（计算机应用技术专业论文）实时交互支持系统的研究与实现.pdf

摘要 互联网与教育是推动社会进步的两个车轮，网络远程教育恰恰是这两者完美 结合的产物。随着信息技术的不断发展，如何将信息技术应用于教育领域，实现 信息技术与课程的整合，是当前信息化进程中的教育技术发展研究的一个重要方 面。目前，多数远程教育平台是以简单的信息共享方式为主的个体学习，不能体 现出教与学的互动性，缺乏实时性的交互。 人类总是对丰富多彩的、生动新鲜的、耳闻目睹的信息更感兴趣，更容易接 受、吸收、铭记。远程网络教育也应遵循这样的自然规律，才能达到教育的本质 目的。因此，远程网络教育教学平台的设计应考虑教育性、交互性、易用性和兼 容性等因素，并应充分利用多媒体教学，只有集音频、协同操作、应用共享、文 字交流于一体的多方位教学，才能够真正高效地实现师生之间的教学互动，从而 取得更好的教学效果。 本文以远程教育的相关理论为起点，针对该系统涉及的各个关键技术进行了 深入的研究和探讨，在此基础上，详细的论述了实时交互支持系统的整体设计方 案和实现方法。涉及的关键技术主要包括：可扩展矢量图形语言的描述、图形对 象二维变换、拾取算法、自适应声音缓冲区和桌面图像编解码等等。 论文首先分析了目前远程教学系统存在的主要问题，针对论文将使用的关键 技术进行了探讨，随后结合实际教学过程中的具体需求设计了系统架构，划分了 功能模块，接下来是系统各主要功能模块的详细设计与具体实现的论述。为满足 需要大量绘图的课程的实际需要，使远程教育处于异地的教师和学生对共享图形 方便、高效地交互式绘制、修改，本系统应用计算机图形学的相关理论及算法， 实现了电子白板功能。电子白板模块参考s v 6 规范，自定义了用于图形生成的矢 量图库描述语法以及用于同步各节点电子白板场景的图形网络传输格式，实现了 网络信息实时发布。图形的交互式编辑部分主要研究了图元的拾取算法和使用变 换矩阵实现对图元的旋转、比例缩放和平移等二维变换。语音通信模块中，由于 网络传输时延的抖动会导致声音不流畅，播放缓冲区设置的大可以有效地解决因 为抖动带来的撕裂音，提高话音质量，但是播放缓冲区设置的过大却会导致延时 加大，本文提出了自适应声音缓冲区调整策略有效地解决了这一问题。远程桌面 模块针对桌面图像的特点，提出帧间差分游程编码方法，并将其编码结果使用 6 z i p 算法再次压缩，这种压缩方案综合兼顾了压缩比和压缩时间的考量。最后， 本论文提出了理论研究和实践开发进一步发展的方向。 关键字：远程教育，可扩展矢量图形描述语言，自适应声音缓冲区，差分游程编码 a b s t r a c t i n t e r a c ta n de d u c a t i o na r et h et w ow h e e l st op r o m o t es o c i a lp r o g r e s s l o n g d i s t a n c ee d u c a t i o ni se x a c t l yt h ec o m b i n a t i o no f t h et w o a si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y c o n t i n u e st od e v e l o p h o wt 0a p p l yi tt oe d u c a t i o nt oi n t e g r a t ew i t he u r r i c u l t n ni s c u r r e n t l ya l li m p o r t a n ta s p e c to f e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tr e s e a r c hi nt h e p r o c e s so f i n f o m a t i o n i z a t i o n c u r r e n t l y ，m o s tl o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o np l a t f o r mi s s i m p l yi m p l e m e n t e da si n d i v i d u a ll e a r n i n gi naw a yo f i n f o r m a f i o ns h a r i n g ，w h i c h l a c k so f t h ef e a t u r eo f r e a l - t i m ea n di n t e r a c t i o nb e t w e e n t e a c h i n ga n dl e a r n i n g m a n k i n db r ea l w a y sl l l o r ei n t e r e s t e dw i t ht h ei n f o r m a t i o nw h i c hi sc o l o r f u l ，l i v e l y 舭s ho rt a k e na tt h e i rf a c e t h i sk i n do f i n f o r m a t i o ni sm o r er e c e p t i v e ，a b s o r p t i v e ，a n d e a s yt ob er e m e m b e r e d l o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o ns h o u l da l s of o l l o wt h ei l a r l r ei n o r d e rt oa c h i e v et h ee s s e n t i a lp u r p o s eo f e d u c a t i o n t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no f l o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o nn e t w o r kp l a t f o r ms h o u l di n c l u d et h ef e a t u r e so f e d u c a t i o n a l ， i n t e r a c t i o n , e a s y - t o - u s e c o m p a t i b i l i t y , a n ds 0o n o n l yt h r o u g hm a k i n gf u l lu s eo f m u l t i - m e d i a , s u c ha sv o i c e ，c o o r d i n a t e do p e r a t i o n , a p p l i c a t i o ns h a r i n g ，t e x te x c h a n g e s ， c a nw er e a l l ya c h i e v ee f f i c i e n ti n t e r a c t i o nb e t w e e nt e a c h e r sa n ds t u d e n t sa n db e t t e r e f f e c t t a k i n gt h et h e o r i e so f l o n gd i s t a n c ee d u c a t i o na sas t a r t i n gp o 硫，w em a l 【ead e e p r e s e a r c ho ni t sr e l a t e dt e c h n i q u e s ，t h e nd e s i g na n dr e a l i z et h es o l u t i o no f r e a l - t i m ea n d i n t e r a c t i v es u p p o r t i n gs y s t e m t h er e l a t e dt e c h n i q u e si n c l u d et h ed e s c r i p t i o no f s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ，t w o d i m e n s i o nt r a n s f o r m a t i o n , c o l l e c ta l g o r i t h m , a d a p t i v e v o i c eb u f f e r , c o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o no f t h ed e s k t o pi m a g 岛e t e f i r s t l y , t h ea r t i c l ea n a l y z e sm a i ne x i s t i n gp r o b l e m so f t h el o n gd i s t a n c ee d u c a t i o n s y s t e ma n dm a k e sa r e s e a r c ho ni t sk e yt e c h n i q u e s s e c o n d l y , w ed e s i g nt h es y s t e m a r c h i t e c t u r ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ea c t u a lt e a c h i n gp r o c e s sa n dm a k e f u n c t i o n a lm o d u l ed i v i s i o n t h i r d l y , t h ea r t i c l ed e t a i l st h ed e s i g no f t h ek e yf u n c t i o n a l m o d u l e sa n di m p l e m e n t s t om e e tt h en e e d so ff i - e q u e n td r a w i n gf o rs o m e e u r r i c u h m a ，a n dm a k et e a c h e r sa n ds t u d e n t sw h oa r ed i s p e r s e dd r a wa n dm o d i f yt h e s h a r i n gg r a p h i c sc o n v e n i e n t l ya n de f f e c t i v e l yi na ni n t e r a c t i v ew a y , t h es y s t e m r e a l i z e st h ew h i t e b o a r df u n c t i o nw i t ht h ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e rg r a p h i c st h e o r ya n d a l g o r i t h m s t h ew h h b o a r dm o d u l ew h i c hr e a l i z e st h er e a l - t i m ed i s t r i b u t i o no f n e t w o r ki n f o r m a t i o nd e f i n e st h es y n t a xo fs c a l a b l ev e c t o rg a l l e r yr e f e r r i n gs v g s t a n d a r da n dt h eg r a p h i c sl m n s m i s s i o nf o r m a tf o rs y n c h r o n i z i n gt h es c e n eo ft h e n o d e s a sf o rt h ei n t e r a c t i v eg r a p h i ce d i t i n g ，t h ea r t i c l em a i n l yf o c u s e so ng r a p h i c e l e m e n tc o l l e c ta l g o r i t h ma n dt w o - d i m e n s i o nt r a n s f o n - n a t i o ns u c ha sr o t a t i o n , s c a l e a n dt r a n s l a t i o nu s i n gc o n v e r tm a t r i x i nv o i c ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h e j i t t e ro f t h e n e t w o r kt r a n s m i s s i o nc o u l dl e a dt ov o i c eu n f l u e n t s e t t i n gu pa l a r g eb u f f e rc o u l d e f f e c t i v e l yr e s o l v et h ev o i c et e a r i n ga n di m p r o v ev o i c eq u a l i t y b u tt h i sm e t h o dm a y c a u s ee x c e s s i v ed e l a y t h ea r t i c l ep r e s e n t sa d a p t i v ev o i c eb u f f e ra d j u s t m e n ts t r a t e g y w h i c he f f e c t i v e l yr e s o l v e st h ep r o b l e m i nr e m o t ed e s k t o pm o d u l e ，t h ea r t i c l ep r e s e n t s i n t e r f r a r n ed i f f e r e n c er u n l e n g t he n c o d i n gt a r g e t i n gt h ef e a t u r eo f d e s k t o pi m a g e t h e o u t p u t i s r e 。c o m p r e s s e du s i n go z i pa l g o r i t h m t h i sr e s o l u t i o nt a k e sb o t ht h e c o m p r e s s i o nr a t i oa n dt i m ec o n s u m i n gi n t oc o n s i d e r a t i o n f i n a l l yt h ea r t i c l ep o i n t s o u tt h ed i r e c t i o no f f b l t h e rt h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a ld e v e l o p m e n t 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个 人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：窿! 喳盘日期：兰里! ! 授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：枷吻糟 日期：型u 导师签名：洳 o r i g i n a l i t yn o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t b er e q u i r e m e n t sf o rt h em t a r sd e g r e ea t e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y , 1w a r r a n tt h a tt h i st h e s i si so r i g i n a la n da n yo ft h et e c h n i q u e s p r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e nf i g u r e do u tb ym a n yo ft h er e f e r e n c e st dt h ec o p y r i g h t , w a d e m a r kp a t e n t , s t a t u t o r yr i g h t , 0 1 p r o p r i e t yr i g h to fo t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l ya c k n o w l e d g e d a n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na tt l l ee n do f t h i st h e s i s s ；弘咖糟：垒必 c o p y r i g h tn o t i c e d a t e ：埘 ih e r e i na g r e et h a lt h el i b r a r yo f e c n us h a l lm a k ei t sc o p i e sf r e e l ya v a i l a b l ef o ri n s p e c t i o n if r r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n go f 也c 血e s i si sa l l o w a b l eo n l yf b rs c h o l a r l yp u r p o s e s i n p a m c u i a f ；a o r i n g t h e c o n t e m o f t h s t h e s i s i n t or e l e v a n t d a t a b a s e s ，酗w e l l 鹅c o m p i l i n g a n d p u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to f t h i st h e s i s c o n s i s t e n tw i t h ”f a i ru s e ”硒p r e s c r i b e di nt h e c o p y r i g h t l a w o f h e p e o p l e s r e p u b f i c o f c h i n a s i g n 咖r e ：整巫箩d a t e ：2 ：塑 第1 章概述 1 1 实时交互支持系统的提出 1 1 1 远程教育 远程教育就是教育机构借助媒体技术和各种教育资源而实施的超越传统校 园时空限制的教育活动形式。远程教育是适应社会发展的需要，并且伴随现代媒 体技术的发展而迅速成长壮大的教育活动形式。它有着特定的教育信息传输和交 流手段，有着适应远程教育方式的信息资源，有着特定的教育管理制度和方法， 有着特定的教育管理机构等。 远程教育由于信息传送方式和手段不同，其发展经历了三个阶段，第一是以 邮件传送的纸介质为主的函授教育阶段；第二是以广播电视，录音录像为主的广 播电视教育阶段；第三是通过计算机，多媒体与远程通讯技术相结合的网络远程 教育阶段。 网络远程教育手段有以下优点；教师的讲授和学生的学习可以在不同地点同 时进行，师生之间可以进行充分的交流；学生能够根据自己的需要自主安排学习 时间和地点，自由选择学习内容，自行安排学习计划，随时提出学习中的问题并 能及时地得到解答；网络远程教育手段有利于个体化学习。它以学生自学为主， 充分发挥学生自主学习的主动性，积极性及创造性；网络远程教育手段可以为学 生提供优质的教学服务。教师可以及时地了解学生的学习进度和对课程的理解程 度，解答学生所提出的问题。网络远程教育给教与学的概念赋予了新的内涵，将 给教育带来深刻的变革，推动教育观念，教育思想，教育内容，教育模式，教育 结构和教学方法的更新。 1 1 2 交互及交互技术 教育平台的交互是在一种学习环境下，为了达到教与学或建立社会关系的目 的而进行的双向或多向的交流“1 。它可以分为学习者与学习内容之间的交互，学 习者与教师或专家之间的交互，学习者相互的交互。 在传统的课堂教学中，是以“学习者和教师间的交互”为中心，在远程教育 的初期阶段，是以“学习者和学习内容的交互”为中心的。直到计算机网络的广 泛使用和协作学习，合作学习协8 的提出，人们才逐渐开始关注“学习者相互间 的交互”旧。交互三分法为分析远程教育中不同类型的交互提供了依据。此外， h i l l m a n 提出第四种类型的交互为“学习者和界面的交互”1 ，即学习者在学习 过程中必须通过某种接入技术和学习内容交互，或者教师或其他学生确认知识时 会出现的交互。在网络远程教育环境中，交互还可以分为内容和人际交互，实时 与非实时交互及个体与群体交互嘲。在远程教育学习过程中，这些交互不是孤立 的，而是相互交融的，共同承担教与学任务的完成。 在远程教育中，学习者与教师、与学习同伴等基本处于分离状态，交流的不 便成了影响远程教育发展的一个主要因素。自从远程教育出现以来，人们就开始 认识了这一点。近年来，更受到人们的高度重视，交互与网络远程教育之间的关 系随之也成了远程教育研究的主题。这方面的研究主要包括在技术支持下，远程 教育是否能像传统面对面教育一样有效? 在给定的远程教学环境下，最高效的技 术或技术组合由什么因素决定? 在远程教育过程中，师生间的交互活动到底有多 重要? 哪种形式的交互最有效? 等等。文献 8 非常全面地评述了远程教育中交 互的研究现状。文献争“分别从不同的角度阐述了交互在远程教育中的重要地位， 高质量的交互无论是在以学生为中心还是在以教师为中心的教学中都是提升学 习效果行之有效的方法，学生和教师之间的交互对于发展和改善教育是必要的 嘲，交互对各类学习，学习者的满意程度及远程教育的持续发展都是十分重要的 【l o o 总之，交互是教育的最重要的教学要素，高水平的交互对任何教育课程的效 果都会产生正面的影响。“师生之间，学生之间的交互越多，就越能促使学生通 过自我发现和个人理解进行自主学习，从而达到扩张知识的效果”嘲。交互是教 学过程的一个必要手段；高水平的交互，交互手段的更新成了远程教育发展的一 个重要标志“”“。交互是远程教育的要素之一，在远程教育中，任何一门远程 课程的学习效果都需要交互的积极参与，交互越多，学习者对课程的学习效果越 好“”。对交互式学习过程支持的方法是一门正在形成的新技术“”。 1 2 远程教育中交互技术的现状 我国现有的许多商业化远程教学平台都是采用b s 结构“。，以w w 为基础， 将学习内容以h t m l 格式集中存储在w e b 服务器上，供学员通过浏览器进行学 习。运用了先进的计算机网络技术、多媒体通讯技术，使得地理位置上分离的学 习者可以在虚拟网络空间中共享教学资源，但这种基于信息共享，个体学习，有 限交互的学习模式仍没有体现出真正意义上的教学涵义“”。它存在如下弊端： 1 ) 教学内容的表现形式单一。目前大部分的网络课程都以网页形式呈现，包括 文本和静态图像，p o w e r p o i n t 讲稿等形式，类似于书本和讲稿的搬家。 2 ) 缺乏多种教学策略支持。以被动学习，个体学习为主，整个学习活动在一种 以个人时间表为基础的自由状态下进行，缺少群体学习，协同学习时的互动 2 效果。 3 ) 缺乏角色支持。学习过程中，没有角色的区分，不能发挥教学管理者和教育 者( 教师) 的作用。 4 ) 缺乏个性化学习。学习对象被视为一个整体，很少作为互不相同的个体来对 待，不能提供针对每个学习者自身的特点，提供个性化学习。 5 ) 缺乏交互能力。只提供给用户有限协作交互能力，一些提供协作学习功能的 远程教学的协作主要基于传统的共享白板或b b s ，缺少即时性和灵活性。 6 ) 只注重教学内容呈现，轻视学习环境设计。只注重本身功能的开发，没有考 虑如何适应网络规模的发展，使其具有开放性和分布性。 金伯格( g i n s b u r g ) 等人依据双向交互的程度将远程教育的计算机网络技术分 成三代：第一代是网络信息资源的发布或获取技术，即单向地提供或搜索资源， 包括各种资源、网站、数据库之间的超链接；第二代是网络双向异步、非实时通 信，即通过计算机网络实现电子邮件、电子公告栏、网络练习和测试、计算机会 议等多种技术；第三代是网络同步双向，实时通信，即通过计算机网络来实现网 上交谈、网络电话会议、网络视频会议、视频点播系统以及多用户多维系统和多 用户面向对象系统等多种技术。第三代远程教育的特征和优势是双向交互，即通 过信息技术实现人机和人际的相互交流和交互作用，从而既可以加强师生间交流 和集体教学活动，更可以大大激励和促进个体化学习和同学或小组间的协作学 习。目前，国外远程教育的计算机网络技术正向第三代发展。我国的远程教育平 台大部分处于第二代，基于网络课程教学的效果也并不是很理想“”。 丁兴富博士在普通高校网络远程教育面临十大挑战“”中从定位、体制、 机制、组织、成本、技术、资源、质量、模式等十个方面论述了中国网络教育面 临的问题，其中技术、服务和模式等都涉及到交互方面的问题。 针对目前我国高校开展现代远程教育的现状，张建伟等人通过问卷形式对网 络学习和远程学习的过程、效果及其影响因素进行了系列研究。这项研究结果 表明，学生在对学科中基本原理的理解、学习能力和学习兴趣等方面的收获最大。 但他们也遇到了很多困难，尤其是难以与教师和同学展开充分的交流互动，其原 因是未能获得充分的学习支持服务。学习者普遍感到当前的远程教学中缺乏讨论 交流，缺乏与老师的联系。其中有百分之八十二的远程教育学习者觉得难以进行 讨论和交流。百分之七十的学生表示自己在学习中感到很孤独，希望能和同学交 流。学习者要通过远程教育取得较好的学习效果绝非易事，仅仅靠把课程资源封 装起来，然后通过网络等技术手段传输给学生是远远不能保证远程学习质量的。 建立完善的远程教育系统、解决学习中的互动需要，是当前远程教育发展中的一 个重要问题，也是中国远程教育发展中面临的一项十分紧迫的任务。 1 。3 研究目的及主要工作 1 3 1 研究目的和思路 利用现代信息技术，特别是计算机、多媒体和网络通信技术手段，设计并实 现一种遵循以学生为中心的教学理念的交互式实时教学平台，构建一个网络环境 下的理想的学习环境，为远程教育平台提供一些交互手段和工具，促进协作学习、 探索学习，激发学习者的学习兴趣，达到提高远程学习效果的目的。 1 3 2 研究内容和结果 本文研究并实现了实时交互支持系统，详细论述了各模块的功能和实现，提 出了教学图形库与共享白板的集成，为教学提供了一个交互式的实时作图环境； 针对语音通信中存在的语音播放不流畅现象提出了自适应声音缓冲区调整策略 ( a d a p t i v eb u f f e r a d j u s t i n gs t r a t e g y ) ：在远程桌面部分中，综合考虑压缩率和压 缩时间，提出了一个桌面图像编解码方案。 电子白板能够通过模拟现实环境中的黑板工具，提供一个虚拟共享空间，支 持异地的协作者之间在各自的计算机上观看同一个内容或讨论同一问题。在传统 的电子白板( 如m s nm a s s a g e rw h i t e b o a r d ) 中，提供了作直线、圆、矩形等基 本作图和属性修改等功能，但存在如下不足，难以满足远程教学的需要； 第一，没有图元文件库对教学中经常使用的可重用图形的逻辑封装。 第二，图形修改功能不足。 第三，组成图形的各图形元素只是一个个相互独立的个体，缺乏元素间关系 的表示。 针对这些问题，本文提出了基于s v g ( s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c ，可扩展矢量 图形) 的网络信息实时发布模型，实现了教学图形库和共享白板的集成，并且具 有良好的交互性。 要想和其他用户实时地交换信息发表自己的意见和看法，用户问的语音交流 是必不可少的。由于网络抖动和丢包等现象的存在，使得在接收端语音的播放会 出现不流畅的现象。播放缓冲区设置的大可以有效地解决因为抖动带来的撕裂 音，提高话音质量，但是播放缓冲区设置的过大却会导致延时加大。针对这个问 题，本文设计了自适应声音缓冲区调整策略，大大提高了语音播放的流畅度。 远程教育桌面图像使远端的学生感觉如同在老师旁边观察屏幕一样，结合桌 面图像帧内各种压缩方法和桌面图像的特点，本文提出了帧间差分游程编码，并 将结果使用g z i p 算法再次进行压缩，这种桌面图像压缩方案综合兼顾了压缩比 和压缩时间的考量。 4 1 3 3 本文的组织结构 论文第一章对整个研究背景、研究目的进行了介绍，概括介绍了本文主要的 研究内容。第二章主要对远程教育系统中的相关技术作了研究和探讨。首先对 s v g 技术规范进行了介绍，然后分析了二维几何变换与矩阵表达式，这些是实 现图形共享电子白板的基础。最后介绍了d i r e o x 技术中的d i r e c t d r a w 和 d i r e e t s o u n d 基本原理，这些为语音通信和远程桌面的实现作准备。第三章主要 介绍了实时交互支持系统的总体设计，提出各个模块需要解决的关键问题。第四 章详细论述了系统各模块的实现细节。第五章对全文工作进行了回顾和总结，并 对进一步的工作进行了展望。 第2 章实时交互支持系统关键技术的研究 2 1 s v g 技术简介 2 1 1s v g 规范概述 s v g ( s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ) 是国际w w w 委员会( w 3 c ) 组织为适应 i n t e r a c t 上w e b 应用的快速发展需要而制定的一套基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ) 标准的可扩展矢量图形语言描述规范。 s v g 标准形成的主要目的是用来描述二维矢量图形和矢量点阵混合图形的 置标语言全称为可扩展矢量图形规范，其中可扩展( s c a l a b l e ) 在图形技术中 指的是不局限于固定分辨率的大小，可在不同分辨率的屏幕上以相同的大小显 示，也可以在同一个网页上以不同的大小显示，或观全局，或观细节；而在网络 技术上，则是指这一规范能够与其他规范相融合，可以满足更广泛的用户需求， 适合更广泛的应用方式；矢量( v e c t o r ) 是指直线，曲线形状等几何图形如何按指 令绘制的而无需逐个像素进行描述；图形( g r a p h i c s ) 是指它提供了对矢量，矢量 栅格混合图形的描述，填补了大多数基于x m l 的标记语言规范对复杂图形描述 的空白l 2 1 。 w 3 c 对s v g 的解释是：s v g 是一种使用x m l 来描述二维图形的语言。它 允许3 种形式的图形对象存在：矢量图形，点阵图像和文本。各种图形对象能够 组合，变换，并且修改其形式，也能够定义成预处理对象。文本是x m l 名字空 间中的有效字符，这些字符能被作为s v g 图形的关键字而存留在搜索引擎中。 s v g 的功能包括嵌套变换，路经剪裁，透明度处理，滤镜效果以及其它扩展。 同时s v g 图形支持动画和交互，也支持完整的x m ld o m 接口，任何一种s v g 图形元素都能使用脚本来处理类似鼠标单击，双击以及键盘输入等事件，并且因 为同w e b 标准兼容的缘故，s v g 还能够在同一个w e b 页面里凭着继承x m l 的 名字空间等特性来完成一系列交互操作。 根据功能不同，s v g 的主要对象归为基本要素对象和页面描述对象两大类 僻 。 2 1 2s v g 的特征 1 基于x m l 标准 x m l 是公认的下一代网络标记语言。”。s v g 的语法和结构都是基于x m l 而设计，它继承了x m l 的跨平台性和可扩展性以及作为网络开发语言的所有优 6 越性。 首先，s v g 图形完全由元素和属性等标记组成，能够描述任意复杂的图形： 再者在s v g 中可开发出更多的网络服务：制作智能化的数据图形，图形中的数 据可以根据需要，由应用程序读取，修改和统计，最终数据信息在图形中显示， 这些都是其它图形技术不可及的。 2 矢量图形 矢量图形是近几年流行起来的，但是矢量图形还没有一个统一的格式标准 叫。这些矢量图形是计算机根据矢量数据计算后，由一系列的“计算机命令”来 生成图形的，因此矢量图形是一系列几何形体，如：点，线，面等，所描绘和存 储的是线条和色块信息组成，这与点阵图形( 也称光栅图形) 把每一点的颜色都 记录下来的存储方式不同，所以才具有不失真缩放和体积小的优点，这类图像是 由线框和填充构成。 s v g 作为一种矢量图形相对于位图图形具有特点：文件的大小与矢量程序 有关，而与图形的具体尺寸无关。图形的尺寸可以无级缩放，变化后不影响图 形的质量，所以在图形复杂度不大的情况下，矢量图形具有文件量小，可无级缩 放的优点。它可以对图形元素精确定位。文字状态依然保留：文字在s v g 图形中保留了可编辑和可搜寻的状态，没有字体的限制，用户将会看到和它们制 作完全相同的画面。超级颜色控制：s v g 提供一个1 6 m 颜色的调板，支持i c c 颜色描述文件，r g b ，渐变，蒙板以及添加各种滤镜效果。 值得注意的是，矢量图形描绘的只是一种中间格式的数据，无论是在网络上 或是在实际的应用中，最后这个图形都必须转换成点阵图形来处理。其转换效果 的好坏直接影响到矢量图形的使用，s v g 在这方面有着灵活的处理手段，例如： 可以设置防锯齿功能以及其它的美化效果等，这种转换的工作可以由服务器承 担，也可以交给客户端去处理，当然大多数是后者，否则，s v g 体积小的优点 就没有了。s v g 的严格定义使得图形处理人员从点阵图形到矢量图形的移植过 程中，用不着担心会不会失真。再者，s v g 定义的滤镜功能可以在转换后重现 各种复杂的特效，这一系列优点将使矢量图形的应用越来越广泛。 3 由文本构成图形 s v g 最明显的特征在于它是一种文本格式的图形，它可以不用任何图形处理 工具，可以用记事本或写字板编写，也可以方便的由程序语言动态的生成，例 如：c g i ，a s p ，j a v a 编程语言。s v g 图形中所有的描述语句都可以直接观察到， 所以也非常容易进行二次修改与更新。作为基于文本的格式，s v g 图形中的文 字还可以直接被网络搜索引擎所搜寻，这样可以制作自由的图像搜索引擎，从而 实现对w e b 图形的检索。 7 4 灵活的文件格式 s v g 具有可升级的特性，它的这种特点表现在多个方面，其中就包括灵活的 文件格式。 在以前的图形格式中，文本都作为位图而保存于图形中，图形形成以后不能 单独对文本进行修改，在p n g 格式中这一点有所改进，即：文本可作为一个独立 的层存在。 s v g 灵活地扩展了图形的文件格式，它由三个部分组成：矢量图形，位图和 文字。这样s v g 不仅仅可以应用矢量图形和文字对象，同样还可以纳入位图，可 以制作出任何其它格式图形所能达到的效果。由于文件格式是文本形式的，可以 很容易在以后任何时候进行修改，而且在页面运行的过程中，也可以对很多部分 做即时的修改，其中的图形描述还可以重复使用嘲。 5 支持交互性 s v g 支持s m i l ( s y n c h r o n i z e dm u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nl a n g u a g e ) ，这使得 它在图片内进行交互成为可能，这是以往的图形格式所不能做到的。s v 6 完全支 持d o m ( d o c u m e n to b j e c tm o d e l ) 口力，利用s v g 定义d o m ，通过脚本语句可以很方 便的做出s v g 动画。大量的事件句柄，如：o n m o u s e o v e r 、o n c l i c k ，也都可以指 派给任何一个s v g 元素，实现对自身或对其他图片的控制。由于具有良好的兼容 性，因而脚本语句能对一个页面中的h t 札和s v g 同时作用，实现功能强大的动 态交互。 6 内嵌式动态字体 d h t m l 中可以使用用户系统中没有的字体，在用户浏览时，根据需要通过w e b 即时下载。这对于英文系统来说是可以理解的，因为一种英文字体的文件大小一 般在几十k 左右。而对于中文系统来说，这种方法便不可取，因为任何种类中文 字体的文件量都在2 3 m 以上，用户不可能为了观看几个汉字而浪费大量的时间 和精力。 与d h t m l ( 动态h t m l ) 不同，s v g 采用了一种科学的方法来解决动态字体的 问题，它内嵌了图形中所出现文字的字体形状，用户不需要完全下载所有的字体 文件。这对于中文用户来说是相当便利的。 s v g 具有其它图形格式所不具有的优势特点，下面是对它的优势特点进行的 总结汹1 ：1 和其它媒体兼容；2 可升级的服务器端解决方案；3 文件尺寸小，方 便w e b 页面下载；4 无限的颜色和字体的选择；5 图像可任意缩放；6 可以用脚 本控制与客户的交互事件；7 方便浏览器进行高清晰的打印；8 可使用滤镜效果； 9 基于文本的格式，可以轻松地和其它w e b 技术集成；1 0 内建的国际语言支持， 减少维护成本，轻松升级广泛的多媒体兼容性。 s 2 1 3s v g 的应用价值 s v 6 主要的应用范围有如下几个方面：网络发展方面的需要，与其它开放标 准相兼容；数据表格，图像地图；无线设备需要；图像搜索引擎；网页设计思想 的改变。 s v g 的应用价值前景十分广阔，这是因为首先s v g 弥补了位图的缺陷，是一 种与平台无关、可查询、基于文本的图形格式。s v g 利用格式来定义图形的显示 方式，不管对于简单还是复杂的图形，都只使用很小的文件，大大节省了存储空 间。在某种意义上来说，s w f 和s v g 有很多相似之处，但是f l a s h 一旦输出成s w f 文档，就无法修改了，除非有原始的f l a 文件。虽然有一些工具可以从s w f 文件 中提取各种元素，但仍不能进行完全的修改。s v g 与之不同，它是文本格式，只 要用记事本就可以对其进行必要的修改，十分方便。 其次是s v g 的完全公开性，s v g 是w 3 c 组织制定的公开格式，任何公司都可 以参与s v g 标准的制定，从而使得标准更加科学和强大，参加标准制定的公司也 愿意支持s v g 格式。 最后，s v 6 具有完善的d o m 接口，使得各种语言和脚本语言可以方便的对它 的每一个元素进行处理和操作。掌握了s v g 语法，只使用记事本便可以读出或写 出图形中的内容。 2 2 - - 维图形几何变换的算法 利用显示输出图元及其属性的程序，可以生成各种图像和图形。在很多应用 中，还需要改变或控制显示效果。例如，通过调整组成部分的方向和大小来实现 设计和实施布局。在方向，尺寸和形状方面的变化，则是通过改变对象坐标描述 的几何交换而完成。基本的几何变换有平移，旋转和缩放，经常应用于对象的其 他变换还有反射和错切口町。 坐标变换分两步实现。第一步，将用户坐标系的数据转换为屏幕坐标系的数 据，这两个坐标系的x 轴正方向一致，y 轴正方向相反，可以通过建立两个坐标 的映射公式实现转换。第二步，缩放用户坐标范围至屏幕的视口范围。用户坐标 系内的图形外接矩形与屏幕视口范围在x 轴和y 轴方向上的缩放比例往往不同， 为了保证缩放之后的图形不发生变形，必须选择较小值作为统一的缩放因子，在 x 轴和y 轴上进行缩放，同时调整未按原始缩放比例进行缩放的轴向的坐标值， 确保图形位于视口的正中间。 下面介绍使用平移、旋转和缩放参数对二维对象重定位和改变尺寸的一般过 程。 9 2 2 1 平移 平移是指将对象沿直线路径从一个坐标位置移到另一个坐标位置的重定位。 即通过给原始坐标位置( x ，y ) 加上平移距离f ：和，来平移二维点，从而实现到 新位置 ，) ，) 的移动( 如图2 - 1 ) x 2 x + t ， y - y + ，。 一 图2 - 1 使用平移向量，从位置p 平移一个点到位置p ( 2 1 ) 一对平移距离( f ，r ，) 称为平移向量( t r a n s l a t i o nv e c t o r ) 或移动向量( s h i f t v e c t o r ) 。 可以使用列向量表示坐标位置，并使用平移向量将平移方程( 2 1 ) 表示为单 个矩阵方程： p = ( 羔) ，尸= ( 三： ，r = ( 乏 ( 2 2 ) 这样就可以使用矩阵形式来表示二维平移方程： p = p + t ( 2 3 ) 平移是一种不产生变形而移动对象的刚体变换( r i g i d - b o d y t r a n