第15讲 人机交互绘图技术汇总

事件 事件队列
检查事件调用过 程模块
应用程序
...
处理类型1事件过程 处理类型2事件过程
处理类型n事件过程
几何约束 拖拽 三维输入
定位约束
• 在屏幕上定义一个可见或不可见的网格.网格线是等间距 的水平线和垂直线，其交点为网格点。
• 在使用网格时，任何方式输入的点都将被定位到离该点最 近的网格点上。
第15讲 交互技术
• 图形化人机交互系统以其外型美观、使用方便等 特点越来越受到人们的青睐。
• Windows系统是一个典型的例子，它把桌面排版、 网络应用、图像处理、绘图、音乐处理和多媒体 技术集为一体，成为集成化的系统软件。
• 交互式系统设计的技术是人机交互技术或人机接 口技术HCI（Human Computer Interaction），它不 仅反映了计算机技术从初始到高级的发展过程， 也体现了计算机图形学在计算机软、硬件发展过 程中的推动作用和发展历程。
• 用户程序和图形系统任一方的修改和提高均能使应用系统 得到修改。
人机交互与 人机界面
基本图形输入 设备
基本交互任务
人机交互输入 模式
常见的辅助交 互技术
定位设备 笔画设备 定制设备 选择设备 拾取设备 字符串设备
定位 笔画 定值 选择 拾取 字符串
请求模式 样本模式 事件模式
几何约束 拖拽
三维输入 新的交互技术
➢键盘输入 ➢手写输入 ➢声音输入 ➢菜单输入
物理设备
➢字母键盘、数字化仪、光笔、声音 识别仪、触压板等
1. 定位 2. 笔画 3. 定值 4. 选择 5. 拾取 6. 字符串
• 定位是确定平面一点(x, y)或空间一点(x, y, z)的坐标。
直接定位是用定位设备直接指定某个点的位置 间接定位是通过定位设备的运动控制屏幕上的光标进行定位
应用程序和输入设备交替工作 当程序运行时，输入设备处于等待 状态，等待程序的请求； 当程序运行到request语句时就向输 入设备提出输入请求，同时程序停 止运行，等待输入设备输入数据； 输入设备立即进入工作状态，直到 请求满足之后，程序才继续运行； 输入设备重新处于等待状态；
程序工作，输入设备等待程序请求 遇到请求指令（request)
• 人机交互（human computer interaction）
– 是指用户与计算机系统之间的通信，它是人与计算机之间各种符号和 动作的双向信息交换。
两种交互设备
人机交互技术通常是以WIMP为特征的图形用户界面 • W（Window，窗口）
• 用户可以随意在屏幕上创建、移动和缩放窗口，在不同的 窗口中可以执行不同的任务。
• 如何吸取用户的知识和经验是涉及系统生命力的重大问题。
• 众口难调，苛求一个通用交互式图形系统去迎合个别用户 的全部需求是不现实的。
• 系统开放是图形系统具有强大生命力的关键所在，使图形 系统能与用户程序结合起来构造成一个统一的整体。
• 使应用系统既包含了原系统的功能，又包括了用户的专业 知识，从而能达到你中有我，我中有你，两者构成一个统 一的整体。
程序工作
输入设备工作
数据采样
数据缓冲区
数据产生
输入设备和程序同时工作。 所有被设置成事件方式的输入数据（或事件）都被存放在一个事件 队列中，队列以事件发生的次序排列。当用户在输入设备上完成一 个输入动作便产生一个事件，输入的信息及该设备的编号等便被存 放到事件队列中。 不同的应用程序可到队列中来查询和提取与之有关的事件。程序运 行到事件处理语句时，就从事件队列中取出队首事件进行处理。如 果事件队列为空，程序则等待一定的时间片，等待事件的发生。
• I（Icon，图标）
• 它形象化地标示一个对象或功能。
• M（Menu，菜单）
• 提供选项功能，避免命令记忆之苦。
• P（Pointing Devices，指点设备）
• 便于用户对屏幕对象进行直接操作。
• 交互技术设计原则
• 实用性 • 可靠性 • 一致性 • 简单性 • 开放性
交互式图形系统主要是给设计人员提供一个良好的 图形支撑环境，它负责对设计过程中大量的图形进 行显示、修改和绘制处理等。
• 可靠性是用户对系统最基本的要求。
• 它要求系统在一切正常时对用户输入应作出一个适当的响 应。一旦系统的某些部分发生错误，系统能尽最大的可能 支持连续的和一致的用户响应。
• 当用户执行不符合系统的操作或提出不正确的要求时，系 统必须继续执行下去并与用户进行通讯。
• 因而，系统具有容错性。
• 系统内部各个部分应以相同的风格与用户通讯，用户 界面要体现出与用户交互的一个统一的观点。
触摸板
键盘
用于指定用户空间中一组有序点的位置（如指定一条折 线的顶点组、指定一条自由曲线的控制点等） 输入方式与定位设备的输入方式一致。 物理设备
➢许多用于产生定位输入的物理设备均可以用作笔画设备， 如鼠标、轨迹球和图形输入板等。
轨迹球
用于为应用程序输入一个值（如在旋转某一对象时输入一个 旋转角度、缩放对象时输入一个比例因子以及输入文字高度、 字体大小比例因子等）
1. 视线跟踪 2. 手势识别
3. 语音识别
4. 表情识别 5. 自然语言理解 6. 手写识别
是要在给定的数字范围内输入一个值
➢ 可用键盘键入数值. ➢ 可用软件的方法在屏幕上绘制
一刻度尺或比例尺，用户可用 定位设备控制光标在尺子上移 动实现数值的输入。 ➢ 用刻度盘实现数值输入的原理 也一样，操作员控制从圆心出 发的线段绕圆心旋转，根据显 示的角度读数或比例数据来定 值. ➢ 如果要输入一个精确的数，最 好还是用键盘输入。
输入设备工作，程序等待接收数据 请求满足
应用程序和输入设备同时工作
输入设备不断地产生数据，并把数据输入数据缓存区，数据缓存区的内 容不断刷新。程序在运行时若遇到采样语句，就到数据缓存区中读取数 据。程序所取得的就是最新的数据
优点
➢对连续的信息流输入比较方便 ➢可同时处理多个输入设备的输入信息
缺点
➢可能会失掉某些输入信息
➢包括光笔、触摸屏、数字化仪、鼠标、操纵杆、跟踪球,字符 串输入设备、编程功能键、声音识别仪等。
用于在处理的模型中选取一个对象，从而为应用型操作 确定目标
输入方式:
➢ 直接在屏幕上选取
➢ 时间扫描
➢ 字符串选取
物理设备
笔型字符识别器
➢ 包括各种定位设备、编程功能键、字符串输入设备等
用于向应用程序输入字符串（如为某对象确定名字、 为某图纸输入加注文字等） 输入方式:
定值的几种方法
选择是在某选择集中选出一个元素，它可以用于指定命 令，确定操作对象或选定属性等
选择功能可用功能键
可用鼠标移动光标到要选图
元附近的位置，按下鼠标的
按钮，通过软件选择距光标
最近的图元
来自百度文库
画图中的选项
菜单功能使用最普遍，也是非常重要的一种交互方法。 使用菜单可改善应用系统用户接口的友好性。
对话框和键盘上的按键也可提供选择功能。
语音输入也是字符串输入以及功能选 择的一种输入方法.
➢语音输入需要使用语音识别技术。
手写板 语音输入
现在最常用的三种基本交互模式
• 请求模式（request mode） • 样本模式（sample mode） • 事件模式（event mode）
现代的计算机图形输入系统往往不是单一地使用一种输入 方式，而是多种输入方式的混合使用，即一个应用程序可 以使用多种控制方式,使用几种不同的输入设备。
显示,来拾取对象. ➢边界盒法:对每一个子图预先求一个边界盒或比边界盒大一点的ε边界盒。 ➢分类法:分别将点,折线,弧等在有关按键的控制下进行拾取。
拾取对象的几种方法
键盘是目前输入字符串最常用的设备.
写字板输入字符曾经也很流行
➢书写时笔画的次序可被系统记录下来，因 而比脱机扫描输入识别具有更多信息，具 有更高的识别率。
定位约束的示例
方向约束
• 用于绘制水平或垂直的线段。 • 若终点和起点的连线与水平线的夹角小于45°，则绘出
一条水平线,否则绘制垂直线。
• 避免人眼或定位设备带来的误差，可以应用于印刷线路 板或大规模集成电路的设计。
移动 光标
37度
按下按 钮开关
方向约束示例
引力场
• 在每条线段的周围假想有一个区域，光标中心落在这个区 域内时，就自动地被直线上离光标最近的一点所代替，如 同一个质点进入直线周围的引力场后，被吸引到这条直线 上去一样。
1. 定位设备（Locator） 2. 笔画设备（Stroke） 3. 定值设备（Valuator） 4. 选择设备（Choice） 5. 拾取设备（Pick） 6. 字符串设备（String）
用于指定用户空间的一个位置（如指定一个圆的圆心等） 输入方式包括直接或间接在屏幕上输入,设置数值坐标等
• 注意引力场区域大小的选择要适当。
要把一个对象放到新的位置。选择拖动功能后，先在作图区 用定位设备拾取某个要拖动的物体，再按住键移动光标，则 这个被拾取的物体将随着光标的移动而移动，就像光标在拖 动物体一样，放开键，物体就固定下来，再移动光标对这个 物体就不起作用了。
光标选择图元
拖动图元
拖拽图元到新的位置
• 功能性
• 广泛收集各类用户对图形处理方面的需求。
• 研究、总结、提练其中共性的需求，提供图 形的定义、描述、输入、修改、操作、输出、 管理等各方面的功能。
• 易使用性
• 界面必须相当灵活，以适应各类用户。满足 初学者至专家各种层次的用户要求。
• 要求界面必须与人的理解、记忆、通讯和解 决问题的方式相容，使系统易于学习，便于 理解。
• 人们通常仅能同时记住5~7个事件，因而界面应对大量的 细节进行抽象处理，对用户隐藏尽可能多的信息。
• 在需要时可给有经验的用户提供了解和操作某些细节的能 力
• 在交互方式时，所要求的用户输入和系统的输出应尽量简 单，以减少用户短暂记忆的负担。
• 人的认识是不断发展的，设计的系统也需要不断发展。因 此，在进行系统设计时就要考虑到今后的发展，留下足够 的扩展余地，不断扩展功能。
到目的地按下按钮 开关
“橡皮筋”技术
• 在起点确定后，光标移出去定终点时，在屏幕上始终显示 一条连接起点和光标中心的直线，这条直线随着光标中心 位置的变动而变动，它就像在起点和光标中心之间紧紧地 拉着一根橡皮筋；
• 比较容易找到通过一点和一个圆相切的直线的位置。
• 橡筋的形状可以是任意的，可以是矩形、圆、圆弧、自由 曲线，也可以是更复杂的图形。
手
写
平
板
电
指点杆
脑
笔画输入用于输入一组坐标点，相当于多次调用定位输 入。输入的一组点常用于显示折线或作为曲线的控制点。
笔画设备
➢鼠标、轨迹球、游戏棒连续移
动的信号经转换成为一组坐标值。
➢图形输入板的连续模式可通过按
键激活。当光标在图形输入板表
面上移动时，就产生一组坐标值。
手写板
定值输入用于设置物体旋转角度、缩放比例因子等。它
➢对话框的内容极丰富，在对话框中通常用于选择功能的是选择 开关及radio按钮（单选按钮，以小圆框打点表示被选中）
➢键盘选择也极为简单，如击数字键“1”表示使用绿色绘制， “2”表示使用蓝色绘制等
拾取的功能是选择图形对象，用于选择场景中即将进行变换 或编辑的部分。拾取一个对象的方法有：
➢指定名称法:通过指定欲拾取对象的名称实现. ➢特征点法:选择时让图形的特征点（如线段的端点，圆心等）以强光醒目
• 系统与外部关系的一致性。一个交互系统的输入、输 出等往往与设备有关，因此，系统设计中对设备独立 性的考虑就显得相当重要。
• 菜单总是放在相同的关联位置使用户不必去寻找特定的 选择。
• 一个复杂的、不一致的模型不仅难于被用户理解，而且 工作效率低。
• 提供的对象和操作应设计成一个最小的和一致的集合以 便使该系统容易学习，但不能过于简化以致于难于使用。
输入方式
➢直接输入数值
➢通过字符串取值
➢通过比例尺输入
➢执行上下记数控制命令
旋钮
物理设备
➢包括旋钮、键盘、数字化仪、鼠标、方向键、编程功能键等
用于为应用程序在多个选项中选定一项（如选择功能或图 形元素等）
输入方式
➢包括直接或间接在屏幕上进行选择
➢字符串选择
➢时间扫描
➢手写输入
➢声音输入等
物理设备
触摸屏