计算机图形学简明教程_第6章.ppt

1、第6章 人机交互绘图技术,第6章 人机交互绘图技术,人机交互（Human-Computer Interaction）指用户与计算机系统之间的通信。这里的“交互”被定义为一种双向信息交换，用户可向计算机输入信息，计算机也可向用户反馈信息。 本章主要介绍与计算机图形学相关的人机交互问题和技术，其中包括：基本交互任务、常见辅助交互技术和交互的输入模式。还简单介绍人机交互中的新技术与发展趋势，本章最后将介绍Java3D中的交互技术。,6.1 基本交互任务,1、定位 定位：确定平面或空间一点P的坐标。 直接定位:指用定位设备直接确定点的位置，如用键盘输入点的坐标或在触摸屏上指定一点等。 设备：数字化仪、

2、光笔、触摸屏 间接定位:指通过定位设备的运动来控制屏幕上的光标进行定位，如根据鼠标移动的相对距离去控制屏幕上光标的移动，通过光标确定目标点的坐标。 设备：鼠标、屏幕上的光标、操纵杆、数字化仪及键盘上的方向键。,2、笔画,笔画输入就相当于多次调用定位输入，输入的结果是产生了一组有序的坐标点，我们可以顺序连接这些点形成折线，也可用这些点作为控制顶点生成拟合曲线，然后用生成的折线或拟合的曲线来近似输入的笔画。,笔画设备的输入方式与前述的定位设备一致。许多用于定位输入的物理设备也可用作笔画设备，如鼠标、轨迹球和图形输入板。,3、定值,定值：指在给定范围内输入一个值，用于设置物体的旋转角度、缩放比例等。

3、,定值任务对应的典型物理设备有控制旋钮、带有数字键的键盘、数字化仪、鼠标、方向键和编程功能键等。,4、选择,选择是指在某个选择集中选定一个或几个元素，它可用于确定操作对象，指定命令或选定属性等。,使用菜单进行选择是非常直观同时也是最为普遍的一种交互方法，对话框和键盘上的按键也可提供选择功能。,选择设备的输入方式包括时间扫描、手写输入、声音输入、字符串选择、直接或间接在屏幕上进行选择等。对应的物理设备包括编程功能键、声音识别仪、字符串输入设备、光笔、触摸屏、数字化仪、鼠标、操纵杆、跟踪球等。,5、拾取,拾取功能用于选择场景中即将进行变换或编辑的部分。,拾取方法有：1）指定名称法；2）特征点法；3

4、）边界盒法；4）分类拾取法,拾取设备的输入方式包括直接在屏幕上选取、时间扫描、字符串选取等。其对应的物理设备包括各种定位设备、编程功能键、字符串输入设备等。,6、字符串,字符串输入功能用于为对象命名、为图纸加文字注释等。,输入方式包括键盘输入、手写输入、语音识别、菜单选择等。,7、三维交互,三维交互任务涉及三维空间中的定位、选择和旋转，远比二维交互复杂和困难。,三维交互任务有对应的专用设备，如数据手套、数据头盔等。,6.2 常见辅助交互技术,6.2.1 几何约束 1、定位约束 在屏幕上定义一个网格，使用网格时，用任何方式输入的点都将被定位到离该点最近的网格点上，如图6.5所示。,定义网格线为:

5、 ，,设输入点的坐标为（x, y），则离它最近的网格点的坐标为：,2、方向约束,该技术用于绘制水平或垂直线段。绘制时若线段终点和起点间的连线与水平线的夹角小于45，则绘制一条水平线，大于等于45则绘制垂直线。,用光标进行选图操作时，为使光标较容易地定位在选择区域较小的图形上，可将图形的选择区域适当变大，点击时，只要光标落在选择区域中，相应的图形即被选中，这就是引力场的方法。,3、引力场,6.2.2 拖拽,拖拽是人机交互中普遍使用的技术。用鼠标拖拽图形时，图形将随着光标的移动而移动。,图形模式和图像模式下对拖拽的处理方法是不同的。图形模式重绘的是移动的图形，而图像模式重绘的是图形经过处的图像。,

6、“橡皮筋技术”是拖拽的另一种形式，不同的只是被拖动对象的形状随着光标位置的不同而变化。,6.2.3 在三视图上作三维输入,要输入一个立体图，常常是将点、线、面单独输入的。对一个点、一条线或一个面来讲，只要在三视图上给出足够的信息，就可以唯一确定它在三维空间中对应的图形。,通过三视图输入立体图形是目前主流的输入手段之一。,6.3 人机交互输入模式,当人机交互系统中有多种设备用于输入时，应用程序需要指明输入设备的物理类型及逻辑分类来对其加以区分，这就需要在程序与输入设备之间施加控制。常用的控制模式有请求、样本、事件及其组合形式。,在请求模式下，输入设备由应用程序启动。程序通过输入设置命令（或语句）

7、将相应设备设置成输入模式后，该设备才可以进行相应的输入操作。,请求模式的特点是：用户在接收到应用程序请求后才输入数据。应用程序等待用户输入数据，输入结束，才进行处理。这种模式体现了应用程序在输入过程中的主导地位。,6.3.1 请求模式,6.3.2 样本模式,应用程序与输入设备将各自独立运行，信息的输入和程序中的输入命令无关。,设备源源不断地把信息送入数据缓存区，取代原有数据，而不必等待应用程序的输入语句。当应用程序执行到输入指令时，就会把物理设备当前的输入值作为取样值加以处理。,优点：对连续的数据流输入比较方便。 缺点：当应用程序不能及时取走数据时，某些输入信息会丢失。,6.3.3 事件模式,

8、输入过程与应用程序并发运行。所有输入数据（或事件）都被存放在一个事件队列中，该队列以事件发生的时间排序。用户在输入设备上完成一个输入动作便产生一个事件。应用程序可到队列中查询和提取与其相关的事件。,事件模式和样本模式下的应用程序是不一样的。事件模式下，当用户完成输入动作后，输入数据被保存在事件模式的队列中，等待程序一一取走，用户输入的数据不会被丢弃。而样本模式下，输入设备不断输入样本（如一连串点列），只有被程序中的取样过程取到的数据才会得到处理，未取到的数据将被忽略。,6.3.4 输入方式的混合使用,三种数据输入模式体现了应用程序和用户进行通信的不同方式。 请求模式下，应用程序是输入操作的发起

9、方，应用程序和用户之间的操作是串行的，相互间有明显制约关系。 样本方式则允许用户的输入操作和应用程序并发执行。 事件模式由用户方发起数据处理请求，强调了人机交互系统中人的主动性，大大增强了数据处理的并发性，提高了人机交互的效率。,现代计算机图形输入系统常常混合使用多种输入方式，即一个应用程序可以在几种输入方式下控制多种不同的输入设备，而不是单一地使用某种输入方式。,6.4 人机交互新技术,6.4.1 新的界面技术多通道用户界面,多通道用户界面：在同一时刻用户可以采用多个通道与计算机进行交互，以提高人机交互的效率和自然性。,多通道交互是人机交互的一种新形式，有以下几个特点：,使用多个感觉通道和效

10、应（动作）通道； 允许非精确的交互； 三维和直接操纵； 交互的双向性； 交互的隐含性。,多通道用户界面达到的目标：1）交互的自然性；2）交互的高效性；3）吸取已有的人机交互技术的成果，与传统的用户界面兼容，使原有的知识和技能得以利用，不被淘汰。,6.4.2 新的交互技术,多媒体侧重于计算机信息表达及输出的多样性和自然性，丰富了计算机表达信息的形式。将多媒体技术应用于计算机系统，可使人们得到的信息更直观，从而简化用户的操作，使人机交互的方式朝着于人与人交互的方向发展。,在人机交互中，主要利用跳动和注视两种形式。,视线追踪技术的目标：当用户盯着感兴趣的目标时，计算机如果可以自动将光标置于其上，人机

11、交互更为直接。,1、多媒体技术,2、视线跟踪,3、手势识别,利用计算机识别和解释手势输入是将手势应用于人机交互的关键前提。 目前采用的手势识别技术主要有：1）模板匹配技术；2）神经网络技术。3）统计分析技术。 设备：鼠标，笔，数据手套以及计算机视觉装置等。,4、表情识别,国际上关于表情分析与识别的研究可分为基于心理学的和基于计算机识别的两类。,计算机面部表情的识别分三个步骤：1)表情的跟踪，即从外界摄取表情信息；2)表情的编码，即把表情信息用计算机所能理解的形式表示出来；3)表情的识别。,5、手写识别,手写识别：图形记号表示的语言转换成字符表示 。 手写识别分脱机（off-line，又称离线）

12、识别和联机（on-line）识别（可实时的进行人机交互）两种。,6、语音识别,语音识别：计算机通过识别与理解，将语音信号转变成相应的文本文件或命令的技术。它是一门交叉学科，涉及语音学、心理学、工程和计算机多个领域的知识和技能。,一个完整的语音识别系统大致分三部分：1)语音特征提取；2)声学模型与模式匹配（识别算法）；3)语言模型与语言处理。,7、自然语言理解与自然语言接口,自然语言理解就是计算机对自然语言的理解。 自然语言接口是一类基于自然语言知识的人机交互系统，其目的是建立人与机器之间密切而友好的关系，使之能进行高级的信息传递与认知活动。 自然语言理解是自然语言接口的基础。,8、三维交互,三

13、维人机交互技术不同于常见的WIMP图形交互技术，三维交互技术采用的输入设备具有六个自由度。,在三维用户界面中，用户主要通过两种交互方式在三维空间中进行操作：1) 直接操作。2）三维widgets，即三维画面中的一些小工具。,9、计算机支持的协同工作（CSCW）,CSCW：一个分布式的计算机系统，以多媒体方式通信交互，具有较高的实时性。并具有并发处理和控制功能，可实现共享媒体的互斥访问。 因CSCW具有交互性、分布性和协同性等特点，可被广泛应用于电子会议、远程教学、远程医疗等领域。,10、虚拟现实技术（VR）,虚拟现实（Virtual Reality）又称虚拟环境（Virtual Environ

14、ment），是由计算机生成的，可以给人多种感官刺激的虚拟世界，是一种高级的人机交互系统。,虚拟现实技术的特点：1)多感知性；2)浸没感；3)交互性；4）构想性。,6.5 人机交互的发展趋势,新一代人机交互技术的发展主要围绕以下四个方面：,1、集成化：可见与不可见界面，桌面与命令行界面，二维与三维输入，间接与直接操纵，语音、手势、触觉、表情及键盘鼠标等都将被集成在一起。,2、网络化：在不同设备，不同网络，不同平台间的无缝过渡和扩展，不仅支持简单自然的跨地域交互，还要支持多个用户之间以协作的方式进行的交互。,3、智能化：让计算机更好的捕捉用户通过语音，动作等表达的信息，理解人的意图，甚至纠正人的错误，做出合适的反馈，使人机交互像人与人之间的交互一样自然、方便。,4、标准化：指导产品设计，测试和评估。,6.6 交互技术应用举例,Java程序中的交 互技术可通过程 序中的类对用户 事件的响应实现。,Java处理事件的过程可以分为三个部分，事件来源（可能是窗口，按钮或其他程序接口组件），事件监听者（处理用户事件的接口）和事件处理者（对事件的处理方法）。,6.6 交互技术应用举例,Java中，事件以类的形式存在。鼠标和键盘对应的事件类及其接口为：KeyEvent键