產品設計中的人機交互探討

摘要:本論文通過對人機交互發展過程的簡要總結,結合幾個典型產品設計案例的深入研究和分析,揭示出了人機交互與人機界面的內在關系:即人機交互是人與”含有計算機的機器”之間作用關系的情景刻畫;而人機界面是實現人機交互的形式和方法;同時,系統提出了一種全新的產品開發新思路-交互引導設計。其次,結合具體的產品形式,重點探討了當今世界產品中廣泛存在著的四種交互方式:數據交互,圖像交互,語音交互,行為交互。最后,對多媒體設計/多通道設計,以及虛擬設計等交互現象和問題進行簡單討論,并簡要說明了人機界面設計的現實意義和相關方法。
關鍵詞:人機交互??? 人機界面??? 通道??? 關注點??? 任務本身
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引??? 言

界面的存在,本身就是一種不幸。因為界面,并不是任務本身,而在現實的人機交互情境中,人們迫于某種壓力或約束,又必須要把自己的一部分心智和精力,放到各種復雜的界面識別與操作過程之中,從而耗損了人們過多的關注點,降低了人的本位需求的互動效率。www.jrujao.cn

界面的目的,是實現自然的人機交互功能,消除各種干擾信息,其中包括消除界面本身對人的干擾;從而將人們的注意中心集中在任務本身。這是一種理想化的設計構思和和諧狀態,也是走向自然的人機交互體驗環境所必須要解決的目標。這種設計理念,與Xerox PARC首席科學家Mark Weiser提出的”無所不在的計算[Ubiquitous Compating Ubicomp]”思想一脈相承。他認為,從長遠看,計算機會消失,這種消失并不是技術發展的直接后果,而是人類心理的作用,因為計算變得無所不在,不可見的人機交互也無處不在。就像我們時刻呼吸著的氧氣一樣,我們看不見卻可以體驗到。

當然,無論界面的消除,還是無所不在的計算,其核心價值都在于走向日益自然化的人機交互設計。只有這樣,才能從根本上減輕人們的認知負荷,增強人類的感覺通道與動作通道的能力。

1. 人機交互概況

1.1 人機交互的發展
人機交互(Human-Computer Interaction,HCI),就是人與機器的交互,本質上是指人與計算機的交互,或者可以理解為人與”含有計算機的機器”的交互。為了以下討論方便,我們現把”計算機”和”含有計算機的機器”,通稱為計算機。人機交互研究的最終目的在于探討如何使所設計的計算機能幫助人們更安全,更高效地完成所需的任務。

自1946年世界上第一臺數字計算機ENIAC誕生以來,計算機技術取得了驚人的發展。但計算機仍然是一種工具,一種高級的工具,它是人腦,人手,人眼等的擴展,因此它仍然受到人的支配,控制,操縱和管理。在計算機所完成的任務中,有大量是人與計算機配合共同完成的。在這種情況下,人與計算機需要進行相互間的通信,即所謂的人機交互。其實現人與計算機之間通信的硬,軟件系統即為交互系統。

交互系統通常包括計算機通過輸出或顯示設備給人提供大量信息及提示,以及人通過輸入設備向計算機輸入有關信息,問題回答等。從計算機早期的面板開關,顯示燈和穿孔紙帶等交互裝置,發展到今天的視線跟蹤,語音識別,手勢輸入,感覺反饋等具有多種感知能力的交互裝置。人機界面經歷了手工操作,命令語言和圖形用戶界面(GUI)的三個階段。

人機交互的發展大致可以分為四個階段:
初創期(1929-1970)1959年美國學者B.Shackel從人在操縱計算機時如何才能減輕疲勞出發,提出了被認為是人機界面的第一篇文獻的關于計算機控制臺設計的人機工程學的論文。1960年,Liklider JCK首次提出”人機緊密共棲(Human-Computer Close Symbiosis)”的概念,被視為人機界面學的啟蒙觀點。1969年在英國劍橋大學召開了第一次人機系統國際大會,同年第一份專業雜志”國際人機研究(IJMMS)”創刊。可以說,1929年是人機界面學發展史的里程碑。

奠基期(1970-1979)此時期出現了兩件重要的事件:(1)從1970年到1973年出版了四本與計算機相關的人機工程學專著,為人機交互界面的發展指明了方向。(2)在1970年成立了兩個HCI研究中心:一個是英國的Loughbocough大學的HUSAT研究中心,另一個是美國Xerox公司的Palo Alto研究中心。

發展期(1980-1995)20世紀80年代初期,學術界相繼出版了六本專著,對最新的人機交互研究成果進行了總結。人機交互學科逐漸形成了自己的理論體系和實踐范疇的架構。理論體系方面,從人機工程學獨立出來,更加強調認知心理學以及行為學和社會學的某些人文科學的理論指導;實踐范疇方面,從人機界面(人機接口)拓延開來,強調計算機對于人的反饋交互作用。”人機界面”一詞被”人機交互”所取代。HCI中的”I”,也由”Interface(界面/接口)”變成了”Interaction(交互)”。

提高期 (1996-? )20世紀90年代后期以來,隨著高速處理芯片,多媒體技術和Internet Web技術的迅速發展和普及,人機交互的研究重點放在了智能化交互,多模態(多通道)-多媒體交互,虛擬交互以及人機協同交互等方面,也就是放在”以人為在中心”的人機交互技術方面。設計在線.中國

1.2 價值與意義
人機交互領域是一個科學技術轉化為生產力的重要領域,人機交互的發展,技術與設備的成熟必然意味著巨大的市場。當先進的人機交互技術應用于電子產品,通信設施,機械設備,交通工具,人工智能,智能儀器,多媒體,情報采集,身份認證,安全防范以及武器現代化時,將會對科學技術,生產領域,國家安全,社會的工作方式和生活方式等方向產生深遠影響。企業決策人員在考慮自己的產品戰略時需要更加重視人機界面這一滲透各個產品的因素。產品設計人員也應該在新產品開發的過程中,進一步從人機交互方式的角度來探究新產品的可能性。

1.3 相關學科支持
隨著計算機技術與通信技術的結合,人工智能的介入,計算機逐漸成為”人類智力放大器”,人機交互也從單純的計算機輸入/輸出技術逐漸形成一門涉及哲學,人類學,生物學,數學,物理學,電子科學,計算機科學,人工智能,信息論,控制論,認知科學,心理學,倫理學,社會學,人機工程學,工業設計以及語言學等多學科相結合的交叉學科。

2. 界面與交互

2.1 人機交互模型
人機交互模型是對人機交互系統中的交互機制進行描述的結構概念模型。目前人們已經提出多種模型,如用戶模型,交互模型,人機界面模型,評價模型等。這些模型從不同的角度描述了交互過程中人和機器的特點及其交互過動。了解人機交互模型是開發一個使用人機交互系統的基礎,也是成功設計有關交互產品所必須要理解和熟練掌握的知識。

在人機交互領域的模型研究方面,較早提出的一個有影響的模型是Norman的執行-評估循環模型。在這個模型中,Norman將人機交互過程分為執行和評估兩個階段,具體包含七個步驟:1.建立目標-2.形成意圖-3.動作描述-4.執行動作-5.理解系統狀態-6.解釋系統狀態-7.根據目標和意圖評估系統狀態。這個交互模型的建立,指出了交互過程中的某些特點,有助于在概念上理解交互過程。但由于它完全以用戶為中心,對于計算機系統而言僅僅考慮到系統的界面部分,因此是一個不完整的模型。


1. Norman模型


2. 人機交互框架模型

后來,Abowd 和 Beale改進了Norman模型,并進行了擴充,提出了交互框架模型。這個模型為了同時反映交互系統中用戶和系統的特征,將交互分為四個部分:系統,用戶,輸入和輸出。交互過程表現為:信息在四個部分之間的流動和對信息描述方式的轉換上。這個模型較好地反映了交互的一般特征。其中輸入和輸出一起形成人機界面(又人機接口或用戶界面)。在一個交互周期中有四個階段:目標建立,執行,表示和觀察。其中,前兩個階段負責對用戶意圖的理解;后兩個階段負責對系統輸出的解釋和評價。

2.2 人機交互與人機界面的關系 設計在線.中國
人機交互是指人與機器的交互,本質上是人與計算機的交互。或者從更廣泛的角度理解:人機交互是指人與”含有計算機的機器”的交互。具體來說,人機交互用戶與”含有計算機機器”之間的雙向通信,以一定的符號和動作來實現,如擊鍵,移動鼠標,顯示屏幕上的符號/圖形等。這個過程包括幾個子過程:識別交互對象-理解交互對象-把握對象情態-信息適應與反饋等;而人機界面是指用戶與”含有計算機的機器系統”之間的通信媒體或手段,是人機雙向信息交互的支持軟件和硬件。這里”界面”定義為通信的媒體或手段,它的物化體現是有關的支持軟件和硬件,如帶有鼠標的圖形顯示終端等。

交互是人與機-環境作用關系/狀況的一種描述。界面是人與機-環境發生交互關系的具體表達形式。交互是實現信息傳達的情境刻畫,而界面是實現交互的手段。在交互設計子系統中,交互是內容/靈魂,界面是形式/肉體;然而在大的產品設計系統中,交互和界面,都只是解決人機關系的一種手段,不是最終目的,其最終目的是解決和滿足人的需求。

交互設計是從屬于產品系統的,是對成功的產品設計的一種強有力的支持與完善。

如果利用系統論的觀點,交互設計是從屬于產品設計系統的子系統。


3.從社會因素到社會系統的構成


4.從產品系統設計到大系統產品實質構成

2.3 人機交互在產品設計中的具體應用

2.3.1 探索者鼠標(IntelliMouse Explorer)


這是微軟公司開發設計一款智能鼠標,在1999年9月打入市場后,銷量迅速攀升至世界第一。此鼠標借助發光二極管而不是橡膠球來進一步幫助使用者提高瀏覽速度和準確性。產品的設計在功效和美學要素方面都讓人滿意,并且它的尾燈設計別出心裁,讓用戶使用起來更加愉快舒心。從人機交互的角度看,[1].尾燈的閃光設計,本質是一種操作進程的反饋和響應,能及時消除用戶潛在的心理等待和狀態猜測,從而增進使用者的交互體驗。[2].按鍵的設計:鼠標按鍵功能的發展是與使用者不斷增強的交互需求相一致的。按鍵如何設計,將直接體現一種人機交互方式的復雜程度。按鍵的設計都是以終端使用者的具體需要和行為習慣來具體考慮的,而這種關于設計的考慮一個重要思想就來源于對人機交互內容的使用和創新。

2.3.2虛擬鍵盤


這款概念產品的主要特色是通過虛化/極? 簡的設計構思,來展示一種極富創意的未來交互系統。系統組成:數字探頭–通過數字投影的方式,向終端用戶顯示交互界面的各種信息,從本質消除了對現行顯示器的依賴。語音交互裝置–用戶通過自然語言直接與計算機系統進行交互,從而在某種程度上降低了人手和人眼的工作強度.虛擬鍵盤–采用激光和紅外線投影技術來設計的符號化鍵盤。它的本質并沒有改變人的操作方式,而是對交互硬件進行了虛化和符號化處理,從而消除了實物鍵盤本身對人的約束和負擔。

關于虛擬鍵盤的設計,雖然該鍵盤的實用場合受到很多客觀環境和條件的限制,比如虛擬鍵盤必須要投影到很平整和堅固的表面上才可以正常使用,而且容易產生手指疲勞和疼痛,以及交互信號的傳達相對遲緩,同時對環境光線過于敏感等。但是這種鍵盤的設計卻說明了一個不爭的事實:即設計的發展趨向于平面化;消費者的本質需要是充滿自信和快感的消費體驗,而不是笨重的技術”黑匣子”,從而又說明了,對消費者而言,所有技術都是可以去作隱喻化/符號化/虛擬化處理的,只要能保證消費者的最終交互體驗就可以了。設計在線.中國

2.3.3 iPod的交互界面


全新第四代 iPod 所擁有的功能特性讓它更易于使用,更能充分享受到音樂的樂趣。觸控式按鍵轉盤可以通過它選擇播放列表,從一長串顯示的專輯名或歌手名中快速找到你想要的歌曲,甚至連拇指都不需要離開轉盤。20GB 的存儲空間,不僅存儲大量自己的音樂和有聲書籍,同時還可以保留一些空間以備其他所需。你可以使用隨 iPod 附送的 FireWire 或 USB 2.0 連接線纜將 iPod 與電腦連接起來,拷貝文件。不論是 Word文檔,還是 Photoshop 文件,只要是你講的出來的,它都可以支持

此款蘋果公司的產品,除了保持簡潔明快,作工考究,核心技術先進,以及大容量等一貫風格外,還有一個重要的方面值得研究,那就是iPod人機交互功能的選擇與設計。IPod的交互方式包括兩個方面:觸控式按鍵轉盤和流動的自定義菜單。觸控轉盤的設計,首先評估了使用者對系統資源進行操作所可能涉及的具體行為和過程,然后優選最佳使用方式,并建立合乎大多數使用者行為習慣的交互過程的設計模型,最后產生了現在iPod簡單但交互過程卻十分完善的觸盤式操作界面。而且這種界面的交互動作是人們習慣的點擊方式,輕輕一點,世界盡在掌握之中。同時,配合流行的菜單交互界面的使用,讓使用者操作過程更為得心應手。Ipod菜單的獨特設計對消費者更具吸引力:流動的菜單,超大的屏幕顯示,彩色的背光,醒目的界面元素等.

2.3.4 Alias的界面行為

這是Alias工業設計軟件界面中一種比較特殊的標記菜單工具。在Alias軟件設計過程中,當用戶同時按住Ctrl和Shift鍵并單擊鼠標時,標記菜單這個浮動菜單會出現在光標處。具體過程:[1].按住Ctrl和Shift鍵,然后在屏幕上單擊并按住鼠標左鍵,出現一個放射形圖標,周圍有四個標記菜單。如果先前按住的是右鍵或中鍵,會打開不同的標記菜單項目。[2].向下拖動直到Pick->Object工具高亮顯示,然后釋放鼠標鍵。接著就可以選擇物體了,如左下圖。[3]. 按住Ctrl和Shift鍵,按住鼠標鍵向上拖動,然后快速釋放鼠標鍵。出現了一條黑線但沒有出現標記菜單。其實,這種操作方式是針對用戶熟悉標記菜單位置的情況下,憑個人感覺與計算機軟件進行交互。


此案例,是針對軟件界面交互行為進行分析和說明的。從最終操作者的角度看,這是一個很簡單的過程。而實際上,在這項功能的背后,涉及著極其復雜的設計工程,比如:用戶認知問題的評估,用戶行為過程中的難點分析,以及軟件工程,界面形式的設計等。從本質上,是以人的需求為中心,進行人機交互關系的全面開發與嘗試。為了消費者的便利,設計師和工程師們在不斷努力著。

2.3.5智能的力普椅


椅子設計中的幾個難點:
1).人的脊柱并不是孤立的,僵硬的單元。當一個人斜倚在椅子上時,他后背的上半部分會向后傾,而下半部分則會向前方挺。這使得椅子的靠背與人的后背的下半部分之間產生了空隙,從而使背部逐漸向下沉,直至駝背。
2).脊柱和指紋一樣,都是因人而異的。每個人都有各自的”脊柱紋”,而且這個”脊柱紋”會隨著姿勢的變化而變化。
3).當人們在桌旁坐下時,大多數人都會很自然地使自己處于視線和觸摸范圍內的理想位置。這個位置讓你能最好地看到或夠到你所要做的工作。可是,一旦你斜倚在椅子上時,就會遠離這一理想位置,從而會拉大與你工作范圍之間的距離。你就不得不向前傾身,斜眼,或努力爭取挪回原先的位置。
然而,如左圖示,這款力普椅的設計,正是針對上述設計矛盾和沖突,進行開發和設計的。其產品開發公司為了開發”仿真靠背技術”,耗費了大量的物力和四五年以上的時間-11項研究,723名參與者,4所大學的研究設備以及27位科學家。最后,開發公司委托IDEO設計公司進行了造型和可制造性設計。力普椅外露的背部支架及所采用的相關技術使得椅子能準確配合使用者的坐姿改變而有所調整;同時造型漂亮而得體,確實可謂一把不落俗套,利于健康的舒適座椅。這款產品是典型的”含有計算機的機器”,完美的體現了人機交互功能的優勢。設計在線.中國

3. 交互的方式

人機交互過程實際上是一個輸入和輸出的過程,人通過人機界面向計算機輸入指令,計算機經過處理后把輸出結果呈現給用戶。人和計算機之間的輸入和輸出的形式是多種多樣的,因此交互的形式也是多樣化的。

3.1 數據交互
數據交互是人通過輸入數據的方式與計算機進行交流的一種方式,它是人機交互的重要內容和形式。其一般的交互過程是:首先由系統向操作者發出提示,提示用戶輸入及如何輸入;接著用戶通過輸入設備把數據輸入計算機;然后,系統響應用戶輸入,給出反饋信息,并顯示在屏幕上(或者以其他方式顯示);同時系統對用戶輸入進行檢查,如有錯誤就向用戶指出,讓用戶重新輸入。不同的數據輸入形式決定了數據交互的不同方式。注意:這里的數據,可以是各種信息符號,比如數字,符號,色彩,圖形等。

數據交互主要有以下交互形式:
1).問答式對話數據輸入交互
特點:簡單易用,但單調,輸入速度慢。
2).菜單選擇數據輸入交互
如:PDA的操作界面的菜單輸入方式,還有各種手機中的圖形交互選項。
3).填表數據輸入交互
特點:輸入界面是一個待填充的表格,用戶可以按照提示填入合適的數據。
4).直接操縱數據輸入交互
特點:可通過光標移動進行查找或選擇。輸入方便,但常有預設范圍的限制。
5).關鍵詞數據輸入交互
如:在設計軟件的應用過程中,熟練的操作用戶,經常用快捷鍵來輔助操作。
6).條形碼數據輸入
條形碼經條形碼讀入器識別并讀入,并八條形碼序列翻譯成數據序列。
如圖書館書目的編號,超市中商品的品名和價格信息都可使用條形碼。
7).光學字符識別(OCR)
OCR系統可以讓計算機通過模式比較來識別一些具有不同字體和大小的印刷體。
如:辦公自動化中的文本輸入,郵件自處理,定單數據輸入,單證,發票等。
8).聲音數據輸入交互
特點:速度快,不用手和眼。尤其對那些要求在輸入數據的同時要完成手腳并用的工作場合,尤為適用。
9).圖像數據輸入
通過對圖像進行特征提取和分析,自動識別限定的標志,字符,編碼結構等。

常用的數據交互設備
數據輸入設備有鍵盤/鼠標/跟蹤球/操縱桿/觸摸屏/手寫板/光筆/數字化輸入板/手勢板/三維輸入設備等;數據輸出設備有顯示器/打印機等。

3.2 圖像交互

科學研究表明,人類信息傳遞主要通過語言,文字和圖象三個渠道。而且,人類從外界獲得的信息有70%以上來自視覺系統,也就是從圖像中獲得。所以,對圖像交互的研究和探討將意義重大,對產品設計的創新也有引導作用。圖像交互的應用領域空前廣泛,如人臉圖像的識別,手寫交互界面,數字墨水等。

圖像交互,簡單說,就是計算機根據人的行為,去理解圖像,然后作出反映。這里面,讓計算機具備視覺感知能力是首要解決的問題。目前人們研究的機器視覺系統可以分為三個層次:圖像處理(最低級層次)–>圖像識別(較高級層次)–>圖像感知(最高層次)。所謂圖像處理,主要是對圖像進行各種加工以改善視覺效果,就是把輸入圖像轉換成具有所希望特性的另一幅圖像的過程,是一個從圖像(輸入)到圖像(輸出)的過程。所謂圖像識別,主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量,以獲得它們的客觀信息從而建立對圖像的描述。本質上是一個從圖像到數據的過程。所謂圖像感知,重點是在愛圖像識別的基礎上,進一步研究圖像中個目標的性質和它們的相互關系,并得出對圖像內容含義的理解以及對原來客觀場景的解釋,從而直到和規劃行動。圖像感知,輸入的是一幅圖像,輸出的則是對該圖像的解釋。

3.3 語音交互

語言一直被公認為是最自然的流暢,方便快捷的信息交流方式。在日常生活中人類的溝通大約有75%是通過語音來完成的。研究表明,聽覺通道存在許多優越性,如,聽覺信號檢測速度快于視覺信號檢測速度;人對聲音隨時間的變化極其敏感;聽覺信息與視覺信息同時提供可使人獲得更為強烈的存在感和真實感等。因此,聽覺通道是人與計算機等信息設備進行交互的最重要的信息通道。

語音交互就是研究人們如何通過自然的語音或機器合成的語音同計算機進行交互的技術。它涉及多學科的交叉,如語言學,心理學,人機工學和計算機技術等;同時對未來語音交互產品的開發和設計也有前瞻式的引導作用。語音交互不僅要對語音識別和語音合成技術進行研究,還要對人在語音通道下的交互機理,行為方式等進行深入研究。語音識別和語音合成的相結合,即構成了一個”人機通信系統”。

語音交互系統一般采取兩種途徑:一種是用基于語音識別和理解技術的,主要依靠音頻進行交互的系統;另一種是利用語音技術與系統的其他交互方式結合在一起來進行交互的系統。在這種方式中語音不再占主導地位,它只是交互系統的一部分。

3.4 行為交互
人們在相互交流過程中,除了使用語音交互外,還常常借助于身體語言,即通過身體的姿態和動作來表達意思,這就是所謂的人體行為交互。人體行為交互方法不僅能夠加強語言的表達能力,有時還能起到語音交互所不能起到的作用,如時裝表演,舞臺小品的表演等。人機行為交互是計算機通過定位和識別人類,跟蹤人類肢體運動,跟蹤表情特征,從而理解人類的動作和行為,并做出響應的智能反饋過程。

行為交互將帶來全新的交互方式。計算機通過用戶行為能夠預測用戶想要做什么來滿足用戶的需求。如:計算機跟蹤人們的視線,就能決定用戶的意圖,是想要瀏覽什么網站還是需要打電話等;當用戶走進房間時,帶有”藍眼”的計算機即做出反應,如提示新收到的電子郵件,如果用戶搖搖頭,計算機就認為用戶不希望閱讀郵件,因此轉而列出當天的日程安排等。

4.總結

本論文通過對人機交互發展過程的簡要總結,結合幾個典型產品設計案例深入淺出的分析和研究,揭示出了人機交互與人機界面的內在關系:即人機交互是人與”含有計算機的機器”之間作用關系的情景刻畫;而人機界面是實現人機交互的形式和方法;同時,系統提出了一種全新的產品開發新思路-交互引導設計。其次,結合具體的產品形式,重點探討了當今世界產品中廣泛存在著的四種交互方式:數據交互,圖像交互,語音交互,行為交互。

另外,關于多媒體設計/多通道設計,虛擬設計,人機界面設計等方面的問題和研究,也是屬于人機交互研究中的重要問題。希望有越來越多的有志之士不斷開拓進取,開創新的境界。

 


主要參考文獻
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[10] Jonathan Cagan? Craig M.Vogel、《創造突破性產品》、機械工業出版社。

附錄
[1].任務本身:就是人的本位需求和消費體驗。比如:通常在用筆寫字時候,我們的心智總是集中在寫的任務本上,而沒有過多的意識到”紙和筆”等工具上。
[2].關注點:這是認知學上的一個重要概念。即:無論是通過你的感覺,還是通過你的想象,這個世界上所有你所感知的東西之中,你正在集中精力所在的最多只能是一個實體,無論它是一個對象,一個特征,一個記憶,還是一個概念。這就是你的關注點(Attention)。包括主動關注的情況,也包括被動地隨波逐流的情況,或者僅僅經歷了發生的情況。比如:你無法用左右手同時分別畫出方和圓一樣,也就是你在同時時刻僅能有一個關注點,也就僅能處理一件有意識/無意識的事情。
[3].感覺通道-動作通道:心理學將人接受刺激和作出反應的信息通路稱為通道(Modality)。對應于接受信息和輸出信息分別為感覺通道和效應通道。這里的效應通道等同于動作通道。感覺通道主要有視覺,聽覺,觸覺,力覺,動覺,嗅覺,味覺等。效應通道主要有手,足,頭及身體,語言(音),眼神,表情等。


作者說明:此文章純屬設計的階段性總結和探討性分析的文章,內容廣泛引用和借鑒了相關專業權威觀點,更重要的是,在總結分析前輩的經驗和理論的同時,努力從另一個更有前途的視角,進行了新的嘗試和發展。

作者:Jon.Yang