1.1 人机交互技术的发展史

目前，计算机已经成为现代科学技术的支柱，而计算机的使用却离不开人与计算机之间的交互。因此，计算机的发展史不仅是计算机本身处理速度和存储容量飞速提高的历史，而且也是人机交互界面（Human-Computer Interface，HCI）不断改进的历史。它的重要性就在于它极大地影响了最终用户的使用，影响了计算机的推广应用，甚至影响了人们的工作和生活。

从计算机诞生至今，人机交互界面经历了以下几个发展阶段。

1.命令行界面（Command Line Interface，CLI）

作为第一代人机交互界面，交互终端使用了文本编辑程序，可以把各种输入/输出信息直接显示在屏幕上，并通过问答式对话、文本菜单或命令语言等方式进行人机交互。但在这种界面中，人只能使用手这一种交互通道，通过键盘输入信息，输出也只能是静态的单一字符，同时界面和应用还没有分开。因此，这一时期的人机交互界面的自然性和效率性都很差。

2.图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）

20世纪80年代初，GUI的广泛流行将人机交互推向图形用户界面的新阶段。人们不再需要死记硬背大量的命令，而可以通过窗口（Windows）、图标（Icon）、菜单（Menu）、指点装置（Pointing Device）直接对屏幕上的对象进行操作，即形成了WIMP的第二代人机界面。与命令行界面相比，GUI采用视、点（鼠标）代替了记、击（键盘），使得人机交互的自然性和效率性都有较大的提高，从而极大地方便了非专门用户的使用。

3.多媒体界面（Multimedia Interface）

目前流行的多媒体界面可以看作是WIMP界面的另一种风格，它在界面信息的表现方式上进行了改进，采用了多种媒体。同时界面输出也开始转为静态/动态、二维图形/图像及其他多媒体信息的方式，从而有效地提高了计算机到用户的通信带宽。

图形交互技术的飞速发展充分说明了对于应用来说，使处理的数据易于操作并直观是十分重要的问题。人们的生活空间是三维的，虽然GUI已提供了一些仿三维按钮等界面元素，但界面仍难进行三维操作；另一方面，人们习惯于日常生活中的人与人、人与环境之间的交互方式，其特点是形象、直观、自然，人通过多种感官来接收信息，如可见、可听、可说、可摸、可拿等，而且这种交互方式是人类所共有的，对于时间和地点的变化是相对不变的。但无论是命令行界面，还是图形用户界面，都不具有以上所述的进行自然、直接、三维操作的交互能力。因为在实质上它们都属于一种静态、单通道的人机界面，而用户只能使用精确的信息在一维和二维空间中完成人机交互。因此，更加自然的交互方式将逐渐为人们所重视，并成为今后人机交互界面的发展趋向。为适应目前和未来的计算机系统要求，人机交互界面应能支持时变媒体（Time-Varing Media）实现三维、非精确及隐含的人机交互，而VR技术正是实现这一目的的重要途径，它为建立起方便、自然、直观的人与计算机的交互方式创造了极好的条件。

超脱不同的应用背景看，VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的事物，它的技术实质在于提供了一种高级的人与计算机交互的接口，使用户与计算机产生数据空间进行直观的、感性的、自然的交互。它是多媒体技术发展的更高境界（图1-1）。

作为新一代的人机交互系统，VR技术与传统交互技术的区别可以从下列几方面说明。

1）自然交互

人们研究“虚拟现实”的初衷就是“计算机应该适应人，而不是人适应计算机”，认为人机接口的改进应该基于相对不变的人类特性。在VR技术中，人机交互可以不再借助键盘、鼠标、菜单，而是使用头盔、手套甚至向“无障碍”的方向发展，从而使最终的计算机能对人体有感觉，聆听人的声音，通过人的所有感官传递反应。

2）多通道（Multimodality）

多通道界面旨在充分利用一个以上的感觉和运动通道的互补特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的自然性。现在，计算机操作时，人的眼和手十分累，效率也不高。VR技术可以将听、说和手、眼等协同动作，实现高效人机通信，还可以由人或机器选择最佳反应通道，从而不会使某一通道负担过重。

3）高“带宽”

目前，计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示彩色图像，其信息量非常大。而人们的输入却还是使用键盘一个又一个地敲击，VR技术则可以利用语音、图像及姿势等的输入和理解进行快速大批量地信息输入。

4）非精确

精确交互技术是指能用一种技术来完全说明用户交互目的的交互方式，键盘和鼠标器均需要用户的精确输入。但是，人们的动作或思想往往并不很精确，而计算机应该理解人的要求，甚至于纠正人的错误，因此，虚拟现实系统中智能化的界面将是一个重要的发展方向。

5）通过交互作用表示事物的现实性

传统的计算机应用方式中，人机交互的媒介是将真实事物用符号表示，是对现实的抽象替代，而VR技术则可以使这种媒介成为真实事物的复现、模拟甚至想象和虚构。它能使用户感到并非是在使用计算机，而是在直接与应用对象打交道。