（计算机应用技术专业论文）一个面向儿童的界面隐喻的分析、设计及评估.pdf

摘要 界面隐喻作为一种比喻的方法，使得人们对于用户界面的理解、操作更加容易、高 效。随着计算无处不在的不断发展，使得计算机已成为儿童学习、娱乐的工具，而设计 和开发面向儿童的互动系统的主要瓶颈也在于如何设计界面隐喻，使其更易于儿童理 解、学习和使用。本文通过对现有界面隐喻研究与应用的介绍，结合对儿童的认知特征 及体能特征的分析，面向儿童提出一个基于儿童卡通读物的界面隐喻- - 3 i b o o k ；同时分 析了基于3 1 b o o k 界面隐喻的交互模型。在此基础上，通过一个互动游戏系统的实现来 评估该界面隐喻在面向儿童的交互式软件中应用的合理性和有效性。 在对界面隐喻研究与应用的分析部分，首先介绍隐喻及界面隐喻的概念，并介绍目 前关于界面隐喻的分类研究，主要包括方向性隐喻、实体性隐喻及结构性隐喻等。其次， 介绍界面隐喻的设计步骤和设计内容，并详细介绍本文所提出的界面隐喻四步设计法。 随后，对界面隐喻的评估方法进行介绍，以此用来评估本文所提出的界面隐喻是否合理、 有效。最后，分析目前面向儿童的界面隐喻研究及应用中所存在的问题。 在3 l b o o k 界面隐喻设计部分，针对目前所存在的问题，依据本文所提出的设计步 骤，首先从认知及体能特征两个方面对儿童特征进行分析，提出面向儿童的界面设计目 标，以此指导3 i b o o k 界面隐喻的设计。其次，介绍3 i b o o k 界面隐喻的概念，并从结构、 操作及实效设计三个方面具体介绍。随后，在介绍交互模型相关概念的基础上，对3 i b o o k 交互模型从交互任务、交互行为、交互事件及交互反馈设计四个方面分别进行论述。 在原型系统开发部分，其设计主要是依据3 i b o o k 界面隐喻及交互模型的设计，以 此用来验证本文设计的是否合理。在系统实现部分，主要介绍本文所使用的目标检测、 目标跟踪及手势识别等关键算法。其中，目标检测是通过对现有背景差分算法的改进而 实现；目标跟踪算法是在k a l m a n 滤波算法的基础上结合颜色等特征信息实现对运动目 标的跟踪。最后，通过对系统的具体应用，来评估3 i b o o k 界面隐喻在面向儿童的交互 式软件中应用的合理性和有效性。 本文的研究受到国家“八六三”高技术发展研究计划项目( 编号：2 0 0 6 a a 0 1 2 3 2 8 ) 、 中科院计算机科学国家重点实验室开放课题基金项目( 编号：s y s k f 0 7 0 4 ) 、国家自然 科学基金项目( 编号：6 0 8 7 3 0 9 5 ) 的资助。 关键词：用户界面，界面隐喻，视频手势，儿童游戏，背景差分 a b s t r a c t i n t e r f a c em e t a p h o r 嬲am e t h o do ff i g u r eo fs p e e c hu s i n gi nt h ec o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g n ， m a k e su s e ri n t e r f a c eb ee a s i l yu n d e r s t o o da n de f f i c i e n t l yo p e r a t e db yu s e r s n o w a d a y s ，a l l i n c r e a s i n gn u m b e ro fc h i l d r e na r eb e c o m i n gt h eu s e r sw h oe m p l o yc o m p u t e r sf o rl e a r n i n ga n d e n t e r t a i n m e n tw i t ht o d a y su b i q u i t o u sc o m p u t i n g h o w e v e r , u s a b l ei n t e r a c t i v es o f t w a r ei s d i f f i c u l tt ob ea c h i e v e db e c a u s ei tl a c k ss u i t a b l ei n t e r f a c em e t a p h o r sf o rc h i l d r e n u n d e r s t a n d i n ga n de x p l o r a t i o n i nt h i st h e s i s ，w e f i r s ta r g u et h a tt r a d i t i o n a li n t e r f a c e m e t a p h o r sb u i l tf o rt h eo f f i c i a lu s a g ea r en o t w e l lf i ti n t ot h ep e r c e p t u a la n dc o g n i t i v ef e a t u r e s o fc h i l d r e n ，a n dp r o p o s ean o v e li n t e r f a c em e t a p h o rf o rc h i l d r e n ，n a m e d3 l b o o kw h i c hi s b a s e do nt h ep a p e rc a r t o o n s a d d i t i o n a l l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ei n t e r a c t i v em o d e lb a s e do n t h e3 i b o o ki n t e r f a c e m e t a p h o rd e s i g n t h e n ，w e d e m o n s t r a t eh o wr a t i o n a l i t ya n d e f f e c t i v e n e s sc a nb ea c h i e v e df o rc h i l d r e nb ye v a l u a t i n gt h er e a l i z a t i o no fa ni n t e r a c t i v eg a m e i nt e r m so ft h i sm e t a p h o r i nt h ea n a l y s i sp a r to fi n t e r f a c em e t a p h o rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ：f i r s t l y , w ee x p l a i nt h e c o n c e p t so fm e t a p h o rf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fl i n g u i s t i c sa n di n t e r f a c em e t a p h o rf r o mt h e p e r s p e c t i v eo fc o m p u t e rs c i e n c e ，a n dw ea l s oi n t r o d u c et h ec u r r e n tc l a s s i f i c a t i o no fi n t e r f a c e m e t a p h o r , i n c l u d i n go r i e n t a t i o n a lm e t a p h o r , o n t o l o g i c a lm e t a p h o ra n ds t r u c t u r a lm e t a p h o r , a n ds oo n s e c o n d l y , w ed i s c u s st h ed e s i g no fi n t e r f a c em e t a p h o rf r o ma s p e c t so fd e s i g ns t e p s a n dd e s i g nc o n t e n t s ，a n de x p o u n dt h ef o u r - s t e pd e s i g nm e t h o dw eh a v ep r o p o s e d t h i r d l y , w e i n t r o d u c es o m ee v a l u a t i o nm e t h o d s ，a i m i n gt oe v a l u a t et h er a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h e i n t e r f a c em e t a p h o rw eh a v ep r o p o s e d a tl a s t ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ec u r r e n ts t u d yo nt h e u s i n gi n t e r f a c em e t a p h o ri nt h ei n t e r a c t i v es o f t w a r ef o rc h i l d r e na n d t h ee x i s t i n gp r o b l e m si n t h ep r o c e s so f a p p l i c a t i o n i nt h ed e s i g n i n gp a r to f3 i b o o ki n t e r f a c em e t a p h o r , w ef i r s ta n a l y z ec h i l d r e n s c h a r a c t e r i s t i c sf r o mc o g n i t i v ea n dp h y s i c a la s p e c t s ，a n dp r o p o s et h ec h i l d - o r i e n t e di n t e r f a c e d e s i g ng o a l sb a s e do nt h ep r e v i o u sa n a l y s i s ，i no r d e rt oi n s t r u c tt h ed e s i g no ft h e3 i b o o k i n t e r f a c em e t a p h o ra c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gs t e p sp r o p o s e da n dt h ec u r r e n tp r o b l e m s s e c o n d ，w ei n t r o d u c et h ed e s i g nf e a t u r e so ft h e3 i b o o km e t a p h o rf r o mt h ep e r s p e c t i v e so f s t r u c t u r c ，o p e r a t i o na n dp r a g m a t i c sd e s i g n l a t e r , t h ec o n c e p to fi n t e r a c t i v em o d e la n d 3 1 b o o km e t a p h o rd e s i g na r ei n t e g r a t e dt od i s c u s s3 i b o o ki n t e r a c t i v em o d e lf r o mf o u ra s p e c t s ： i n t e r a c t i o nt a s k i n t e r a c t i o nb e h a v i o r ，i n t e r a c t i o ne v e n ta n di n t e r a c t i o nf e e d b a c k i no r d e rt ot e s ta n dv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h e3 i b o o kd e s i g n ，w ed e v e l o pt h ep r o t o t y p e s y s t e mb a s e do nt h ei n t e r f a c em e t a p h o ra n di n t e r a c t i v e m o d e lo f3 i b o o k i ns y s t e m i m p l e m e n t a t i o np a r t , w em a i n l yd i s c u s ss o m ee s s e n t i a la l g o r i t h m ss u c ha so b j e c td e t e c t i n g ， o b j e c tt r a c k i n ga n dg e s t u r er e c o g n i z e a m o n gt h e m ，o b j e c td e t e c t i n gi sr e a l i z e dt h r o u g ht h e i m p r o v e m e n to nt h eb a c k g r o u n ds u b t r a c t i o na l g o r i t h m f o ro b j e c tt r a c k i n g ，i tc o m b i n e s k a l m a nf i l t e ra l g o r i t h mw i t hc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sc o l o ri n f o r m a t i o nt ot r a c km o v i n go b j e c t f i n a l l y , w ed e m o n s t r a t eh o w t h er a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e n e s sc a r lb ea c h i e v e df o rc h i l d r e nb y e v a l u a t i n gt h eu s e o fa p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt e r m so f t h i sm e t a p h o r t h i sp a p e rw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g h t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 6 a a 0 1z 3 2 8 ) ，t h eo p e nf o u n d a t i o no fs t a t ek e y l a b o r a t o r yo fc o m p u t e rs c i e n c e ，t h ec h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ( n o s y s k f 0 7 0 4 ) a n d t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n t ( n o 6 0 8 7 3 0 9 5 ) k e y w o r d s ：u s e ri n t e r f a c e ，i n t e r f a c em e t a p h o r , v i d e og e s t u r e ，c h i l d r e n sg a m e ，b a c k g r o u n d s u b t r a c t i o n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 、 学位论文作者签名：鎏! l ! 晕蛊。 指导教师签名：笙区二 m ：7 年厂月加日 叫年6 月训日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：抒1 1 昂右， 渺卵年f 月加日 西北大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 隐喻作为人们之间相互交流和沟通的一种比喻方法，已得到普遍应用。界面隐喻作 为隐喻在计算机中的具体应用，是指通过用户已经熟悉的事物或概念，用比喻性的方式 向用户解释其暂时还不熟悉的用户界面的组成方式和操作方式等，如图形用户界面中普 遍使用的典型范例一桌面隐喻( d e s k t o p ) 。界面隐喻的成功应用，使得用户理解、学 习和使用计算机更加容易和高效。因此，激发了广大研究人员进行大量的研究，以促进 界面隐喻得到更好地应用。 然而，随着计算普适化的不断发展，计算机己不再是为成人设计、用于办公的专用 设备，儿童也越来越多地开始使用计算机来进行学习、娱乐等活动。但是，目前交互式 软件所基于的界面隐喻，主要是为办公用户设计，旨在提高办公环境中桌面工作的有效 性和效率。因此，其界面内容的组织( 如文件结构) 、呈现( 如桌面显示方式) 和交互 ( 如鼠标或键盘) 等设计并不完全符合儿童的认知及体能发展的特征，不利于儿童理解、 学习和使用计算机。所以，如何有效地应用界面隐喻，为儿童提供一个易于理解、学习 和使用的计算机，已经成为目前研究普遍关注的问题。本文也是基于这一问题来进行研 究。 为了提高交互式软件对儿童的易理解性和易学习性，并增强儿童与计算机之间的互 动性，本文针对儿童的特征，提出一个新颖的界面隐喻一3 i b o o k 1 1 。其中， “3 l 表示 该界面隐喻采用三维空间的设计，使儿童和界面之间的互动具有沉浸感( i m m e r s i o n ) ， 交互性( i n t e r a c t i o n ) 和想象力( i m a g i n a t i o n ) 的特征，这不仅使得内容的组织和显示对 于儿童更具吸引力和富有想象空间，而且采用自然的手势交互方式以满足儿童体能发展 的特征要求；b o o k 表示该隐喻基于物理“卡通读物”，易于满足儿童的认知发展要求。 我们通过开发一个e n c y c l o p e d i a 互动游戏系统对该界面隐喻进行评估，与存在的界面隐 喻相比，3 i b o o k 界面隐喻在面向儿童的交互式软件中的应用具有很好的合理性和有效 性。 本文的研究受到国家“八六三高技术发展研究计划项目( 编号：2 0 0 6 a a 0 1 2 3 2 8 ) 、 中科院计算机科学国家重点实验室开放课题基金项目( 编号：s y s k f 0 7 0 4 ) 及国家自然 第一章绪论 科学基金项目( 编号：6 0 8 7 3 0 9 5 ) 的资助。 1 2 研究目的和意义 界面隐喻的研究主要包括隐喻在用户界面表示方式中的研究，以及与该界面表示相 对应的交互方式的研究。用户界面作为界面隐喻的载体，是界面隐喻的具体表现形式， 同时也是用户与计算机之间对话的主要媒介之一。因此，用户界面的设计也主要体现了 界面隐喻设计的两个方面。一方面是界面内容的组织和显示方式的设计，即界面隐喻的 具体表示方式；另一方面是交互方式的设计，即与界面表示方式相对应的交互方式的设 计。这两个方面的设计互相依赖，共同构成交互界面的设计。下面将对这两个方面进行 简单介绍。 到目前为止，用户界面的表示形式已经经历了三个主要的时代，主要是批处理方式、 命令行方式和图形用户界面。每一种界面都经历了一段时间，并不断的被改进从而进入 到下一个阶段，以达到提高人机之间交流带宽的目的【2 】o 目前，用户界面正进入第四个 发展阶段，该阶段主要是突破传统图形用户界面的限制，即突破桌面隐喻的应用限制， 而采用新的、更符合用户需求的界面隐喻来组织和显示界面内容。特别是针对儿童用户， 应当结合儿童自身的认知特征，设计符合儿童需求的用户界面。 随着界面表示方式的发展变化，操作方式也发生着相应的变化，如命令行方式下用 户通过键盘输入命令来执行操作，图形用户界面中用户通过鼠标或键盘与系统进行交 互。而随着用户界面逐渐进入第四阶段，其交互方式也逐渐从以鼠标或键盘为主的交互 方式下转变为自然的交互方式，如笔势交互、手势交互等，这些交互方式的应用也更符 合人们的自然交互习惯。而针对儿童用户，采用什么样的交互方式更能符合儿童的需求， 这不仅依赖于面向儿童的界面表示方式，同时也依赖于儿童体能特征的发展要求。 本文结合所研究的课题，针对目前儿童普遍使用计算机来进行学习、娱乐等活动的 现象，从界面隐喻的分析、设计和评估方面来研究面向儿童的界面隐喻及其交互方式的 设计，并提出一个新颖的3 i b o o k 界面隐喻，为面向儿童的界面隐喻设计提供一定的指 导。其目的是更为有效地利用界面隐喻为儿童提供一个易于快速理解、学习和使用的用 户界面，并为儿童创造一个轻松、愉快、充满乐趣的娱乐、学习环境，使得儿童通过使 用计算机，既提高了认知能力又有助于儿童身体的健康成长。所以，对于面向儿童的界 2 西北大学硕士学位论文 面隐喻的分析、设计、评估及应用进行研究具有非常重要的理论价值和实用价值。 1 3 国内外研究现状 由于界面隐喻在用户理解、学习和使用计算机的过程中起着非常重要的作用，因此， 近年来国内外许多研究人员在这方面做了大量的研究工作。以下将对目前国内外的研究 从界面隐喻、交互方式及面向儿童的软件研究等方面进行简单的介绍。 国外研究现状：( 1 ) 在界面隐喻方面的研究。早在1 9 8 0 年l a k o f f 和j o h n s o n 在其 著作m e t a p h o r sw el i v eb y 中就提出隐喻在我们日常生活中的重要性。随后，随着 计算机的出现及普及，隐喻在计算机中的研究与应用也逐渐增多，特别是对界面隐喻的 研究【3 ，4 5 ，6 ，刀。( 2 ) 在交互方式方面的研究。目前，交互方式已逐渐从基于图形用户界面 的鼠标或键盘的接触式交互方式向感知交互转变。t u r k 在1 9 9 8 年就提出了感知交互的 概念【8 9 】，而基于视频的交互作为一种主要的感知交互方式，也已得到普遍的研究与应用 b 0 1 11 2 。( 3 ) 面向儿童的交互式软件研究。如m i t 视觉实验室面向儿童开发的k i d s r o o m 系统 1 3 1 ，m a r y l a n d 大学开发的s t o r v r o o m s 系统【1 4 】，芬兰t a m p e r e 大学面向儿童开发的视 频游戏等【1 5 】。另外，国际上的一些重要会议如i d c ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni n t e r a c t i o n d e s i g na n dc h i l d r e n ) ，主要是针对面向儿童的交互式软件设计方面的讨论，以及u i s t ( s y m p o s i u mo nu s e ri n t e r f a c es o f t w a r ea n dt e c h n o l o g y ) ，其中也涉及到对于界面隐喻的研 究及应用方面的讨论，这些会议为该领域的研究人员提供了一定的交流机会。 国内研究现状：( 1 ) 在界面隐喻方面的研究。目前，国内很少涉及界面隐喻的研 究，只是从语言学或者认知心理学方面对隐喻有所研究【1 6 , 1 7 。( 2 ) 在交互方式方面的 研究。目前，国内对于感知交互的研究主要集中于视频交互方面的应用性研究 1 s a 9 , 2 0 , 2 1 【1 ， 而且这些应用主要是针对成人设计应用的，很少有面向儿童的研究。( 3 ) 面向儿童的 交互式软件研究。国内主要有中科院自动化所面向儿童开发的模拟驾驶及拍拍球系统 【1 8 】，中科院软件研究所基于笔交互的方式，采用纸笔隐喻面向儿童开发的“神笔马良” 系统圈，以及基于笔输入的“儿童益智乐园”系统。国内有关交互方面的学术会议如 t - i t - i m e ( h a r m o n i o u sh u m a nm a c h i n ee n v i r o n m e n t ) 会议，该会议为国内人机交互的研究与 讨论提供了一定的交流平台，但会议并没有成立专门关于儿童交互方面的研究。 综合以上国内外三方面的研究可以看出，国内目前在这些方面的研究与国外还存在 3 第一章绪论 一定的差距。但是，国内外已有的研究也都主要集中于面向儿童交互方式的研究与应用， 并没有对面向儿童的界面隐喻的分析、设计及评估给出完整的理论研究，从而缺乏对于 后续开发的指导。因此，对于面向儿童的界面隐喻的分析、设计等方面的问题仍然吸引 着研究者们做进一步的研究与讨论，以便为面向儿童的界面隐喻设计与开发提供有效的 指导。 以上主要介绍了目前国f l ； l - 针对儿童的界面隐喻设计及应用方面的研究，在此基础 上，下面将简单介绍本文的主要研究内容及贡献。 1 4 本文主要研究内容及贡献 本文通过对已有界面隐喻研究内容的介绍，结合对儿童认知和体能特征的分析，提 出一个面向儿童的3 i b o o k 界面隐喻，并从界面隐喻及其交互模型的设计两个方面对该 隐喻进行介绍。最后，通过开发一个原型系统进行验证及评估本文所提出的界面隐喻。 从而系统地阐述了面向儿童的界面隐喻的分析、设计、评估及应用，为今后面向儿童的 界面隐喻设计、开发提供了一定的指导性作用。 本文主要完成如下几方面的研究： 介绍隐喻的概念以及隐喻在计算机中的具体应用；给出界面隐喻的概念，介绍 目前关于界面隐喻的分类，并详细介绍每一类的概念。 提出界面隐喻的设计步骤，并就具体设计内容进行介绍。 分析目前面向儿童的界面隐喻设计及其应用中所存在的问题。 在已有问题的基础上，通过对儿童认知特征和体能特征的分析，提出面向儿童 的界面设计目标。随后，重点介绍本文面向儿童所提出的3 i b o o k 界面隐喻，以 及相应的交互模型设计。 开发一个原型系统。该系统的设计以本文所提出的界面隐喻及交互模型为基础， 用来验证本文所提出的界面隐喻在面向儿童的交互式系统中应用的有效性和合 理性。 本文的主要贡献有以下几个方面： 提出界面隐喻的设计步骤，为界面隐喻的设计提供一定的指导性作用。 依据本文所提出的界面隐喻设计步骤，通过对儿童特征的分析，提出一个新的 4 西北大学硕士学位论文 面向儿童的界面隐喻，并从界面隐喻的设计和相应的交互模型设计两个方面进 行介绍。其中，本文面向儿童的界面隐喻设计部分的内容己录用到计算机辅 助设计与图形学学报，待发表。 为了实现本文所设计的交互模型( 即视频手势的交互方式) ，本文对目前常用 的背景差分算法进行改进，结合k a l m a n 滤波算法有效地实现视频手势的跟踪、 识别。其中，本文所改进的算法内容已录用到第四届和谐人机环境联合学术 会议论文集，并发表。 依据本文所设计的界面隐喻，开发了一个原型系统，并将该系统成功地应用于 儿童的学习与娱乐中，取得了很好的效果。其中，系统设计及应用部分的内容 已经录用到第三届全国数字娱乐与艺术学术会议论文集，并发表。 以上主要介绍了本文的主要研究内容，以及本文所做的贡献。以下将对本文的组织 结构进行介绍，以便于读者更好地了解文章的内容和组织结构。 1 5 本文的组织结构 本文余下各章可以分为以下四个部分： 第一部分：由第二章组成，主要介绍界面隐喻的相关研究，是本文研究的理论基础。 其中首先从语言学方面对隐喻的概念进行介绍，随后用举例的方式从不同层次介绍计算 机中隐喻的应用，从而引出界面隐喻的概念。在对界面隐喻介绍的基础上，接着介绍目 前对于界面隐喻的分类研究，主要包括方向性隐喻、实体性隐喻和结构性隐喻。另外， 还介绍与隐喻相类似的借喻的概念及应用。其次，介绍界面隐喻的设计步骤和设计内容， 为面向儿童的界面隐喻设计提供一定的指导。再次，介绍界面隐喻的评估方法，用于对 本文所提出的界面隐喻进行评估。最后，介绍目前面向儿童的界面隐喻研究，从而引出 本文后面所要讨论的内容。 第二部分：由第三章和第四章组成，是本文的核心。主要针对目前面向儿童的界面 隐喻设计及应用中所存在的问题，提出本文面向儿童所设计的3 i b o o k 界面隐喻的概念。 其中，第三章主要介绍3 i b o o k 界面隐喻的设计；第四章介绍3 i b o o k 交互模型的设计。 以下对这两章的研究内容分别进行介绍： 第三章对于3 i b o o k 界面隐喻设计的介绍，是依据第二章中提出的界面隐喻设计步 5 第一章绪论 二骤来介绍。首先，对儿童的特征从认知和体能两个方面进行介绍；随后，根据儿童的特 征分析，提出面向儿童的界面设计目标，同样包含认知和体能两个方面的目标；接着， 介绍本文所提出的3 i b o o k 界面隐喻的概念；最后，对3 l b o o k 界面隐喻从结构设计、操 作设计和实效设计三个方面进行介绍。 第四章主要是在界面隐喻设计的基础上研究3 i b o o k 交互模型的设计。首先，介绍 交互模型的概念；随后，介绍交互模型的设计，为本文3 i b o o k 交互模型的设计提供指 导；接着，由于本文采用基于感知的、视频手势交互方式，因此，对视频交互从概念及 应用两个方面进行介绍；最后，介绍3 i b o o k 交互模型的设计，主要包括交互任务的设 计、交互行为的设计、交互事件的设计和交互反馈的设计。 第三部分：由第五章和第六章组成。主要是应用本文所提出的3 i b o o k 界面隐喻， 设计并实现一个面向儿童的交互式系统。其中，第五章主要介绍系统实例的设计与实现； 第六章主要介绍系统的应用与评估。以下对这两章研究内容分别进行简要介绍： 第五章主要包括系统实例的设计和实现两个部分。系统实例的设计部分首先介绍系 统的界面设计，主要是对3 i b o o k 界面隐喻的应用；随后，介绍系统的交互设计，主要 是对3 i b o o k 交互模型的应用；接着，介绍系统整体框架的设计和系统主要类图及其之 间相互关系的设计。系统实现部分主要是对系统实现中的关键算法进行介绍，主要包括 目标检测算法、目标跟踪算法、背景更新与形态学处理算法和手势识别算法；最后，对 本文所改进的算法进行评估。 第六章主要介绍系统的具体应用和评估。其中，对于系统的评估主要包括交互界面 的评估和交互效率的评估两个方面。接着，在对本文所开发的系统评估的基础上进一步 对本文面向儿童所设计的3 i b o o k 界面隐喻进行评估。 第四部分：是本文工作的总结与展望，总结本文所做的工作，并对下一步工作提出 展望。 6 西北大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章界面隐喻的研究 界面隐喻的研究与应用，主要源于语言学中隐喻的研究与应用。隐喻作为人们生活 中的一种交流方法，已普遍应用于人们的生活、学习及工作过程中，而且越来越受到人 们的重视和研究【16 ，1 7 , 2 3 1 。为了使得人们对于界面隐喻的认识更加准确，本章将首先介绍 语言学中隐喻的概念及应用；随后，通过举例的方式来具体介绍隐喻在计算机中的应用； 接着，介绍界面隐喻的相关研究：最后，介绍目前面向儿童的界面隐喻的相关研究。 在界面隐喻的相关研究中，首先，给出界面隐喻的概念，明确什么是界面隐喻；随 后，介绍目前对于界面隐喻的分类，并对每一类界面隐喻的概念分别进行介绍，主要包 括方向性隐喻、实体性隐喻和结构性隐喻。另外，还介绍与界面隐喻相类似的借喻的概 念及应用；接着，从界面隐喻的设计步骤和设计内容两个方面对界面隐喻的设计进行介 绍，以指导界面隐喻的设计；最后，对界面隐喻的评估方法进行介绍。 2 2 隐喻的概念 在解释隐喻的具体概念之前，首先列举几个语言学中使用隐喻的例子以帮助人们理 解隐喻的概念。示例如下： 玫瑰在她脸上盛开。 她是一个铁石心肠的女人。 马克吐温是美国的一面镜子。 从以上三个简单的例子中可以看出，隐喻是一种比喻的修辞方式，即用甲事物来说 明另一种乙事物。然而，甲乙两种事物之间就表面含义来说并没有直接的联系，如“玫 瑰”与“脸”，“镜子”与“马克吐温”等。但通过隐喻这种修辞的方式，乙事物的 某一特征或状态可以通过甲事物的相关特征或状态更为形象或者直观地反映出来，使得 人们对乙事物的理解更加容易、准确。如当“玫瑰在她脸上盛开”的时候，她一定非常 幸福、开心，因为人们可以通过所熟悉的“玫瑰”的特征，如“玫瑰”代表着幸福，快 乐，来判断“她”当时的心情。 当代汉语词典中对隐喻的解释是：隐喻是比喻的一种，亦称“暗喻”。即不点明甲 7 第二章界面隐喻的研究 乙两种事物之间的相似关系，而让甲事物和乙事物直接组合，或用“为”、“作”、“是” 等词联系甲乙两种事物，暗中作比。再如“她是一个铁石心肠的女人”，将“心肠和 “铁石”组合在一起，以使人们对“她”的认识更加形象、具体。 隐喻，其英文为m e t a p h o r 。o x f o r d 【2 4 】中对m e 协p h o r 的解释为“u s eo f a w o r do rp h r a s et o i n d i c a t es o m e t h i n gd i f f e r e n tf r o m ( t h o u g hr e l a t e di ns o m ew a y 础t h el i t e r a lm e a n i n g ”，也是 指通过一个词或短语来表示另外某个事物的特征或属性。 另外，其它一些有关隐喻的研究文献中也给出了关于隐喻的概念，如a l t y t 3 、b a 】、 m a d s e n 5 】中的定义。综合以上各种有关隐喻的定义可以看出，隐喻必须由两部分组成： 一是主体( t e n o r ) ，是指作者欲描述的事物，即前面所说的乙事物；二是载体( v e h i c l e ) ， 指的是用来描述意义的凭借，即前面所说的甲事物。通过载体( 甲事物) 的属性或概念 来映射( m a p p i n g ) 出主体( 乙事物) 的概念或属性，如图2 1 所示。为此，给出本文 对隐喻的定义如下： 隐喻是指用一个词或短语指出常见的一种物体或概念( 载体) 以映射出另一种物体 或概念( 主体) ，从而使得人们对于主体的认识更加具体、准确。 图2 - 1 隐喻的表示 基于隐喻的概念可以看出，隐喻的使用只是为人们提供一种表述或者描述事物的方 法或途径，是通过人们熟悉的事情或者物体作为载体，来描述人们暂时还不熟悉的事情 或者物体，即用来认识新事物的一种方法。 随着社会的不断发展，新事物和新概念层出不穷，并且越来越复杂或者抽象，如计 算机的发明，原子概念的提出等。为了使得人们对这些新事物或者新概念的了解和认识 更加容易、准确，隐喻已作为一种不可替代的方法，使得人们通过已经熟知的知识来理 解这些新事物或者新概念更加简单。为了使得人们对隐喻在计算机中的具体应用有更为 全面的了解，以下将通过隐喻在计算机中的应用举例来说明隐喻在人们认识新事物或新 概念中的重要作用。 2 3 隐喻与计算机 8 西北大学硕士学位论文 计算机作为人们研制的最复杂、最难以理解和使用的工具之一，已逐渐成为人们生 活、学习或者工作过程中不可缺少的一部分1 6 , 7 】。作为使用计算机的普通大众用户，他们 具有不同的文化背景、不同的兴趣爱好以及不同的学习能力等多方面的差异，但他们或 许都要学会使用同样复杂的计算机，以达到各自的使用目的。因此，如何使得人们，特 别是儿童用户，更加容易地理解、学习和使用计算机已成为目前普遍关注的问题 2 5 a 6 2 7 。 随着人机交互学科的出现，作为研究用户与计算机之间交互的专业学科，使得人们对于 这一问题的研究更加全面、深入。 隐喻作为人们寻求更为直观地理解计算机的一种方法，已被普遍使用。通过2 2 节 中隐喻的定义可以看出，隐喻是一种利用人们已经熟悉的概念来解释另一种相对不熟悉 的概念的方法。在对计算机这种复杂工具的解释中，隐喻已被用于不同的方面，如在硬 件的组成方面，软件的开发过程中等方面。 在底层的硬件组成方面，如内存和硬盘，指的是计算机中用来临时或长久存储数据 或信息的硬件设备，而对于该硬件功能更为形象、具体的解释是通过人所具有的短时和 长时记忆能力来解释的。另外，人们也将计算机称为“电脑”，该名称也是用“人脑” 的组成与功能来解释计算机的组成和功能。 在高层的软件开发方面，开发人员使用面向“对象”的方法进行编程，对“对象” 的理解也是使用隐喻的方法，通过物理生活中的实体( 即现实生活中实际存在的物体) 来理解程序中的“对象”。另外，如程序开发过程中所使用的“回车换行( e n t e r ) ， 汇编语言中使用的“跳转( j u m p ) 指令等，都是使用隐喻的方式进行命名的，以便于 用户理解。 除了以上两个方面外，在计算机的用户界面中也已使用了大量的隐喻。从“垃圾桶” 的使用到“文档”等概念的应用，使得人们通过这些已有的、熟悉的概念，对于计算机 工作原理的理解更加容易、准确。很难想象如果不使用隐喻，人们将在理解计算机方面 有多困难。显然，计算机也并不是唯一使用隐喻的工具，随着新技术的不断出现，隐喻 的应用范围也在不断的扩大。s t e f i k 在文献 2 8 d f l 论述了网络中所使用的隐喻，如“冲 浪( s u r f i n g ) 等概念的应用。 从以上分析可以看出，隐喻对于理解计算机不同层次的组成都有着重要的作用。虽 然对于不同的计算机用户群体，其使用目的并不相同，但是，用户界面作为用户与计算 9 * = 章* 面隆自研究 机z 间交互的主要媒介，是川户使用计算机的主要途径。因此，用户对用户界面的袁示 和操作的理解，将直接影响到用户对计算机的理解和使用。由于隐喻是用户理解计算机 的一个重要方法所以，对于隐喻在用户界面中的研究与应用，即界面隐喻的研究与应 用显得尤为重要i2 9 3 0 引j 。 2 4 界面隐喻的概念 界面隐喻的应用方式与语言学中所使用的聪喻在应用方式r 略有不同。在语言学 中，隐喻是通过语言文字的形式进行表示，而界面隐喻则主要是通过计算机中用户界面 来进行表示。本节以目前普遍使用的图形用户界面为例，来介绍界面隐喻的概念。 在2 2 节已经讨论了隐喻的概念，隐喻是指人们通过已知的事物来认识新事物的一 种方法。因此，界面隐喻也是指一种认识新事物方法，而该方法主要是用来向用户解释 计算机系统中用户界面的功能及相关特性，以便十用户的理解和使崩。此处，“计算机 系统中用户界面的功能及相关特性”就是界面隐喻中的“主体”，而“载体”就是用户 已经熟悉的概念、物体等。所以，本文对界面隐喻的定义如下： 界面隐喻是指通过用户熟悉的或容易理解的物理现象或事件来解释抽象的、复杂的 用户界面的表示和操作。 从界面隐喻的定义中可以看出，界面隐喻一方面是向用户解释系统的功能或特性在 用户界面中的表示。如图2 - 2 所示，用物理生活中的垃圾桶来表示计算机中的回收站。 a 垃圾桶图片b 回收站图标 圈2 - 2 界面隐喻的表示方式 这种表示方式，使得用户通过现实生活中垃圾捅所代表的含义，便能很容易地理解回收 站图标所表示的系统功能。界面隐喻的另外一方面是通过隐喻向用户解释计算机的操作 方式或方法。目前基于桌面隐喻的交互方式，主要是采用鼠标的点击或拖动等操作，这 些操作主要振于办公室环境中办公用户对于桌面文件的移动及处理方式。如将文件用鼠 之 西北大学硕士学位论文 标拖进回收站，类似将文件扔进垃圾桶，以表示删除该文件。 因此，界面隐喻作为隐喻在计算机中一个重要的应用方面，其主要研究内容包括两 个方面：一方面是隐喻在界面内容的组织与显示方面的研究，由于用户界面中不同的系 统功能需要不同的表示方式，如图形用户界面中所使用的窗口、菜单、图标等表示方式。 因此，对于界面隐喻的应用也要根据具体需求选择不同类型的界面隐喻，以使界面隐喻 的应用更加合理，有效；另一方面是在相应的内容组织与显示的基础上，界面隐喻在交 互方式中的研究与应用，以使用户对于界面的操作更加容易理解。为此，对于不同的界 面设计及操作的反映，需要不同的界面隐喻。为了使得人们对于不同界面隐喻的认识更 加系统、全面，以下将对界面隐喻进行分类介绍。同时，本文后面提到隐喻的地方如没 有特别说明均指界面隐喻。 2 5 界面隐喻的分类 本节将主要介绍b 】关于界面隐喻的分类法。b a r r 根据界面隐喻中载体的来源及 其所映射的作用不同，将界面隐喻主要分为方向性隐喻、实体性隐喻和结构性隐喻，并 将讨论与界面隐喻相类似的借喻。另外，对结构性隐喻进一步分为过程性隐喻和元素性 隐喻，分类结构图如图2 3 所示。以下分别对这几类界面隐喻进行介绍。 图2 - 3 界面隐喻分类图示 2 5 1 方向性隐喻 方向性隐喻是指隐喻中的载体源于现实生活中具有表示空间方向感的物体或概念， 如高、低等。如语言学中“他的情绪很高涨，用具有空间方向感的“高”来表示他的 “情绪”很“激动。但对于这些概念的