人機交互系統(tǒng)
人機交互界面作為一個獨立的、重要的研究領域受到了世界各計算機廠家的 關注。并成為90年代計算機行業(yè)的又一競爭領域。從計算機技術的發(fā)展過程來看， 人機交互界面技術還引導了相關軟硬件技術的發(fā)展，是新一代計算機系統(tǒng)取得成 功的保證。
80年代已來，計算機的軟件和硬件技術取得了較大的發(fā)展，同時，計算機的 使用者也從計算機專家迅速擴大到了廣大未受過專門訓練的普通用戶，由此極大 地提高了用戶界面在系統(tǒng)設計和軟件開發(fā)中的重要性，強烈地刺激了人機交互界 面的進步。
人－計算機的交互作用是通過用戶界面來實現(xiàn)的。與傳統(tǒng)人－機系統(tǒng)不同的 是，人－計算機系統(tǒng)中的交互形式已成為用戶與計算機兩個“智能系統(tǒng)”之間的 通訊和對話。
在計算機技術發(fā)展的初期，由于系統(tǒng)的運行速度慢、價格昂貴并且可靠性差， 不可能進行交互使用，用戶必須調(diào)整自己的行為去適應機器的要求。因此，與計 算機使用中的其它問題相比，界面只是一個小問題。隨著計算機性能的提高，系 統(tǒng)能夠用一部分資源來處理人－計算機界面，用戶界面設計開始引起人們的注意。
用戶界面的發(fā)展對計算機系統(tǒng)整體性能的提高所具有的重要性已經(jīng)得到了人 們的高度重視，與此同時，圍繞人機建模業(yè)已形成了計算機產(chǎn)業(yè)又一新的競爭領 域。在美國人機建模研究在信息技術中被列為與軟件和計算機并列的六項國家關 鍵技術之一，并被認為“對于計算機工業(yè)有著突出的重要性，對其它工業(yè)也是很 重要的”。美國國防關鍵技術計劃不僅把人機交互界面列為軟件技術發(fā)展的重要 內(nèi)容之一，而且還專門增加了與軟件技術并列的人－系統(tǒng)界面一項內(nèi)容。日本也 提出了FPIEND21計劃（Future Personalized Information Enviroment Develop- ment)，其目標就是要開發(fā)21世界的計算機界面。
我國在人機界面方面的設計與國際同類研究相比還存在較大差距。目前的研 究僅僅著重于支持界面的軟件和硬件，對界面本身還缺少深入的研究，用戶界面 的設計還沒有成為軟件設計中獨立的一部分，也缺少新的人機界面設計技術。而 另一方面，計算機科學的發(fā)展和計算機的普及應用卻對人機界面的研究提出了越 來越高的要求。
進入九十年代計算機軟件開發(fā)已進入了以開發(fā)軟件工具和建立軟件開發(fā)環(huán)境 為目標的時代。作為支持人機交互軟件開發(fā)環(huán)境的用戶界面管理系統(tǒng)UIMS正日益 受到人們的關注和重視。今后UIMS將有可能進入各類實際軟件開發(fā)環(huán)境，成為繼 DBMS之后的又一個重要的軟件開發(fā)環(huán)境和工具。
軟件界面是人－機之間的信息界面，從某種意義上講，它比硬件和工作環(huán)境 更為重要。優(yōu)化軟件界面就是要合理設計和管理人－ 機對話的結構。對話的結構 設計一般可分為初始設計、形式評價和總結評價三個階段。
2.1人類工程學
人類工程學是一門應用廣泛的綜合性邊緣學科，作為一門獨立的學科，人類 工程學在我國的歷史還很短，我國的心理學家、人類學家、勞動保護和醫(yī)學工作 者、機械工程師正結合自己的領域，開展這方面的工作。
�。�1）人類工程學中人的特性
人在系統(tǒng)中是主體，任何先進的機器都是由人設計的，由人操縱的，所以系 統(tǒng)工作效率的優(yōu)劣、安全性，很大程度上決定于人的工作狀況。人類工程學中要 研究人對外界信息的感知特性，人對信息的加工、處理及思維能力，人的學習、 記憶特性，人的自身節(jié)率等等。
1) 人的感覺功能
a. 視覺 人們通過視覺器官認識外界事物，由大腦產(chǎn)生正確的思考，視覺 對勞動的產(chǎn)量、質(zhì)量及安全均有影響，還影響到勞動者的心理活動過程。
b. 聽覺 人耳對聲音響度的感覺主要是和聲強有關。人接受聽覺信息要比 接受視覺信息快。據(jù)測定，人的聽覺反應時間約為120－150ms，較光信息快30－ 50ms。聽覺信號常用于報警。
c. 觸覺等 人們通過觸覺器官接受物體的空間位置、形狀、表面情況和原 材料等信息。
2) 人的信息處理及輸出特性
a. 人的反應時間 操作者在操縱、監(jiān)視設備時，從出現(xiàn)信號刺激到采取相 應動作，存在一個反應時間。人體的運動系統(tǒng)反應速度比較緩慢，神經(jīng)肌肉接頭 的反應延遲時間為0.1－0.2s.
b. 人的信息傳輸 信息在神經(jīng)系統(tǒng)中的傳輸，是由不同的感覺通道，傳輸 不同的信息，如視覺系統(tǒng)的單個神經(jīng)纖維能傳輸不同的顏色信息，信息的傳輸速 率是一個重要的物理量。
3) 人機分工
設計人機交互界面，進行人機分工時，要充分發(fā)揮人機的各自特點�？刹捎� 最大最小原則，即人承擔的工作量應盡量少或最少，機器承擔的工作量應最大， 在最大限度利用機器的同時，充分發(fā)揮人的積極因素。人機結合并充分注意人的 主導地位，將有效地保證系統(tǒng)的可靠性和壽命。
�。�2）計算機輔助設計和計算機圖形學中的人的因素
利用CAD技術并結合CAM技術可以大大縮短產(chǎn)品的設計－制造周期，CAD已經(jīng) 成為制造業(yè)中求生存的一種主要手段。CAD中主要的人的因素問題有：CAD硬件中 的圖形終端、輸入裝置和菜單設計，CAD系統(tǒng)中人的信息加工能力，如有關CAD顯 示的視覺、CAD中的空間推理、CAD中的問題解決及運動反應等過程；CAD系統(tǒng)中 人機功能分配；CAD系統(tǒng)中的工作設計、人員選拔和訓練等。
�。�3）計算機輔助制造中的人的因素
CAM可被廣義地認為是在制造業(yè)的管理、控制和運行中有效地應用計算機的一 項新技術，其最終目標是要建成CIMS，它將是一項在21世紀最具競爭力的技術。 認知工程學在CAM領域的主要研究內(nèi)容：自動化與工作分片、CAM中的人的決策和 自動化制造中人的監(jiān)控。
2.2 人機界面設計原則
�。�1）媒體最佳組合
媒體界面的成功并不在于僅向用戶提供豐富的媒體，而應在了解媒體的功能、 選擇方法的基礎上，在相關理論的指導下，在語義層上將各種媒體有機地結合起 來以更有效地傳遞信息。
（2）界面分析與規(guī)范
在人機界面設計中，首先應進行界面設計分析，即收集有關用戶及其應用環(huán) 境信息以后，進行用戶特性分析，用戶任務分析，記錄用戶有關系統(tǒng)的概念、術 語，這項工作可與應用系統(tǒng)分析結合進行。分析任務中對界面設計要有界面規(guī)范 說明，選擇界面設計類型，并確定設計的主要組成部分。
由于人機界面是為適合人的需要而建立的，所以要清楚使用該界面用戶的類 型，要了解用戶使用系統(tǒng)的頻率、用途及對用戶的綜合知識和智力的測試，這些 均是用戶設計中的內(nèi)容。在此基礎上產(chǎn)生任務規(guī)范說明，進行任務設計。任務設 計的目的在于重新組織任務規(guī)范說明以產(chǎn)生一個更有邏輯性的編排。設計應精心 地分別給出人與計算機的活動，使設計者較好地理解在設計一個界面時所遇到的 問題，這樣形成系統(tǒng)操作手冊、訓練文件和用戶指南的基礎。在考慮用戶工作方 式及系統(tǒng)環(huán)境和支持等因素下，精心任務設計。
任務確定之后，要決定界面類型。目前有多種人機界面設計類型，各有不同的 品質(zhì)和性能，因此設計者要了解每種類型的優(yōu)點和限制。大多數(shù)界面使用一種以 上的設計類型。下表列出了常用界面類型的優(yōu)缺點。 表1
3.圖標：用圖像代表功能
非常容易學，易用（鼠標操作〕，語言獨立性強，編程較容易 占具屏幕可觀的空間，表達抽象概念描述力差，需文字解釋，需圖形硬件和軟件支持 初學者。有形成國際會話語言的趨勢
4.表格填寫 使用速度快、易用、容易掌握 僅適合于數(shù)據(jù)輸入，不高級 數(shù)據(jù)錄入中用得最廣泛的會話類型，用于顯示和恢復界面，編輯初始界面
5.命令語言（單字命令到復雜語法的命令〕 使用功能強，靈活，是界面可控制系統(tǒng)的高級方法，對屏幕空間使用十分經(jīng)濟 學習困難（學習代碼和語言條款〕，用戶需要系統(tǒng)功能的某些知識，使用困難，研究 該界面工作量大 會使用復雜命令界面的熟練用戶，用戶發(fā)起和控制的對話
6.自然語言 自然的交流 難于編程實現(xiàn)，語言識別困難，會出現(xiàn)二義性，輸入慢 在有限制的問題中使用，可用于用戶發(fā)出的會話
2.3菜單屏幕設計的一些準則
（1）按任務語義來組織菜單（單一菜單、線狀序列、樹狀結構、非循環(huán)和循環(huán) 的網(wǎng)絡結構〕；
（2）廣而淺的菜單樹優(yōu)先于窄而淺的菜單樹；
�。�3）用圖形、數(shù)字或標題來顯示位置；
�。�4）用選項名稱來作樹的標題；
�。�5）根據(jù)含義將選項分組；
�。�6）根據(jù)含義將選項排序；
（7）選項力求簡短，以關鍵詞開始；
�。�8）語法、布局、用詞前后一致；
�。�9）允許超前鍵入、超前跳轉(zhuǎn)或其它捷徑；
（10）允許跳轉(zhuǎn)到前層的菜單和主菜單；
�。�11）考慮聯(lián)機求助、新穎選擇機制、響應時間、顯示速率和屏幕尺寸。
2.4 錯誤處理
在一個交互系統(tǒng)中，由于操作者的個人原因，經(jīng)常會產(chǎn)生誤操作，包括鍵入錯誤、 數(shù)據(jù)輸入錯誤等。同樣，在用戶編制的程序或設備連接時也可能會有錯誤。 一個好的交互系統(tǒng)不能要求操作者不犯錯誤，但應該具有較強的處置各種錯誤的能力， 除了在軟件設計時注意各種容錯機制、魯棒性技術及各種診斷措施以外，在計算機用 戶界面上應提供各種避免用戶操作錯誤的提示及各種錯誤信息的分析。
�。�1）錯誤輸入
1）數(shù)據(jù)錄入錯誤
在各類數(shù)據(jù)處理軟件中，數(shù)據(jù)錄入的錯誤是經(jīng)常發(fā)生的薄弱環(huán)節(jié)，為了減少用戶 在錄入時的錯誤，應采用一系列措施。
a. 對用戶輸入在屏幕上予以“回答”；
b. 對用戶在屏幕上的交互輸入，應提供暫存文件以記錄全部輸入，以便全部數(shù) 據(jù)輸入完后或臨時需要時進行檢查和確認；
c. 對用戶各種輸入應提供檢查；
d. 對于數(shù)據(jù)庫中的重要數(shù)據(jù)，必須進行嚴格的復查核對。
2）控制輸入
控制輸入的內(nèi)容與用戶界面的風格、控制方式有關。在有的菜單選項用戶界面 上，往往提供一組編號菜單項，用戶輸入一個號碼后，立即可進入該號指定的項目。 采用這種方法雖然可以減少按鍵，提供操作效率，但在誤按號碼后將會引起錯誤。
a. 對錯誤命令應提供反饋信息，告訴用戶正確的命令格式及參數(shù)；
b. 對文件操作的命令只對該文件的副本進行，以便在必要時仍可從文件的原稿 中恢復；
c. 對一些影響重大的命令需要由用戶再次確認；
d. 建立命令的歷史文件，這是對系統(tǒng)進行恢復的最有效措施，它對于不同開發(fā) 階段的錯誤情況獲取都是有用的。
3）其它錯誤
在一個交互系統(tǒng)中，各個部分都可能出現(xiàn)錯誤，包括硬件錯誤和軟件錯誤。在 設計系統(tǒng)時，應允許采用不同廠商的設備，且設備不同也不應引起錯誤，這就是設 備的獨立性問題。
4）錯誤信息
如何向用戶提供確切的錯誤信息是系統(tǒng)設計中的一個重要問題。過去有許多用 戶不愛使用某些系統(tǒng)，并不是因為其功能太弱，而是因為遇到錯誤時提示用戶的信 息太少。一個好的用戶界面，不僅應該具有容錯、檢錯的能力，而且在錯誤出現(xiàn)后， 應讓用戶清楚了解其錯誤的性質(zhì)和位置，以便由用戶克服其錯誤，下面是有關錯誤 信息的設計原則：
a. 盡可能使錯誤信息準確和定位；
b. 應指明用戶針對這類錯誤應如何做；
c. 語言應簡潔、明確，盡可能用通俗易懂的詞匯；
d. 避免使用指責性語言，語氣盡可能友善，但應給以告誡；
e. 對于錯誤信息應該根據(jù)系統(tǒng)的實際情況進行分層提示；
f. 應保持錯誤信息的風格一致，包括信息出現(xiàn)的位置，是否用對話框或窗口， 術語及縮寫等；
g. 盡可能采用可視的圖形信息及音響效果。
2.5 人機界面設計的評價
評價是人機界面設計的重要組成部分，但往往被設計者忽視。通常評價在最后 產(chǎn)品上進行，但若在系統(tǒng)設計初期就進行，或?qū)υ瓦M行評價，就能及早發(fā)現(xiàn)設計 缺陷，避免人力、物力的浪費。
對界面設計的質(zhì)量評價通常可用四項基本要求衡量：
�。�1）界面設計是否有利于用戶目標的完成？
�。�2）界面學習和使用是否容易？
�。�3）界面使用效率如何？
�。�4）設計的潛在問題有那些？
而對界面的總體設計和具體功能塊設計，則可用上面提到的各類界面設計準則 根據(jù)其應用對象進行綜合測試。具體要求的界面品質(zhì)，可照以下幾項參考：
�。�1）適應性。衡量界面在幫助用戶完成一項或多項任務時的滿意程度。
�。�2）有效性。度量指標錯誤率、任務完成時間、系統(tǒng)各設備使用率等。
�。�3）易學習性。從系統(tǒng)開始使用一段時間后，錯誤率下降的情況、完成任務 時間減少的情況、正確調(diào)用設備及命令的情況以及用戶知識增加的情況來評測。
（4）系統(tǒng)設備及功能使用面。若有些設備或功能任何用戶都未用過，則可能 設計有誤。
�。�5）用戶滿意程度。以用戶滿意程度、發(fā)現(xiàn)問題多少及使用興趣來衡量。
界面評估采用的方法已由傳統(tǒng)的知覺經(jīng)驗的方法，逐漸轉(zhuǎn)為科學的系統(tǒng)的方法 進行。傳統(tǒng)經(jīng)驗方法有如下幾種：
（1）實驗方法。在確定了實驗總目標及所要驗證的假設條件后，設計最可靠的 方法是隨機和重復測試。
�。�2）監(jiān)測方法。即觀察用戶行為。觀察方法有多種，如直接監(jiān)測，錄像監(jiān)測， 系統(tǒng)監(jiān)測等。
�。�3）調(diào)查方法。這種方法可為評價提供重要數(shù)據(jù)，在界面數(shù)據(jù)的任何階段均可 使用。調(diào)查方法可以采用調(diào)查表（問卷〕或面談方式。調(diào)查收集到的大多是主觀數(shù) 據(jù)，主要了解用戶使用該界面的情況，對界面的態(tài)度和意見。
返回目錄↑3、3、相關產(chǎn)品
.1 X窗口系統(tǒng)
窗口系統(tǒng)是控制位圖顯示設備與輸入設備的系統(tǒng)軟件。它所管理的資源有屏幕、 窗口、象素映象（pixmap)、色彩表、字體、光標、圖形資源及輸入設備。
窗口系統(tǒng)向用戶提供下列界面：
1) 應用界面
2) 編程界面
3) 窗口管理界面
美國國家標準技術委員會于1990年5月把窗口系統(tǒng)X.11.3版本正式發(fā)布為美國 國家標準文件（編號為FIPS－PUB－158）。該標準共包括4個內(nèi)容：
（1）X協(xié)議（X protocol)
X窗口系統(tǒng)實際上由核心協(xié)議所定義。協(xié)議包括四個方面：請求(request)、 回答(reply)、出錯(error)及事件(event)。X協(xié)議共有120個請求，可擴充至256 個。整個協(xié)議描述客戶與服務器進程通訊的語法結構與語義。
�。�2〕X庫函數(shù)(Xlib)
X庫函數(shù)是X窗口系統(tǒng)的C語言編程界面，是向應用程序員提供的低級編程界面。 X庫把參數(shù)封裝為協(xié)議請求，利用IPC機制發(fā)射給服務器進程。X庫共有320多個函數(shù)， 可分為系統(tǒng)功能（連接的建立與撤除等）、窗口功能（窗口屬性與操作）、通訊功 能（圖原、通訊屬性、正文字體、區(qū)域、圖像等）、色彩功能（色彩表操作）、事 件功能（輸入事件及窗口事件處理）及其它功能（原子、實用函數(shù)）。
�。�3）X工具箱本征函數(shù)（X toolkit intrinsics) X工具箱是在X庫上的高級 編程界面。它向用戶提供菜單、對話框、圖符等各種圖形界面元素的編程手段。X 工具箱包含兩部分：Widget集及Intrinsics函數(shù)集。前者是具有一定風格及外觀的 圖形界面元素對象集，它與特定風格有關；后者是利用這些對象編程時的通用函數(shù)， 共有270個函數(shù)，包括界面函數(shù)與應用程序聯(lián)系的“回調(diào)函數(shù)”等。
（4）字體標準格式（BDF,Bitmap Distributed Format) 這是X窗口系統(tǒng)所提 供各種字體的標準位圖(bitmap)的組成規(guī)定。
X窗口系統(tǒng)的一個重要設計思想是提供實現(xiàn)各種界面的機制，而不是策略。由 于上述四部分只規(guī)定了應用程序員的編程接口，因而不同廠商或用戶可在它們之 上實現(xiàn)各種窗口管理程序及界面外觀。由此，X窗口系統(tǒng)成為工作站各用戶界面的 基礎、事實上的工業(yè)標準。
窗口是X窗口系統(tǒng)的一個重要資源，是屏幕上的一個矩形區(qū)域（透明窗口無此 區(qū)域邊框〕。它實質(zhì)上是位圖輸出設備及輸入設備的一個抽象，有自己的坐標及感 興趣的事件等。X窗口系統(tǒng)有一個根窗口覆蓋整個屏幕，應用程序的窗口均為根窗 口的子窗口。這樣所有窗口構成了樹形結構，子窗口大小不能超出父窗口。X窗口 系統(tǒng)中窗口的樹形結構為應用程序的多級抽象提供了清晰的概念。
X窗口系統(tǒng)的運行環(huán)境應該是在具有進程間通信機制的操作系統(tǒng)上工作，例如 有TCP/IP（支持Socket機制〕網(wǎng)絡協(xié)議的UNIX操作系統(tǒng)上工作。此時，應在后臺運 行服務器進程(X Server)、窗口管理程序(uwm)及終端仿真程序(X term)。有以上 三個進程，就可以在窗口系統(tǒng)下執(zhí)行各種命令，用鼠標或鍵盤管理窗口，運行各種 應用程序。X窗口提供了極強的顯示管理及輸入設備的管理功能，是工作站上CAD軟 件及其用戶界面的主要支撐環(huán)境，已成為工作站窗口系統(tǒng)事實上的工業(yè)標準。X窗 口系統(tǒng)也要求可觀的計算機資源。
3.2 OSF/Motif和OPEN LOOK
X窗口系統(tǒng)提供了一系列構造用戶界面的機制，包含協(xié)議、庫函數(shù)、工具箱本 征函數(shù)及字體格式等。但它并不提供某種具體的用戶界面風格。在X窗口系統(tǒng)之上 已經(jīng)構造了具有不同用戶界面風格的高級界面對象集，通常稱為Widget Set。它們 各有不同的視感（look & feel)，其中對象可以包括窗口、菜單、對話框、按鈕、 圖符、邊框等。一種風格的某種Widget Set為用戶提供了一種外觀統(tǒng)一的圖形用戶 界面，也為應用程序員提供了面向?qū)ο蟮膽镁幊探缑妫ˋPI〕。OSF/Motif是由開 放軟件基金會（OSF〕1989年發(fā)布的圖形用戶界面規(guī)范。它以UNIX操作系統(tǒng)用X窗口 系統(tǒng)為軟件平臺，吸取了IBM OS/2的Presentation Manager,MS-Dos及HP newware 界面風格的特點，提供了風格(style)、窗口管理、工具箱、用戶界面語言（UIL〕 等一系列機制及規(guī)定。OSF/Motif已在多種硬件平臺及操作系統(tǒng)上工作。OPEN LOOK 是由UNIX國際1988年發(fā)布的圖形用戶界面規(guī)范，它已作為UNIX系統(tǒng)第四、第五版本 發(fā)布的重要組成部分正式使用。它也在許多工作站上實現(xiàn)并推廣使用。
3.3 Windows
1986年Microsoft公司為IBM個人計算機的DOS環(huán)境開放了Windows窗口系統(tǒng)，后來 經(jīng)過大量改進，于1990年正式發(fā)布了Windows3.0版本。由于該窗口系統(tǒng)在儲存管理 上突破了原來DOS 640KB的限制，從而具有強的功能，為在DOS環(huán)境提供了可實用的 圖形用戶界面。MS-Windows的出現(xiàn)，使得DOS環(huán)境下的大量CAD/CAM軟件有了十分強 的窗口環(huán)境支持，從而使得CAD/CAM的用戶界面更加方便、一致。MS－Windows已成 為在DOS環(huán)境圖形用戶界面的主要產(chǎn)品。 Windows窗口系統(tǒng)是基于核心的窗口系統(tǒng)(Windows 95,Windows 98,Windows NT)， 其核心功能放在操作系統(tǒng)內(nèi)。由于Windows窗口環(huán)境具有風格一致的操作界面，在 Windows環(huán)境下開發(fā)的應用軟件具有同樣的界面風格因而易學易用。這種通用的操作 系統(tǒng)為界面各種對象的設計提供了過程化設計的平臺和工具箱，從而使界面設計實 現(xiàn)容易。
返回目錄↑4、4、典型應用（案例分析）
4.1界面工具系統(tǒng)(FITOOL)開發(fā)與實現(xiàn)
�。�1）研究背景:
計算機用戶界面是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它直接關系到整個計算機系統(tǒng)的 可使用性和效率。經(jīng)驗表明開發(fā)高質(zhì)量的用戶界面，需花費大量的人力物力，且開發(fā) 周期較長。
傳統(tǒng)的用戶界面的設計與描述是基于＂嵌入＂方式進行的，應用程序設計人 員在設計軟件時，是按功能及界面兩方面要求混合編寫用戶界面和應用功能兩部分程 序。這種開發(fā)方式忽略了用戶界面的個性，使程序復雜化，可維護性差。當前計算機 軟件的開發(fā)已不再是將用戶界面和應用功能兩部分混合編寫了。而是越來越傾向于二 者分別編寫，單獨編譯，再連接成可執(zhí)行文件。這是因為對不同的應用系統(tǒng)，用戶界 面部分在邏輯上和處理方法上具有高度的相似性。而讓軟件開發(fā)人員花費大量的時間 與精力去開發(fā)一個很類似又不具有通用性的用戶界面程序顯然是不可取的。因此開發(fā) 能夠用規(guī)范化和規(guī)模化生產(chǎn)的方法自動生成一致性的用戶界面的工具是用戶界面研究 的內(nèi)容。
用戶界面管理系統(tǒng)（UIMS）就是一種開發(fā)用戶界面的軟件工具。UIMS支持用戶界 面的表示、設計、實現(xiàn)、原型、執(zhí)行、評估和維護。UIMS能夠為整個環(huán)境提供一個友 好一致的人機界面，使用戶能以極其友好的方式幾乎能隨心所欲地使用此環(huán)境進行軟 件開發(fā)，即使得此環(huán)境具有友好的交互介質(zhì)、友好的界面方式、友好的屏幕式樣。
�。�2）UIMS的表示方法：
UIMS的表示方法主要包含人機界面的規(guī)格說明和它與人文因素、應用程序及其數(shù) 據(jù)結構的聯(lián)系等。UIMS邏輯結構模型中幾個主要層次的表示方法，其中除了對話層的 表示方法比較成熟、研究成果豐富外，其它層次的表示方法尚有待發(fā)展。
1)外形層的表示方法
外形層的表示方法主要涉及用戶輸入輸出信息的處理。需要解決如下問題：
a. 如何處理和表示圖形的輸入輸出。
b. 如何適應多媒體的需要，將輸入輸出信息擴充到視頻、語音、動畫、仿真等。
c. 如何適應智能人機界面規(guī)格說明的需要，即信息流的內(nèi)外映射中如何包含簡 單的基于人機界面設計規(guī)格的決策，使一對一映射的關系擴充到多對一、多對多的映 射關系。
2)對話層的表示方法：
對話層的表示方法比較多，Green M(1986)，Myers BA(1989)等曾先后對對話層 的表示方法進行了如下分類：
a. 基于語言的表示方法
即界面設計者用一種專門的人機界面描述語言uidl來說明界面。這種語言可能 有多種形式：菜單網(wǎng)絡、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、上下文無關文法、事件語言、面向?qū)ο笳Z言 等。語言的主要任務是說明界面對話層的語法，即輸入輸出動作的合法順序。
菜單網(wǎng)絡：是最簡單的表示方法，即支持菜單的層次或網(wǎng)絡結構。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡是由一組狀態(tài)組成。在由每個狀態(tài)出發(fā)的邊上 標志出一個輸入詞碼，它能引起轉(zhuǎn)移到該邊另一端的狀態(tài)。除輸入詞碼外，有些系 統(tǒng)的邊上標出了被調(diào)用的應用子程序和被顯示的輸出內(nèi)容。但是使用這種方法，界 面和應用程序的聯(lián)系是通過很多全程變量實現(xiàn)的，所有的狀態(tài)必須有清楚的邊來反 映所有可能出現(xiàn)的錯誤輸入和公用命令。
上下文無關文法：即使用上下文無關文法來描述用戶和程序之間的對話，且大 多以編譯器為基礎。
事件語言：在事件語言中，輸入詞碼被認為是事件并立即送事件處理器．這些 處理器能產(chǎn)生輸出事件，改變系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，或調(diào)用應用子程序．
面向?qū)ο笳Z言：即提供一個面向?qū)ο蟮目蚣�，設計者在該框架內(nèi)編寫界面程序。
b. 基于圖形的表示方法：
基于圖形的UIMS讓用戶或至少部分地讓用戶使用鼠標器直接將對象放到屏幕上 來定義界面．它把界面的圖示表示作為最重要的一個方面，而圖形工具是說明這種 表示的最合適的方法。
c. 基于應用語義過程的表示方法：
即從應用的語義過程規(guī)格說明自動生成界面，并且讓設計者修改界面以改進它 的性能。
3)應用層的表示方法：
目前應用界面模型和應用層的表示方法很不成熟，仍舊處于發(fā)展初期。作為可 供實用的實用界面模型，至少必須包含如下三個內(nèi)容：
a. 它必須包含與用戶和人機界面有關的應用數(shù)據(jù)結構的說明；
b. 它必須包含人機界面調(diào)用的應用子程序的說明，例如子程序名、運算對象 等．這實際上是定義了人機界面和應用程序之間的界面；
c. 必須列舉應用程序?qū)τ脩舻南拗疲畯亩谷藱C界面排除了許多可能引起語 義錯誤的操作，避免了對應用程序的破壞。
正在研究的應用層的表示方法有兩類：
一是對象 — 算子法．對象對應于應用程序的數(shù)據(jù)結構，算子對應于人機界 面調(diào)用的應用子程序。
二是基于關系和一階邏輯．關系用來表示應用程序中的數(shù)據(jù)結構，而一階邏輯 模型的說明用來表示應用子程序。
4.2系統(tǒng)結構
FITOOL支持用戶界面管理系統(tǒng)（UIMS）的Seeheim模型，基于Motif和X-Windows， 運行于UNIX操作系統(tǒng)。
FITOOL對話層的表示方法采用面向?qū)ο蟊硎痉椒ńY合圖形表示方法，使系統(tǒng)具 有直接操縱的特點。
FITOOL由如下幾部分組成：（結構圖見圖4-1）
a. 窗口編輯器
窗口編輯器管理并生成各種初始化窗口。用戶若要創(chuàng)建界面必須先運行此模塊， 這既是初始化界面結構也是初始化管理內(nèi)部數(shù)據(jù)結構的鏈表。
b. 原始構件編輯器
原始構件編輯器提供了各種界面構件，用戶可按自己的需求用鼠標點取相應的 界面構件，并可對其進行任意配置，直到滿意為止。
c. 管理器編輯器
管理器編輯器提供了各種界面管理器構件，這些構件有的可以管理一個后代， 有的可以管理若干個后代，用戶可按自己對界面總體的要求需求用鼠標點取合適的 界面管理器構件，并可對其資源進行任意配置，直到滿意為止。
圖4-1 FITOOL 結構圖
d. 菜單編輯器
菜單編輯器可以單獨進行使用，用戶可以創(chuàng)建下拉式菜單，選項式菜單，彈 出式菜單，菜單可以是文字式，圖符式或圖符文字混合式。
e. 對話框編輯器
對話框編輯器提供了各種對話形式，用戶可按要求自行創(chuàng)建和配置。
f . 資源修改模塊
資源修改模塊可單獨運行以對所產(chǎn)生的界面的任何部分進行資源的重新配置。
g. 界面瀏覽器；
界面瀏覽器可以瀏覽用戶已有的界面（文件），并可以重用之。
h. 界面／應用對話編輯器
界面／應用對話編輯器用來定義用戶界面與應用程序之間的數(shù)據(jù)的傳遞及動作的響應。
i. 源代碼生成器
源代碼生成器用于生成用戶界面源程序（包括C文件和UIL件）.
j. 中英文文本編輯器
中英文文本編輯器可進行任何文字編輯操作。
k. 編譯與連接模塊。
編譯與連接模塊用于編譯并連接用戶界面源程序生成執(zhí)行文件。
4.3系統(tǒng)功能
使用本文描述的工具，界面設計人員不需要專門掌握一種用戶界面描述語言， 而是通過界面編輯器來直接操縱屏幕上的可視對象，生成和修改用戶界面原型，并 能將結果立即顯示在屏幕上，達到＂所見即所得（WYSIWYW）＂的效果。
使用FITOOL，用戶可以任意布置自己的用戶界面，并最后得到相應的用戶界 面及其源程序，并可以和應用程序進行聯(lián)編，最后形成可用的執(zhí)行文件。
使用FITOOL， 用戶需做如下工作：
(1). 描述，即理解應用程序，確定用戶界面外觀和交互行為．
a. 確定所需的用戶界面構件：
按照最終用戶界面的外觀和功能進行界面布局描述和設計，這部分工作可以在 稿紙上完成，并列出所需要的界面構件名稱及最終的配置。
b. 確定界面的層次關系：
有了界面的布局，啟動FITOOL，運行相應模塊按步驟創(chuàng)建用戶界面。
c. 確定界面與應用程序的對話結構：
按應用程序?qū)缑骓憫囊�，定義應用與用戶界面之間的數(shù)據(jù)傳遞及相應的 對話框。
(2)構造用戶界面
a.運行窗口編輯器，創(chuàng)建并管理各種初始化窗口。用戶若要創(chuàng)建界面必須先 運行此模塊，這既是初始化界面結構也是初始化管理內(nèi)部數(shù)據(jù)結構的鏈表。
b. 管理器編輯器提供了各種界面管理器構件，這些構件有的可以管理一個后 代，有的可以管理若干個后代，用戶可按自己對界面總體的要求需求用鼠標點取合 適的界面管理器構件，并可對其資源進行任意配置，直到滿意為止。
c. 原始構件編輯器提供了各種界面構件，用戶可按自己的需求用鼠標點取相 應的界面構件，并可對其進行任意配置，直到滿意為止。
d. 菜單編輯器可以單獨進行使用，用戶可以創(chuàng)建下拉式菜單，選項式菜單， 彈出式菜單，菜單可以是文字式，圖符式或圖符文字混合式。
e. 對話框編輯器提供了各種對話形式，用戶可按要求自行創(chuàng)建和配置。
f. 資源修改模塊可單獨運行以對所產(chǎn)生的界面的任何部分進行資源的重新配置。
g. 界面瀏覽器可以瀏覽用戶已有的界面（文件），并可以重用之。
h. 界面／應用對話編輯器用來定義用戶界面與應用程序之間的數(shù)據(jù)的傳遞及 動作的響應。
i. 源代碼生成器用于生成用戶界面源程序（包括C文件和UIL文件）。
j. 中英文文本編輯器可進行任何文字編輯操作。例如：編輯任何程序語言的源 程序或任何中英文文本文件。
k. 編譯與連接模塊用于編譯并連接用戶界面源程序生成執(zhí)行文件。
因此用戶可按事先確定的界面層次關系，用鼠標選取相應的界面構件，并定制相 應的資源，可隨時對字體和顏色進行修改以滿足自己的要求，最后組裝成自己的界面。 并可得到相應的源程序（*.c、*.h、*.uil），經(jīng)編譯后得到對應的目標文件（*.o、 *.uid），和應用程序?qū)哪繕宋募?.o）進行連接后可得到相應的執(zhí)行文件。
�。�3〕測試用戶界面．
將生成的源程序與應用程序的目標文件經(jīng)連接后生成可執(zhí)行文件，經(jīng)運行如 發(fā)現(xiàn)不合要求，可進行相應的修改，直到滿足要求。
最后生成最終用戶界面（包括永久對象和臨時對象）和源程序。
4.4系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)的實現(xiàn)采用C++ 、C語言、Motif 及其用戶界面語言uil混合編寫而成。
Motif基于X—Windows的Xt 工具箱（Xt Intrinsics），是一個用C語言實現(xiàn)、 支持面向?qū)ο篌w系的程序庫；C++則是由C語言發(fā)展而來，但它直接提供面向?qū)ο笫?的編程方法。
Motif內(nèi)部使用的面向?qū)ο笫襟w系對Motif的應用程序來說不會有絲毫的影響， 因為它提供面向函數(shù)的接口，調(diào)用程序?qū)otif及Xt Intrinsics內(nèi)部實現(xiàn)的細節(jié)不 必深究。因此從表面上看，Motif和其他C語言庫沒有任何區(qū)別。C++的設計允許程序 員輕易地使用象Motif這樣的C語言庫。C++還為面向?qū)ο笤O計方法和系統(tǒng)軟件設計方 法的結合提供了簡易的方法，它使得程序在受益于面向?qū)ο蠹夹g的同時不失掉C的高 效性，更不必重新設計象X和Motif這樣的標準C庫函數(shù)。
�。�1）OSF／Motif與C++混合編程
用C++的面向?qū)ο蟮奶匦赃M行程序設計，并假設程序中的類代表令人感興趣的體 系結構單元。用C++類封裝widget集合以創(chuàng)建一用戶界面組成部件的類，將Motif wi- dget作為基本單元來構造它們的界面。一個組成部件不僅封裝了一個widget集合， 而且定義了整個組成部件的行為。
1)創(chuàng)建用戶界面組成部件
用C++類封裝widget集合以創(chuàng)建用戶界面組成部件的技術。即使用C++創(chuàng)建高一級 的、將一個或多個widget組合成一個邏輯群的用戶界面組成部件。這樣做的目的是不 用分離的類替換widget，而是用基本的Motif widget，將一個應用程序及其界面的 關鍵組成部件作為類實現(xiàn)。這樣的話，Motif本身是否是面向?qū)ο蟮牟⒉恢匾珻++ 程序員可以直接調(diào)用Xt和Motif的函數(shù)來創(chuàng)建基本的Motif widget。
使用C++類組合一組widget以創(chuàng)建更復雜的用戶界面組成部件。并且在一個C++ 類中，可以創(chuàng)建widget，并指定其資源和賦值回調(diào)等。這樣，一個C++類不僅封裝一 個widget集合，而且定義了整個組成部件的行為。其意圖是不僅僅用一個類替換一 個widget集合，而是創(chuàng)建一個應用程序所要求的基本類，其中某些類使用widget實 現(xiàn)一用戶界面組成部件。
虛擬與回調(diào)（作為靜態(tài)成員函數(shù)實現(xiàn)）的組合提供了創(chuàng)建抽象用戶界面組成 部件的一種方法．基類可以由組成部件支持的widget，以及整體布局，而將組成部 件的具體行為留給派生類。
2) 用戶界面組成部件的協(xié)議
定義一個簡單的協(xié)議，即使所有用戶界面組成部件能保證在不同組成部件之間 的一致性，并且使不同的組成部件很容易地在一起工作。
● 組成部件在類的構造函數(shù)中創(chuàng)建一個或多個widget。通常情況下，回調(diào)與其 它創(chuàng)建也在構造函數(shù)中處理，每個組成部件創(chuàng)建一個單獨的widget，是為基widget。 使它作為類所表示的widget樹的根，其它所有widget都是它的孩子。
● 組成部件將一個widget作為構造函數(shù)中的一個參數(shù)。該widget作為該組成部 件的基widget的父親。
● 組成部件將它創(chuàng)建的widget子樹的根賦給一個保護的實例變量．
● 組成部件將一個字符串作為構造函數(shù)的一個參數(shù)。
● 每個組成部件類提供一訪問方式，用來查詢子樹的根widget。然而一個組成 部件類的目標是封裝一個widget的單獨邏輯集合的行為，偶爾需要類公開widget樹 的根widget。
● 組成部件類允許widget子樹由類封裝，以進行處理或不處理。組成部件就作 為一個邏輯群處理，并且只有widget子樹的根被處理或不處理。其它widget應在創(chuàng) 建時在構造函數(shù)中被處理，而此時不處理根widget。
● 組成部件處理其widget樹中widget的析構函數(shù)．當一個對象被清除時，它所 封裝的widget也應被清除。
3) 基類的定義與實現(xiàn)
BasicComponent類
BasicComponent類實現(xiàn)一些對所有組成部件類都有用的基本特性。
UIComponent類
UIComponent類是由BasicComponent類派生得到的，但增加了處理widget析構， 并且使用資源管理程序定做和初始化類。
（2） Motif與C++類混合編程的應用框架
創(chuàng)建一個應用框架用來定義一個應用程序的總體結構。和其它框架一樣，類和 框架配合的好要比任何一個類的函數(shù)性要重要的多。
框架的本意是依靠獲取應用程序的共同元素來簡化編寫Motif應用程序的任務。 盡管Xt和Motif提供一個比Xlib更高層的的接口，但是絕大多數(shù)的Motif 和Xt 應用 程序仍然包括數(shù)量驚人的重復代碼。例如所有的Motif 應用程序必須初始化Xt Int rinsics，打開和 X 服務器的聯(lián)系，進入事件循環(huán)，以及其它等等。對每一個應用 程序來說，復制實現(xiàn)這些步驟的代碼是沒有什么理由的。我們可以把這些步驟放在 一個類中，其他的應用程序就可以復用它。我們也可能抽取典型的Motif 應用程序 的控制結構部分，盡管許多特殊的細節(jié)在不同的應用程序間是有差別的。
Motif 應用程序所共有的一些特點：
● 初始化Xt Intrinsics；
● 打開和 X 服務器的聯(lián)系；
● 創(chuàng)建一個Shell widget作為其它widget的父親；
● 創(chuàng)建一個或一個以上widget定義用戶界面；
● 進入事件循環(huán)來處理事件。
大部分Motif 應用程序中main()主體是非常類似的。絕大多數(shù)程序都執(zhí)行上 面的步驟，而很少有不同的。實際上，如果我們忽略不同的應用程序間的細小差 別，我們可看到幾乎每一個Xt應用程序都包含相同的語言并且遵循相同的形式。 程序和程序之間，重復地為每個程序打開這些語句是一個時間上的浪費。
一個功能更強的方法是抽取一個應用程序的骨架，放在一個類中。應用程序 可以通過實例化這個類，或者創(chuàng)建一個從這個類派生出來的新類來復用公共的代 碼段。使用一個類來獲取應用程序的共同特點比拷貝上面顯示的樣板有幾個優(yōu)點。 首先，一旦程序設計者作了一份樣板的拷貝，他或她就喪失了跟蹤原始代碼的能 力。然而，那些僅是簡單地實例化一個封裝這個代碼的對象的程序，可以從修改 錯誤和改進中獲益，因為它們只需要與一個修改過的版本重新連接。
基于面向?qū)ο罄碚摰膽贸绦蚩梢酝ㄟ^派生出一個新類修改已生成代碼的行 為。因為改變只是對一個派生類做的，而對原始類未作改動，所以要復原至最初 的行為就容易得多了。確定任何在發(fā)展過程中帶入的新錯誤完全包容在新代碼中 ，也變得容易多了。
Application類:
Application類處理初始化和所有基于Xt 的應用程序通用的事件處理步驟。 Motif 應用程序只是簡單地實例化一個Application對象，而不是調(diào)用類似 XtApp Initialize()或XtAppMainLoop()的Xt函數(shù)。程序可以從Application類中派生出 新類也可以直接實例化。Application類在構造函數(shù)中不創(chuàng)建任何widget。Appli cation類為在整個應用程序中都可能需要的一些數(shù)據(jù)提供存儲的空間。
框架支持應用程序的多頂層窗口。一個方法是創(chuàng)建一個唯一的頂層的窗口作 為應用程序的主窗口。所有其它的窗口都是彈出Shell，它們的父親是那個主窗 口。另一種方法是創(chuàng)建一個唯一的Shell，它永遠不出現(xiàn)在屏幕上．所有其它的 窗口必須是這個主Shell的彈出兒子．在這個模型中，所有頂層窗口等價對待， 彼此間是兄弟關系，一個窗口邏輯上可以是應用程序的頂層窗口。
可以定義一個MainWindow類以提供應用程序中頂層窗口的基本屏幕布置。
基于這個框架的應用程序不必定義main()。函數(shù)main()定義框架的一部分， 并且管理調(diào)用Application::initialize()成員函數(shù)以及進入事件循環(huán)。隱藏 main()允許框架管理比所有應用程序必須執(zhí)行的例程初始化更多的事情，即每一 個程序都是Application類的一個實例。應用程序的創(chuàng)建就是簡單地由實例化一個 Application對象完成的。
對話類:
為了一些特殊意圖，在屏幕上現(xiàn)實相對時間較短的對話窗口，是許多交互式 應用程序的一個共同特點。管理帶有許多輸入，控制或者選項的應用程序的一種 方法是把用戶界面中不常使用的部分放在幾個分開的對話窗口中，只有當需要時 才顯示，對話窗口可以有幾種不同的使用方法。
對話類依賴Application類，因為對話需要一個父widget。因此要強迫應用 程序傳送一個widget給post()方法作為父親使用，但是允許有不同的父親。為了 不使高速緩存復雜化，這里使用Application類的Shell widget以保證所有的對 話有相同的父親，在屏幕上集中了對話。
命令類:
在交互式應用程序中，用戶的每一個動作幾乎都被認為是一條命令。例如， 絕大多數(shù)的字處理程序支持類似＂插入字符＂的簡單命令和更復雜的類似＂段落 重新劃分＂以及＂保存文件＂的命令。用戶可能認為插入字符不是發(fā)出了一條命 令，但是對程序員來說，插入字符和段落重新劃分之間沒有什么不同。程序員典 型地把這些命令作為函數(shù)（例如，回調(diào)函數(shù)）來實現(xiàn)，這些函數(shù)作為用戶動作的 結果被執(zhí)行。這樣系統(tǒng)的每一個命令被模型化為一個對象。
Cmd類完全獨立于任何用戶界面。命令對象可以有計劃地實例化和執(zhí)行。而不 必依賴于某個用戶界面組成部件。然而，通過一些用戶界面組成部件，代表由用 戶初始化的動作，對一個命令對象來說是很普遍的。CmdInterface類就是支持Cmd 對象和widget或其它用戶界面組成部件間的相互作用。
�。�3）OSF／Motif之UIL與C++混合編程
UIL即用戶界面描述語言。它是一種規(guī)范語言，描述Motif 應用程序的用戶界 面的初始狀態(tài)。UIL配合Motif 資源管理器（MRM）以一種較C語言更加靠近自然語 言的高級語言描述、定制Motif 用戶界面。
使用UIL可以快速地開發(fā)用戶界面的原型，因為使用者不需要知道具體的wid- get創(chuàng)建函數(shù)極其調(diào)用格式。UIL不需要控制流，用戶可以大致按對象在界面中的 放置順序來描述它們，這使得uil文件易讀且不易出錯。另外，由于用UIL編譯器 對uil文件進行解釋產(chǎn)生的用戶界面描述文件uid與應用程序之源程序分離，應用 程序只是在運行時才讀取uid文件。也就是說同一個應用程序可以有一個或多個不 同的界面，同一個界面可以被一個或多個不同的應用程序所擁有。
使用uid文件的應用程序的結構：
● 調(diào)用MrmInitialize（）函數(shù)初始化MRM所需之內(nèi)部數(shù)據(jù)結構；
● 調(diào)用MrmOpenHierarchy（）函數(shù)將MRM與具體的uid文件聯(lián)系起來；
● 調(diào)用MrmRegisterNames（）函數(shù)來登記回調(diào)函數(shù)；
● 調(diào)用MrmFetchWidget（）函數(shù)按搜索層次指針記錄的uid文件獲取順序從 uid文件中獲取文件信息，并創(chuàng)建列于相應uid文件中的widget及其子widget。
創(chuàng)建Application 類的子類Mrmapp類．
Mrmapp類是Application 類的子類，它提供了普遍使用的讀取uid文件，創(chuàng) 建widget的方法。
使用UIL語言與C++語言混合編程非常方便．對不同的程序只需要改變相應 的讀入uid文件語句，使程序調(diào)用合適的uid文件即可。
FITOOL就是通過建立上述Motif與C++類混合編程的應用框架實現(xiàn)的。
4.5 BITIS界面
BITIS計算機輔助設計與制造（ CAD/CAM/CAPP）系統(tǒng)（圖4-2）的統(tǒng)一用戶 界面就可以用FITOOL來設計與生成。
(1). 需求分析
要求有一封面、一背景屏幕和一集成工具。
集成工具（圖4）層次結構如下：
初始化窗口；
管理器構件：主窗口，一個Form管理器，二個Frame管理器，一個RowColumn 管理器。
原始構件：RadioBox，Label，PushButton。
菜單：下拉式菜單。 圖4-2 BITIS集成系統(tǒng)結構
(2). 生成界面
a. 首先用窗口編輯器，創(chuàng)建并管理各種頂層窗口。
b. 用管理器編輯器產(chǎn)生一個主窗口，一個Form管理器，一個RowColumn管 理器。
c. 用原始構件編輯器產(chǎn)生Label，RadioBox，PushButton原始構件。
d. 用菜單編輯器創(chuàng)建下拉式菜單。
e. 用界面／應用對話編輯器定義用戶界面與應用程序之間的數(shù)據(jù)的傳遞 及動作的響應。
f. 用源代碼生成器生成用戶界面源程序（包括C文件和UIL文件）。
g. 編譯與連接模塊用于編譯并連接用戶界面源程序生成執(zhí)行文件。 BITIS系統(tǒng)集成用戶界面（圖4-3）： 圖4-3 BITIS系統(tǒng)集成用戶界面
FITOOL可以運行于HP和SGI工作站，使用效果良好。其中有些功能有待進一步 研究與完善。
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