键盘布局
同样是最常见的数字键盘，为什么我们在手机上使用的数字键盘和计算器上的顺序截然不同呢？
电话的数字键盘和计算器的数字键盘摆在一起。你是否会立刻注意到数字键的顺序其实是截然不同的？在计算器的数字键盘顶部，是7-8-9，而电话上的数字键盘上，最顶部的三个数字是1-2-3。
△ 电话（左）和计算器（右）
这种差异很微妙，但是也令人费解。因为它们服务于一个完全相同的目标，那就是输入数字。如果用户可以以相同的方式，在相同的界面当中输入的话，那么用户就没有必要在不同的状况下适应两种不同的输入模式了。按照我们的常识，出现这样的局面，通常是因为技术上的限制，可能是发明者之间的专利战，当然，也有人认为这种差异是因为「人体工程学」上的差异。
由于缺少非常明确的解释，我们只能在历史中，从相关的硬件设备的发展历程中寻找答案了。到底是哪种键盘排布更早出现？是哪一种设计影响了另外一种？更重要的问题在于，到底是谁现发明了这种数字键盘？
打字机、收银机和计算器
重头审视整个数字键盘的发展历程，我对于数字键盘何时系统化的引入非常感兴趣。数字键盘严格意义上是在第一次工业革命和第二次工业革命之间（从1820年到1920年）逐渐普及开的，一些发明家在18世纪末期的时候开始摸索并尝试制造出类似于钢琴一样的键盘机械。
然而，直到1844年，一位名叫 Jean-Baptiste Schwilguć 的法国人才真正意义上制造出了一个使用键盘驱动的计算设备的原型，这台机器第一次使用了数字键盘，并且这个键盘上只使用了数字键 1 到 9 （Dalakov，2018）
不过，坦率的讲，我们绕不开另外两个号称发明了数字键盘的老前辈，据报道，Luigi Torchi 在1834年展示过一个木质的计算器原型，而1822年的时候， 作James White 在新世纪发明展上展示了一个带有9个数字键的键盘设备。不过，他俩的东西都没有经受住时间的考验，也没有证据表明他们的这些所谓的键盘不是臆想出来的。（Durant，2011）
△ Jean-Baptiste Schwilguć 的数字键盘 (1844)
△ James White 的键盘布局 (1822)
尽管如此，即使 James White 的机械键盘有待考证，但是它仍然可以被视作为最早的现代可「直接操控」的交互界面。这个硬件交互界面允许用户直接进行操控，而无需同其他的传统机械机构作为补充（比如当时的时钟需要借助杠杆旋钮来操作），与之构成鲜明对比的是 pascaline 的 Arithmometers 阵列，外露的复杂机械构造使得操控非常的复杂。
然而，这些「构想」仍然没法解释和证明现代的数字键盘会出现正反两种不同的数字排布方式。
有理论指出，计算器的设计最早是源自于收银机的设计。仔细想想，在那个整个货币体系和交易系统当中，通常的金额数字都不会太大，也意味着带0的数额都非常重要，数字0的重要性就不言而喻了，因此，将数字0置于键盘底部非常符合当年的操作习惯。（Durant，2011）
虽然这样的解释有一定的道理，但是它仍然存在诸多谬误，比如数字0需要伸手可及的理论依据就不是非常具有说服力。特别值得注意的是，早期的收银机（直到1893年）都没有单独的数字0键，没有抽屉，也没有工人站在收银机的后面。
为了进行更加有效的论证，我们有必要看看收银机的诞生过程。
1879 年，James Ritty 在美国俄亥俄洲 Dayton 拥有一家沙龙，他发现自己的员工会在工作中偷钱。James 曾经见过一个计算汽船的螺旋桨转数的工具之后，在此基础上发明了一种用来计数的、带有数字键的机器（Dalakov，2018），这就是如今收银机的前身。这东西一开始就不是为了计算而诞生的，只是帮助经理记录收入，并且防止员工偷钱的。
直到1893年，最早的记录式收银机诞生了，它拥有两排数字键，除了基本的数字 1-9 的按键之外，还有包括10、15、20 、30、35等预设数值，他们对应商店中销售的商品的价格，以美分为单位。直到 1894年的 NCR 79 型才引入了三行垂直排布的数字键盘。
△ Ritty 最早的收银机，发明于1883年
有证据表明，垂直式的数字键盘很早就诞生了。
1884年，Dorr Felt 有过一个很不错的想法，他构思了一个能够解决大量数字处理的机器。这个想法是基于前面所说的 Pasacline 的机制，采用 Thomas Mill 的机器布局外加通心粉盒的设计。Dorr 将它称为 Comptometer，它是一个拥有8列键盘的设备，数字从上到下依次递减，每行数字都相同，其中列代表的是不同的数位。值得注意的是，数字0仍然不存在于键盘数字序列当中。（Dalakov，2018）
收银机的改进仍然在推进中。
△ Comptometer 的键盘布局，发明于1885年
其实这也是事情开始变得有趣的地方。为什么 Felt 会选择这种数字 9~1 是逆序排布的键盘呢？这在当时并不是一个非常直觉的设计，也不符合普遍的认知。毕竟，那还是一个数字计算知识并不普及的年代。
一个合理的答案是，这种设计可能和某些机械决策机制有关系。按键连接着杠杆，较大的数字意味着更大的杠杆臂长和更大的旋转角度，而这个概念就来源于 Parmelee 。
另外一个有趣的解释则超出了机械的范畴，这是一个更加贴合现代设计的解读。Comptometer 的说明手册上提到，操作员在使用这套系统的时候，应该使用较低的数值相加来输入更高的数值。举个例子，如果要输入「9美分」，操作员没有必要去按最右侧一栏顶上的按键9，而可以直接按这一栏的4和5两个按键，机器自己会运行数学运算。因为键盘的面积比较大，直接去按右侧顶上的数字9，手的运动距离太远了，相反底部的按键会更容易触及，也更容易操作，执行速度更快。这种设计相比之下，效率更高。虽然这种按键布局是「以用户为中心的设计」，但是它依然不被认为是对用户友好的界面。（Meehan，1952）
Comptometer 需要训练有素的操作员才能最大程度地发挥出它的生产力。甚至于使用一只手都很难操作，尤其是需要录入较多数据的时候。
1902年，仍然使用过时多列布局的 Dalton 成为了当时最受欢迎的加法计算器之一，10个数字终于在这个设备上备齐了。 Dalton 是后来打字机的雏形，有着2排按键，每排5个按键，不过键盘的按键排布很奇怪，上面一排是24579，下面一排是13068，到目前为止，还很难看出这种排布有什么深意。（Durant，2011）
不过最重要的在于，数字0终于出现在键盘当中了！
Dalton 的键位设计虽然有点神奇，但是它将打印设备和计算器集合到了一起，并且尺寸还很小，这使得世界各地的簿记员为此欢欣鼓舞。（Dalakov，2018）
进一步的发展
在1914年的时候，出生于瑞典的美国人 David Sundstrand ，以 Sundstrand Corporation 的名义提交了一个专利号为 No.1198487 的专利，这一专利是旨在进一步提高这些计算机械的可用性，他用一种「更加富有逻辑、更加自然的方式」重新排布了键盘键位，让它以 3×3 的布局来呈现数字 1~9 ，顶部数字是 789，而底部数字是 123，最下方中间放置了数字 0。这使得整个键盘非常集中，足以单手操作，成为了「所有计算设备中键盘最快速易用的」。
即使是在100多年后的今天，这个键盘布局依然是计算器的标准布局。
△ Dalton 的10按键加法计算器，1902年
△ Sundstrand 的10按键加法计算器，1914年
从计算器到电话
计算器的发展历程是否最终影响到现代电话和手机的数字键盘布局呢？这并没有一个直接的答案。贝尔电话公司是长途电话技术的发明和推广者，它们早在1887年的时候就已经开始尝试使用按键式电话了，而在这个阶段，甚至旋转拨盘式的拨号电话还没出现。最早的旋转拨盘式电话是在1892年的时候，由 Almon Brown Strowger 所设计的。 Western Electric 最终在1919年的时候将贝尔电话公司的这款电话商业化投产，不过由于当时的按键仅仅只是快捷按钮，并不和数字绑定，因此并没有完全流行开。
直到20世纪50年代，直接使用按键拨号的电话才逐渐普及开来。而之前本地电话号码通常只有6位数甚至更少，直到这个时候才扩展为标准的7位数电话号码，而跨区域的长途电话则为11位，其中数字 1 通常是第一个数字。
随着电话号码长度的增加，拨错号码，打错电话的机率暴增，这导致当时的 AT&T 的工程师开始思考，是否是因为当时电话的电话键盘的设计原因导致的。（图片如下）
△ 20世纪50年代运营商收费电话上的数字按键布局
在1955年的研究报告《关于十键位数字按键布局研究》发布之后，1960年又有了一份名为《按钮电话中人类因素的工程学设计和研究》的分析报告，这些调研都是针对电话按键布局进行了分析和探讨。随后，AT&T 开始了一个名为 Touch Tone 的新项目，这个项目同样是探索各种按键布局对于电话使用的影响，他们试图在这当中找到最适合用户的数字按键布局。（Deininger，1960）
△ 1960年电话按键布局测试中涉及到的各种布局组合
AT&T 测试了15种布局，奇怪的对角线式布局，奇葩的金字塔布局，复古的圆形布局，IBM Model 011 打卡机式的布局，包括现在我们最常见的正向九宫格布局和计算器上的反向九宫格布局。令人惊讶的地方在于，计算器式的反向九宫格数字键盘布局效果并不佳，与之形成鲜明对比的是我们现在所用到的正向九宫格数字键盘，10个数字从上到下，自左向右地排布。（Deininger，1960）
在整个测试当中，2行5列式的横版布局（5-5-H）和上面所说到的正向九宫格布局（3X3+1）式的布局，用户在输入的时候速度几乎一样快，差别非常小。最终，AT&T 选择了九宫格布局来作为大规模普及的电话数字键盘，这可能是因为这种布局更加紧凑，功能也相对更多。
整个研究进行到这个时候，其实并没有给出一个非常精准的答案。值得注意的是，在英国电话公司选择了5-5-H式的布局，这有可能是出于专利保护的原因。
△ 英国电话的5-5-H横向布局，20世纪60年代
△ IBM Model 011 ，早期的10键打卡机之一，20世纪40年代
设计决策和惯例
真实的设计决策涉及到诸多因素，包括技术和技术本身的局限性，人体工程学，用户感知，以及对于现有模式的熟悉程度。最后的这个因素其实是最强的标准，因为它常常构成了人们在数字时代最常见的选择。在今天，设计师不再受到那么多的物理因素的影响，在虚拟的屏幕空间上，设计师的创造力可以得到最大程度的发挥。但是，当你打开任何一台 iOS 或者 Android 设备，你会发现其中的数字键盘和一个世纪之前的设计保持着高度的一致。
这是为什么？数字应用仍然遵循这基本和原始的惯例，原因在于人们宁愿和熟悉的界面打交道，而不是学习新的东西。
实际上，最有趣的地方在于，在早期的操作系统当中，无论是 Android 还是 iOS 都使用了电话的九宫格式的数字键盘来作为网页中数字输入键盘（参考下面的截图，最新的 iOS 会使用带有特殊字符的键盘）。另一方面，Oculus Go 则不同，数字键盘采用了计算器的键盘布局（我在 Web 应用中测试它）。
△ 左边是 Android 6，右边是 iOS 9
△ Oculus Go 键盘，2018
那么，为什么 Google 和苹果在设计系统的时候，纷纷选择了电话数字键盘，而非计算器数字键盘呢？随后还使用了数字和字母键盘在一起的混合键盘又是什么原因呢？而 VR 设备中，或者手机当中，为什么不设计一个针对拇指交互专门优化过的特殊数字键盘呢？这两种数字输入方式其实在速度上都一般，唯一的优势是可读性尚佳，而更可能的原因是它足够深入人心，以及它们是成熟的模式，维护成本低，复用性强，所以智能手机保留了电话键盘的传统，而 Oculus、Xbox 则选择继承计算器和桌面式输入设备的传统。
时间轴：
1642: Blaise Pascal 的计算器
1822: James White 设计了键盘驱动式概念计算器
1844: Schwilguc 的机器被发明出来，拥有历史上最早的数字键盘
1857: Thomas Hill 的计算机械，计算器的鼻祖
1874: E. Remington & Sons 开始制造和销售 Sholes & Glidden Type Writer 的后续款
1879: Rittey 发明了最早的收银机
1885: Comptometer，最早使用9-1式纵向布局的加法计算器
1887: 按钮式小型电话的早期原型被设计出来
1887: Cash register Model 79 诞生，采用了垂直列式键盘布局
1902: Dalton，首款包含数字 0 的机械设备
1914: Sundstrand，最早采用 3X3+1 式 10 键布局的机械设备
1919: Western Electric 和 AT&T 推出旋转拨号式电话
1940: IBM 设计出了10数字键的硬件设备，其中数字键123 在顶部
1955: AT&T 开始测试按键式电话
1963: Bells 推出了带有10个数字键的电话
1963: Canon 制作了首款带有发光液晶显示屏的电子计算器
1966: Sharp/Facit 推出了商品化的带有发光液晶显示屏的计算器
2007: APPle 发布 iPhone，内置了计算器应用
引用文献：
Bellis, M. (2013). The History of the Computer Keyboard — From an Inventor Perspective. [online] Theinventors.org. Available at: http://theinventors.org/library/inventors/blcomputer_keyboard.htm[Accessed 9 Jun. 2018].
Bellis, M. (2018). Who Invented the Cash Register? [online] Thoughtco.com. Available at: https://www.thoughtco.com/cash-register-james-ritty-4070920 [Accessed 9 Jun. 2018].
Durant, W. (2011). [1912 Dalton Adding, Listing and Calculating machine]. [online] The Portal to Texas History. Available at: https://texashistory.unt.edu/ark:/67531/metapth969/ [Accessed 9 Jun. 2018].
Dalakov, G. (2018). History of Computers, Computing and Internet. [online] Available at: https://history-computer.com [Accessed 9 Jun. 2018].
Lutz, M. C., & Chapanis, A. (1955). expected locations of digits and letters on ten-button keysets. Journal of Applied Psychology, 39(5), 314–317.
R. L. Deininger (1960). Human factors engineering studies of the design and use of pushbutton telephone sets. The Bell System Technical Journal, 995–1012.
Meehan J. R. (1952). How to Use the Calculator and the Comptometer.Published by Gregg Publishing Division, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1–4
原文作者 : Francesco Bertelli
译者/编辑 : 陈子木
译文地址：https://www.uisdc.com/a-brief-history-numeric-keypad
题图来自 Pixabay，基于 CC0 协议
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