие вычислительной техники, во многом, пошло по пути достижения целей, поставленных Ликлайдером, уже в середине 60-х годов появились вычислительные машины, поддерживающие большое количество пользователей, каждый из которых получал в свое распоряжение выделенный интерфейс к системе ( терминал ) и мог работать в интерактивном режиме.

В 1963 году Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland) разработал SketchPad – графический комплекс, прообраз будущих САПР , оказавший огромное влияние на формирование базовых принципов графических пользовательских интерфейсов. Основные идеи: использование объектно-ориентированной модели, любой нарисованный элемент представлялся n-компонентной структурой, его можно было копировать, перемещать, поворачивать или масштабировать, сохраняя основные свойства. Впервые были реализованы алгоритм прорисовки окон и алгоритм обрезки.

Еще одно важное имя в истории развития вычислительной техники: Дуглас Энгельбарт (Douglas C. Engelbart). В середине 60-х годов командой Дугласа Энгельбарта разработана среда NLS (oN-LineSystem), включающая в себя принципиально новую операционную систему, универсальный язык программирования , электронную почту, разделенные экраны телеконференций, систему контекстной помощи. Представлен прототип т.н. WIMP-интерфейса, т. е. интерфейса, использующего понятия окон ( windows ), пиктограмм (icons), меню (menus) и указателей (pointers), являющихся ключевыми и для сегодняшних графических пользовательских программ и сред. Среда широкого распространения не получила, но как побочный эффект проекта NLS был изобретен первый манипулятор типа мышь , без которого сложно представить любое взаимодействие с компьютером в современной действительности. К оконной среде NLS существующие манипуляторы (джойстики, световые перья и прочие) категорически не подходили, в этой области было проведено целое исследование, итогом которого и стала мышка.

В конце 60-х годов XX века, технологический уровень позволил задумываться о создании персонального компьютера. В 1969 году американский математик Алан Кей защитил докторскую диссертацию, в которой разработал принципы создания персонального компьютера. С 1971 года Алан Кей занимался теоретической разработкой прототипа персонального компьютера, названного им Dynabook, в исследовательском центре фирмы Xerox в Пало-Альто (Palo Alto Research Center , PARC ). Этот компьютер , не превышающий размер блокнота, должен был обладать возможностями для обработки текстов и графической информации, а также служить средством связи с удаленными базами данных. Кроме того, этот компьютер должен был быть недорогим и доступным широкому кругу покупателей.

Концепция Dynabook описывала то, что сейчас известно как ноутбук, или планшетный ПК. Для Dynabook был спроектирован и смоделирован графический интерфейс Star GUI , одним из основных принципов управления новым компьютером должен был стать не ввод команд с клавиатуры, а выбор их с помощью "мыши" из предлагаемого меню . Графический интерфейс Star стал прототипом интерфейса Macintosh.

Несмотря на то, что графический интерфейс был описан еще в начале 70-х годов, а идеи появились еще раньше, в реальности взаимодействие пользователя с ЭВМ обеспечивалось за счет, так называемого, интерфейса командной строки ( CLI , Command Line Interface ). В процессе взаимодействия человек вводил команды, а компьютер реагировал соответствующим образом, разумеется, ни о каком дружественном интерфейсе речи не шло. Пользователь должен был точно знать, какая команда приведет к выполнению нужных ему действий и правильно ввести ее в командную строку.

К концу 70-х годов не только стало понятно, что при создании персональных компьютеров необходимо учитывать удобство пользователей, но и накопились технологии, позволяющие реализовать, так называемое, эргономическое проектирование вычислительной техники. Стали появляться персональные компьютеры с графическим интерфейсом, спроектированные с учетом удобства пользователя. В связи с этим назрела необходимость изучения человеко-компьютерного взаимодействия в университетах при подготовке специалистов в области компьютерных наук.

Человеко-компьютерное взаимодействие ( HCI , Human- Computer Interaction ) – это дисциплина, имеющая дело с проектированием, оцениванием и реализацией интерактивных вычислительных систем для использования человеком, а также с изучением основных явлений, связанных с этими вопросами.

Такое определение было сформулировано в отчете группы, ответственной за разработку рекомендаций к образовательной программе в области человеко-компьютерного взаимодействия (август, 1988). Группа была сформирована из членов ассоциации по вычислительной технике ( ACM , Association for Computing Machinery ). ACM и IEEE Computer Society, крупнейшие научно-профессиональные сообщества специалистов по вычислительной технике, играют ключевую роль в разработке образовательных программ в области компьютерных наук. После этого отчета модуль HCI (человеко-компьютерное взаимодействие) включается как обязательная часть в курс компьютерные науки.