1.1引言
人机交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是研究人、计算机以及它们之间相互影响的技术。人机交互研究的目的在于探讨如何使计算机系统帮助用户更加安全和高效地完成所需的任务。
人机交互系统包括计算机与人通过输入和输出设备进行信息的互动和反馈。随着计算机的硬件性能的飞速发展，人们越来越重视人机交互的方式和交互界面，从早期的计算机面板开关、显示灯和穿孔纸带等交互装置开始，人机交互界面经历了手工操作、命令语言、图形用户界面（GUI/WIMP）等三个阶段之后，又出现了下一代人机交互的探讨。图形用户界面是目前使用最广泛的，它的发展和应用是计算机技术的重大成就之一。人机交互是计算机的一个重要的多学科交叉的研究领域，涉及计算机科学、心理学、认知科学和人素学（humanfactors）等学科，也是计算机行业竞争和研究的焦点，是从硬件转移到软件之后，又一个新的、重要的研究领域。
一个计算机交互系统，需要实现很好的计算机与用户之间的人机交互，通常要考虑三个因素：用户、计算机的输入输出的交互设备以及交互应用软件。
1.2体感计算的提出
从最早期的以手工操作和命令行为代表的人机交互开始，到现在的图形用户界面（GUI/WIMP），经历了一个很大的革新。到目前为止，GUI作为主流人机交互方式，至今还深刻影响着人类使用计算机的方式，并且今后将会长期被使用。GUI是静止、非自然的交互方式，然而随着各种智能交互设备的推广，GUI越来越难以适应多样化的应用环境。特别是一些缺乏计算机使用经验的用户，以及越来越多的不适合使用GUI的交互情境。比如，随着运动传感技术和信息技术的发展，出现越来越多的动态的交互应用情境，需要能够打破时间、空间的约束，无限延伸，从任何一点进入交互，如，交互游戏、社区网站、交互广告等。它引发了下一代的人机交互方式的探索，人机交互设计的重点逐渐转向强调更为自然的交互方式和注重人类情感需求，交互方式从物理界面转到数字的空间和尺度中，消除数字与真实世界的隔阂和距离。一定程度来说，下一代的人机交互是需要能够帮助用户保持原有的人性，使得虚拟世界与实体世界更加贴近，也避免用户变成为坐在计算机前面的机器。
下一代人机交互研究在总体方向上已经远离了基于GUI的屏幕，而集中体现在相对松散或宽泛的人机交互设计或者人与信息的交互设计方面，比如说：虚拟现实与增强现实，普适、无处不在、手持的交互，感知交互、情感计算交互、基于上下文的交互等。感知用户界面（PerceptualUserInterface，PUI）是下一代人机交互方式之一，作为感知用户界面的一种重要形态，基于运动感知用户界面可以感知、理解用户的身体动作，并且做出适当的反馈。用户的身体就是最好的人机界面，用户能够通过身体活动得到愉悦的认知感受，比如说，运动让人得到了血清素和多巴胺反馈。当前，以感知用户界面为代表的下一代人机交互最关键的出发点是基于用户在生活中的经验和本能，共同的特征是越来越强调用户的先天能力和本身固有的知识体验。用户在现实交互中依靠身体的运动，更加直接自然的操纵更为真实的计算机交互界面。目前，世界上已经出现一些关于身体运动交互的产品化研究，比如，用于身体运动捕获的设备和技术已经可以走出实验室，能够在各种环境中使用，用户可以随心所欲地通过身体运动与计算机进行交互，可以实现更为自然和人性化的人机交互。最近几年，任天堂的游戏机手柄WiiRemote和微软的X360kinect游戏设备可以很好地实现脑力、体力的协调发展，解决青少年沉迷于游戏而引起的心理疾病。此外，运动传感器在智能手机等电子产品上的普及，为实现运动感知的交互方式创造了条件。
然而目前，在下一代人机交互的研究中，还缺乏对于身体运动和情感认知之间的深入的分析和探讨，还需要对于人类的运动行为和情感诉求的进一步理解与深入的研究，这需要综合很多不同的学科知识和文化背景，其中包括行为认知科学和情感理论等，因为，更为自然直观的下一代人机交互方式是身体运动和内在情感相融合的结果。
因此，本书基于这一个具有挑战性的研究课题，提出了体感计算的研究，以便于研究更为自然和直观的人机交互方式，并且探讨其在个性化的电子学习中的交互应用。当然，交互方式向自然和个性化的发展将会是一个复杂的、多层面的过程，这一过程可能包括多特征，如：
1.人体运动捕获技术和相关研究成果将被包含在新的智能人机交互中；
2.体感计算的新应用和新服务将逐渐出现，使用范围将不断延伸；
3.满足所有用户群体的个性化需求，使得所有人都能方便使用体感交互方式。
本书将结合艺术感知、教育学和认知心理学等，探讨体感计算的交互模型和技术，实现更人性化、更有趣、更自然、更简单的交互方式，并且试图应用在个性化的电子学习中。
1.3个性化学习的兴起
个性化学习（PersonalizationLearning）是根据学习者的个性特征、情感状态和学习能力提供最佳的学习方法和策略。个性化学习主要是针对传统的教育提出的，其目的是实现以人为本的教育思想。
学校教育的传统模式为学生提供相同的学习内容，然而，学生很少有真正多样化的和个性化的选择。这种一刀切的课程设置和教学方式并不能有效地激发学生的潜能和个人能力的发展。最近几年出现了个性化学习的教学探讨，主要是尊重每位学生的个人学习方式、兴趣爱好、掌握技能、职业目标、课外活动等，其目的是帮助学生了解自己的优势和不足，以便为以后的个人能力和职业选择提供参考；同时，还可以为老师和家长提供除了分数和年级以外更为全面的学生情况。
许多教育工作者和家长认为，根据每个学生特点做的学习方案能更好地为他们进一步发展做准备。并且，通过向学生展示他们的潜力和未来发展的可能，能够唤起他们学习的热情。
个性化的电子学习（PersonalizationE-Learning），就是在电子学习交互中，根据用户的兴趣、习惯和偏爱，帮助用户打破交互的空间和时间的束缚，在交互信息过载时起重要作用。本书提出了体感计算在个性化电子学习上的应用，即个性化学习研究，讨论关于体感认知在电子学习交互上的应用，包括人体运动与艺术感知、体感认知与个性化学习、面向儿童的创造性体验等，为进一步建立更多的体感计算的突破性的应用提供一定的参考。
人的学习行为认知把握符号的过程，在个性化学习中，人的运动行为可以深刻影响智能的全面发展，学习行为的本身就是特定符号操作的过程。因此，这些体感计算研究的主要内容，可以在个性化电子学习中起到寓教于乐的作用。
1.4本书的工作
本书的工作首先界定了体感计算的内涵，详细研究人的外部行为认知和内在情感体验，以及体验性认知与个性化学习，在此基础上，进一步分析基于运动感知的行为计算的实现技术和体感交互模型等。
本书探讨的体感计算（AffectiveandBehavioralComputing），是计算机通过感知用户的身体动态、理解用户内在的情感语义，并做出适当的交互反馈。身体运动是人类的本能之一，人们不但能够通过身体运动完成具体的任务，还可以此体验情感、传递信息。此外，通过器官感觉、肌肉运动、身体位置、肢体平衡等获得的体验方式，对于每个人而言是独特而又本能的。
本书研究目标主要有以下几个方面：
1.通过研究人类的行为运动、情感和认知心理学等，来探讨身体运动与数字世界进行交互的方法，以及人类可以用什么方式融入到数字世界中；
2.探索体感计算的实现技术，包括实现身体运动信号的捕获与识别，从身体运动的数据中可以识别出用户的体感特征和潜在的内部情感需求，以及探讨身体的运动和人类意识的关系；
3.探讨和研究体感计算的交互模型、人的行为体验模型、体感交互的虚拟化身和体感系统模型等；
4.探讨体感计算在个性化学习中的应用，验证面向儿童的艺术感知体验。
针对上述目标，本书重点探讨面向个性化学习的体感计算，分析人的外在行为、艺术感知和体验性认知，探讨体感计算的识别技术、体感计算的应用、体感计算所面临的挑战和发展方向，进一步寻找体感计算的应用突破点。
1.5全书的组织
本书共分为八章：
（第一章）为绪论。首先分析了本书研究的背景和意义，然后界定了体感计算和个性化学习的内涵，指明本书的工作目标，最后总结了本书的组织结构。
（第二章）综述了人类外在行为认知研究，讨论与体感计算紧密相关的运动行为的特点和行为运动符号等。
（第三章）概述人类内在情感的研究状况，介绍了若干的情感计算应用实例，并分析了情感计算的研究特点、情感计算的方法、情感计算的模型等。
（第四章）重点探究了体验性认知与个性化学习。首先探讨了人体运动与体验性认知的关系，然后分析了体感认知与艺术感知学习的关系，以及个性化学习和面向儿童的创造性的艺术感知体验，并以水墨画学习为例来研究创造性体验。
（第五章）重点研究了运动感知与行为计算。首先，总结了运动感知技术的发展概况，然后分析了运动感知的跟踪识别技术，其中包括跟踪方式的选择、常见的运动传感器件、运动数据的实时获取、运动数据与体感信号的配准，在此基础上探讨了人体运动信号的特征提取，最后重点分析了手势交互、三维符号输入和手势识别等。
（第六章）探讨了体感计算与体感交互。首先讨论了体感计算的概念模型，其次探讨了基于运动感知的体感计算的交互模型，随后探讨了人的行为体验模型、体感交互的虚拟化身和体感计算框架模型等。
（第七章）基于面向个性化学习的体感计算的研究思路，实现了一个基于运动传感的书空临摹的交互系统实验。首先介绍了这个系统的出发点、实验的准则与动机等，探讨了关于书空临摹的交互模型，然后研究了书空手势的设计与识别、基于用户输入差异的笔画变形，最后是实验结果的可用性分析。通过十位儿童用户参与实验结果的实际操作使用，分析了系统的操作绩效、用户体验和满意度等，通过这个完整的试验的案例验证了体感计算在个性化学习中的正面作用，是体感计算研究的初步尝试。
（第八章）对全文进行了总结，指出了本文的贡献和不足，并探讨了体感认知和个性化学习的未来工作方向。
