用户界面自适应与通用设计：实现全用户覆盖的关键路径

# 用户界面自适应与通用设计：实现全用户覆盖的关键路径 ## 1. 用户界面自适应概述 用户界面（UI）自适应指的是对软件系统的 UI 进行修改，以满足特定需求，如特定用户或用户群体的需求和偏好。自适应可根据执行方式、执行者以及依据的参数分为不同类别。例如，适应性指最终用户调整 UI 的能力，而自适应性或自我适应性则指系统自主执行 UI 自适应的能力。个性化是自适应性的一种特殊形式，通常基于最终用户的个人特征和交互行为等数据，影响 UI 内容。 交互环境的各种特征可能需要或引发 UI 自适应，包括： - 用户特征：偏好、目标和任务、身体状态（如位置）、情绪状态等。 - 技术特征：屏幕分辨率、连接性、浏览器、电池等。 - 环境相关方面：位置、光线、噪音等。 基于上述因素的变化，UI 的多个方面可以被修改，如呈现（包括布局、图形属性、语音及其特征等）、动态行为（包括导航结构、交互技术的激活和停用等）以及内容（包括文本、标签和图像）。常见的自适应策略包括： - 保护：例如缩放 UI 元素。 - 重新排列：例如更改布局。 - 简化/放大：相同的 UI 元素，但呈现方式有所修改。 - 增加（也称为渐进增强）/减少（也称为优雅降级）UI 元素等。 UI 自适应的概念起源于 20 世纪 90 年代，当时主要用于 UI 设计和开发自动化的早期方法（如基于模型的 UI）以及具有智能行为的 UI（智能用户界面）的开发。为了支持 UI 开发生命周期的设计和实现阶段的自适应，提出了许多技术方法。自适应机制通常基于反映用户知识（用户模型）、使用上下文（上下文模型）、相关应用程序以及其他相关自适应参数的模型或本体，并包括各种类型的推理机制来进行自适应决策。 当时，UI 自适应主要旨在通过优化最终用户体验的各个方面来使最终用户受益。例如，UI 自适应的目标可以是提高效率（通过减少任务完成时间和错误率或改善学习曲线）、确保有效性（通过保证任务完全完成）或提高用户的主观满意度。然而，由于多种原因，这一想法的实现具有挑战性。从用户体验的角度来看，在正确的时间引入有意义和有用的 UI 自适应并不容易，如果 UI 突然或以次优方式修改，可能会使用户感到困惑，而不是减轻他们的任务。从设计的角度来看，自动生成的自适应 UI 的范围有限，只能处理有限的任务和特定的应用程序，而且设计师发现难以管理 UI 自适应引入的大型设计空间并填充必要的模型。因此，尽管取得了一些进展，但 UI 自适应在第一波发展中很少有实际应用。 到了新千年初，随着移动设备开始占领市场，UI 自适应的概念被重新审视。在这种背景下，UI 自适应旨在开发能够在各种屏幕尺寸和分辨率的设备上显示的 UI，支持在不同设备之间无缝迁移，以保证用户体验的连续性，并改善移动交互。从开发的角度来看，这意味着主要处理多设备交互式应用程序的创作，避免为每个目标平台进行单独开发。出现了以下几种方法： - 开发一个具有流畅布局的主要 UI 版本，如响应式网页设计，它为不同设备使用不同的样式表，从而能够更改某些属性的值或显示或隐藏某些 UI 元素。 - 单一创作，即开发交互式应用程序的一个概念描述，从中获得针对不同目标平台优化的各种版本。 - 自动重新创作，即从特定平台的实现开始，然后通过适当的转换导出适用于不同平台的实现。 与此同时，人机交互（HCI）领域中，残疾人和老年人对应用程序和服务的可访问性问题日益受到重视，通用访问和通用设计等主流方法的出现，促使人们提出将 UI 自适应作为设计和开发能够自动修改以满足不同用户需求的 UI 的一种手段。通用访问旨在通过各种计算平台和设备，为任何人在任何时间、任何地点提供对各种产品和服务的访问。通用设计则强调系统地解决多样性问题，在这种背景下，自动 UI 自适应成为满足不同用户群体在各种使用环境中的需求的解决方案。 ## 2. 通用设计：融合多领域传统 通用设计的概念在 20 世纪 90 年代的人机交互（HCI）文献中被引入，它源于以人为本的设计（HCD）、残疾人的可访问性和辅助技术以及物理产品和建筑环境的通用设计这三个传统的融合。 ### 2.1 以人为本的设计（HCD） HCD 自三十年前开始以来，确立了人类用户在整个设计过程中的核心地位，并已成为每个交互式系统设计的标准流程。HCD 认为系统的使用质量，包括可用性，取决于用户的特征、任务以及系统使用的组织和物理环境。它强调理解和识别这些上下文细节的重要性，以便指导早期设计决策并提供评估的基础。然而，HCD 没有具体说明设计师如何应对截然不同的用户群体。 ### 2.2 可访问性 在 HCI 领域，可访问性指的是残疾人访问信息和通信技术（ICT）的能力。与 ICT 的交互可能会受到用户个人能力或功能限制的各种影响，这些限制可能是永久性的、临时性的、情境性的或上下文相关的。例如，视力有限的人将无法使用仅提供图形输出的交互式系统，而上肢活动受限的人在使用仅通过标准键盘和鼠标接受输入的交互式系统时会遇到困难。HCI 中的可访问性旨在通过克服现有的交互障碍，使具有不同功能或上下文限制的人的交互体验尽可能接近没有这些限制的人。这可能涉及促进输入设备的操作和相关交互技术，提供可以通过各种人类感官感知的交互样式和生成的 UI，并确保 UI 对用户是可理解的。 为了实现上述目标，可访问性需要提供替代设备和交互样式以满足不同的需求。主要有两种技术方法： - 产品级适应：分别处理每个应用程序，并采取所有必要的实施步骤以获得替代的可访问版本。这种方法实际上通常意味着从头开始重新开发，由于相关成本较高，被认为是提供替代访问的最不利选择。 - 环境级适应：在特定的交互式应用程序环境（如 MS - Windows）层面进行“干预”，以提供适当的软件和硬件技术，使该环境具有替代的可访问性。这种选择将可访问性的范围扩展到可能涵盖在同一交互式环境下运行的所有应用程序，而不仅仅是单个应用程序。 这些方法催生了几种解决可访问性问题的方法，包括 UI 输入/输出配置技术和辅助技术的提供。辅助技术是一个通用术语，指的是广泛的可访问性插件，包括专用的输入和输出设备以及选择、定位和使用它们的过程。常见的辅助技术包括为盲人用户提供的屏幕阅读器和盲文显示器、为低视力用户提供的屏幕放大镜、为运动障碍用户提供的替代输入和输出设备（如适配键盘、鼠标模拟器、操纵杆和二进制开关）、专用浏览器和文本预测系统。 然而，基于事后开发主流 UI 的可访问替代方案的可访问性方法存在一些严重的缺点，特别是在考虑不断变化的技术环境时。首先，这些解决方案通常提供有限且质量较低的访问。在某些情况下，进行适应可能会导致功能损失。其次，事后适应在技术快速变化的行业部门中不可行。最后，重新开发需要大量的编程工作，因此成本高昂且难以实施和维护。 ### 2.3 通用设计 类似解决人们多样性问题的方法最早出现在土木工程和建筑等工程学科中，在室内设计、建筑、道路建设和交通等领域有许多应用。建筑师 Ronald L. Mace 创造了“通用设计”一词，用于描述设计所有产品和建筑环境的概念，使它们既美观又能让每个人尽可能广泛地使用，无论他们的年龄、能力或生活状况如何。虽然这个概念的范围一直更广，但其重点往往是建筑环境。 通用设计的一个经典例子是路缘切口（或人行道坡道），最初是为轮椅用户设计的，用于从街道导航到人行道，现在在许多建筑物中广泛使用。通用设计中最常见的方法之一是通过多种方式提供关于物体或建筑物的信息，例如电梯按钮上的盲文和交通灯的声音反馈。没有残疾的人也经常能从中受益。例如，电视或多媒体内容中为聋人提供的字幕对非母语人士、提高识字技能的儿童或在嘈杂环境中观看电视的人也很有用。 在 HCI 领域，20 世纪 90 年代末开始使用通用设计的原则来表示任何人在任何时间、任何地点访问交互式产品和服务的设计。基于上述三个支柱，通用设计被定义为积极应用原则、方法和适当的工具，以开发所有公民都可以访问和使用的交互式产品和服务，从而避免事后适应或专门设计的需要。通用设计这个术语包含或等同于可访问设计、包容性设计、无障碍设计和通用设计等术语，每个术语都强调了该概念的不同方面。 尽管通用设计的概念并不新颖，并且已经提出了一些技术解决方案来解决这个问题，但直到最近，该领域的标准化工作一直明显缺乏。尽管通用设计具有重要性和潜在好处，并且在各个领域长期以来都认识到可访问性和包容性的价值，但缺乏标准化仍然是在交互式技术中广泛实施通用设计实践的一个重大障碍。以下是一些相关的标准： | 组织 | 标准 | 出版年份 | | ---- | ---- | ---- | | W3C - WAI | Web 内容可访问性指南 1.0 | 1999 | | W3C - WAI | Web 内容可访问性指南 2.0 | 2008 | | W3C - WAI | Web 内容可访问性指南 2.1 | 2018 | | ETSI/CEN/CENELEC | EN 301549v1.1.2 欧洲标准“适用于欧洲 ICT 产品和服务公共采购的可访问性要求” | 2015 | | ETSI/CEN/CENELEC | EN 301549v2.1.2 协调欧洲标准“ICT 产品和服务的可访问性要求” | 2018 | | ETSI/CEN/CENELEC | EN 301549v3.1.1 协调欧洲标准“ICT 产品和服务的可访问性要求” | 2019 | | ETSI/CEN/CENELEC | EN 301549V3.2.1 协调欧洲标准“ICT 产品和服务的可访问性要求” | 2021 | | CEN | EN 17161:2019 “通用设计 - 遵循通用设计方法的产品、商品和服务的可访问性 - 扩大用户范围” | 2019 | 这些标准不仅讨论了如何应用通用设计，还涉及如何设计面向所有用户的包容性 ICT 产品和服务。 ## 3. 通过 UI 自适应实现可访问性 单一制品导向的设计方法在可访问性和通用设计方面的可能性有限。因此，交互式制品的一个关键特性是其自动适应和个性化的能力。 在现代商业 UI 中，UI 定制方法和技术取得了显著成功。例如，桌面适应提供了隐藏或删除未使用桌面项目的功能，以及基于用户个人偏好的各种个性化功能，如添加动画、透明玻璃菜单栏、打开程序的实时缩略图预览和桌面小工具（如时钟、日历、天气预报等）。类似地，流行应用程序也提供了一些定制选项，如工具栏定位和显示/隐藏最近使用的选项。然而，集成到商业系统中的适应需要手动设置，并且主要关注审美偏好。在可访问性和可用性方面，例如对于残疾人士或老年人，只有有限的适应选项，如键盘快捷键、大小和缩放选项、更改颜色和声音设置、自动化任务等。 过去三十年的研究工作为可访问性提出了新颖而丰富的 UI 自适应方法。20 世纪 90 年代的开创性工作引入了双 UI 的概念，即 UI 同时具有图形和基于语音的实例化，以便有视力的用户和盲人用户可以同时访问，从而促进协作。这一概念随后得到扩展，以适应可能适应任何类型人类功能限制的 UI 设计，倡导基于通用访问原则的全面和系统的 UI 自适应方法，并推广通用设计的实践。 在这些方法中，UI 自适应是确保具有不同特征的用户能够高效有效地访问和使用 UI 的工具，同时支持技术平台独立性、隐喻独立性和用户配置文件独立性。在这种情况下，自动 UI 自适应旨在最大限度地减少事后适应的需要，并提供能够被尽可能广泛的最终用户群体使用的产品。这意味着通过设计提供替代界面表现形式，了解目标用户群体的能力、需求和偏好以及使用上下文的特征（如技术平台、物理环境），并具备在交互开始之前或期间做出适应决策的决策逻辑。 由于解决多样性问题的设计方法和技术涉及复杂的设计过程，并且与更传统的制品导向方法相比，进入门槛更高，还需要可访问性知识和专业技能，因此有必要提供支持这一过程的计算工具。主要目标是提供能够缩小传统 UI 开发和自适应开发之间实践差距的工具。此外，在通用访问的背景下，另一个突出的挑战是需要开发大规模的案例研究应用程序，以证明基于自适应的方法的技术可行性，评估其好处以及相关方法和工具的有用性和附加值，并为进一步实验提供工具，最终通过收集有关如何具体实践多样性设计的知识来改善该领域的实证基础。这种新颖的 UI 开发范式体现在统一 UI 方法中，该方法由专门开发的架构以及各种支持 UI 自适应设计的工具支持，包括指定决策规则的设施、自适应设计工具、适用于各种交互平台的自适应小部件工具包、UI 原型制作设施、自动嵌入可访问性特征的设计工具以及多模态交互支持框架。 ### 3.1 替代实现方法 多年来出现了几种替代实现方法，大致可分为基于模型、基于规则和基于模式的方法。 #### 3.1.1 基于模型的方法 基于模型的 CAMELEON 参考框架将 UI 设计分解为多个不同的抽象级别，旨在减少针对多个使用上下文的工作量。该框架已在 UsiXML 和 MARIA 等研究工具中实现。MARIA 是一种基于模型的 UI 描述语言，能够在运行时自动生成针对不同设备定制的 UI。基于模型的技术可以通过维护不同抽象级别之间的关系，简化为不同目标用户群体提供可访问性的工作。这可以用于以辅助技术可以利用的方式注释最终 UI。有效的基于模型的创作工具可以自动应用此类注释，并有助于确保图像、音频和视频资源配有适当的可访问描述。 此外，CAMELEON 还增加了一种在开发过程中集成自适应规则的机制，目标是自动生成可访问的用户定制界面。自适应可以在设计时和运行时应用。在设计时，可以在开发过程的任何抽象级别对 UI 进行定制。例如，与任务序列相关的自适应规则应在任务和域级别考虑，而与某些特定 UI 模态相关的自适应规则则应在具体 UI 级别考虑。在运行时，使用上下文的变化会触发自适应过程。提出的解决方案涉及通过抽象过程获得必要的抽象级别，以便在上下文发生变化时应用自适应规则，然后再次生成最终 UI。 #### 3.1.2 基于规则的方法 其他基于规则的方法包括 Yang 和 Shao（2007）提出的专家系统，该系统管理自适应规则，使用特殊算法将规则与事实匹配。自适应知识库由事实库（即上下文配置文件）和规则库（即自适应规则）组成。另一个例子是 Ghiani 等人（2017）提出的方法，旨在提供一种易于理解的方式来指定上下文事件和条件以及相应的操作，这些操作可以修改应用程序甚至周围设备（如灯光、收音机）的状态。目标是方便非专业开发人员（包括最终用户或他们的照顾者）编写自适应规则，使他们能够根据特定情况个性化他们的应用程序。 #### 3.1.3 基于模式的方法 一些基于模式的框架也得到了开发。例如，MyUI 将自适应 UI 的所有方面集成到一个系统中，包括多模态设计模式存储库，该存储库是个性化 UI 模块化方法的基础，运行时环境和自适应引擎支持 UI 生成和运行时动态自适应，以及抽象 UI 模型的规范和开发工具。另一个例子是 Egoki 系统，它自动生成用于访问普适服务的 UI。该系统提供了足够的灵活性，以满足用户在选择合适的多媒体交互模式和 UI 元素方面的需求。UI 建模通过基于状态图的算法进行，可重用的软件组件及其相关代码片段是其设计原理的一部分。自适应系统结合了上下文、用户和自适应，以提供以用户为中心和按需驱动的 UI。 尽管手工规则集和启发式方法在 UI 自适应中很普遍，但最近的努力也集中在 UI 自适应和个性化的高级技术上。在这方面，组合优化已成为决定 UI 设计和交互的有效且灵活的方法，提供了卓越的算法能力、可控性和通用性。自适应可能涉及选择要向用户操作和展示的程序功能、小部件类型及其属性、组件在其容器内的组织（包括位置和大小的决策）以及组件在容器之间的分布以形成层次结构。 在这个领域具有开创性的是 SUPPLE 的工作，它将 UI 自适应概念化为一个优化问题，通过使用用户轨迹根据单个用户的使用模式定制界面渲染。总体而言，在 UI 自适应的组合优化中，UI 设计被视为一种算法过程，通过组合设计决策来寻找最优解决方案，以解决找到能为给定函数产生最高值的组合问题，例如最大化界面的可用性或最小化用户努力。其他在自适应 UI 中寻求的优化问题包括为提高残疾人的打字性能而调整文本输入组件、根据用户的实际运动能力优化 UI 以允许他们在最短时间内完成一组典型任务，或增强态势感知。一种替代方法是使用强化学习来识别 UI 中的有益变化，并在不需要时避免更改，并将此方法应用于自适应菜单。 然而，上述方法虽然丰富了当前关于 UI 自适应以实现可访问性和用户多样性的知识和讨论，但在广泛采用方面遇到了困难，没有一种方法在大型案例研究中得到实际应用，并且它们在支持的适应类型以及能够解决的目标用户群体和使用上下文方面似乎都受到限制。设计为基础的通用和系统的 UI 自适应方法是解决通用访问要求最有前途的方法，而基于优化和 AI 的技术在这方面具有很大的未来潜力。 ### 3.2 UI 自适应工具 为了支持 UI 自适应设计，开发了一系列工具，这些工具在许多大型设计案例中得到了广泛应用，证明了该方法的可行性和有用性。 #### 3.2.1 决策制定规范语言（DMSL） 决策制定在 UI 自适应中起着有效驱动界面组装过程的作用，通过决定哪些界面组件需要被选择性激活。决策制定规范语言（DMSL）是一种基于规则的语言，专门设计用于支持自适应的规范。它支持有效的决策制定，并且专门为