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新一代人機介面發展趨勢
介面進化 互動升級

【作者: 陸向陽】   2011年06月13日 星期一

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人類與機器間如何打交道?這個介面就稱為人機介面(Human Machines Interface;HMI),人機介面有許多種,例如人跟電視機打交道,一開始頻道數少時只要一個旋鈕即可,之後變成按鈕,更之後乾脆用遙控器。本文將以人與電腦、資訊裝置、新興消費性電子等的互動為主來討論,至於人與其他機器的互動介面,暫不在討論之列。


《圖一 最早的電腦無論執行程式的輸入、運算資料的輸入、運算結果的輸出,都透過打孔紙片進出。》
《圖一 最早的電腦無論執行程式的輸入、運算資料的輸入、運算結果的輸出,都透過打孔紙片進出。》

人機介面的過往發展

在了解新的人機介面前,先讓我們了解過往的發展歷程,多數計算機概論課本,認定1946年ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)為第一部電腦,這部電腦用打孔卡片輸入程式,也用打孔卡片輸入資料,之後運算出的結果,也用打孔卡片輸出。


之後程式的輸入改用磁帶,電腦操作與資料輸入改用打字機鍵盤,而運算結果則用印表機印於紙上,60年代的大型主機(Mainframe)多如此運作。而這時,電腦也從批次(Batch)處理執行,改成互動(Interactive)處理,過往用孔卡、磁帶的輸入運算,運算過程中不容打斷,直到一筆結果運算完後,才能進行另一筆新運算。


《圖二 打孔紙之後是電傳機,稱為Electromechanical Teleprinter或TeleTYpewriter(簡稱:TTY,電傳打字機),輸入用打字,輸出用列印,以此與電腦溝通。》
《圖二 打孔紙之後是電傳機,稱為Electromechanical Teleprinter或TeleTYpewriter(簡稱:TTY,電傳打字機),輸入用打字,輸出用列印,以此與電腦溝通。》圖片來源:tpsoft.com

相對的,互動處理允許人跟機器用類似人類的對話交談方式運作,即隨時一來一往,人運用鍵盤向機器發話,機器將其反應與結果列印到紙上,人看了紙張結果後,再次用鍵盤打字發話,如此往返,比批次執行直覺、便利許多。


更之後,由於每有結果就要列印過於麻煩,而70年代CRT陰極射線管(俗稱:映像管)開始普及運用,因此將列印改成螢幕輸出,便利性再提升。


《圖三 IBM 2260,使用CRT映像管的影像顯示終端機(Video display terminal),用螢幕輸出取代列印輸出。》
《圖三 IBM 2260,使用CRT映像管的影像顯示終端機(Video display terminal),用螢幕輸出取代列印輸出。》圖片來源:columbia.edu

在這個階段,由於運算仍集中在大型主機、迷你電腦(70年代開始發跡)上,鍵盤、螢幕只是輸入、輸出工具,自身沒有運算力,因此稱為終端機(Terminal),一部電腦可連接多部終端機,並可同時服務多台終端機,但同時服務多台終端機,每部終端機的使用者會明顯感受到電腦反應變慢,因為運算力被瓜分、稀釋。


同樣是70年代,開始有微電腦的興起,所謂微電腦是與過往需要整個機房、整個機櫃的體積相比,微電腦只佔一個桌面的大小,所以相對為「微,Micro」,事實上迷你電腦的「迷你,Mini」也要機櫃大的體積。


《圖四 1983年推出,具備GUI圖形化使用者介面的個人電腦:Apple Lisa。》
《圖四 1983年推出,具備GUI圖形化使用者介面的個人電腦:Apple Lisa。》圖片來源:wiki.ubuntu.org.cn

微電腦最初的人機介面相當簡單,輸入透過開關的扳動,輸出則透過燈號的亮滅顯示,能進行的應用有限,之後開始有人將打字機鍵盤、電視螢幕與微電腦連結,這個嘗試連結中,以Steve Wozniak開發出的Apple II最知名,並造成轟動。


Apple II以大幅提升微電腦的人機介面親和性而轟動,之後1983年Apple公司的Lisa電腦、1984年的Macintosh麥金塔電腦,更引進全錄實驗室(Xerox PARC,Palo Alto Research Center)的圖形化使用者介面(Graphics User Interface;GUI)而再造話題。微電腦的操作從純打字輸入、文字輸出,變成用滑鼠操作畫面上的游標,輸出也完全改成圖形化顯示,親和性再躍進。


在具備滑鼠、鍵盤、圖形化介面後,電腦的人機介面已趨向成熟穩定,少有改變,在後續的發展歷程中,雖有人提出用滾珠取代滑鼠,或提出手寫繪圖板等,但均未成為主流,或者提出多螢幕輸出,或掃瞄器影像輸入等,也都限定在特有應用領域,未成主流。


《圖五 滾珠球於90年代初開始興起,但因球縫容易積塵、滾動時手指不易按鈕等缺點而無法普及,然在TouchPad未出現前,仍普遍用於筆電上。》
《圖五 滾珠球於90年代初開始興起,但因球縫容易積塵、滾動時手指不易按鈕等缺點而無法普及,然在TouchPad未出現前,仍普遍用於筆電上。》圖片來源:hubpages.com

不過,仍有一些強化值得一提,例如過往的筆電多使用滾珠(Scroll Ball)來操控螢幕游標,然1994年Apple推出PowerBook 500型筆電,用觸控板(TouchPad)取代滾珠,成為今日每部筆電的基本配備。


又如90年代中期Internet開始興起,人們開始頻繁瀏覽網頁,因而要大量垂直移動頁面,這時滑鼠加設一個上下滾動的滾輪(Scroll Wheel),以便加速瀏覽,今日也為基本配備。


值得一提的是,滑鼠之後又有許多創新用法,例如Apple於2005年推出Mighty Mouse,將過往的滾珠縮小、放置於滑鼠的滾輪位置,使滾動從垂直向變成全向,但因故障率過高與少有應用支援,而未能普及,之後2009年推出觸控按鈕式的滑鼠Magic Mouse,以取代Mighty Mouse,也未能普及。


由此可知,Apple自發跡來的傳統與方向,即是積極革新資訊產品的人機介面技術,但並不表示次次都成功。類似的,IBM特別為其ThinkPad系列筆電發展的指向裝置:軌跡點(Track Point,俗稱:中原一點紅),也僅限IBM或Toshiba等筆電使用,未能普及。


另外,隨著網頁瀏覽的增多,人們發創滑鼠的新操作法,稱為「滑鼠手勢,Mouse Gesture」,例如按著滑鼠右鈕進行拖曳,即代表瀏覽上一頁或下一頁,加速瀏覽速度,此用法雖有趣,但普及性仍待提升。


《圖六 因GUI而讓PC普遍使用滑鼠;因Web而讓滑鼠普遍具有滾輪。》
《圖六 因GUI而讓PC普遍使用滑鼠;因Web而讓滑鼠普遍具有滾輪。》圖片來源:totalofficesupplies.co.uk

遊樂器互動的創新

了解電腦的人機互動介面後,近年來電視遊樂器(Game Console,或稱:遊戲主機)的人機互動方式也大幅改變,若以1983年任天堂FC(Family Computer,俗稱:紅白機)起算,一直到2006年任天堂Wii出現,至少20年以上的時間,遊樂器都是以遊戲板(Gamepad)來遊玩,只有賽車遊戲、戰機遊戲,為求玩樂逼真性,而用方向盤、搖桿(Joystick)遊玩。


在長達20年以上的日子中,雖在90年代後期開始提倡動力回饋(Force Feedback)的Gamepad、方向盤,但未能興盛。而Wii出現後,用手握著Wii Remote手把,做出各種手勢就能遊玩,以及2007年推出踏板遊玩的Wii Fit,使遊樂器玩法產生重大變革、激盪。


更之後,2010年Microsoft推出供Xbox 360遊樂器擴充的Kinect套件,用視訊攝影機鏡頭辨識玩家的肢體動作就可進行遊玩,讓人機介面技術再提升。除遊樂器外,如Panasonic也發展手勢操作的電視遙控器,Hitachi也發展用光學、影像辨識觀賞者手勢,就可以調整電視音量、切換電視頻道的技術。


《圖七 今日筆電上普遍使用的座標指向裝置:TouchPad。》
《圖七 今日筆電上普遍使用的座標指向裝置:TouchPad。》圖片來源:t-x-2.com

手持式裝置的互動創新

如前所述,Apple向來積極於人機介面的互動創新,因此在iPod、iPhone等產品上,均有提出新穎性的互動作法。


例如一般MP3隨身聽多使用按鈕,而iPod則使用自創的點按式選盤(Click Wheel),可讓選曲格外方便。又如iPhone使用投射式電容觸控技術,可用多點觸控(Multi-Touch)方式,讓智慧型手機的畫面縮放格外方便,此一操作方式一經展示,即造成業界話題。


《圖八 IBM專利指向裝置:TrackPoint。》
《圖八 IBM專利指向裝置:TrackPoint。》圖片來源:codinghorror.com

此外,iPhone內建加速度感測器,在iPhone的X、Y軸角度變化時,顯示畫面的角度也會因應變化,此點一樣帶來新奇。iPhone帶來的新奇性,造成iPhone的暢銷,也使產業開始正視觸控技術、加速度感測控制技術的發展,新款的智慧型手機均以支援多點觸控、加速度感測為基本設定。


除了多點觸控、加速度感測器等新奇操控外,後續的新款iPhone也加入了與Android手機相同的數位指南針(磁阻感測器)技術,或陀螺儀等,讓方位感測更靈敏。


《圖九 今日多數Web Brower均支援滑鼠手勢好加速瀏覽速度,按住滑鼠右鈕後,依據紅色箭頭方向拖曳出軌跡,即功效等同於往常一般的網頁瀏覽操作。》
《圖九 今日多數Web Brower均支援滑鼠手勢好加速瀏覽速度,按住滑鼠右鈕後,依據紅色箭頭方向拖曳出軌跡,即功效等同於往常一般的網頁瀏覽操作。》圖片來源:wiki.maxthon.com

新人機介面所用的技術

了解近年來的人機互動技術發展後,其主要構成技術如下:


觸控螢幕技術

觸控技術實現方式眾多,如電阻式觸控、電容式觸控、電感式(亦稱:電磁式)觸控、光學式觸控、聲波式觸控等,各類型的觸控又有更多細分,如4線式電阻式觸控、5線式電阻式觸控,電容也有投射式電容、表面式電容,光學觸控亦有紅外線觸控,或影像感測式觸控。


由於電容式感應的壽命較電阻式為長,在價差逐漸拉近下,未來趨勢為電容式,而為了實現多點觸控,亦多使用投射式電容,而非表面式電容,然中大尺寸仍以表面式電容,或光學、聲波為多,原因是投射式電容因現今技術之限(線路阻值因素致雜訊過大,SNR噪訊比不佳),難用於大尺寸螢幕上。


《圖十 Nintendo Wii之前,多數遊樂器均採行Gamepad為遊戲操控工具。》
《圖十 Nintendo Wii之前,多數遊樂器均採行Gamepad為遊戲操控工具。》圖片來源:imperioomega.com

微機電系統(MEMS)技術

Wii Remote手把內的加速度感測器、iPhone機內的加速度感測器等,今日多以微機電系統技術生產。另外Wintel於2005年提出HD Audio技術時,順帶提出運用陣列式麥克風(Array MIC,MIC=Microphone)技術來提升錄音品質,進而增強語音辨識能力。


之後Apple於第3代iPod shuffle上也採行語音辨識技術,以及iPhone 4手機也跟進採行陣列式麥克風,陣列式麥克風可用傳統電子技術實現,然未來趨勢上也傾向用MEMS技術實現。此外同樣具方位感應效果的陀螺儀,也同樣傾向用MEMS技術實現。


光電半導體技術

在此主要指影像感測器(Image Sensor),今日滑鼠多已揚棄滾珠感測,而改採光學式感測,另外Wii Remote手把內不僅用加速度感測器感應方位變化,也用光學感測器感測來自Wii主機掃描條(Scan Bar)所送出的紅外線,使方位感應更準確。


此外,也有以光學感測為主的觸控技術,或諸多手機以光學感測來調整螢幕背光亮度,或用光學感測來實現Xbox 360 Kinect的遊玩方式,Hitachi的手勢操控電視亦需用及光學感測技術。


《圖十一 Hitachi展示只要在影像感測器前揮舞手,就可以切換電視頻道、調整電視機音量的技術。》
《圖十一 Hitachi展示只要在影像感測器前揮舞手,就可以切換電視頻道、調整電視機音量的技術。》圖片來源:techtree.com

傳統感測器技術

一般駐極式麥克風、磁阻式感測器(感應地磁,即:數位化指南針效果)等,仍屬傳統電子技術製造出的感測器,在新的人機互動介面上亦有運用、發揮空間。


軟體發展也不容小覷

上述所言,多為實體互動性的介面,但其實有部份人機互動屬偏重於軟體面,如語音辨識、手寫辨識,在今日的諸多電子產品運用中也逐漸普及,例如車內導航機直接透過語音辨識來輸入路名,進而導航,或多數的手持式裝置均已具備手寫辨識功效,且辨識成功率已達高水準。這些辨識的更前端倚賴麥克風、手寫觸控,但後端則需要軟體辨識引擎。


除手寫辨識、語音辨識外,近年來也開始提倡擴展實境(Augmented Reality;AR,日本稱為:擴張現實),此為另一種人機互動方式,最初用在戰機、戰車等軍事用途,即是螢幕投射出實景實地畫面,但除此之外螢幕上還額外顯現出對該景該地的相關解說資訊,如顯示一座山時,順便加註該山的方位與高度等。類似的技術,也用於博物館的文物導覽、戶外名勝導覽等。


上述的AR應用屬唯讀性質,更進一步的也發展出互動性質的AR遊戲,如螢幕上出現一個實景鐘塔,只要用手指觸碰該鐘塔的尖端,就可以得分500,時限內達到目標積分即可過關,或要求時間內到達定點等。


《圖十二 Microsoft Xbox 360 Kinect影像感測器,可感應玩家肢體動作,再經辨識運算,進而操控遊戲中的主人翁。》
《圖十二 Microsoft Xbox 360 Kinect影像感測器,可感應玩家肢體動作,再經辨識運算,進而操控遊戲中的主人翁。》圖片來源:guardian.co.uk

未來的新發展

人機互動的未來,必然朝更直覺方便的路線發展,在Wii推出用手把玩遊戲後,Xbox則推出連手把都不需要的肢體辨識,未來則可能直接辨識眼球移動來進行各種操控。


不過,隨著資訊、電子裝置從「固接,Fixed」往「移攜,Mobile」路線發展,單純的「人機互動外」技術已漸顯不足,逐漸的,人們將加強對適地(Location Based)、適境技術的技術,例如在戶外使用液晶螢幕會自動關閉背光亮度,或在暗處會自動增強亮度,以及到某處會自動提示附近店家有優惠活動等。在機器與人的互動外,機器與環境的自動感測因應,以及人、機、地三者的串連,將是新方向所在。


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