图形用户界面

图形用户界面的视觉构成和时间行为设计是人机交互领域软件应用程序设计的重要组成部分。它的目标是提高存储程序底层逻辑设计的效率和易用性，这是一个名为可用性的设计学科。采用以用户为中心的设计方法， 从而确保设计中引入的视觉语言能够很好地适应任务。

应用程序的可视图形界面特性有时被称为chrome或GUI(发音为gooey)。^[5][6] 通常，用户通过操作可视化微件（或控件）来与信息交互，这些微件可让信息的交互（方式）适合用户持有的数据类型。选择精心设计的界面微件是为了支持实现用户目标所需的动作。模型-视图-控制器允许灵活的结构，其中界面独立于应用程序功能，同时又和应用程度功能间接相连接，因此图形用户界面可以轻松定制。这使用户可以随意选择或设计不同的皮肤，并随着用户需求变化更改界面，从而简化设计师的工作。良好的用户界面设计与用户的关系较大大，而与系统架构的关系比较小。

窗口等大型微件通常为网页、电子邮件或绘图等主要演示内容提供框架或容器。较小的（微件）通常充当用户输入工具。

图形用户界面可以作为特定于应用程序的图形用户界面来设计，以满足垂直市场的需求。例子包括自动柜员机（ATM），餐馆的销售终端（POS）触摸屏，^[7] 零售店使用的自助结账机，航空公司自动售票和办理登机手续设备，公共场所(如火车站或博物馆)的信息亭，以及采用实时操作系统（RTOS）的嵌入式工业化应用中的监视器或控制屏幕。

到了20世纪80年代，手机和手持游戏系统也采用了专门的触摸屏图形用户界面。新型汽车在其导航系统和多媒体中心或车载导航多媒体一体机中也使用了图形用户界面。

• Sample graphical desktop environments

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  GNOME Shell ('EXAMPLE')

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  KDE Plasma 5

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  Unity

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  MATE

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  Windows上的示例Wayland合成器

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  Xfce

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  Enlightenment

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  Sugar

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  一个twm X Window系统环境

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  dwm平铺窗口管理器

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  Cinnamon

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  “以维基百科为主题的”GUI

图形用户界面将技术和设备相结合，为用户提供了可以与之交互的平台，用于收集和生成信息。

一系列符合视觉语言的元素已经发展转化为代表存储在计算机中的信息。这使得没有多少计算机技能的人更容易使用计算机软件。图形用户界面中这些元素最常见的组合是窗口、图标、菜单、指针(WIMP)范式，在个人计算机中尤其如此。

WIMP风格的交互方式使用虚拟输入设备来表示定点设备（通常是鼠标）的位置，并以图标表示在窗口中组织的信息。可用命令在菜单中一起编译，并且通过操作定点设备来执行动作。窗口管理器有助于窗口、应用程序和视窗系统之间的交互。视窗系统负责硬件设备，如定点设备、图形硬件和指针定位。

在个人计算机中，所有这些元素都是以桌面为原型来模拟搭建的，从而生成一种模拟的桌面环境，在这个环境中，显示器代表桌面，文档和文档文件夹可以放置在桌面上。窗口管理器和其他软件结合起来，以不同程度的真实感模拟桌面环境。

由于空间和可用输入设备的限制，个人数字助理(PDAs)和智能手机等较小的移动设备通常使用带有另一套统一隐喻的WIMP元素。WIMP不太适合的应用程序可以使用更新的交互技术，（这些）统称为后WIMP用户界面。^[8]

截至2011年，一些基于触摸屏的操作系统，如苹果的苹果操作系统(ios)和安卓系统，使用了名为后WIMP的图形用户界面分类。这些（系统）支持使用多个手指与显示器接触的交互方式，可以进行捏合和旋转之类的动作，而一个指针和鼠标无法支持这些动作。^[9]

用于与图形用户界面有效交互的人机界面设备包括计算机键盘，尤其是带有快捷键的的键盘，控制光标(或者更确切地说是指针)的定点设备:鼠标、指点杆、触摸板、轨迹球、操作手柄、虚拟键盘和平视显示器(和视线齐平的半透明信息显示设备)。

程序执行的操作也会影响图形用户界面。例如，有像inotify或D-Bus这样的组件来帮助计算机程序之间的通信。

6.1 早期尝试

伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）在1963年开发了画板（Sketchpad），被广泛认为是第一个图形计算机辅助设计程序。该程序配合图像使用光笔实时创建和操作工程图中的对象。在20世纪60年代末，由道格拉斯·恩格尔巴特（Douglas Engelbart）领导的斯坦福研究所的研究人员开发了在线系统(NLS)，该系统使用文本超链接，然后通过当时的新设备——鼠标来——操作。在20世纪70年代，恩格尔巴特（Engelbart）的想法被施乐帕洛阿尔托研究中心的研究人员，尤其是艾伦·凯（Alan Kay），进一步改进并扩展到图形领域。艾伦·凯超越了基于文本的超链接，使用图形用户界面作为Smalltalk编程语言的主界面，Smalltalk编程语言运行在1973年发布的施乐奥托计算机上。大多数现代通用图形用户界面都源于这个系统。

施乐PARC用户界面由窗口、菜单、单选按钮和复选框等图形元素组成。图标的概念后来由大卫·坎菲尔德·史密斯(David Canfield Smith)引入，他在凯（Kay）的指导下撰写了一篇关于该主题论文。^[10][11][12] PARC用户界面使用一个定点设备和一个键盘。这些方面可以通过使用窗口、图标、菜单、定点设备(WIMP)的替代术语和首字母缩略词来强调。这一努力最终成果是1973年发布的施乐奥托，尽管从未投入商业生产，但这是第一台使用图形用户界面的计算机。

第一台带有图形用户界面的商用计算机是由三河计算机公司（Three Rivers Computer Corporation）制造的1979年PERQ工作站。它的设计深受施乐帕洛阿尔托研究中心研究成果的影响。1981年，施乐公司最终以一种新的增强型系统——施乐8010信息系统——的形式将奥托商业化，这个系统通常被称为施乐之星。^[13][14] 这些早期的系统激发了许多其他图形用户界面的工作，包括由Symbolics公司和其他制造商生产的Lisp机器，1983年的苹果丽莎（Apple Lisa）(提出了菜单和窗口控制的概念)，1984年的苹果麦金塔（Apple Macintosh）128K，以及1985年发布的数位研究公司（Digital Research）授权的GEM为其GUI的雅达利ST个人电脑与Commodore公司Amiga计算机。Visi On于1983年发布，是能与IBM家用电脑（PC）兼容的计算机，但由于硬件要求高，从未受到欢迎。^[15] 尽管如此，Visi On对微软Windows操作系统的当代发展产生了至关重要的影响。^[16]

苹果、数位研究公司（Digital Research）、IBM和微软使用施乐公司的许多想法开发产品，而IBM的通用用户访问规范构成了微软Windows操作系统、IBM OS/2演示管理器、Unix Motif toolkit和视窗管理器中使用的用户界面的基础。这些想法逐渐演变为在微软Windows操作系统的当前版本中，以及在类似Unix的操作系统(如苹果操作系统和Linux)的各种桌面环境中创建界面。因此，大多数当前的图形用户界面都有很多常见的习惯用法。

Macintosh 128K，第一台Macintosh（1984）

6.2 普及

图形用户界面是20世纪80年代初的热门话题。苹果丽莎(Apple Lisa)发布于1983年，和DOS操作系统(包括PC GEM和 PC/GEOS)相比它有多种视窗系统。许多平台的各个应用程序都提供了自己的图形用户界面变体。^[17] 尽管图形用户界面具有优势，但许多评论者质疑整个概念的价值，^[18] 他们引用了图形用户界面受到硬件限制以及在寻找兼容软件容易出现问题来支持自己的观点。

1984年，苹果公司发布了一则电视广告，在哥伦比亚广播公司（CBS）第18届超级碗（Super Bowl）电视转播期间介绍了苹果麦金塔电脑（Apple Macintosh）,^[19] 中引用了乔治·奥威尔著名小说《1984》的典故。这则广告的目的是让人们重新思考计算机的定位，和以往面向商业系统的计算机区分开来，将用户友好的界面定义为个人计算机，^[20] 这成为苹果产品的标志性代表。^[21]

Windows 95伴随着大规模市场营销活动，^[22] 在上市时取得了巨大成功，并很快成为最受欢迎的桌面操作系统。^[23]

随着苹果在2007年推出苹果手机（iPhone）^[24] 和后来在2010年推出苹果平板电脑（iPad）,^[25] 苹果普及了后WIMP交互式多点触控屏幕，这些设备被认为是移动设备发展的里程碑。^[26][27]

到21世纪10年代中后期，大多数人所熟悉的图形用户界面是微软Windows操作系统、苹果电脑系统（macOS）和X Window 系统的台式和笔记本电脑界面，以及安卓系统（Android）、苹果移动操作系统（Apple's iOS）、塞班（Symbian）、黑莓操作系统、微软手机操作系统/Windows 10手机系统（Windows Phone/Windows 10 Mobile）、三星泰泽系统（Tizen）、Palm公司Palm OS-WebOS系统和火狐手持操作系统（Firefox OS）(智能手机)操作系统。^[28]

7.1 命令行界面

由于命令行界面中可用命令可以有很多，因此可以使用短的单词和符号序列来执行复杂的操作。一旦学习了许多命令，就可以提高效率和生产率，^[29][29][29] 但是达到这一水平需要一些时间，因为命令词可能不容易被发现或记忆。此外，当用户必须同时输入包含许多参数或几个不同文件名的长命令时，使用命令行会变慢且容易出错。但窗口、图标、菜单、指针(WIMP)界面为用户提供了许多微件，这些微件代表并可以触发系统的一些可用命令。

当对话框深埋在系统中，或者在重新设计时移动到不同的位置时，（使用）图形用户界面会变得非常困难。此外，图标和对话框通常对用户来说更难编写脚本。

WIMP广泛使用模式，因为屏幕上所有按键和点击特定位置的含义总是重新定义。命令行界面仅在有限的形式下使用模式，例如对于当前目录和环境变量才使用。

尽管图形用户界面通常受到更多关注，但大多数现代操作系统都提供图形用户界面和某种程度的命令行界面。图形用户界面通常是基于WIMP的，不过偶尔会出现其他隐喻，如Microsoft Bob、3dwm或文件系统可视化工具（File System Visualizer）中使用的那些隐喻。

7.2 图形用户界面包装器

图形用户界面（GUI）包装器找到了一种绕过(通常为) Linux和类Unix的软件应用程序的命令行界面（CLI）版本及其文本用户界面或键入命令标签的方法。虽然命令行或文本应用程序可以让用户以非交互方式运行程序，但是它们上层的图形用户界面包装器避免了命令行的陡峭学习曲线，也就不需要在键盘上键入命令。通过启动图形用户界面包装器，用户可以通过桌面环境的图标和可视指示器直观地与它交互、启动、停止和改变它的工作参数。应用程序也可以提供这两种界面，当提供时，图形用户界面通常是命令行版本的WIMP包装器。这在为类Unix的操作系统设计的应用程序中尤其常见。后者以前是首先实现的，因为这样做开发人员可以专注于他们产品的功能，而不用担心界面细节，如不用担心图标设计和按钮如何放置。以这种方式设计程序的用户也可以在shell脚本（shell script）中运行程序。

对于典型的计算机显示器来说，三维的表述不够恰当——因为它们的显示器是二维的。然而，在语义上，大多数图形用户界面使用三维。使用高度和宽度的表现方式，它们将屏幕元素相互层叠，从而提供了第三维效果。这可以通过一种错觉式透明效果在屏幕上直观地表现出来，这么做提供了一个优势，即不和背景窗口中的信息进行交互，其信息仍然可以被读取。或者环境可能只是简单地隐藏了背景信息，可以通过在它上面绘制一个阴影效果来使区别变得明显。

一些环境使用3D图形的方法将虚拟三维用户界面对象投影到屏幕上。这些经常出现在科幻电影中。随着计算机图形硬件处理能力的不断提高，让用户体验更加平滑的障碍就会越来小。

三维图形目前主要用于计算机游戏、艺术和计算机辅助设计（CAD）。三维场景计算也可用于其他用途，如分子图形学、飞机设计和相平衡计算/单元操作和化工工程的设计。^[29]。

人们已多次尝试创建多用户的三维环境，包括槌球项目（Croquet Project）和Sun的窥镜项目（Sun's Project Looking Glass）。

8.1 技术

在主流操作系统中，三维图形的使用已经变得越来越普遍，从创建吸引人的界面(被称为“养眼的花瓶”)到只有使用三维图形的功能性目的。例如，用户切换是通过旋转一个立方体来表示的，该立方体各个表面是每个用户的工作空间，窗口管理是通过Windows Vista操作系统中的Rolodex样式翻转机制来表示的。在这两种情况下，操作系统都会实时转换窗口，同时持续更新这些窗口的内容。

X Window 系统的界面还通过合成窗口管理器（如Beryl、Compiz和KWinusing）使用使用AIGLX或XGL架构实现了高级三维用户界面，，从而让OpenGL激活用户与桌面的交互成为可能。

三维桌面环境中的另一个分支是三维图形用户界面，它将桌面隐喻向前推进了一步，例如Bump Top，用户可以像处理实体文档一样操作文档和窗口，实现（几近）真实的移动并感受其近乎真实的物理特性。

缩放用户界面(ZUI)是一种相关技术，它有望表现出3D环境下的优势，同时不会出现定向问题和隐藏对象的可用性缺陷。将一些三维运动与二维或2.5D矢量物体混合在一起这是图形用户界面上的一个逻辑进步。2006年，希尔克雷斯特实验室（Hillcrest Lab）推出了第一个用于电视缩放用户界面。^[30]

8.2 在科幻作品中的运用

三维图形用户界面在技术上可行或普遍使用之前就出现在了科幻文学和电影中。例如:1993年美国电影《侏罗纪公园》（Jurassic Park）以硅图形公司（Silicon Graphics）的三维文件管理器文件系统导航器（File System Navigator）为特色，这是一个Unix操作系统的真实文件管理器。电影《少数派报告》（Minority Report）中有警官使用专门的三维数据系统的场景。在科幻小说中，三维用户界面被描绘成沉浸式环境，如威廉·吉布森（William Gibson）的赛博空间（Cyberspace）或尼尔·斯蒂芬森（Neal Stephenson）的虚拟实境（Metaverse）。许多对用户界面的未来想象很大程度上依赖于面向对象的用户界面（OOUI）风格，尤其是面向对象的图形用户界面（OOGUI）风格。^[31]