第6章交互式技术与用户接口.ppt

1、第六章，交互技术和用户界面，是计算机图形学的重要组成部分。图形和交互技术的完美结合可以为用户提供一个简单、方便、美观的操作界面，即用户界面。由于交互式技术在计算机图形学中的广泛应用和重要性，人们通常称计算机图形学为交互式计算机图形学。随着计算机软硬件技术的发展，交互技术和用户界面技术已经从应用程序中分离出来，提出了UIMS :用户界面管理系统的新概念，逐渐形成了一门影子学科。目前，许多面向对象的编程语言为交互技术提供支持。用户界面是人与计算机之间的界面，人与计算机之间的交互模式已经从问答模式和菜单交互模式发展到图形交互模式、窗口管理系统、图标等丰富多彩的图形界面，成为一种流行的人机交互环境。本

2、章的主要内容包括：用户界面的常见形式；互动设备、互动任务和互动技术；交互系统的概念和方法侧重于理解交互任务和方法，以及交互技术的实现原理。6.1用户界面的常见形式，通常通过图形软件实现。在各种应用中，实现用户界面有三种形式，即子程序库、特殊语言和交互命令。这种形式的子程序库的基本思想是选择合适的高级编程语言，如C、C、Java等。作为主要语言，并使用这种主要语言来扩展一系列的流程和功能，以实现相关的图形设计和处理。在这种情况下，应用程序包括两个部分：一是主语言程序；第二，扩展过程或函数调用语句。常用的子程序库包括图形核心系统GKS，GKS-3D，PHIGS，PHIGS等。由国际标准化组织出版，

3、图形库GL和OpenGL由美国SGI公司推出。这种子程序库通常提供多种主要的语言绑定形式，其功能概括如下：(1)生成基本图形，包括点、线、弧、字符和自由曲线；()坐标变换，支持平移、旋转、缩放、对称、投影、裁剪等操作；()设置图形属性和显示模式。图形属性包括线条类型、线条宽度、填充图案、字体和光标，显示模式包括颜色、饱和度、亮度和阴影效果。()输入输出子程序：启动不同的输入输出设备，处理相应的事件队列；()真实图形的处理：包括选择和消除隐藏线(面)、不同的光照模型、生成真实图形的不同算法等。()用户界面设计：包括窗口设计、菜单设计、对话框、列表框等交互界面。用户界面采用子程序库设计，易于使用和

4、扩展，便于将子程序库中的功能添加到用户自己编写的程序代码中。它可以充分利用高级编程语言的功能，实现用户想要的图形和交互处理。然而，以这种方式实现用户界面，需要不断地编写、调试和修改源程序，这是不直观的。子程序库函数的调用格式取决于所用的主语言，子程序库的使用应遵循相应主语言中子程序或函数的调用约定。特殊语言图形特殊语言是一种专门用于图形处理的编程语言。有两种常见的形式：一种是解释和执行，也就是说，用特殊的语言扫描每一条语句，解释和执行它。例如，颜色、线条和其他语句。另一种是编译语言，它在编译、汇编和链接后生成可执行代码。Adobe公司推出的页面描述语言(PostScript，简称PS语言)是一

5、种优秀的图形专用语言。它是一种解释性语言，可以描述文本、图形和图像的任意组合，并且可以支持许多编程语言的特性，包括条件执行、过程和变量。PS包含数百个强大的命令，可以高效准确地描述复杂的页面。目前，PS语言不仅广泛应用于照相排版系统和出版系统，而且在图形处理和多媒体技术领域也有很好的应用前景。交互式命令交互反映了人与计算机运行的程序之间的信息传递形式。例如，在AUTOCAD的Command:中输入交互式图形命令进行绘制。交互式用户界面基于一定的模型，实现用户所需的输入、选择、挑选、添加、删除和修改操作。交互式用户界面是用户与应用系统核心功能模块之间的接口，负责接收用户输入到系统的操作命令和参数

6、，验证后调用相应的应用模块执行，并以某种形式通知用户执行结果。交互处理中最常用的添加、删除和更改操作，还有查询、设置等。操作对象包括图形、属性和字符串描述。定位和拣货是增加、删除和修改操作的基础。增量操作一般对应于输出，其动作包括：设定点、选择输出内容、输入相关参数、输出存储结果。与删除操作相对应的动作包括拾取删除的对象、确认拾取的对象、删除对象以及修改存储结构中的内容。修改操作的内容应该是：拾取修改对象，确认拾取的对象，输入修改参数，输出修改结果，确认后保存结果。6.2.1交互设备通常是计算机的外部设备，是实现交互技术和完成交互任务的基础。从逻辑上讲，交互设备分为五种类型：定位、键盘、选择、

7、取值和挑选。不同的交互任务可以用不同的交互设备来完成。定位设备定位设备可分为三类：绝对坐标或相对坐标、直接或间接、离散或连续。例如，数字化仪和触摸屏是绝对坐标设备，具有绝对原点，并且定位坐标是相对于原点确定的。然而，诸如鼠标、轨迹球和操纵杆之类的设备没有绝对原点，并且定位坐标是相对于先前位置来确定的。相对坐标设备可以指定的范围可以任意大。直接设备就像触摸屏，用户可以用手指直接指向屏幕实现定位。间接装置就像老鼠。用户在屏幕上移动光标，但不直接在屏幕上操作。连续设备是一种把手到光标的连续移动，它指向鼠标、操纵杆、数字板和其他设备，而键控光标是一种离散设备。与离散设备相比，连续设备使用自然、快捷、方

8、便，而离散设备难以准确定位。键盘设备键盘是最早使用的交互式设备。它具有定位、选择和取值等多种功能。它主要通过键盘输入相应的命令和参数，或者直接通过键盘命令(如Ctrl、Shift、Ins、Del等)完成交互任务。)。3访问设备有些访问设备是有边界的，比如尺子或刻度盘。当标尺或刻度盘上的光标达到用户要求的值时，按下鼠标确定键或回车键，将该数字输入数据字段。通常，标尺的一端作为初始值，另一端作为结束值。选择设备的功能键是最常用的选择设备，按下某个功能键可以实现用户想要的某个功能。通过重新定义应用程序，键盘上的每个键都可以变成功能键。通过光标选择指定的项目或图形本质上是通过光标的位置进行选择，而不是

9、选择设备。5语音识别器这是一种目前还没有广泛使用但有很大发展前景的交互式设备。这也是一个全面的互动设备，可用于选择，检索和定位。然而，由于不同人的语音识别准确率较低，语音识别的准确率不高，离实际应用还有一定的距离。3 D互动设备3 D互动设备目前还不成熟。在原则上该数据手套能够记录手指的位置和方向以及手指的运动轨迹，为构建真实的三维交互图形系统和虚拟现实环境奠定了基础。6.2.2基本交互任务和交互技术。交互技术是用户使用交互设备将信息输入计算机的不同方式，而交互任务是用户输入计算机的信息单元。有四个基本的交互任务，即定位、字符串、选择和检索。对于给定的交互任务，可以使用许多不同的交互技术。例如

10、，对于选择任务，您可以用鼠标从菜单中选择一个项目，用键盘输入所选项目的名称，然后按功能键来选择它。类似地，交互设备可以用于不同的交互任务，例如，鼠标可以用于定位和选择。因此，交互任务是图形系统的目标，交互技术是完成交互任务的手段，交互技术的实现在很大程度上依赖于交互设备及其支持环境。交互式图形系统的基本任务包括定位、选择、文本输入和数字输入。下面结合各种基本交互任务描述一些常见的交互技术。1定位用于为应用程序分配位置坐标。通常有两种交互技术来实现定位：一种是将屏幕上的光标移动到要确定的点，然后按下鼠标确认按钮；然后用键盘直接输入点的坐标。定位设备可以是直接的(例如光笔)或间接的(例如数字板、鼠

11、标、游戏杆)、连续的(例如鼠标)或离散的(例如光标控制键)、绝对的(例如数字板)或相对的(例如鼠标)。此外，可以使用键盘上的向上、向下、向左和向右按钮来移动光标。这些技术也可以混合在一起，以便于精确定位。在定位技术中，应考虑以下因素：(1)坐标系。在交互式图形系统中，通常有三个坐标系，即屏幕坐标系、用户坐标系和对象坐标系。(2)决议。定位任务所需的分辨率因应用而异。定位设备(如台面和鼠标)的分辨率至少与分辨率为5002000的显示器一样高。(3)网格技术。在许多定位任务中，一个重要的视觉辅助是在屏幕工作空间中以低亮度或浅色显示网格作为背景，以帮助调整定位位置，使定位点落在网格上。为了实现网格化

12、，当定位点靠近网格点时，应用程序可以将定位器的坐标截断到最近的网格点，如AUTOCAD中的“网格”和“捕捉”命令。(4)反馈技术。不同的定位方法需要不同的反馈形式，定位方法有两种：空间定位法和数值定位法。对于空间定位，例如中心定位，用户希望当鼠标靠近中心时，应用程序能够自动反馈中心位置。在数字定位模式下，用户希望定位(x，y)点，因此期望的反馈当然是当前光标点的位置坐标。图6.1是数字反馈的另一个例子。当用鼠标交互绘制矩形时，自动反馈显示矩形的宽度和高度。(6)方向性。用鼠标定位时，可以配合键盘上的Shift键，屏幕上的光标只能水平或垂直移动。2.选择任务是指从选定的集合中选择一个元素。在交互

13、式图形中，选择绘图对象来修改和删除这些对象。常用的选择技术包括命令选择、操作数选择、属性选择和对象选择。选择集通常分为固定长度和可变长度。命令、属性和对象类型的选择集通常是固定长度的，而绘图对象在绘图过程中经常会发生变化，因此绘图对象的选择属于可变长度集。适用于固定集合的选择技术包括：(1)命名技术：用键盘输入集合元素的名称、缩写或代码，选择一个元素或对象；()功能键：使用集合元素对应的功能键；()菜单技术：选择菜单中的菜单项；()模式识别：通过模式识别技术选择符合要求的对象；适用于可变长度集合的选择技术包括命名和挑选。(1)按名称选择对象：用户需要知道各种对象的名称，特别是当屏幕上显示的对象

14、很多，相互覆盖、重叠时，按名称选择对象比拾取对象更快、更准确。另外，你可以用火柴*和？做出多种选择。命名方法的最佳反馈形式是在键入每个字母后立即显示所有与当前键入的字符串匹配的对象名称。这有两个优点。首先，它可以帮助用户回忆起对象的全名，但是当没有歧义时，也就是说，只有一个对象名称与键入的字符串匹配时，用户可以停止键入剩余的字符。例如，在对象集polyline1、polyline2、多边形、循环中，用户希望选择对象多边形。当输入p时，反馈显示三个元素：polyline1、polyline2和polygon。键入多边形后，仅显示唯一的元素多边形。此时，用户不需要继续输入剩余字符，只需确认后选择多

15、边形对象。(2)拾取对象：将屏幕上的光标移动到所选对象上，然后按下鼠标左键，表示该对象应该被拾取。通常，拾取的对象将以不同的颜色显示，表示它们已被选中。通过结合实验课程，您可以熟悉在AUTOCAD中命名和拾取绘图对象的方法。3文本输入文本输入任务是指应用程序输入一个字符串。例如，键入插图、注释等。文本输入的基本技术是标准键盘，其次是菜单选择字符串和语音识别。4定量输入定量输入任务是指在最小值和最大值之间指定一个数值，如输入温度、时间和透明度等数值。典型的交互式定量技术包括：通过键盘输入数值；调节电位器的电阻值，产生相应的值；用上下翻转数字的计数器选择值；使用光标移动屏幕上的刻度盘或标尺上的指针

16、来确定数值。图6.2是一个常用的交互式定量输入的例子。当以交互方式输入数值时，反馈的形式非常重要。通常，提供数字反馈，这在用户知道要输入的值时很有用。另一种形式的反馈是标尺上的指针，指示值的大致位置。(a)、(b)，7，6，5，4，3，2，1，(c)、(d)，图6.2交互式定量输入，5定向技术确定指定坐标系中的身体方向，此时，需要一个应用程序来确定其反馈类型、自由度和准确度。6路由技术这是一系列定位和定向任务的组合，与时间和空间有关。6.2.3组合互动任务和技术。组合交互任务由上述基本交互任务组成。主要有三种组合交互任务：对话框；用于设置多个参数；构造：用于构造需要两个或更多位置的物体；操作：

17、修改现有几何特征的形状，并调整对象之间的相对位置。1对话框在交互过程中经常需要从选择集中选择多个元素，如字符属性如楷体、斜体、粗体、细体、空心字、实心体、大小、对齐方式等。当一个字符属性对话框弹出时，如图6.3所示。用户可以从中选择多个项目，也可以在某些项目中输入用户所需的字符或数字。一些应用程序还希望从多个选择集中确定一组参数。例如，在上述字符属性中，他们希望改变字符的颜色。此时，需要弹出一个颜色选择对话框来选择用户想要的颜色。有些应用程序要求在对话框的行和列中有滚动条。对话框是用户与系统交流信息的窗口。当系统执行的命令需要更多信息或数据时，会弹出一个对话框向用户提问，用户在对话框中填写或选择各种项目作为答案。对话框中常用的对象包括：列表框：列表框可以选择多个选项，并提供滚动条，从中只能选择一个项目；下拉列表：只能显示一个带向下箭头的长框，按下向下箭头可以打开列表进行选择。下拉列表中只能选择一个项目。单选项：多个选项前面有一个圆圈标记，一次只能选择其中一个。所选选项前面的圆圈中间有一个黑点。多个选项：在多个选项前面有一个方框