接口与交互技术

接口与交互技术1第1页，课件共70页，创作于2023年2月图形系统标准图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。第2页，课件共70页，创作于2023年2月图形系统标准分类面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL(图形程序包)（三维）图形核心系统（3D-)GKS面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）第3页，课件共70页，创作于2023年2月CGI（计算机图形接口)--提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。--也可看作图形设备驱动程序的一种标准。--在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。第4页，课件共70页，创作于2023年2月CGI（计算机图形接口)包括控制功能集、图形对象输出功能集、图段功能集、输入和应答功能集、光栅功能集等.控制功能集:虚拟设备管理、虚拟设备坐标系和设备坐标系的坐标空间转换、出错控制、系统控制、询问功能等；输出功能集:涉及图元、属性、对象构成及控制和询问；图段功能集:图形对象组合、标志、产生、修改和操纵等功能；第5页，课件共70页，创作于2023年2月CGI（计算机图形接口)输入和应答功能集:输入象素阵列，并将输出结果应答在CGI虚拟设备上；光栅功能集:产生、检索、修改和显示象素数据的功能；第6页，课件共70页，创作于2023年2月CGM（计算机图形元文件)--与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式,包括功能规格说明和编码；--规定了生成、存储、传送图形信息的格式。--面向系统和系统开发者，和CGI配套提供。--通用性是其关键属性。第7页，课件共70页，创作于2023年2月CGM（计算机图形元文件)1.图形元文件

规定生成、存储、传送图形信息的格式，包括图形生成元文件和图段生成元文件两种；2.设计CGM的目的提供图形存档的数据格式；图形协议；图形设备接口标准化；查错；集成手段；3.CGM的组成

功能描述、字符、二进制数、正文编码.

第8页，课件共70页，创作于2023年2月GKS(图形核心系统)--提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。--与语言无关。--GKS提供了一个称为元文件的顺序文件接口--应用程序的所有图形资源由GKS控制（通过GKS元文件-GKSM）--GKSM用于:图形信息存档；系统传送图形信息在GKS应用程序间传送图形信息； 与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。第9页，课件共70页，创作于2023年2月GKSM（图形核心系统元文件标准）--GKSM功能：在GKS中，用图段来存储GKS运行过程中的信息。在GKS关闭后，图段不存在，信息自动丢失。为了解决此问题，我们采用GKS元文件GKSM——保存信息的一种机制。--GKS的实现系统在实现其接口的功能时，必须依赖于元文件的内容和格式。第10页，课件共70页，创作于2023年2月GKSM（图形核心系统元文件标准）--GKSM生成：GKSM定义了一个明文编码方案，是可以被大多数系统和设备应用的与系统无关的元文件。它提供了可向上兼容的文件格式，其结构是一个逻辑数据项目的序列。--一个GKSM的生成是在GKS运行中，通过一个GKSM输出工作站的“打开”—“启用”—“停用”—“关闭”整个过程后实现的。第11页，课件共70页，创作于2023年2月PHIGS（ISOIS9592）--向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；--图形数据按层次结构组织；--提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。第12页，课件共70页，创作于2023年2月PHIGS（ISOIS9592）--特点：高效，快速；--PHIGS结构：通过层次调用发生关系，结构元素不能在结构之外存在，每个结构有一个给定的标示名；--结构编辑：打开、关闭、查询、复制、执行、删除元素和结构等结构编辑命令；第13页，课件共70页，创作于2023年2月PHIGS（ISOIS9592）--GKS-3D和PHIGS的比较其差别表现在：数据结构，可修改性，属性存储，输出流水线等五种坐标系：造型坐标系，用户坐标系，观察坐标系，投影坐标系，设备坐标系；--PHIGS+包含了PHIGS的功能，增加了曲线、曲面、光源与光线、真实图形等功能；第14页，课件共70页，创作于2023年2月GL(图形程序包)图形程序库，UNIX下运行，OpenGL—微机，分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；I/O处理；真实图形显示。第15页，课件共70页，创作于2023年2月GL(图形程序包)功能分类：1.基本图素：如点、线、多边形、三角形、三角网格、矩形、圆和圆弧、字符、曲线、曲面、读写象素等；2.坐标转换；3.属性和显示方式设置；4.输入输出；5.真实图形显示；第16页，课件共70页，创作于2023年2月IGES（基本图形转换规范）--InitialGraphicsExchangeSpecification为使不同CAD/CAM系统间的数据转换所定义的几何和非几何数据格式及相应的文件结构；工业标准，非ISO标准；--作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。第17页，课件共70页，创作于2023年2月IGES（基本图形转换规范）

IGES基本单元几何实体：如点、线、B样条曲线、曲面等；描述实体：尺寸标注、绘图说明等；结构实体：组合项、图组、特性等；第18页，课件共70页，创作于2023年2月IGES（基本图形转换规范）

文件结构原则：是IGES的定义可改变复杂结构及其关系；是IGES文件格式便于各CAD/CAM系统处理；文件格式：ASCII码，80个字符的顺序文件；实体信息存在目录入口（DE）和参数（PD）中；数据原始信息和文件本身信息存在整体节和结束节中；定义信息存在开始节；第19页，课件共70页，创作于2023年2月产品模型数据转换标准STEP

为了克服IGES的缺陷，扩大CAD/CAM中几何和拓扑数据的范围而开发的；1.STEP的产品模型数据包括进行设计、分析、制造、测试，检验几何、拓扑、公差、关系、属性、性能等数据；2.STEP的概念模型第20页，课件共70页，创作于2023年2月产品模型数据转换标准STEP

采用形状特征信息模型，强调产品模型的完整表示，模型信息分为应用层、逻辑层和物理层;；概念模式包括形状模型、显示和绘图、形状特征和公差等；3.STEP中的特征定义显式特征和隐式特征；第21页，课件共70页，创作于2023年2月DXF数据接口DXF是AutoCAD系统的图形数据文件；DXF是具有专门格式的ASCII码文本文件，易于被其他程序处理，主要用于高级语言编写的程序与AutoCAD系统间的连接，或其他CAD系统与AutoCAD系统间交换图形文件。第22页，课件共70页，创作于2023年2月DXF数据接口DXF文件结构：标题段、表段、快段、元素段、文件结尾。第23页，课件共70页，创作于2023年2月计算机图形参考标准CGRM

五个层次定义计算机图形；1.CGRM的外部关系操作员接口、应用接口、获取数据元文件接口；2.环境模型构造、虚拟、观察、逻辑、物理等五个环境组成的抽象层；第24页，课件共70页，创作于2023年2月计算机图形参考标准CGRM

3．CGRM的数据元素六种数据元素：构图：集合存储器：标志存储器：聚集存储器：环境状态：处理元素：

第25页，课件共70页，创作于2023年2月窗口系统

特点:定义简洁，界面清晰，目标明确，实现紧凑，功能齐全，使用方便;几种常用的窗口系统1）

Smalltalk集编程、调试、运行和输出为一体的环境；2）

Macintosh操作系统基于窗口和图标，具有工具库，图符化；第26页，课件共70页，创作于2023年2月窗口系统3）

NeWS基于UNIX，支持网络，具有与设备无关的图形系统，特殊的成象模型和页面描述语言；4）

X窗口系统X11的特点；基本概念；5）

Windows特点；窗口组成；建立Windows应用程序的步骤；

第27页，课件共70页，创作于2023年2月窗口系统流行的图形用户接口1）OpenLook在X窗口系统的基础上建立的GUI环境；2）Motif基于X窗口，由工具箱、用户界面语言、窗口管理系统、风格指南文档等；3)OpenGL第28页，课件共70页，创作于2023年2月交互式技术与用户接口提出问题如何设计一个好的用户接口为什么要定义逻辑输入设备交互式绘图技术有哪些？第29页，课件共70页，创作于2023年2月交互的作用用户动态输入位置坐标、选择功能、拾取操作对象、设置参数等；拉近计算机和人的距离，提高工作效率，介绍错误。第30页，课件共70页，创作于2023年2月用户接口设计 用户接口确定用户与计算机如何进行信息交换。包括用户通过什么途径与图形系统进行联系，通过什么手段来操作系统的功能实现等。

最重要的就是高效率和对用户的友好性第31页，课件共70页，创作于2023年2月

用户接口的形式

子程序库、专用语言、交互命令1）子程序库用某种高级语言来扩展一系列的过程（函数），实现有关的图形设计和处理；常用的子程序库包括：GKS，GKS3D，PHIGS，GL，OPENGL等；第32页，课件共70页，创作于2023年2月

用户接口的形式

功能包括：1）基本图素如点、线、矩形、多边形、圆、字符、曲线、曲面等；2）坐标转换平移、旋转、比例、对称、视图和投影变换、裁剪等；3）图形属性和显示方式的设定线形、线宽、颜色等；4）输入输出输入输出设备的驱动等；5）真实图形的处理线、面的消隐，光照模型，等；6）用户界面设计菜单、对话框、命令行、出错信息等；

第33页，课件共70页，创作于2023年2月

用户接口的形式

2）专用语言解释型和编译型等两种；1）解释型首先检查关键字，其次拼参数，最后调用处理程序产生数据或图形；2）编译型词法分析： 识别关键字、标识符、常数、界符等；语法分析： 判断语法的正确性；数据生成： 产生相应的数据或图形；

第34页，课件共70页，创作于2023年2月

用户接口的形式

3）交互命令基于模型，实现用户所需要的输入、选择、拾取、编辑等操作；第35页，课件共70页，创作于2023年2月1）用户模型

用户模型（UserMode）是用户接口设计的基础，它提供给用户有关他所处理的对象以及作用于这些对象的处理过程的一个概念性模型。用户接口模型对于用户，模型要尽量接近现实，对开发者，模型要具有严格的形式化描述；第36页，课件共70页，创作于2023年2月2)交互命令执行过程

接受用户命令，检验是否有误，调用相应模块，输出结果；

1．3)编辑操作增操作： 设定位点、选择输出结果、输入参数等；删操作： 拾取和确认删除对象、删除对象、修改对象等；改操作： 拾取和确认修改对象、输入参数、输出结果等；第37页，课件共70页，创作于2023年2月1．4)编辑操作的实现1）

三表结构在用户数据表、显示数据表、用户/显示数据对照表中实现；用户数据表存放用户坐标系下的数据；显示数据表存放设备坐标系下的数据；由于用户/显示数据对照表的存在，实现了间接的一对多的映象关系；从用户坐标系到设备坐标系的编辑通过标识符进行的，且整体操作；从设备坐标系到用户坐标系，对屏幕显示的图形，通过拾取实现局部的编辑操作；2）

单表结构没有显示数据表和用户/显示数据对照表，直接对用户数据表进行的编辑操作；基于显示数据，利用用户坐标系和设备坐标系之间的转换和逆转换实现的；第38页，课件共70页，创作于2023年2月逻辑输入设备与输入处理逻辑输入设备PHIGS和GKS将各种图形输入设备从逻辑上分为六种：第39页，课件共70页，创作于2023年2月表2-1 图形输入设备的逻辑分类名称基本功能定位设备(Locator)指定一个点的坐标位置(x,y)笔划设备(Stroke)指定一系列点的坐标定值设备(Valuator)输入一个整数或实数字符串设备(String)输入一串字符选择设备(Choice)选择某个菜单项拾取设备(Pick)选择显示着的图形的组成部分第40页，课件共70页，创作于2023年2月设备的评价可以从三个层次上来看：⒈设备层⒉任务层⒊对话层第41页，课件共70页，创作于2023年2月具体如下 ⒈定位设备典型方法是定位屏幕光标。定位设备有鼠标器、操纵杆、跟踪球、空间球、数字化仪的触笔或手动光标等。第42页，课件共70页，创作于2023年2月定位设备分为三类：直接设备和间接设备绝对坐标设备和相对坐标设备连续设备和离散设备第43页，课件共70页，创作于2023年2月

⒉笔划设备 笔划设备的输入等于多次调用定位设备，产生一系列的坐标值，根据产生的坐标值可产生多边形和曲线等 ⒊定值设备

定值设备常用来输入各种参数和数据。第44页，课件共70页，创作于2023年2月⒋字符串设备 即进行字符串输入⒌选择设备 选择设备用来选择菜单选项、属性选项和用于构图的对象形状等。第45页，课件共70页，创作于2023年2月⒍拾取设备用拾取技术拾取一个图形对象：(1)利用定位设备冲突问题：第46页，课件共70页，创作于2023年2月解决方法：在图形对象生成时就对每一个对象确定其拾取优先级采用依次对拾取图形设立标志的办法。找距离最近的对象优先拾取。第47页，课件共70页，创作于2023年2月对一条以点(x1,y1)和点(x2,y2)为端点的线段来说，从点P0(x0,y0)到该线段距离的平方由下式来计算：第48页，课件共70页，创作于2023年2月(2)指定拾取窗口拾取窗口是以光标位置为中心的一个矩形窗口第49页，课件共70页，创作于2023年2月(3)矩形包围(4)直接键入结构名字

第50页，课件共70页，创作于2023年2月输入模式输入模式即如何管理、控制多种输入设备进行工作常用的输入模式有请求（request）、采样（sample）、事件（event）及其组合形式等几种。第51页，课件共70页，创作于2023年2月1.请求方式（requestmode）

输入设备在应用程序的控制下工作，程序在输入请求发出后一直被置于等待状态直到数据输入。2.取样方式（samplemode） 此时，应用程序和输入设备同时工作，当输入设备工作时，存储输入数据，并不断地更新当前数据，当程序要求输入时，程序采用当前数据值。第52页，课件共70页，创作于2023年2月3.事件方式（eventmode）

每次用户对输入设备的一次操作以及形成的数据叫做一个事件(Event)。

思想：一般一个事件发生时，往往来不及进行处理，于是，就要把事件按先后次序排成队列，以便先进先出，即先到的事件进入排队，先被取出进行处理。

当某设备被置成事件方式，程序和设备同时工作第53页，课件共70页，创作于2023年2月4.输入方式的组合使用一个应用程序同时可在几种输入模式方式下应用几个不同的输入设备来进行工作。第54页，课件共70页，创作于2023年2月交互式绘图技术基本交互绘图技术⒈

回显第55页，课件共70页，创作于2023年2月⒉

约束 约束：在图形绘制过程中对图形的方向、对齐方式等进行规定和校准。⒊

网格:绘制整齐精确图形的一种技术.⒋

引力域 引力域：将靠近某一点的任意输入位置“吸引”到该点上来，好象在该点的周围产生一个“引力域”。第56页，课件共70页，创作于2023年2月⒌

橡皮筋技术 橡皮筋技术：针对输入要求，动态地、连续地将输入过程表现出来，直到产生用户满意的输入结果为止。⒍

草拟技术 草拟技术用以实现用户任意画图的要求。两种保存方式两种采样方式第57页，课件共70页，创作于2023年2月⒎

拖动 拖动是将图形对象在空间移动的过程动态地、连续地表示出来，直到满足用户的位置要求为止。⒏

旋转⒐

形变第58页，课件共70页，创作于2023年2月三维交互技术困难用户难以区分屏幕上光标选择到对象的深度值和其他显示对象的深度值。键盘、鼠标、数字化仪等交互设备均为二维的，不能适应三维交互工作的需要。第59页，课件共70页，创作于2023年2月拾取图形

假设：☆设备坐标系；☆拾取点为；☆图形已显示且包含坐标值；拾取图形与其它图形不冲突；第60页，课件共70页，创作于2023年2月1)点的拾取

对于其中的一点，若满足（r为控制精度）：即在以为圆心，半径为r的圆内，则拾取成功；第61页，课件共70页，创作于2023年2月2）符号集的拾取

对每个符号重复点的拾取；3）直线段的拾取设直线段的两个端点为，直线的方程可求出，而直线的斜率可如下求出：满足该斜率的直线为：y=kx+b;第62页，课件共70页，创作于2023年2月分别将代入可得到三个相应的b;若

则在，距离为r的两个点所夹区域内；若到直线段的距离再满足控制精度r，这两个条件均成立，则直线段可拾取；4）折线段的拾取重复调用直线段的拾取；5）曲线的拾取离散成折线处理；第63页，课件共70页，创作于2023年2月6）字符串的拾取构造一