圖形用戶界面發明史

鼠標、視窗、圖標和菜單：這些就是計算機圖形用戶界面的組成元素。按照設計宗旨，圖形用戶界面應該容易理解和使用，描述起來簡單明確。鼠標是指針，視窗分割屏幕，圖標用符號代表應用程序和數據，菜單列出可選的操作。

但是，圖形用戶界面的發展絕對不簡單。它是大學、政府實驗室、公司科研團隊中無數工程師和計算機科學家數十年努力的成果。在此過程中，研究人員以彼此的工作為基礎，重復別人犯下的差錯，又不斷嘗試新的想法。

在整個1970年代和1980年代初期，施樂公司旗下的帕羅奧托研究中心（PARC）艱苦卓絕地研究了視窗、菜單、圖標和鼠標的許多早期概念。1973年，PARC開發出“奧托”（Alto）電腦原型機。共有1 200多臺奧托電腦被制造出來，接受測試?；趭W托電腦的概念，施樂公司的系統開發部接著開發出“施樂之星”（Star）電腦，并在1981年向公眾介紹這款電腦，它是第一款向大眾出售的如此對用戶友好的計算機。

1984年，蘋果電腦公司推出的低成本麥金塔電腦（Macintosh）將友好的界面帶給了數以千計的個人電腦用戶。在之后的五年里，內存條的價格大幅下跌，使得位元映像圖形（bit-mapped graphics）的巨大存儲需求得到滿足。在蘋果麥金塔電腦之后，出現數十種相似的電腦與工作站界面。

麥金塔電腦在1980年代獲得的成功激勵蘋果電腦公司展開法律行動，針對圖形用戶界面的許多特征的所有權提起訴訟。這些官司的結果是，將那些創新歸于第一個申請法律保護方，而不是歸于設計師以及他們的公司。

圖形用戶界面起始于“畫板”

圖形用戶界面的老祖宗是“畫板”（Sketchpad）。麻省理工學院的學生伊萬 · 薩瑟蘭（Ivan E. Sutherland）于1962年在林肯實驗室創造出這臺電腦，作為他的博士學位論文。畫板電腦的使用者不僅能用光電筆在陰極射線管（CRT）顯示器上畫出點、線段和圓弧，還能指定他們畫出的任何圖形受到的約束以及之間的關系。

圓弧可以有指定的直徑，線條可以是水平或垂直的，圖形可以從元素和形狀的組合來建構，還可以移動、復制、縮小、放大和旋轉，同時圖形的約束被動態保留下來。在CRT顯示器本身是新奇事物的時代，使用者通過在電腦上繪圖就能交互地創造物件的想法是革命性的。

另外，為了放大物件，薩瑟蘭編寫了第一個視窗拖曳程序，這就要求他構思出史上首個剪貼算法。剪貼是一個計算圖形物件的哪個部分將被顯示，而且僅僅在屏幕上顯示那一部分的軟件例程。程序必須計算一條線條將被拖曳到何處，再將那個位置與使用的視窗坐標相對照，避免顯示出任何坐標落在視窗之外的線段。

盡管操作畫板電腦的影片在計算機研究群體中被廣泛展示，但薩瑟蘭說，這個項目對如今的圖形用戶界面幾乎沒有直接的影響。畫板運行在麻省理工學院的TX-2大型主機上，需要太多計算能力，給個人使用并不實際。然而，許多其他工程師認為，畫板的設計與算法對整整一代用戶界面的研究產生了重要影響。

電腦鼠標的起源

1950和1960年代中使用的、依靠互動式電腦系統來選擇屏幕區域的光電筆——包括畫板在內——存在一些缺點。為了執行定點操作，使用者的手臂得要從桌面上抬起，過上一陣就會變得疲累。拾起筆需要在桌面上摸索，假如光電筆有一個筆座的話，在用光電筆做選擇后，還要花時間把它放回筆座。

用光電筆測知一個物件的操作直截了當：電腦在屏幕上顯示光點，再詢問光電筆是否有測知光點，就這樣，程序始終知道眼下顯示的內容。確定光電筆在屏幕上的位置需要更加復雜的技術——像是在屏幕上顯示一個由9個點構成的十字圖案，再移動十字，直至十字的中心對準光電筆。

1964年，國際斯坦福研究所的一位研究項目帶頭人道格拉斯·恩格爾巴特（Douglas Engelbart）測試了所有市售定點裝置，包括從依然流行的光電筆到操縱桿和一種曲線追蹤裝置Graphicon（使用一枝裝在電位器臂上的筆）等各種裝置。但他感覺，測試未能涵蓋所有可能的定點裝置，他應該以某種方式填補空缺。

他接著記起1940年代時在大學里上過的一堂課，課上介紹了用測面儀計算面積的方法。他思考起來，如果將電位器與測面儀結合起來，改造一下，能把后者用作定點裝置。恩格爾巴特用草圖畫下自己的構思，解釋給工程師威廉 · 英格利希（William English）聽，后者在國際斯坦福研究所的機器加工車間制造出一個后來被稱為“鼠標”的東西。

第一個鼠標的尺寸很大，因為它使用了單圈電位器：滾輪得要旋轉一周，光標才會從屏幕一側移動到另一側，這樣滾輪勢必要做得很大。但它與電腦的交互很簡單：處理器只需通過模擬數字轉換器讀取電位器定位信號的頻繁采樣。

通過鼠標移動的光標很容易確定位置，因為來自電位器的讀數能確定光標在屏幕上的位置。但是，后來視窗系統的程序員發現，確定鼠標選中哪個物件所需要的軟件比光電筆需要的軟件更加復雜：他們必須把鼠標位置與屏幕上顯示的所有物件的位置進行比較。

電腦鼠標幾度被重新設計

恩格爾巴特的研究團隊用鼠標和其他定點裝置做了對照試驗，結果鼠標輕而易舉地勝出。電腦用戶也很快就適應了鼠標。然而，恩格爾巴特想要改進鼠標。在實驗之后，他的團隊總結說，光標移動和鼠標移動的適合比率是大約2：1，但他想要嘗試變動比率——慢速移動時比率下降，快速移動時比率增加——從而改善精細移動時的鼠標控制，也能加快大幅移動時的速度。后來的一些鼠標控制軟件融入了恩格爾巴特的這個點子。

這個階段的鼠標依然是實驗性的，直到1971年才發生變化。恩格爾巴特團隊的多名成員到了新成立的PARC工作。那兒的研究人員決定，他們設計的任何實驗性系統都會使用鼠標。

PARC雇用了發明家杰克 · 霍利（Jack Hawley）來制造新款鼠標?；衾麤Q定，鼠標應該使用軸編碼器而不是電位器，軸編碼器通過一系列脈沖來測量位置，這樣就能剔除昂貴的模擬數字轉換器。

1972年，鼠標再度變身。擔任PARC系統架構副總裁的羅恩 · 賴德（Ron Rider）當年還是一個新員工。羅恩建議工程師把軌跡球上下顛倒過來，縮小尺寸，當作鼠標來用。這種新裝置被稱為滾球鼠標。羅恩說：“這是我辦過的最簡單的專利。我花了五分鐘想到點子，用半小時描述給律師聽，然后專利就辦成了。”

這種滾球鼠標的原型由施樂公司電子部門制造，隨后由霍利進行重新設計。滾球轉動兩根垂直軸，每根軸的末端有一個鼓狀物，鼓狀物上覆蓋交替的導電和不導電材料條紋。在鼓形物轉動時，這些條紋通過金屬接觸電刷傳出電脈沖。

當蘋果電腦公司在1979年決定為麗莎（Lisa）電腦設計一款鼠標時，鼠標設計方案再度變化。蘋果公司使用了橡皮球，球的牽引力依賴于橡皮的摩擦和橡皮球本身的重量。鼠標盒底部的墊子承擔了重量，光學掃描器偵測內部滾輪的運動。這種鼠標的容許偏差更大，可動零件變少，所以成本只有之前的滾球鼠標的四分之一。

鼠標如何獲得按鍵又失去按鍵

國際斯坦福研究所推出的史上第一只鼠標是木制的，只有一個按鍵，僅為測試概念構思。國際斯坦福研究所之后制造的塑料鼠標有三個緊挨著的按鍵。PARC的首款鼠標同樣有三個按鍵，因為那樣最適合機械設計方案。1980年代的蘋果鼠標只有一個按鍵，而其他鼠標有兩個或三個按鍵。

英格利希說：“兩個鼠標鍵好，還是三個鼠標鍵好，大家爭論不休。蘋果公司做出一個壞選擇，只用一個鼠標鍵?！彼J為鼠標鍵最少也該有兩個。

人為因素工程學專家威廉 · 弗普朗克（William Verplank）同意英格利希的看法，并說奧托電腦的鼠標有三個按鍵，使用者常常忘記哪個按鍵派哪個用場。測試顯示，單鍵鼠標也令人困惑，它需要用雙擊之類的動作來選擇，然后打開文件。弗普朗克說，測試的最終結論是，對于大多數使用者而言，雙鍵鼠標是最理想的。

許多界面設計師不喜歡多鍵鼠標，認為雙擊一個按鍵來選擇一個物件更容易記住。拉里 · 特斯勒（Larry Tesler）過去是PARC的一位計算機科學家，后來進入蘋果公司任職，是他將單鍵鼠標帶到了蘋果公司。

視窗如何進入電腦屏幕

1962年的畫板電腦能把屏幕水平地分為兩個獨立部分。研究者稱畫板電腦是第一個平鋪式視窗實例，不同視窗并排放在一起。它們不同于重疊式視窗，也就是一個視窗能堆疊在另一個視窗上方，遮蓋下層的所有或部分內容。

視窗是給小小的屏幕添加功能性的一個顯而易見的辦法。1969年，恩格爾巴特給在線系統（NLS，由他發明于1960年代）配備了視窗，能把屏幕水平或垂直地分割為多個部分，并引入了用鼠標實現的跨視窗編輯。

1972年，在研究者艾倫 · 凱（Alan Kay）的領導下，PARC的Smalltalk編程語言團隊實現了他們的視窗版本。他們使用的技術遠遠不同于薩瑟蘭或恩格爾巴特：他們決定圖像得要以點陣顯示在屏幕上，領導了一場從矢量顯示器到光柵顯示器的轉變。這就是PARC發明出的位元映像。在1980年代，隨著持續的處理器邏輯和記憶體速度的性能改進，這項技術變得可行。

研究者丹 · 英戈爾斯（Dan Ingalls）做位元映像操作的實驗，研發出被稱為“位圖動畫”（BitBlt）的比特塊轉移程序。BitBlt軟件使得應用程序能夠混合和操作一個像素值的矩形陣列（該陣列包括屏幕內外的像素值），再將結果儲存在位元映像的合適位置。

BitBlt使得編寫許多操作的程序變得簡單得多，比如滾動視窗、調整視窗大小和拖曳視窗。這也使得凱創造出重疊式視窗。但這些進展使剪貼的實現變得更困難。研究者彼得 · 多伊奇（Peter Deutsch）解釋說，在重疊式視窗系統中，視窗可能顯示在屏幕上任何一個地方，隨機遮擋其他視窗的內容，所以必須剪切下相當不規則的區域。

電腦菜單欄的起源

1960年代的防空計算機系統中，菜單已經得到普遍使用。不同功能被羅列在屏幕上，用不同按鍵組合來選擇啟動。但是，直到BitBlt技術和視窗出現后，菜單才能在需要時出現，在使用后消失。它們和定點裝置一起成為對使用者友好的界面的基本部分。

菜單的設計也有了演變。一些新系統使用層級菜單。有些菜單為新手突出顯示最常用的指令，另一些菜單為經驗豐富的使用者列出所有可選指令。

第一批測試按需出現的菜單的研究者中，有一位來自PARC的研究人員威廉 · 紐曼（William Newman），他在一個名為Markup的項目中進行了測試。很快，Smalltalk編程語言團隊進行效仿，創造出彈出式菜單，使用者按下一個鼠標鍵，就會在光標處出現一個菜單。

1981年問世的施樂之星電腦又前進了一步，推出了菜單欄。菜單欄基本上就是一排文字，指出每個視窗可以彈出的可用菜單。人為因素工程學專家弗普朗克回憶說，菜單欄最初是在視窗的底部，但施樂之星電腦團隊發現，使用者更容易將菜單欄與它下方的視窗相聯系，于是菜單欄就被挪到視窗最上方。

蘋果公司在麗莎和麥金塔電腦中簡化設計，將一條菜單欄放在屏幕最上方。這條菜單欄只與使用中的視窗相關聯，不同菜單能從菜單欄被“拉下來”，出現在菜單欄下方。設計師威廉 · 阿特金森（William D. Atkinson）在1984年8月憑此創新獲得專利。

電腦 “圖標” 的名字是怎么來的？

畫板電腦屏幕上有圖形來代表約束（如線條長度相同的規則），1967年由猶他大學學生凱和艾德 · 奇德爾（Ed Cheadle）建造的Flex電腦用正方形來表示程序和數據（就像今天的計算機“文件夾”）。

但是，電腦“圖標”的概念到1975年才成形。斯坦福大學的計算機科學研究生戴維 · 坎菲爾德 · 史密斯（David Canfield Smith）在1973年開始寫博士論文。他的導師是當時在PARC工作的凱，凱提議史密斯研究一下利用奧托電腦的圖形能力。

史密斯從俄羅斯東正教會中借取“icon”（圣像）一詞。東正教所認為的圣像不僅僅是一張畫像，因為它還體現圣像代表的神祗的屬性。而史密斯的電腦圖標包含它所代表的程序和數據的所有性質。

史密斯在1975年獲得博士學位，于1976年加入施樂公司。他說，他入職后干的第一件事是以辦公室術語重新闡述他的“圖標”構思?！拔噎h顧我的辦公室，看到了文件、文件夾、文件柜、電話和書架，這很容易就轉化為圖標?！彼f。

施樂公司的研究人員研發、測試和修改了用于施樂之星電腦界面的圖標。一開始，他們試圖讓圖標看上去像物件的縮小透視圖，后來權衡標簽空間、可辨識性和屏幕上容納的圖標數量等因素后，他們決定把圖標控制在1英尺寬、64×64個像素的正方形內，也就是512個字節。弗普朗克回憶說，研究人員隨后發現因為背景圖樣的關系，圖標的右側顯得參差不齊，于是他們將圖標的寬度增加到65個像素。

敲定圖標的尺寸后，施樂之星電腦團隊測試了由兩名平面設計師和兩名軟件工程師開發的4套圖標。他們發現，調整圖標大小可能引發問題。比如，他們把代表一個人的圖標（顯示一個人的腦袋和肩膀）縮小，希望把多個這一圖標放到一起代表一群人，結果一名受試者說屏幕分辨率讓縮小后的圖標像墓碑上的十字架。計算機圖形藝術家諾姆 · 考克斯（Norm Cox）最終被雇用來重新設計圖標。

隨著施樂之星電腦在1981年6月的問世，圖形用戶界面進入市場。雖然這款電腦在商業上未獲成功，但在電腦用戶中引起了極大的興趣，就像之前的奧托電腦在設計師界引起的興趣一樣。

早在施樂之星電腦上市之前，那時依然在蘋果公司的史蒂夫·喬布斯（Steve Jobs）于1979年11月拜訪了PARC，向Smalltalk團隊的研究人員提出數十個問題，打聽奧托電腦的內部設計。他后來招募了施樂公司的特斯勒來設計蘋果麗莎電腦的用戶界面。

隨著1983年1月麗莎電腦上市和1984年1月麥金塔電腦上市，圖形用戶界面終于進入了低成本、高容量的電腦市場。

麗莎電腦的定價幾乎達到10 000美元，消費者認為它對于辦公市場而言太過昂貴。但是在獲獎廣告和低定價的協助下，麥金塔電腦如風暴一般席卷世界。早期的麥金塔電腦僅有128k字節的內存，電腦反應緩慢，因為對于圖形操作來說，內存太小了。另外，程序員學習圖形例程工具箱需要一些時間，這也拖延了應用程序包的問世時間。但麥金塔電腦的易用性是無可爭議的，它讓許多人對電腦產生興趣，惠及IBM個人電腦和微軟磁盤操作系統（MS-DOS），以及基于Unix的工作站。

誰擁有圖形用戶界面？

然而，大眾對圖形用戶界面的廣泛接受也引發了激烈的法律戰，訴訟的焦點就是誰擁有圖形用戶界面。沒有一家公司明確地證明它擁有實現視窗、圖標、菜單的種種軟件。但訴訟還在繼續。

事實上，所有制造和銷售輪式鼠標或滾球鼠標的公司都向國際斯坦福研究所或施樂公司支付專利許可費。恩格爾巴特回憶說，國際斯坦福研究所的專利律師調查了用戶界面的所有早期工作，但僅僅了解硬件部分。在看過如何實現視窗等進展后，律師們告訴他，這些都無法申請專利。施樂公司的施樂之星電腦開發團隊提出過12項與用戶界面有關的專利。公司的專利委員會駁回大部分專利，只保留了兩項與硬件有關的專利——一個是BitBlt，另一個是Star架構。

1988年3月，蘋果公司對微軟公司和惠普公司提起訴訟。蘋果公司聲稱惠普的新浪潮（New Wave）界面（需要有微軟公司Windows 2.03版本軟件）未經允許就包含麥金塔電腦獲得專利的 “視聽計算機顯示” 技術。同時Windows 2.03版本非法復制了麥金塔電腦的視聽專利技術。

1989年3月，美國聯邦地區法院法官威廉 · 施瓦策爾（William W. Schwarzer）裁定，微軟公司創造Windows 2.03時超出專利許可范圍，但法官又在同年7月駁回蘋果公司的大部分索賠項，只留下11個索賠項。

最終，這場法律訴訟直到1994年才見分曉。法官們并未支持蘋果公司，認為“按照版權法，蘋果公司無法為圖形用戶界面的構思獲得類似的專利保護”。

回顧圖形用戶界面的誕生歷史，我們可以認為，圖形用戶界面是前仆后繼的眾多科研工作者共同智慧的結晶，將它歸功于任何一家公司都是不妥當的。

資料來源 IEEE Spectrum

位元映像：構成計算機屏幕上圖形顯示的像素圖形。

圖形用戶界面：視窗顯示、菜單、圖標和鼠標的結合，用于個人電腦和工作站上。

圖標：屏幕上的一個代表程序或數據的圖案。

菜單：電腦用戶當前可用的指令選項列表。一些菜單始終在屏幕上，另有一些菜單是彈出式或者下拉式的。

光柵顯示器：圖像以點陣顯示的陰極射線管顯示器。

矢量顯示器：電子槍掃描線條（或矢量），投射到屏幕磷光質涂層上的陰極射線管顯示器。

視窗：電腦顯示器的某個區域，特定程序在視窗中執行。