Будко В.Н. Человек - интерфейс - компьютер
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство образования Российской Федерации
Факультет компьютерных наук
Кафедра информационных Систем
Человек – интерфейс – компьютер
Учебные материалы к лекциям по спецкурсу «Интеллектуальные интерфейсы»
Для студентов 3 курса дневного отделения
Факультета компьютерных наук
Составитель В.Н. Будко
Воронеж – 2003
УДК 681.31
Будко В.Н., Человек – интерфейс – компьютер. - Воронеж: ВГУ , 2003.-
Учебные материалы предназначаются для проведения занятий по темам спец.
лекций «Интеллектуальные интерфейсы» со студентами 3 курса дневного отделения
факультета компьютерных наук. Они предлагаются студентам для использования при
подготовке к экзамену по спец. курсу «Интеллектуальные интерфейсы». Полезны
учебные материалы и для дальнейшего самостоятельного продолжения изучения
проблемных тем и задач теории и практики программирования интеллектуальных
интерфейсов. Они также могут быть использованы при выполнении курсовых и
дипломных работ, связанных с разработкой аппаратного и программного обеспечения
интерфейсов ввода /вывода данных и управлением от ПК внешними устройствами.
Для продуктивного изучения учебных материалов необходимо
предварительное освоение такого общего курса , как «Основы радиоэлектроники».
Печатается по решению научно -методического совета факультета компьютерных наук
Воронежского Государственного Университета .
(С) Воронежский государственный университет , 2003г.
(С) Будко В.Н. , 2003г.
1. Интеллектуальные интерфейсы
1.1 Общее описание
Разработка систем человек – мех. машина, человек - ЭВМ , в которых полностью
используются возможности человека , является научной и технической задачей,
требующей понимания того , как ведут себя люди в определенных ситуациях, где
применяются системы ЧММ и ЧВМ .
Проблемами взаимодействия человека с машиной занимаются специалисты –
инженеры и психологи , владеющие новыми методами качественного и количественного
описания этого взаимодействия.
Вначале интенсивного внедрения в жизнь человека мех. машин, автоматов и
ЭВМ большая часть задач, связанных с наличием человека в технических системах,
решалась методом проб и ошибок.
Затем насущной необходимостью стало развитие методов совместного описания
поведения человека - машина . Стала развиваться наука эффективного взаимодействия
человека с ЭВМ .
Исследователь систем человек - машина должен быть знаком со смежными
областями наук, которые пересекаясь , образуют изучаемый предмет.
Деятельность человека в технических системах управления и контроля и его
взаимодействие с этими системами впервые начали изучать инженерные психологи .
Объект инженерной психологии - это человек–оператор. Инженерная психология
изучает психические и физиологические закономерности работы человека – оператора.
С другой стороны системы человек – машина относится к категории
кибернетических объектов. Кибернетика – наука об управлении, связи и переработке
информации в живом организме и технической системе . Однако психические процессы
технической деятельности человека затрагивается в кибернетике лишь с общих позиций
закономерностей процессов управления. Кибернетический подход к системе человек –
машина представляется следующей схемой.
Командная информация
Человек управляемый
объект
осведомительная информация
( обратная связь)
Кибернетика выдвинула и объединила такие понятия, как «система»,
управление», «информация» , «обратная связь». Породила новые области знания: «общая
теория систем», «системный анализ».
Появилась новая наука – когнитивная психология.
В переводе с английского
языка термин «когнитивный» означает «познавательный». Если объект инженерной
психологии – человек - оператор, то объект когнитивной психологии – человек
познающий.
Когнитивная психология изучает как человек получает информацию и
представляет ее себе, как информация хранится в памяти и преобразуется в знания, и
как эти знания влияют на поведение человека , на избирательность его внимания, на
преображение новых знаний.
Семейство родственных наук, близких к направлению тематике курса лекций
удобно представить в виде дерева (куста ) их взаимодействия.
Рис. 1.1 Куст базовых и компьютерных наук смежных с наукой о интеллектуаль
ных
интерфейсах.
1.2 Элементы сопряжения ПК с внешними объектами. Терминология.
Интерфейс (между лиц) – стык, устройство сопряжения. В общем случае – связь
между двумя объектами. Например, ЭВМ – модем, прикладная программа – операционная
система. ( Веселый пример : интерфейс между утюгом и электросетью – вилка ).
Подробнее , интерфейс – это совокупность средств и правил логических или
физических устройств и / или программ вычислительной системы , обеспечивающих
взаимодействие ЭВМ с внешними устройствами или с человеком.
Физический (аппаратный) интерфейс задает тип стыка , уровни сигналов,
согласование импедансов, синхронизацию и другие параметры канала взаимодействия.
Программный интерфейс определяет совокупность допустимых процедур и операций и их
параметров, список общих переменных, областей памяти и других объектов.
Связь между человеком и ЭВМ называют пользовательским интерфейсом. Он
определяет способ взаимодействия человека с компьютером. Наиболее часто интерфейс
определяет каким образом между объектами передается информация и как объекты
физически соединены друг с другом.
Примеры интерфейсов:
А - интерактивные (диалоговые)
- «интерактивная программа» - позволяет пользователю управлять ходом работы ЭВМ
(вмешиваться в процесс работы ). Обычно такая программа выводит стимулы [prompt]
ввода данных, определяя способ решения задачи. Интерактивные программы особенно
популярны в образовании (обучающие программы).
- «интерактивное видео» - объединение видео и компьютерной технологий, в котором
выборы и решения пользователя непосредственно влияют на развитие сюжета .
(Компьютерные игры).
- «интерактивная среда» (система) - обеспечивает максимальное использование
произвольного доступа к управляемым компьютером устройствам, например, к
устройствам воспроизведения и звука .
- «интерактивный режим» – диалоговый режим взаимодействия человека и
компьютера, при котором они обмениваются информацией со скоростью соизмеримой с
темпом обработки информации человеком.
Б - интеллектуальные интерфейсы
- «интеллект» – это мыслительные способности человека . Интеллектуальные интерфейсы
можно рассматривать как тропу (пока тонкую) к искусственному интеллекту .
Сначала термин «искусственный интеллект» понимался как поиск путей
автоматизации тех умственных действий, которые традиционно считались привилегией
человеческого мозга (игра в шашки, шахматы и т. д .).
Затем целью теории искусственного интеллекта стала замена некоторых
интеллектуальных функций человека работой ЭВМ (в том числе и через
интеллектуальные интерфейсы), которые реагируют на внешнюю среду , действующую на
человека . Например для предупреждения летчика (астронавта ) о приближающейся
опасности .
Сейчас «искусственный интеллект» - это одна из компьютерных наук,
занимающаяся разработкой методов решения задач, для которых отсутствуют
формальные алгоритмы. Например, понимания естественного языка человек, процедуры
обучения, доказательство теорем, распознавание изображений, распознавание образов
мышления.
С позиции технической реализации искусственный интеллект – это такая
автоматическая или автоматизированная система, которая берет на себя отдельные
функции интеллекта человека . Например, способность выбирать и принимать
оптимальные решения на основах рационального анализа внешних воздействий и ранее
полученного опыта в результате самообучения или заложенного в память опыта
экспертов.
Примеры частных интеллектуальных интерфейсов:
- «интеллектуальный» - предоставляющий б ольшие возможности , чем другие устройства
или программы этого же класса .
- «интеллектуальная программа» - такая программа, которая способна отслеживать
состояние системы и производить соответствующие операции для достижения нужного
результата .
- «интеллектуальный контроллер» - выполняет, кроме управления непосредственным
обменом, дополнительные функции: редактирование данных, контроль их правильности ,
обработку сложных команд.
- «интеллектуальный копир» - обеспечивает цифровую обработку копируемого
изображения: масштабирование , увеличение контрастности , выделение контуров,
объединение изображений и т.д. Прием и передачу изображений по линиям связи .
- «интеллектуальная база знаний» - отличается от базы данных тем что составлена так, на
ее основе можно осуществлять рассуждения. Для ответа на запрос используются, как
непосредственно хранимые данные , так и факты , получаемые логическим выводом. Эта
база данных с языком запросов близким к естественному языку человека .
- «интеллектуальный терминал» - имеет собственную память и микропроцессор,
предоставляющие средства редактирования и преобразования данных независимо от
работы ЭВМ , к которой он подключен. Диапазон функций и возможностей локальной
обработки не стандартизированы.
Общее определение (на перспективу развития):
- «интеллектуальный интерфейс» - совокупность средств взаимодействия пользователя с
ЭВМ на естественном языке , включающая диалоговый процессор и планировщик,
преобразующие описание задачи в программу ее решения на основе информации.
Хранящейся в базе знаний и программы «монитор», осуществляющей управление всеми
компонентами интерфейса .
1.3 Замечания о информационном взрыве в среде которого мы сейчас
живем. [труд 7. 20.01.00]
Человек способен воспринимать и безошибочно обрабатывать информацию со
скоростью не более 25 бит/сек . За жизнь можно так прочитать не более 3000 книг,
ежедневно осваивая по 50 страниц текста . К середине жизни можно усвоить и основные
знания , накопленные человечеством за последние 20 лет.
Сейчас, изучая даже только свежую литературу, будет на каждую прочитанную
страницу приходиться 10 тыс. страниц, которые вы фактически не успеете прочитать .
Есть такое понятие «макулатурный фактор».Это книги , которые не пользуются
спросом. Например, из 45 тыс. научных и технических книг Берлинской библиотеки
макулатурный фактор, т.е . нулевой спрос, равен 90%.
Период полураспада актуальных знаний – промежуток времени за который
половина сведений утрачивает ценность . Сегодня в высшем образовании он равен 7-10
лет, а в компьютерных технологиях сократился до 1 года .
Ищем спасения в узкой специализации. В итоге все большее число людей
живет все с меньшими знаниями о мире. То , что изучалось, но потом не явилось насущно
необходимым , тут же забывается, отбрасывается «перенапряженным» мозгом. Хотя ,
заметим, информационного объема памяти мозга человека достаточно , чтобы запомнить
все о всей вселенной.
Спросите закон Ома для полной цепи у политика , врача… ? Они его в школе
учили , но забыли . Этот закон им не приходится использовать в повседневной практике .
Информационный взрыв сделал также актуальным вопрос сохранения
растущего кома информации.
Не так давно в школе задавали заучивать наизусть . Сегодня неплохо если
студент и научный работник знают где , в каком справочнике , в каком источнике знаний и
данных найти нужную информацию.
1.4 Возможности и функции человека и машины в системе человек -
машина.
Деятельность человека -оператора в сложной системе человек – машина
характеризуется следующими особенностями:
1) Системы управления непрерывно усложняются и, следовательно , непрерывно
расширяются функции оператора и круг решаемых им задач.
2) В сложной системе управления между человеком и управляемым объектом
вклинивается система дистанционной передачи и обработки информации. Возникает
проблема согласования технических средств системы с возможными для оператора
объемом и скоростью восприятия и переработки информации.
3) В современной сложной системе управления нагрузка на сенсорные каналы
восприятия (зрительные , слуховые , тактильные ) распределяются неравномерно . А при
дистанционном управлении основная нагрузка ложится на зрительный канал, который
часто оказывается перегруженным.
4) Часто оператору приходится работать при жестких ограничениях на быстроту и
точность действий при характерно высокой цене ошибки и большой эмоциональной
напряженности ( например, оператор РЛС , дежурный оператор АЭС, космонавт).
5) В некоторых сложных системах оператору приходится еще и работать в
необычных условиях жизнедеятельности ( оператор космического корабля, подводной
лодки).
6) Возможности современных технических устройств систем управления
существенно приблизились к возможностям человека , а по некоторым показателям
превзошли его . Отсюда , чтобы обеспечить эффективную работу в целом системы
человек- машина, вытекает большая принципиальная проблема: какую функцию в
системе управления наиболее рационально поручить оператору, а какую - машине .
Проведем сравнение:
1. По скорости , точности , объему переработки отдельных сигналов современные
ЭВМ в значительной мере превосходят возможности человека . Для восприятия единицы
информации нервной клетке требуется 0.01 с. А ЭВМ воспринимает бит за время на
много порядков меньше. Однако мозг человека способен к параллельной и ассоциативной
обработке информации. Сложные «человекоподобные» задачи в технике ЭВМ решают
увеличением быстродействия и многопроцессорности современных сетей ЭВМ . Эти
направления прогресса техники ЭВМ быстро и успешно развиваются.
Под восприятием в психологии понимается отражение предметов и явлений в
совокупности их свойств . В ЭВМ пока возможно отобразить лишь отдельные свойства
явлений, обычно вне их взаимосвязей. Поэтому такой процесс в ЭВМ есть скорее аналог
психического процесса ощущения. Возможности ЭВМ по объединению и обобщению
(человечески разумному) сигналов пока ограничены. Еще пока вход информации в ЭВМ
заметно узок. Сенсорный вход человека чрезвычайно широк. Человек способен мгновенно
воспринимать целые комплексы самых разнообразных признаков предметов через
сигналы различных модальностей (зрительных, слуховых, тактильных), производить их
обобщения, формировать образ и трансформировать его с позиций задачи. Человек
способен приспосабливаться к условиям восприятия, преодолевать трудности при
восприятии неопределенной, двусмысленной информации и оценивать показатели
вероятностного порядка .
Человеку присуща константность восприятия размеров, формы, цвета и т. п .,
позволяющая ему независимо от условий предъявления объекта наблюдения (удаления,
расположения в поле зрения, освещения и т.п.) узнавать объект.
Научить ЭВМ этим способностям есть одна из задач новых бурно развивающихся
теорий искусственного интеллекта и робототехники и зарождающейся теории
искусственного интерфейса .
2. Память человека одни исследователи оценивают числом возможных контуров
нейронной сети из 10
10
нейронов. Другие оценивают память человека в сотни Гбайт.
Технические возможности памяти ЭВМ быстро растут. ЭВМ способна сохранять такое
количество однотипных данных в работе системы, которое не способен запомнить
человек. Однако в памяти человека каждый элемент знания включен в такое число
различных связей, какое пока не способна учесть ЭВМ .
Преимущество машинной памяти проявляется при хранении однотипных данных.
Преимущество памяти человека в хранении большого числа связей. Машинную память
можно свободно стирать , а убрать внешним воздействием данные из памяти человека
либо не возможно , либо очень трудно . В тоже время человек способен забывать ненужные
ему сведения.
3. Для воспроизведения на ЭВМ процессов мышления требуется существенное
увеличение интегральных возможностей ввода информации из-за их недостаточной
гибкости и пластичности в процессах мышления. Требуется разработка такого большого
количества различных программ преобразования, объединения и обобщения информации
каким обладает человек. Необходимо научить ЭВМ решать задачи такой высокой степени
неопределенности , с какими справляется человек.
Однако при решении отдельных задач с большим числом однородных и
взаимосвязанных данных ЭВМ уже значительно превосходит человека . А таких задач в
системах человек-машина много .
4. По моторным функциям (скорость , быстродействие , точность , сила и др .)
современные машины безусловно превосходят человека . Машины способны обеспечить
точное регулирование параметров, как по величине и скорости их изменения, так и по
производным высшего порядка , к чему не способен человек.
Машины могут иметь большой запас энергии.
Однако моторный выход машины ограничен часто только определенным набором
ответов. Человек уже использует значительно большее количество вариантных ответных
действий, которые заранее практически очень трудно , либо невозможно предусмотреть в
машине .
5. Человек способен к высокой степени самоорганизации на различны уровнях. У
ЭВМ эти способности к самоорганизации и использованию накапливаемого в памяти
«опыта» пока небольшие . В случаях возникновения «трудностей» в работе технического
звена машина либо прекращает работу , либо результат ее действия оказывается
бессмысленным для системы.
Человек же в таких случаях изыскивает пути к сохранению нормальной работы системы и
к достижению цели .
6. Воздействия, как внешние , так и внутренние на человека и машину
принципиально различны.
Человек быстро устает, ему необходим периодический отдых. Человек не
способен длительное время сосредоточить внимание на определенном объекте и может
отвлекаться. Он чувствителен к различным стрессовым ситуациям, подвержен влиянию
субъективных фактов и эмоциям.
Всех этих «недостатков» нет у машины. Однако машина чувствительна к
магнитным и электрическим полям (помехам), к внешней температуре и т.д.
Человек способен противостоять большинству внутренних нарушений,
возникающих в его организме , и сохранять при этом нормальное функционирование .
Внутренние нарушения в техническом устройстве ведут к нарушению работы всей
системы.
На сегодняшнем уровне прогресса считается, что ЭВМ хорошо выполняет
следующие функции:
- все виды математических расчетов;
- выполнение однообразных повторяющихся операций;
- хранение в памяти большого объема однородной информации, банка данных и
знаний;
- решение задач, требующих дедуктивного мышления, т.е . получения на основе
общих правил
решений для частных случаев;
- выполнение действий, требующих быстрой реакции на команду : на очереди
проблема научить ЭВМ выполнять следующие функции, характерные
для человека :
- распознавание ситуации в целом по многим сложно связанным характеристикам, а
также при неполной информации. Но заметим, что теории распознавания образов и
искусственного интеллекта быстро развиваются;
- индуктивное мышление , т.е . осуществление обобщений по отдельным фактам,
особенно при неполной информации;
- решение задач, для которых отсутствуют алгоритмы или нет четко выраженных
правил переработки информации;
- решение задач, в которых требуется гибкость и приспосабливаемость (адаптация) к
изменяющимся условиям, особенно задач, которые заранее трудно предвидеть ;
- решение задач высокой ответственности (принятия решений), в которых велика
цена ошибки.
Ввиду быстро развивающихся компьютерных и смежных с ними наук и роста
возможностей ЭВМ , можно ожидать , что уже в сравнительно недалеком будущем
некоторым из перечисленных выше функций человек научит и машину . Заметим, что
наблюдается тенденция определенного сращивания человека с ЭВМ .
Многие разработчики руководствуются следующими принципами разделения
функций между человеком и машиной :
- принцип оптимизации информационного обмена ;
- принцип максимизации показателей системы человек-машина в целом;
- принцип преимущественных возможностей;
- принцип взаимного дополнения и резервирования;
- принцип ответственности ;
- принцип активности и удовлетворенности человека -оператора;
- принцип легкости обучения оператора.
1.5 Взаимодействие человека с компьютером . Проблема общения.
Общение человека с компьютером, пожалуй, одна из самых сложных проблем. Для
общения двух партнеров требуется язык, понятный обоим. Язык как средство общения
человека с ПК зависит от тех задач, которые предстоит решать компьютеру. Чем сложнее
задача, тем выразительнее должен быть язык на котором формулируется задание и
описывается способ решения задачи.
Различаем два случая:
- ПК умеет решать ряд задач – в его памяти есть программы решения. Проблема общения
состоит в том, чтобы дать ПК соответствующую команду ;
- ПК не имеет такой программы и ее надо составить (это решать и как решать ). В этом
случае язык должен быть более сложным и выразительным.
В диалоге человек-ПК партнеры не равноправны. Человек всегда поймет ПК (для
этого ему нужны знания и время). Научить компьютер понимать язык общения опять же
должен человек.
Всех собеседников компьютера можно разделить на группы :
1. системные программисты (их мало ) - создают программы, облегчающие труд других
программистов.
2. Программирующие пользователи – пишут программы для себя, для решения своих
задач.
3. Непрограммирующие пользователи (их большинство )- хотят решать свои задачи на
ПК не желая подробно вникать в языки программирования: их называют – конечные
пользователи , непрофессиональные пользователи , «чайники».
4. Хакеры
Взаимодействие человека с ПК, так же как и ПК между собой в локальной сети и ПК с
международной паутиной (Интернетом) осуществляется через интерфейсы – средство
сопряжения оборудования, программ и т.д. . т.е . граница через которую осуществляется
взаимодействие между двумя контактирующими подсистемами. Пример простейшего
интерфейса для бытовых электрических приборов и электрической сети – это пара вилка -
розетка . Вилка должна подходить к розетке . Информация, проходящая через интерфейс
(человек-компьютер) должна передаваться в определенной форме .
Inter- префикс, имеющий значение взаимодействия, взаимонаправленности
Face- лицо , грань, фасад
Interface – совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие
устройств ПК
и программ.
Требования интерфейса аналогичны языковым требованиям при общении людей:
либо общий язык, либо через переводчика . Последняя функция часто превращает
интерфейс в совершенно самостоятельную подсистему – спец. Процессор или
интерфейсная ЭВМ .
Различаем интерактивный интерфейс и интеллектуальный интерфейс.
Термином “интерактивный” называют всякое общение человека с ПК, когда
пользователь имеет возможность динамически управлять работой компьютера. Например
“интерактивная графика”-пользователь имеет возможность динамически управлять
содержанием изображения,
его формой, размером, цветом и т.д. С помощью специального интерактивного
интерфейса взаимодействия (клавиатура, мышь, графический планшет и ПО)
Термином “интеллектуальный” (например, искусственный интеллект,
интеллектуальный интерфейс) называют всякий результат работы компьютера который
был бы сочтен разумным, если бы был произведен человеком.
Обратите внимание , что взаимодействие ПК с человеком либо с техническим
устройством (робот, система управления стеком, производством и т.д.) интеллектуальный
интерфейс обеспечивает в режиме оптимизации (приспособления, адаптации) работы ПК
к изменяющимся характеристикам человека или технического устройства .
Примеры :
ПК управляет работой АЦП. Через который вводится в память ПК оцифровка
аналогового сигнала . Интеллектуальный интерфейс (устройство и программа)
автоматически адаптируются состоянию АЦП, калибруя (восстанавливая) точность его
работы при уходе его параметров от температуры, напряжения питания, от времени т др .
- интеллектуальный интерфейс получая информацию от датчиков состояния авто -
водителя и датчиков заднего обзора дороги останавливает автомобиль, выключая