（计算机软件与理论专业论文）手写板支持的笔式交互界面的研究与应用.pdf

山东师范大学硕j ：学位论文 手写板支持的笔式交互界面的研究与应用 摘要 人机交互技术( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，简写h c i ) 是研究关于设计、 评价和实现供人们使用的交互计算系统以及有关这些现象进行研究的科学。人 机交互技术是随着计算机技术的发展而不断发展前沿学科，其研究的重点在于 人与计算机之间的交互。人机交互主要是研究通过计算机的输入及输出设备， 采用更有效的方式实现计算机与人之间的信息交换。用户界面( u s e ri n t e r f a c e ， 简称u i ) 是指人与计算机进行相互传递信息与交互的媒介接口，在计算机系统 中具有举足轻重的地位。 随着多通道交互技术在人机交互领域的研究和应用，作为多通道交互技术 之一的笔式交互方式，通过类似于传统的纸笔的隐喻来提供给人们最大的习惯 性，真正体现了“以人为中心 的人机交互的技术特点，同时通过提供勾画、 书写手势等交互方式使用户可以最快的实现高效交互。笔式交互在使用过程中 克服了传统的鼠标、键盘交互方式精确定位不够精确的以及普通用户不容易学 习使用的缺点，提供一种具有熟悉性、便利性的灵活交互方式，被认为是人机 交互中一种比较合理的交互方式。 本文以教学辅助软件作为应用目标，以笔式交互技术在教学辅助软件中的 应用作为主要的研究内容，将基于笔式交互的自由勾画技术和模拟传统的粉笔、 黑板以及黑板擦的交互技术相结合，系统研究了教学软件中笔式交互的交互任 务以及交互技术，具体包括：使用w i n t a b 标准数字接口进行编程，模拟传统粉 笔、黑板以及黑板擦的交互模型，以及对传统板书批注形式的引入等。 主要工作和内容总结如下： ( 1 ) 对教学辅助软件应用中笔式交互的重要性进行了深入研究，同时对教 学辅助软件中的交互任务进行系统总结，针对传统的粉笔、黑板以及黑板擦的 交互方式的优点和不足进行了深入的研究与评估，基于人机交互技术的理论特 点，针对笔式交互提出了基于手写板以及手写笔的笔式交互界面模型及实现体 系。 ( 2 ) 基于教学辅助软件中应用笔式交互的优势，提出了教学辅助软件中人 机交互的相关任务，研究与探讨了教学环境中相关的交互技术：包括板书书写， 板书擦出以及外部材料的批注。 ( 3 ) 深入研究了普适计算理论特别是上下文感知计算理论在笔式交互界面 中的相关应用。同时通过将上下文感知计算理论与笔式交互界面模型相结合， 提出了一种基于上下文感知计算的自适应的手写数字匹配算法。 关键词：人机交互；笔式交互；教学辅助工具：普适计算；上下文感知计算 分类号：t p 3 9 1 山东师范大学硕上学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nh a n d w r i t i n gt a b l e t s u p p o r t e dp e n b a s e du s e ri n t e r a c t i v ei n t e r f a c e s a bs t r a c t h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n t e c h n o l o g y i sr e s e a r c ho nd e s i g n i n ga n d a c h i e v i n gt h ei n t e r a c t i v ec o m p u t i n gs y s t e m su s e da n dt h es t u d yo f t h e s ep h e n o m e n a h c ii sac u t t i n g e d g es u b j e c t ，w h i c hf o l l o w e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r t e c h n o l o g y i t sr e s e a r c hf o c u s e so nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e r s r e s e a r c ho nh c ic o n c e r n st r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o nb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e ri n am o r ee f f i c i e n tm e a n sb yi n p u ta n do u t p u td e v i c e so fc o m p u t e r u s e ri n t e r f a c e m e a n st h e i n t e r f a c et h a th u m a nu s et ot r a n s m i ti n f o r m a t i o na n di n t e r a c tw i m c o m p u t e r t h eu ii sv e r yi m p o r t a n ti nc o m p u t e rs y s t e m 。 w i t ht h em u l t i c h a n n e li n t e r a c t i v et e c h n o l o g yb e i n gr e s e a r c h e di nt h ef i e l do f h c i ，p e n b a s e di n t e r a c t i v et e c h n o l o g yw h i c hi so n e o ft h em u l t i c h a n n e li n t e r a c t i v e t e c h n o l o g i e sc o m e si n t op l a y , b e c a u s ei tc a np r o v i d eh u m a nt h em o s tc o n v e n i e n tb y t h ei n t e r a c t i v em e a n ss i m i l a rt ot r a d i t i o n a lp e na n dp a p e r s i tr e a l l ye m b o d i e st h e t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n h u m a n - c e n t e r e d ” m e a n w h i l e ，i n t e r a c t i v em o d e ss u c ha sd r a w i n ga n dw r i t i n ge n a b l e sh u m a nt o a c h i e v eh i g h p e r f o r m a n c ei n t e r a c t i o n p e n b a s e di n t e r a c t i o no v e r c o m e st h ef a u l t so f t r a d i t i o n a lm o u s ea n dk e y b o a r di n t e r a c t i v em o d e ss u c ha sn o n - p r e c i s ep o s i t i o n i n g a n du n e a s yt ol e a r nt ou s ei nc o n d i t i o n sr e q u e s t i n gf o rf r e ew r i t i n ga n dd r a w i n g a f a m i l i a ra n df a c i l i t a t i n gi n t e r a c t i v em o d eh a sb e e np r o v i d e db yp e n - b a s e di n t e r a c t i o n a n di ti sc o n s i d e r e da sam o r er e a s o n a b l em o d eo fi n t e r a c t i o n t h i sp a p e ri sc o n c e r n e da b o u tt h ep e nt a b l e ta i d e di n s t r u c t i o na p p l i c a t i o n s i t u s e st h ep e na i d e dt e c h n o l o g yt og od e e pi n t ot h er e s e a r c ho ft h et a s k ，t h ep r o c e s s e d m o d e la n dt h et e c h n o l o g yf o rt h ei n t e r a c t i o no ft h ef r e ed r a w i n gw i t hp e nt a b l e ti n t e a c h i n g ，c o m b i n i n gw i t ht r a d i t i o n a l i n t e r a c t i o nt e c h n o l o g yl i k et h ec h a l k ，t h e b l a c k b o a r da n dt h ee r a s e r i n t e r a c t i v et e c h n o l o g ya n dt a s ko fd a i l yi n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n sa l er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y , i n c l u d i n g ：t h eu s eo fw i n t a bs t a n d a r d d i g i t a li n t e r f a c e ，a n a l o gt r a d i t i o n a lc h a l k ，t h eb l a c k b o a r de r a s e r , a n dt h ei n t e r a c t i o n m o d e l a sw e l la st h ee n d o r s e m e n to ft r a d i t i o n a lw r i t i n go nt h eb l a c k b o a r d i nt h i s i l 山东师范人学硕一f ：学位论文 p a p e r , at h e o r e t i c a lm o d e li sp r o v i d e df o rp e n - b a s e di n t e r a c t i v et e c h n o l o g yi n i n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n s t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i si ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei m p o r t a n c e o fp e n b a s e di n t e r a c t i v e t e c h n o l o g y i ni n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n si sa n a l y z e d t h i ss o f t w a r ei nt h ei n t e r a c t i v es o f t w a r et a s k si ss u m m e d u p ，t h e r ea r ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nt r a d i t i o n a li n t e r a c t i v em o d eo fc h a l k a n dt h eb l a c k b o a r de r a s e r t h ep e n - b a s e di n t e r a c t i v ei n t e r f a c eb a s e do np e nt a b l e ti s m e n t i o n e df o rf u t u r eo ft h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v et h e o r y ( 2 ) t h ea d v a n t a g eo ft h ei n s t r u c t i o na p p l i c a t i o n si sm e n t i o n e di nt h i sp a p e r t h et a s ko fh c ii nt h es o f t w a r eh a sb e e nr e s e a r c h e d t h ei n t e r a c t i v et e c h n o l o g yi n t e a c h i n gs u c ha sw r i t i n go nt h eb l a c k b o a r d ，c l e a n i n gu pt h ew o r d s ，a n da n n o t a t i o n s o fo t h e rd o c u m e n t sh a sb e e nr e s e a r c h e d ( 3 ) t h eu s eo fu b i q u i t o u sc o m p u t i n ge s p e c i a l l yc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gi n p e n - b a s e di n t e r f a c ei sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a n dt h ec o m b i n a t i o nm o d e lo f c o n t e x t - - a w a r ec o m p u t i n ga n dp e n - - b a s e di n t e r f a c eh a sb e e nc r e a t e di nt h i sp a p e r , a n d aa l g o r i t h mo fm a t c h i n gh a n d w r i t i n gf i g u r e sb a s e do nc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gh a s b e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，p e n - b a s e di n t e r a c t i o n ，i n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n s ，u b i q u i t o u sc o m p u t i n g , c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g c l a s s i f i c a t i o n ：t p 3 9 1 i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位做储獬：帮 导师擀职食叭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 导师签字：黔食1 签字吼2 。q 年) ，月而 轹 一一 麟 f 者 年 作刀1 ， 文 论 也 位 期 学 日字签 山东师范大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着入机交互理论的不断发展与深入研究【l 】，人们希望可以通过更 贴近实际，更加自然的方式与计算机进行人机交流，于是多通道的交互技术被研 究者提出并加以研究与应用，其真正体现了“以人为中心”的自然交互准则，并 由此引发了人机交互方式的重大变革，使人机交互方式逐渐从键盘、鼠标的交互 方式逐渐发展到笔式、语音和视觉等自然化的交互方式。在这些交互方式中，笔 式交互无论从其便利性、自然性还是可控制性而言，都是最理想的交互方式。基 于笔式交互的这些优点，近年来各种手写输入设备层出不穷，它们都能够更加准 确的捕获用户手写时的书写轨迹，为在计算机中实现手写输入提供了更加广阔的 发展远景。 一 ，- 通过手写输入设型2 】【3 】完成计算机上的手写输入，是笔式交互的一个基本功 能。目前计算机的大部分输入工作仍然是通过键盘来完成。但随着计算机的日益 得到普及，以键盘输入为主的交互方式普通计算机使用者使用计算机的一个阻 碍。更重要的是，通过手写输入可以包含更加个性化的内容。而使用键盘键入的 信息在电脑屏幕上的显示却都是千篇一律的，无法体现用户的个性化特征。 同时，目前大部分学校的教学工作中，还是使用传统的粉笔、黑板及黑板擦 的交互方式，存在着书写效率低、粉尘污染、擦除不彻底等缺点，如何通过现有 的笔式交互设备在电脑屏幕上实现替代原有教学交互方式的新的笔式交互方式， 是本文中的一个重要研究内容。 1 2 研究背景及意义 1 2 1 人机交互技术 人机交互技术1 4 l ( h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n i q u e s ) 是研究关于设计、评 价和实现供人们使用的交互计算系统以及有关这些现象进行研究的科学。人机交 互技术包括了通过输出或者显示设备向用户提供有关的信息及数据等，通过输入 设备用户可以向机器输入有关的信息及数据等。人机交互技术是计算机交互界面 设计研究中的重要内容。同时人机交互技术与许多学科领域例如：认知学、人机 工程学以及心理学等都具有紧密联系。 人机交互技术是随着计算机技术的发展而不断发展前沿学科，研究的重点在 山东师范火学硕1 j 学位论文 于人与计算机之问的交互。人机交互主要是研究通过计算机的输入及输出设备， 采用更有效的方式实现计算机与人之间的信息交换。用户界面( u s e ri n t e r f a c e ，简 称u i ) 【5 1 是指人与计算机进行相互传递信息与交互的媒介接口，在计算机系统中 具有举足轻重的地位。 1 2 2 笔式交互技术 笔式交互技术【6 】是人机交互技术特别是多通道交互技术中一种重要交互方 式，它通过类似于传统的纸笔的隐喻来提供给人们最大的习惯性，同时通过提供 勾画、书写手势等交互方式【_ 7 】使用户可以最快的实现高效交互。笔式交互在使用 过程中克服了传统的鼠标、键盘交互方式精确定位不够精确的缺点，提供一种具 有熟悉性、便利性的灵活交互方式。 手写【8 j 是一种人与人之间进行信息交互的重要方式。随着互联网的发展，手 写同样可以作为人之间、人机之间的重要的交互工具。从计算机的发展历程来看， 传统桌面计算将逐渐被移动计算所代替，同时也意味着人机交互方式的重大变 革，包括笔式、视觉和语音在内的自然计算方式的人机交互技术将得到更加广泛 的应用，人机交互的方式也将逐步从键盘、鼠标的方式过渡到以笔式、语音及视 觉为特点的自然交互方式。 对笔式交互进行研究的重要目的【9 】在于通过在计算机软、硬件相关领域的研 究，使笔式交互界面可以更加自然地利用计算机的各种能力，同时也可以弥补传 统工作方式中的种种不足，同时还可以保持传统工作方式的便利性和自然性。笔 式交互在无所不在的移动计算时代仍将占据主导地位。 1 2 3 上下文感知计算 上下文感知计算【1 0 】是指能发现并有效利用上下文信息( 如用户位置，时间， 环境参数，邻近的设备和人员，用户活动等) 用于计算的一种计算模式。 上下文感知计算的定义可以从以下几个方面理解： ( 1 ) 上下文构成了上下文感知计算的基础【l 。上下文感知计算主要就是围 绕上下文来展开的，这不仅包括上下文的感知、还包括上下文的过滤、融合、推 断和演化，上下文的有效利用等。其中，又以上下文的感知为前提，以上下文的 有效利用为归宿。 ( 2 ) 上下文的种类丰富，数量众多【1 2 】。正如上节所述，上下文不仅包括物 理实体的上下文，还包括虚拟实体的上下文；不仅包括当前上下文，还包括历史 上下文。其感知方式也千差万别，甚至有些上下文很难直接感知。上下文之间的 2 山东师范人学硕上学位论文 差异性和多样性必然带来上下文处理上的困难。 ( 3 ) 利用上下文辅助应用优化性能是上下文感知计算最根本的目的【 j 。上 下文的运用显然不能脱离应用的本来目的。任何计算都是有代价的，既然感知计 算以优化性能为目标，就存在代价与收益的平衡【1 4 】，显然，计算的代价必须小 于性能优化的收益。 上下文感知计算可以向用户提供随时随地的计算，并且可以帮助用户更加专 注于当前正在进行的事物。同时应用程序必须能够适应这种高动态度的计算环境 【i 引。这就要求所有在上下文感知计算环境中的对象实体必须都能感知它们所处 的上下文环境信息，并能够对变化的上下文环境做出更加及时和有效的反馈【1 6 1 ， 这便是我们所说的上下文感知计算的概念。 1 3 论文的研究内容 本文的主要研究内容为： ( 1 ) 对比笔式界面操作工具与传统键盘鼠标界面操作工具的特点。 ( 2 ) 探讨笔式交互界面与传统w i m p 界面之间的不同点，研究适用于笔式 交互的界面模型。 ( 3 ) 运用上述模型和方法，使用通用手写板接口标准，研究并实现一个基 于手写板的可用于教学的笔式交互界面。 ( 4 ) 通过学习普适计算特别是上下文感知计算方法研究上下文感知计算 与笔式交互界面的结合。 ( 5 ) 通过将形状上下文理论与笔式交互界面相结合，实现基于坐标、压力 的形状上下文匹配。 1 4 论文的组织结构 本论文共分5 章，内容安排如下： 第一章对课题的研究背景和意义进行说明，分析了人机交互技术发展过程中 对多通道交互技术的需求、基于手写笔的笔式交互技术的发展以及国内外的研究 现状，概述本课题的研究内容以及本文的组织情况。 第二章介绍了笔式交互中的输入设备手写板的相关硬件特征，包括手写板的 工作原理，以及本文使用的w a c o m 手写板的一些相关介绍。同时介绍了一种 全新的通用数字化仪接i s 编制技术( w i n t a b ) 的编程特征。包括w i m a b 接口标准的 概念及数据结构等。 第三章首先介绍了上下文感知计算方面的一些理论知识，随后介绍了上下文 3 山东师范大学硕士学位论文 感知计算技术通过与笔式交互界面相结合，充分体现笔式交互界面快捷简便的操 作要求和特点，实现一种基于形状上下文的手写数字的匹配算法。 第四章对本文所设计与实现的基于w a c o m 手写板的手写教学辅助软件进 行了详细的介绍，包括笔式交互界面的总体设计框架、界面设计以及主要功能的 实现思路、算法流程及其关键源码等。 第五章对全文工作进行了总结，并对后续的研究工作进行了展望。 4 山东师范大学硕1 ：学位论文 第二章手写板硬件特征及w i n t a b 接口标准的编程特征 2 1 手写板硬件特征 2 1 1 手写板工作原理 手写板按照其工作原理【1 7 】可分为电阻式、电容式与电磁式三种形式。手写 板和手写笔大多是配套使用的。从技术的角度来看，最为重要的是手写板的性能。 目前，市场中主要使用的有三种手写板：电阻式压力板、电磁式感应板和电容式 触控板【1 8 】。 电阻压力板是手写输入早期手写板采用的技术【l9 1 。原理简单，工艺并不复 杂，而且成本低廉，所以价格也是比较便宜。但缺点也不少，比如，由于它是通 过感应材料的本身材料变形来进行工作的，所以材料容易形变而无法恢复，从而 缩短使用寿命。虽然电阻压力板【2 0 】也可以使用手指进行操作，但手指的感触并 不灵敏，同时当使用时压力不够则无法进行感应，而压力太大时又容易损伤感应 板，从而导致使用者必须拿捏好压力的大小。另外由于使用时需要施加压力，所 以手写板实际上并不能当鼠标使用。 电阻压力板同样是早期手写板采用的主要技术之一，这种技术已经基本被淘 汰。目前国内大多数手写产品【2 1 1 ，比如汉王笔、紫光笔等，都已经采用了其它 的感应技术。、 电磁感应板是通过在手写板下方进行布线从而当布置的电路通电后，在手写 输入范围内形成电磁场，来感应笔尖带有线圈的手写笔的位置进行工作。这种技 术目前广泛被使用 2 2 1 ，手写签名系统中采用的手写板大都是基于这种原理，其 中日本w a c o m 公司生产的系列产品为该类型的典型代表。电磁感应板分为“有 压感”和“无压感”两种类型，其中有压感的输入板能感应到手写笔的笔尖对手 写板面的压力。同时由于每个人书写时习惯用力的大小不同，压力也就成为了签 名中一个非常重要的特征，所以手写签名系统中使用有压感的手写产品较多。 但随着广泛的应用，电磁感应板也渐渐表现出了一些不足例如：电磁板容易 受外界环境的电磁干扰，手写笔笔尖是活动部件，使用寿命短，对手的压力感应 有较强的辨别力，但必须有一支手写笔才能工作，而不能使用手指直接操作。 因此，就出现了电容式触摸板。电容式触控板的工作原理是通过人体中的电 容原理来感知手指所处的位置。当手指或手写笔笔接触【2 3 】到触控板的瞬间，就 会在手写板的表面产生一个电容。同时在触控板表面附着传感器矩阵，这种传感 矩阵与一块特殊芯片相连接，可以持续不断地跟踪手指以及电容的“轨迹”，经 5 山东师范人学硕士学位论文 过内部一系列的处理后可以每时每刻精确定位手指的位置，同时根据手指与板间 距离形成的电容值的变化，获得手写压力值，所以这种笔无须电源驱动，非常适 合于便携式产品例如笔记本电脑、p d a 等。 与前面两种技术相比，它具有更加优良的性能：由于轻触并可以被感应，同 时使用手指和笔都能进行操作，所以使用更加方便【2 4 】。手指和笔与触控板的接 触几乎不会造成磨损，性能比较稳定。另外，整个产品主要由一块高集成度芯片 p c b 组成，元件比较少，所以产品一致性好，成品率高，从而使得大量生产时 成本比较。并且电容触控技术在笔记本电脑中多年的应用，也证明了其质量以及 性能极其稳定。从手写笔的压感上来说，采用电容式触控技术的手写板具有5 1 2 级压感，达到了目前的标准水平。从技术角度可以看出，电容式触感手写板是未 来手写板发展的趋势。 尽管由于各个工作原理不同而导致的不同种类手写板之间也存在着一定的 性能差异，但是手写板还是存在一些比较通用的性能指标，例如上面提到的压感 级数。同时精度也可以作为一个非常重要的指标，精度指的是单位长度上所分布 的感应点数。精度越高对手写的反映越灵敏，对手写板的制造水平的要求也就越 高。面积也是一个很直观的指标，手写板的手写区域越大，书写的回旋余地越大， 运笔也就更加灵活方便，输入速度往往会更快，当然价格也就更高。 2 1 2 手写笔的工作原理 手写笔【2 5 】同样也是手写系统中一个很重要的部分。早期的输入笔需要手写 板上输入电源，从而笔的尾部均有一根电缆与手写板相连，这种输入笔被称为有 线手写笔。而较先进的输入笔在笔壳内会安装有电池，同时还有的借助于一些特 殊技术而不需要电源，这种笔称为无线笔。无线笔的优点是携带和使用比较方便， 同时也很少会出现故障。同时手写笔上一般还会带有两个或三个按键，其功能类 似于鼠标按键，这样在操作时就不需要手写笔和鼠标之间来回切换。 在手写笔中广泛使用的是基于光学传感器的技术，目前有两种主要类型【2 6 。 瑞典的a n o t o 手写笔在笔尖装有一个c m o s 传感器和一个红外线发射器，需要 在印有微小点阵图案的专用纸上书写，c m o s 传感器采集红外线照射的微点，通 过特定点阵图案来计算笔尖在纸面上的绝对位置，同时还可以获取沿笔轴线方向 的压力和笔与书写平面之间的夹角等信息。另一种采用光学平移测量传感器的手 写笔v p e n 是由以色列o t m 公司研制的，它不需要专用纸，利用笔尖部位安装 的光学移动测量传感器来测量笔与书写面的相对移动量和方向，然后通过手写识 别算法来得到书写信息。 除此以外还有一些研究者为签名认证系统专门研制的手写笔【2 7 】，如c r a n e 6 m 东师范大学mp 学位论j 等人将应变片式三维力传感器安装在笔的笔芯末端，在书写的同时测量三维书写 力信息。c l a e s e n 等也设计了一个与此类似的手写笔用于获取书写时三维力信息 和笔与书写面的角度。比利时k a t h o l i e k e 大学研制了基于= 三维力传感嚣的手写 笔，笔中还有倾角传感器来测量笔的倾角口8 】：它有两种工作方式，落笔时，笔 端的力传感器测量压力与摩擦力并积分计算出笔的运动位置信息，抬笔时，力传 感器作为加速度传感器，测量笔尖运动的加速度，通过积分计算出笔的坐标变化 及位置信息。由于传感器精度和摩擦模型的误差，导致这种笔的精度较低。 2 1 3w a c o m 手写板介绍 本文使用的手写输入设备是w a c o mb a m b o o ，该型号产品提供了对 w m t a b 接口的全面支持。该产品采用u s b 接口与计算机相连，可以提供坐标， 压力，角度等方面的数据信息。性能参数如表21 所示。 匾各 围2 - 1 手写板获取的各项动态信息示意图 图2 - 2w a c o mb a m b o o 手写板 山东师范大学硕上学位论文 表2 1w a c o mb a m b o o 的技术参数 型号w a c o mb a m b o o 书写区域1 4 7 6 9 2 3 毫米 坐标精确度 1 0 0 线毫米( 2 5 4 0 1 p i ) 读取精确度0 5 毫米 最人读取速度1 3 3 点| 移 笔的最人读取高度3 5 毫米 压感级数5 1 2 级 分辨率 5 度 纵横比1 6 ：1 0 2 2w i n t a b 接口标准 w i n t a b 接口标准【2 9 】是处理数字式手写板、三维定点传感器、触摸屏等数字 式定点设备在m i e r o s o f l w i n d o w s 3 0 及其以上版本操作系统环境下的开放的标准 编程接口。因为w i n d o w s 在操作系统的市场占有率，几乎所有厂商生产的手写 输入设备都遵循w i n t a b 接口标准。因此，用户遵循w i n t a b 接口标准开发软件将 获得最大的可扩展性，可以适应所有厂家遵循w i n t a b 标准的相关产品，并且当 厂家驱动程序或硬件产品更新时，用户不必更新应用软件。对于厂家而言，厂家 的产品可以适用于所有遵循w i n t a b 接口标准开发的应用软件，不必考虑其驱动 的兼容性。最重要的一点是，有了支持w i n t a b 接口标准的设备驱动程序，用户 不需要直接面向硬件的驱动接口，这将大大降低开发应用程序的难度。 2 2 1w i n t a b 接口标准基本概念 ( 1 ) 设备要求( d e v i c ec o n v e n t i o n s ) w i n t a b 标准支持不同的手写输入设备，因此不同设备应具备一些共同点， 比如说：手写输入设备应提供一种方法或设备【划( 如笔、手与输入板的接触点等) 以确定光标的当前位置：至少提供两维坐标信息以确定位置。另外，接口定义了 输入设备坐标的标准方向。当手写输入设备以正常的方向放在使用者面前时，坐 标原点位于设备的左下角，x 轴指向右方，y 轴指向上方，z 轴( 如果有的话) 指 向使用者，x 与y 轴互相垂直并且与z 轴符合右手规则。 ( 2 ) 设备信。自l , ( d e v i c ei n f o r m a t i o n ) 设备信息是由w t i n f o 函数返回的对设备的详细描述，是由生产商提供的一 个只读信息，包括设备的生产商、型号、版本及可提供的相关信息。 ( 3 ) 设备环境( t a b l e tc o n t e x t ) 山东师范大学顾十学位论文 手写板设备环境是w i n t a b 接口的核心，类似于w i n d o w sg d i 接口的显示设 备环境，用来指定特定应用程序所使用的手写板的设置等环境信息。它是应用程 序用来指定手写板的对象，不仅包括应用程序可使用的数字手写板的物理信息， 还包含手写板消息类型、内容、发送方式及其他一些信息。设备环境可由用户指 定，也可用w t i n f o 函数获得默认的环境。 一个应用程序通常只需要一个设备环境【3 1 】，但也可以拥有多个环境。设备 环境与显示窗口一样，可以同时打开几个，接口通过设备环境的叠放次序和属性 来决定由哪一个环境来处理当前消息。位于最前方的环境处于激活状态，它会根 据事件掩码对收到的消息进行选择，然后进行相应的处理。设备环境的叠放顺序 可由设备管理器进行修改。 ( 4 ) 消。i 鼠( e v c n tp a c k e t s ) 设备环境通过消息包向计算机传递手写板上的活动，应用程序可以选择接受 什么样的消息、消息中包含的内容以及以何种方式接受消息。应用程序可以两种 方式接受手写板设备环境的消息，第一种利用w t p a c k e t s g e t 主动获取下一个消息， 另一种则是当某种条件满足或者某种事件发生时设备环境会向应用发送一个 w t p a c k e t 消息。另外，应用程序还可以通过设备环境选择消息包含的信息， 因为很多手写板会提供一些应用程序可能根本用不上的信息。 ( 5 ) 设备管理器( t a b l e tm a n a g e r s ) 接口提供了一些函数对手写板进行管理，一个应用程序可以成为设备环境管 理器，如果它拥有一个管理器句柄( m a n a g e rh a n d l e ) 。一个管理器可以对所有打开 的设备环境进行组织、排序和修改，还可以修改手写板的设置、用户界面、行为 方式，记录和回溯手写板消息等。 2 2 2w i n t a b 接口标准的基本函数 ( 1 ) w t m f 0 函数 该函数用来获取手写板的配套信息，包括手写板坐标、范围、指针类型等。 使用该函数一般是用于获得手写板设备环境的默认设置。函数调用语法为： u i n t w t i n f o ( w c a t e g o r y , n l n d e x ，l p o u t p u o w c a t e g o r y u i n t ，确定获得哪一类型的配置信息。如果该参数为0 ，则返同获得 最大类完整信息所需的缓冲区字节数。 n i n d e x u i n t ，确定在某一类型的信息中要求那些信息。如果该参数为0 ，则 返同上一个参数所指定类的所有信息。 l p o u t p u t l p v o i d ，存放返回信息的缓冲区指针。 返回值如果等于0 ，则表明物理上没有手写板或不支持该类配置信息。 q 山东师范人学硕一l ：学位论文 该函数能获取一些重要的信息：接1 ：3 标准的说明( 版本、手写板生产商、模 型等) ；一般技术参数( 坐标的范围、分辨率、可选参数、指针类型) ：设备环境的 默认设置等。 ( 2 ) w t o p e n 函数 使用该函数可得到一个活动的设备环境，如果该函数成功则可通过消息接受 手写板产生的信息，可以利用返回的句柄执行与该设备有关的函数，比如接受手 写板的输入或者控制指针( w i n d o w s 系统指针或笔模式下的笔) 。设备环境的父窗 口【2 8 】在设备环境打开后会马上收到一个w tc t x o p e n 消息。调用语法为： h c t x w t o p e n ( h w n d ，i p l o g c t x ，f e n a b l e ) h w n d拥有该数字式定位板设备环境窗口的句柄，该窗口可以从 由w t o p e n 0 函数打开的设备环境接收手写板消息。 l p l o g c t x指向l o g c o n t e x t 数据结构的指针。l o g c o n t e x t 数据结构定义了该数字式定位板的配置信息。 t e n a b l e 设备为t r u e ，则当前建立的设备环境立即开始处理数字 式定位板所产生的事件数据包，并触发相应的消息给拥有该设备环境的窗口。返 回值为n u l l ，则表明设备环境没有被打开，反之则成功打开设备环境。 返回值一个设备环境句柄，如果返回值为n u l l ，则表明没有打 开设备环境。 一旦成功打开设备环境，它的父窗口会马上收到一个w tc t x o p e n 消息， 并且如果设置改变或者手写板上发生了什么父窗口也会收到相应的消息。可以通 过l o g c o n t e x t 数据结构的i c m s g b a s e 控制接受的消息数量。 ( 3 ) w t c l o s e 函数 该函数关闭和销毁指定的手写板设备环境。其调用语法为： b o o lw t c l o s e ( h c t xh c t x ) h c t xh c t x ，指向将被销毁的手写板设备环境句柄。 返回值b o o l ，为零则表明成功关闭，否则关闭失败。 ( 4 ) w t p a c k e t g e t 函数 该函数用轮流检测方法将消息队列中的消息移出，转移到指定的缓冲区。调 用语法为： h a t w t p a c k e t s g e t ( h c t x ，c m a x p k t s ，l p p k t s ) h c t x h c t x ，环境句柄，指向将要处理消息的那个环境。 c m a x p k t si n t ，一次返回的最多消息数量。 l p p k t s l p v o i d ，指向将接受消息的缓冲区指针。 返回值i n t ，实际返回的消息数量。 1 0 山东师范大学硕十学位论文 实际返回的消息结构取决于设备环境打开时对消息包的定义，在操作时应注 意缓冲区的大小必须等于c m a x p k t s 与p a c k e t 大小的乘积。 ( 5 ) w t p a c k e t 函数 该函数用于在手写板消息处理中使用w i n d o w s 消息机制来接收手写板的消 息数据包。调用语法为： b o o l w t p a c k e t ( h c t x ，w s e r i a l ，l p p k t ) h c t xh c r x ，指向一个设备环境的句柄。 w s c f i a lu n i t ，返同的手写版消息的序列号。 i p p l 【t l p v o i d 指向存放返回数据包的缓冲区。 返回值如果指定的数据包找到则返回一个非零值，否则返回0 。 缓冲区的大小、返回的数据的具体内容与w f p a c k e t g e t 函数一样。 2 2 3w i n t a b 接口标准的数据结构 在编写应用程序时，基本函数将用到的数据结构在下面进行简要说明。 ( 1 ) 唧k t 是一个3 2 位的标志，指示消息数据包中数据3 2 1 成份，由不同的标志位通过 位或的方式组合而成，常用值如下表： 表2 2w t p k t 数据结构 值含义 p k _ c o n t e x t 设备环境句柄 p k s t a t u s 状态，即笔是否接触了面板 p kt i m e产生数据包的时间 p k c h a n g e d 与上一个数据包相比，哪个数据域发生丫变化 p k s e r i a l - n u m b e r 数据包的序号 p k c u r s o r 当前的指针类型 p k 。b u l q o n s 键值，指示哪个键被按下 p k _ x ，p k _ yp k z 当前x 、y 、z 坐标 p k n o r m a l _ p r e s s u r e 压力值 p k o r i e n t a t i o n 指针的方向信息 ( 2 ) 环境数据结构( l o g c o n t e x t ) 该数据结构包含应用程序或设备管理器需要掌握的设备环境所有信息，决定 了应用程序可以获得哪些消息、如何处理这些消息以及这些消息是如何传送到应 用程序或者操作系统。应用程序可以用w t h i f o 函数获得默认的设备环境设置。 结构见下表( 该结构共有3 4 个数据域，下表只列出其中对编程常用的几个) 。 山东师范大学硕二 ：学位论文 表2 - 3l o g c o n t e x t 数据结构 数据类型数据域含义 确定环境的参数，指示该环境是甭系统指针、笔模式、是否发 u n i t i c o p t i o n s 送消息等。 u n i t l c s t a t u s指示该环境的状态，足否能处理消息、足否位于最顶端等。 u n i tl c l o c k s 指示环境的哪些属性被锁定。 u n i t l c m s g b a s e 指示用来报告设备环境活动的消息序