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数字键盘（Numeric Keypad）的简短历史

Written by Francesco Bertelli Art Direction by Manoel do Amaral keypad illustration 想象一下电话和计算器的键盘并排放置。你能在不借助智能手机的情况下，看出两者之间细微的差别吗？ 如果你想不起来它们的设计也不必担心。我们大多数人已经习惯了通用的界面，往往会忽略计算器上颠倒的按键顺序。计算器的 7–8–9 按钮在顶部，而电话使用 1–2–3 的格式。 telefone and calculator side by side 电话（左）和计算器（右）的键盘

这种差异很微妙，但令人费解，因为它们服务于相同的功能目标——输入数字。如果用户以相同的方式操作界面，那么这种颠倒就没有逻辑上的理由。常识表明，原因应该是技术上的限制。也许是由于发明者之间的专利之争。有些人可能会推测这是人体工程学的原因。

由于没有明确的解释，我知道历史和这些设备的演变会提供答案。哪种设备是先发明的？哪个键盘影响了另一个？最重要的是，键盘最初是谁发明的？

打字机、收银机和计算器

看着按键的排列方式，我很好奇在机器的历史中，何时引入了使用按键的系统。键盘出现在第一次和第二次工业革命之间（从 1820 年到 1920 年）。一些发明家已经在 18 世纪后期开始试验类似于钢琴的机器。

然而，直到 1844 年，一位名叫 Jean-Baptiste Schwilgué 的法国人才提出了第一个可用的按键驱动计算器机器的原型。这台机器使用了第一个数字键盘，它只有一行按键，从 1 增加到 9 (Dalakov, 2018)。

公平地说，我们必须提到两位可以声称自己发明了基于按键界面的前辈。据报道，Luigi Torchi 在 1834 年展示了一个木制计算器的原型，其设计类似于打字机。在 1822 年，作者 James White 的 New Century of Inventions 展示了一种带有九个数字键的基于按键的设备。这两种设备都没有经受住时间的考验，也没有证据表明它们不仅仅是幻想 (Durant, 2011)。

adding machine and keypad diagram Jean-Baptiste Schwilgué 的加法机键盘 (1844) keypad diagram from james white machine James White 的机器 布局 (1822)

尽管如此，即使 White 的机器只是一个概念验证，它当然也可以被视为现代“直接操作”界面的最早例子。这种界面允许用户专注于输入，而无需操作裸露的机械装置，例如使用鼓、时钟和不友好的杠杆的 Pascaline 或 Arithmometers 阵列 (Dalakov, 2018)。

然而，这些“想法”仍然没有解释为什么现代计算器使用相反的 9–0 排列。

理论 包括计算器基于收银机设计的建议。想想看，当时使用的货币意味着数字 0 往往是按得最多的键。因此，将该数字保持在最底部以确保它在手的触及范围内是有道理的 (Durant, 2011)。

虽然这种解释有一些道理，但它仍然充满了事实错误，并且手的触及范围的论点很薄弱。尤其是因为早期的收银机（直到 1893 年）没有单独的 0 键，没有抽屉，也没有工人站在收银机后面。

为了使这个论点有效，重要的是要了解收银机的诞生。

1879 年，James Ritty 在俄亥俄州代顿市拥有一家酒吧，他发现他的一些员工偷了他的利润。在看到一种计算汽船螺旋桨转数的工具后，他发明了一种具有顺时针装置和一组数字键的机器 (Dalakov, 2018)。今天收银机的前身不是用于计算，而是用于记录销售额并让经理知道有铃声。

直到 1893 年，早期的注册型号的按钮通常排列在一行或两行水平行中，显示预设值——10、15、20、30、35 等。这些对应于商店和酒吧中出售商品的以分为单位的价格。直到 1894 年 NCR Model 79 上市时，才引入了三列垂直的数字。

machine photo and keypad diagram Ritty 的第一台收银机，发明于 1883 年

尽管如此，还有更早的证据表明垂直列已经被发明出来。

1884 年，Dorr Felt 有一个关于一台能够解决大数运算的机器的好主意。这个想法基于 Pasacline 的机制、Thomas Mill 的机器的布局和一个通心粉盒子。它被称为 Comptometer，一种带有八列按键的设备，范围从 9（在顶部）到 1（在底部），其中每列代表一个十进制位置。请记住，0 仍然不是按键序列的一部分。历史表明它是一个 9 到 1 的序列 (Dalakov, 2018)。

收银机仍在追赶的过程中。

machine photo and keypad diagram Comptometer 的布局，发明于 1885 年（右）

故事到这里变得有趣起来。为什么 Felt 选择以 9 到 1 的顺序显示数字？这在当时并不是一个普遍的概念。毕竟，算术设备的知识并不像现在这样普及。

一个合理的答案可能与一些机械决定有关，可能与补码方法有关，以及按键正在按下连接到旋转鼓的杠杆这一事实有关 (Durant, 2011)。较长的棍子等于较长的旋转，这意味着是数字 9，而不是需要较短旋转的数字 1——这是 Parmelee 的较旧概念的建议。

另一个有趣的解释——从现代设计的角度来看——超越了机械原因。Comptometer 手册显示，操作员应该通过使用键盘上的最低值来输入数字。例如，为了输入“9 美分”，操作员不应该按最右列的 9 键。相反，他们应该按顺序按下 4 和 5 键。机器会进行计算。如果用户必须将右手从底部移开，则不鼓励触及“9”键，因为它会降低计算速度。Felt 非常注重效率，这意味着将常用键保持在手指的触及范围内。似乎这种对效率的需求导致了这种以用户为中心的设计布局，但这仍然不被认为是用户友好的界面 (Meehan, 1952)。

Comptometer 及其竞争对手需要经过高度训练的用户才能达到最大的生产力。而且用一只手也很难操作，尤其是在进行乘法运算时。

1902 年，Dalton 成为当时最流行的 10 键加法机之一，使多列计算器过时。Dalton 是打字机的微型版本，有两排五个按钮，排列很奇怪——顶部是 24579，底部是 13068。这种排列方式与之前看到的有什么不同？ (Durant, 2011)

没错！0 终于出现在一个序列中。

Dalton 是一项重大改进，它将打印机和计算器组合成更小的尺寸，并添加了一种超越文字排列小数的新型键盘。当 Dalton 推出时，世界各地的簿记员都很高兴 (Dalakov, 2018)。

对进一步发展的追求仍在继续。

1914 年，瑞典裔美国人 David Sundstrand 以 Sundstrand Corporation 的名义提交了专利 №1198487。目标是进一步推动这些加法机的可用性。他以更“合乎逻辑、自然的配置”重新排列了按键。它基于 3x3 布局，顶部以 789 开头，底部有一个更大的 0。它可以单手操作，这使其成为“所有加法机中最快的键盘”。

这种布局成为计算器键盘的标准——即使在 100 多年后。

machine photos and keypad diagram side by side Dalton 的 10 键加法机，1902 年，以及 Sundstrand 的 10 键加法机，1914 年

从计算器到电话

计算器的演变是否证明了它对现代电话的影响？ 可能，但没有直接的答案。 帮助发明和推广长途电话技术的贝尔电话公司已经在 1887 年试验了按钮电话。 这早于 1892 年 Almon Brown Strowger 发明的旋转拨号盘——这种设备可以归功于他。 Western Electric 在 1919 年将该设备商业化，但从未获得普及，因为这些按钮是未与数字关联的快捷方式。

直到 20 世纪 50 年代，直拨长途电话才扩展到大量社区。 本地号码（通常是六位或更少）随后扩展到标准的七位数字命名交换。 拨打到另一个区域的长途电话，导致 11 个号码，其中数字 1 是拨打的第一个号码 (Durant, 2011)。

随着电话号码长度的增加，拨错的电话数量也随之增加，这导致 AT&T 工程师怀疑是否是因为收费员使用的按键组（下图）。

keypad diagram

在 1955 年的 Expected locations of digits and letters on ten-button keysets 研究以及 1960 年的 Human Factors Engineering Studies of the Design and Use of Pushbutton Telephone Sets 中，提供了多项见解，这些见解将导致现代电话设计。 AT&T 即将迁移到一种名为 Touch Tone 的新频率，该频率旨在供按钮设备使用。 确定哪种配置最适合用户非常重要 (Deininger 1960)。

different keypad diagram from AT and T study 1960 年研究中测试的按键排列。

该公司测试了 15 种布局，使用了形状奇特的对角线、金字塔形、圆形和水平排列，并包括了在现有设备（如计算器和打孔卡机器，如 IBM Model 011）上找到的格式。 令人惊讶的是，计算器的布局效果不佳，用户更喜欢从左到右、从上到下的布局。（Deininger 1960）。

特别是，2 排 5 个水平版本 (5–5-H) 与现代 3x3+1 布局一样快，但差异微乎其微。 AT&T 选择 3x3+1 布局，可能是因为其紧凑的格式和多功能性。

现在，“可能”是这里的关键词。 两项研究都没有给出最终的事实答案。 英国采用了 5–5-H 布局，同样可能是由于专利原因。

machine photos and keypad diagram side by side 带有 5–5-horizontal 布局的英国电话，20 世纪 60 年代，以及 IBM Model 011，最早的 10 键打孔机之一，20 世纪 40 年代

关于这两项研究，值得一提的是——字母在如何安排配置方面从未发挥过作用。 虽然人们想要从左到右的数字顺序，但他们表现出更高的速度和准确性，这与字母排列无关 (Lutz, M. C., & Chapanis, A. 1955)。 想要使字母顺序成为首要因素的理论被证明是错误的，这就是为什么布局是今天这个样子的原因。

设计决策和惯例

设计决策中存在多种因素，例如技术及其局限性、人体工程学、用户感知以及对现有格式的熟悉程度。 后者似乎是最强的标准，因为它是人们在数字时代做出的最常见的选择。 除了限制设计师创造力的屏幕空间之外，没有物理限制。 看看你的安卓或 iPhone 应用程序。 你会注意到手机和计算器的布局都类似于一个世纪前发明的布局。

为什么会这样？ 为什么数字应用程序仍然遵守惯例的唯一真正解释是，人们宁愿与熟悉的界面互动，也不愿学习新的界面。 可能这些界面达到了界面可以达到的最大优化。

事实上，非常有趣的是，安卓和苹果 iOS 在早期版本中都使用了电话键盘作为默认界面，当用户在网络文本字段中输入数字时（见下面的截图。最新版本的 iOS 提示特殊字符板）。 另一方面，Oculus Go 正在为任何数字输入采用计算器布局（我在一个网络应用程序上测试了它）。

keyboard screenshots from google and apple 安卓 6 左，iOS 9 右 (http://inputtypes.com) photo from VR keyboard Oculus GO 键盘 (2018) — 来源

那么，为什么苹果和谷歌选择电话布局而不是另一个——甚至保留数字下面的字母？ 为什么不为手机创建一个针对拇指触摸优化的特殊数字键盘，或者为 VR 设备创建一个更容易使用指针设备的特殊键盘？ 考虑到两种历史布局都没有速度优势，唯一的优势是可读性，并且最有可能的原因在于软件中低维护和重用现有模式：智能手机保留了电话的遗产。 Oculus, Xbox 选择了桌面应用程序的遗产。

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