一、引言
計算機用戶界面是指計算機與其使用者之間的對話接口，是計算機系統的重要組成部分。計算機的發展史不僅是計算機本身處理速度和存儲容量飛速提高的歷史，而且是計算用戶界面不斷改進的歷史。早期的計算機是通過面板上的指示燈來顯示二進制數據和指令，人們則通過面板上的開關、扳鍵及穿孔紙帶送入各種數據和命令。50年代中、後期，由於採用了作業控制語言(JCL)及控制檯打字機等，使計算機可以批處理多個計算任務，從而代替了原來笨拙的手工扳鍵方式，提高了計算機的使用效率。
1963年，美國麻省理工學院在709/7090計算機上成功地開發出第一個分時系統CTSS，該系統連接了多個分時終端，並最早使用了文本編輯程序。從此，以命令行形式對話的多用戶分時終端成爲70年代乃至80年代用戶界面的主流。
80年代初，由美國Xerox公司Alto計算機首先使用的Smalltalk－80程序設計開發環境，以及後來的Lisa、Macintosh等計算機，將用戶界面推向圖形用戶界面的新階段。隨之而來的用戶界面管理系統和智能界面的研究均推動了用戶界面的發展。用戶界面已經從過去的人去適應笨拙的計算機，發展到今天的計算機不斷地適應人的需求。
用戶界面的重要性在於它極大地影響了最終用戶的使用，影響了計算機的推廣應用，甚至影響了人們的工作和生活。由於開發用戶界面的工作量極大，加上不同用戶對界面的要求也不盡相同，因此，用戶界面已成爲計算機軟件研製中最困難的部分之一。當前，Internet的發展異常迅猛，虛擬現實、科學計算可視化及多媒體技術等對用戶界面提出了更高的要求。面臨新的挑戰，用戶界面將如何發展？
二、用戶界面的今天：圖形用戶界面
圖形用戶界面（GUI）的廣泛流行是當今計算機技術的重大成就之一，它極大地方便了非專業用戶的使用，人們不再需要死記硬背大量的命令，而可以通過窗口、菜單方便地進行操作。“Visual”已成爲當前最流行的形容詞，如Visual Basic、VisualC＋＋及Visual FoxPro等。爲什麼圖形用戶界面受到如此青睞？它的主要特徵是什麼？
1.GUI的主要特徵
(1)WIMP
其中：
W(Windows)指窗口，是用戶或系統的一個工作區域。一個屏幕上可以有多個窗口。
I(Icons)指圖符，系形象化的圖形標誌，易於人們隱喻和理解。
M(Menu)指菜單，可供用戶選擇的功能提示。
P(PointingDevices)指鼠標器等，便於用戶直接對屏幕對象進行操作
。
(2)用戶模型
GUI採用了不少Desktop桌面辦公的隱喻，使應用者共享一個直觀的界面框架。由於人們熟悉辦公桌的情況，因而對計算機顯示的圖符的含義容易理解，諸如：文件夾、收件箱、畫筆、工作簿、鑰匙及時鐘等。
(3)直接操作
過去的界面不僅需要記憶大量命令，而且需要指定操作對象的位置，如行號、空格數、X及Y的座標等。採用GUI後，用戶可直接對屏幕上的對象進行操作，如拖動、刪除、插入以至放大和旋轉等。用戶執行操作後，屏幕能立即給出反饋信息或結果，因而稱爲“所見即所得”(What You See Is What You Get)。用視、點(鼠標)代替了記、擊(鍵盤)，給用戶帶來了方便。
2.GUI的發展方向
當前，以Windows爲代表的GUI已有了很大的發展，但還存在着操作較麻煩、響應較慢、對資源要求較高及剩餘的工作區域較小等不足，這些還需進一步改進。今後的發展趨勢主要有以下幾方面：
(1)與超文本技術結合，支持Internet瀏覽
採用超文本(Hypertext)技術，便於用戶"聯想"搜索有關內容。Navigate、Mosaic、Yahoo及Hotjava等許多瀏覽器的出現，極大地方便了Internet的使用。GUI與超文本技術相結合將進一步豐富用戶界面的功能。Microsoft公司已宣佈，Windows95(曾稱Chicago)升級的新版本(曾稱Nashville)將增加網上瀏覽功能。
(2)支持三維及多媒體技術
人們的生活空間是三維的，而屏幕卻是二維的。雖然GUI已提供了一些仿三維的按鈕等界面元素，但界面仍難進行三維操作。要解決三維的問題，還需從三維交互設備着手。語音、圖像和動畫等多媒體的支持，也是當今的趨向。
(3)應用對象的可視化
目前，GUI支持的是與應用無關的通用界面元素，如菜單、對話框等。對於應用來說，使處理的數據易於操作並直觀顯示是十分重要的問題。當前科學計算可視化、信息可視化和商業數據可視化已引起廣泛重視，各種數據可以用直觀形式顯示，並可進行一、二、三維的操作，這將大大方便用戶。
(4)界面構造工具及語言
開發GUI的工作量及難度十分可觀，普通用戶已很難自行開發，必須依靠熟練的程序員或方便的工具。現在已有一些GUI開發工具，如Visual Basic、Visual C＋＋、XWindow Motif Widget、Power Builder及Visual FoxPro等。但這些開發工具要爲廣大用戶所掌握或要適應不同的應用，還有待於改進。
面向最終用戶的語言也是一個重要的趨向。現在已有一些電子表格、數據庫查詢語言或超文本製作語言(如Hyper talk、Open Script)類似自然語言風格，但其中有的不支持漢字，有的則適應性差。
三、用戶界面的明天：GUI＋新人機交互技術
圖形用戶界面會被新的界面淘汰嗎?新一代的用戶界面將是什麼樣?這些是很多人感興趣的問題。
美國Brown大學原計算機系主任、著名的計算機圖形學家A.Van Dam曾在 SIGGRAPH'95上稱，“雖然各種三維圖形的應用發展得很快，如虛擬現實、科學計算可視化等，但GUI、3D Widget等都將長期存在”。這是因爲目前大量的應用已經採用成熟的GUI技術，因此，GUI不會被淘汰。隨着虛擬現實、科學計算可視化及多媒體技術的飛速發展，新的人機交互技術不斷出現，更加自然的交互方式將逐漸爲人們所重視。
目前，美國正在進行研究的有關人機交互技術的項目主要有：MIT媒體實驗室的多通道自然對話項目，CMU交互系統實驗室（ISL）的INTERACT項目，海軍的Intelligent M4系統。在歐洲信息技術研究戰略規劃（ESPRITII）的Amodeus項目中，有大量關於多通道人機交互的理論和系統研究。在ESPRITIII中，正在進行MIAMI（Multimodal Integration for Advanced Multimedia Interfaces）項目的研究，其領域包括多媒體和高級多通道人機界面兩部分，語言內容是通過視覺、聽覺、觸覺和手勢來訪問、表示和產生多媒體信息的多通道交互的各個方面。還有法國IMAG的Coutaz和Nigay設計的系統MATIS（Multimodal Airline Travel Information System)中，用戶可以利用鍵盤、鼠標、話筒或者它們的組合方式查詢航班信息，體現了多通道用戶界面人機交互的自然性和高效性。語音、自然語言、手勢、視線跟蹤及頭部跟蹤等各種形式的輸入技術正在研究中，沉浸式的頭盔顯示器已經開始使用，新的立體顯示設備也正在研製。在GUI基礎上，新的人機交互技術已逐漸開始應用。
新一代界面的主要特徵可描述如下：
(1)以用戶爲中心
以用戶對界面的需求變化爲出發點，使用戶界面的外在形式和內部機制能符合不同用戶的需要，這就是以用戶爲中心的設計思想。非特定人的連續語音識別技術將使計算機能理解人們的要求，是一種重要的輸入界面和手段。魚眼(Fisheye)技術使屏幕觀察(或光標)位置附近的內容被放大，便於用戶觀察。在傳統的人機系統中，人被認爲是操作者，人去適應機器；在一般的人機系統中，人被稱爲用戶，能與機器對話，但無主動控制能力；而在虛擬現實系統中，人才是主動的參與者，機器將對人的各種動作做出反應。
(2)多通道(Multimodality)
多通道界面旨在充分利用一個以上的感覺和運動通道的互補特性來捕捉用戶的意向，從而增進人機交互中的自然性。人的感覺通道有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和平衡等；人的運動通道有手、嘴、眼、頭、足及身體等。現在，計算機操作時，人的眼和手十分累，效率也不高。若將聽、說和手、眼等協同動作，採用多通道、以自然方式交互，可以實現高效人機通信，也可以由人或機器選擇最佳反應通道，從而不會使某一通道負擔過重。
(3)非精確
精確交互技術是指能用一種技術來完全說明用戶交互目的的交互方式，鍵盤和鼠標器均需用戶精確輸入。而人們的動作或思想往往並不很精確，計算機應該理解人的要求，甚至於糾正人的錯誤，智能化的界面是一個重要方向。
(4)高帶寬
現在計算機輸出的內容已經可以快速、連續地顯示彩色圖像，其信息量非常大。而人們的輸入卻還是使用鍵盤一個又一個地敲擊，因而，計算機的輸入帶寬是很低的。新一代的用戶界面應該支持高的輸入帶寬，快速大批量地輸入信息。語音、圖像及姿勢等的輸入和理解是今後的發展方向。
(5)不限制地點
目前,計算機主要是在辦公室、實驗室或家庭中使用，人們面對着計算機屏幕進行操作，這種操作方式限制了計算機的應用。雖然已可用遙控器代替部分動作，但用望遠鏡看屏幕似不方便，而採用語音輸入輸出或其它計算機視覺(攝像輸入)技術，則可不受地點的限制。
(6)圖示編程
圖形用戶界面的編程是很費時的工作，而採用圖示編程(Visual Programming)則比較簡單和直觀。現在有些多媒體制作工具，如Authorware Professional、IconAuthor等，採用圖示方法設計多媒體文檔腳本，以便於交互修改、控制時間關係。新一代的用戶界面應儘可能提供圖示化的開發工具。
四、結語
北京大學計算機系圖形研究室在窗口系統的開發和漢化、用戶界面生成工具和超文本製作工具的研製等方面做了一些工作。近來，我們與杭州大學工業心理學國家點實驗室、中國科學院軟件研究所共同承擔了國家自然科學基金重點項目“多通道用戶界面的研究”。與Desktop隱喻相仿，我們提出了三維VIR(Virtual Information Room)隱喻，採用基於智能體(Agent－Based)的方法，探索了多通道界面的軟件結構，並使用三維鼠標器、漢字手寫體識別工具及語音輸入軟件等，研究了多通道界面的關鍵問題，即輸入原語和通道綜合，並正在開發多通道界面原型。針對Internet的飛速發展，目前正在研究虛擬現實建模語言(VRML)及基於PC的桌面虛擬現實開發平臺。
圖形用戶界面是當前計算機界面的主流，它仍需不斷豐富和改進，如：增強超文本機制以支持Internet的瀏覽，增強三維和多媒體功能，支持應用數據的可視化，開發更好的界面構造工具與語言。新一代的用戶界面將在圖形用戶界面的基礎上，採用新的更加自然的人機交互技術，如語音、自然語言、手勢、視線跟蹤及頭部跟蹤等，以用戶爲中心，實現多通道、非精確、高帶寬、高效及不限制地點的人機通信。