計算機(jī)圖形學(xué)簡明教程_第6章.ppt

1、第6章 人機(jī)交互繪圖技術(shù),第6章 人機(jī)交互繪圖技術(shù),人機(jī)交互（Human-Computer Interaction）指用戶與計算機(jī)系統(tǒng)之間的通信。這里的“交互”被定義為一種雙向信息交換，用戶可向計算機(jī)輸入信息，計算機(jī)也可向用戶反饋信息。 本章主要介紹與計算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的人機(jī)交互問題和技術(shù)，其中包括：基本交互任務(wù)、常見輔助交互技術(shù)和交互的輸入模式。還簡單介紹人機(jī)交互中的新技術(shù)與發(fā)展趨勢，本章最后將介紹Java3D中的交互技術(shù)。,6.1 基本交互任務(wù),1、定位 定位：確定平面或空間一點P的坐標(biāo)。 直接定位:指用定位設(shè)備直接確定點的位置，如用鍵盤輸入點的坐標(biāo)或在觸摸屏上指定一點等。 設(shè)備：數(shù)字化儀、

2、光筆、觸摸屏 間接定位:指通過定位設(shè)備的運動來控制屏幕上的光標(biāo)進(jìn)行定位，如根據(jù)鼠標(biāo)移動的相對距離去控制屏幕上光標(biāo)的移動，通過光標(biāo)確定目標(biāo)點的坐標(biāo)。 設(shè)備：鼠標(biāo)、屏幕上的光標(biāo)、操縱桿、數(shù)字化儀及鍵盤上的方向鍵。,2、筆畫,筆畫輸入就相當(dāng)于多次調(diào)用定位輸入，輸入的結(jié)果是產(chǎn)生了一組有序的坐標(biāo)點，我們可以順序連接這些點形成折線，也可用這些點作為控制頂點生成擬合曲線，然后用生成的折線或擬合的曲線來近似輸入的筆畫。,筆畫設(shè)備的輸入方式與前述的定位設(shè)備一致。許多用于定位輸入的物理設(shè)備也可用作筆畫設(shè)備，如鼠標(biāo)、軌跡球和圖形輸入板。,3、定值,定值：指在給定范圍內(nèi)輸入一個值，用于設(shè)置物體的旋轉(zhuǎn)角度、縮放比例等。

3、,定值任務(wù)對應(yīng)的典型物理設(shè)備有控制旋鈕、帶有數(shù)字鍵的鍵盤、數(shù)字化儀、鼠標(biāo)、方向鍵和編程功能鍵等。,4、選擇,選擇是指在某個選擇集中選定一個或幾個元素，它可用于確定操作對象，指定命令或選定屬性等。,使用菜單進(jìn)行選擇是非常直觀同時也是最為普遍的一種交互方法，對話框和鍵盤上的按鍵也可提供選擇功能。,選擇設(shè)備的輸入方式包括時間掃描、手寫輸入、聲音輸入、字符串選擇、直接或間接在屏幕上進(jìn)行選擇等。對應(yīng)的物理設(shè)備包括編程功能鍵、聲音識別儀、字符串輸入設(shè)備、光筆、觸摸屏、數(shù)字化儀、鼠標(biāo)、操縱桿、跟蹤球等。,5、拾取,拾取功能用于選擇場景中即將進(jìn)行變換或編輯的部分。,拾取方法有：1）指定名稱法；2）特征點法；3

4、）邊界盒法；4）分類拾取法,拾取設(shè)備的輸入方式包括直接在屏幕上選取、時間掃描、字符串選取等。其對應(yīng)的物理設(shè)備包括各種定位設(shè)備、編程功能鍵、字符串輸入設(shè)備等。,6、字符串,字符串輸入功能用于為對象命名、為圖紙加文字注釋等。,輸入方式包括鍵盤輸入、手寫輸入、語音識別、菜單選擇等。,7、三維交互,三維交互任務(wù)涉及三維空間中的定位、選擇和旋轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)比二維交互復(fù)雜和困難。,三維交互任務(wù)有對應(yīng)的專用設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔等。,6.2 常見輔助交互技術(shù),6.2.1 幾何約束 1、定位約束 在屏幕上定義一個網(wǎng)格，使用網(wǎng)格時，用任何方式輸入的點都將被定位到離該點最近的網(wǎng)格點上，如圖6.5所示。,定義網(wǎng)格線為:

5、 ，,設(shè)輸入點的坐標(biāo)為（x, y），則離它最近的網(wǎng)格點的坐標(biāo)為：,2、方向約束,該技術(shù)用于繪制水平或垂直線段。繪制時若線段終點和起點間的連線與水平線的夾角小于45，則繪制一條水平線，大于等于45則繪制垂直線。,用光標(biāo)進(jìn)行選圖操作時，為使光標(biāo)較容易地定位在選擇區(qū)域較小的圖形上，可將圖形的選擇區(qū)域適當(dāng)變大，點擊時，只要光標(biāo)落在選擇區(qū)域中，相應(yīng)的圖形即被選中，這就是引力場的方法。,3、引力場,6.2.2 拖拽,拖拽是人機(jī)交互中普遍使用的技術(shù)。用鼠標(biāo)拖拽圖形時，圖形將隨著光標(biāo)的移動而移動。,圖形模式和圖像模式下對拖拽的處理方法是不同的。圖形模式重繪的是移動的圖形，而圖像模式重繪的是圖形經(jīng)過處的圖像。,

6、“橡皮筋技術(shù)”是拖拽的另一種形式，不同的只是被拖動對象的形狀隨著光標(biāo)位置的不同而變化。,6.2.3 在三視圖上作三維輸入,要輸入一個立體圖，常常是將點、線、面單獨輸入的。對一個點、一條線或一個面來講，只要在三視圖上給出足夠的信息，就可以唯一確定它在三維空間中對應(yīng)的圖形。,通過三視圖輸入立體圖形是目前主流的輸入手段之一。,6.3 人機(jī)交互輸入模式,當(dāng)人機(jī)交互系統(tǒng)中有多種設(shè)備用于輸入時，應(yīng)用程序需要指明輸入設(shè)備的物理類型及邏輯分類來對其加以區(qū)分，這就需要在程序與輸入設(shè)備之間施加控制。常用的控制模式有請求、樣本、事件及其組合形式。,在請求模式下，輸入設(shè)備由應(yīng)用程序啟動。程序通過輸入設(shè)置命令（或語句）

7、將相應(yīng)設(shè)備設(shè)置成輸入模式后，該設(shè)備才可以進(jìn)行相應(yīng)的輸入操作。,請求模式的特點是：用戶在接收到應(yīng)用程序請求后才輸入數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序等待用戶輸入數(shù)據(jù)，輸入結(jié)束，才進(jìn)行處理。這種模式體現(xiàn)了應(yīng)用程序在輸入過程中的主導(dǎo)地位。,6.3.1 請求模式,6.3.2 樣本模式,應(yīng)用程序與輸入設(shè)備將各自獨立運行，信息的輸入和程序中的輸入命令無關(guān)。,設(shè)備源源不斷地把信息送入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，取代原有數(shù)據(jù)，而不必等待應(yīng)用程序的輸入語句。當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行到輸入指令時，就會把物理設(shè)備當(dāng)前的輸入值作為取樣值加以處理。,優(yōu)點：對連續(xù)的數(shù)據(jù)流輸入比較方便。 缺點：當(dāng)應(yīng)用程序不能及時取走數(shù)據(jù)時，某些輸入信息會丟失。,6.3.3 事件模式,

8、輸入過程與應(yīng)用程序并發(fā)運行。所有輸入數(shù)據(jù)（或事件）都被存放在一個事件隊列中，該隊列以事件發(fā)生的時間排序。用戶在輸入設(shè)備上完成一個輸入動作便產(chǎn)生一個事件。應(yīng)用程序可到隊列中查詢和提取與其相關(guān)的事件。,事件模式和樣本模式下的應(yīng)用程序是不一樣的。事件模式下，當(dāng)用戶完成輸入動作后，輸入數(shù)據(jù)被保存在事件模式的隊列中，等待程序一一取走，用戶輸入的數(shù)據(jù)不會被丟棄。而樣本模式下，輸入設(shè)備不斷輸入樣本（如一連串點列），只有被程序中的取樣過程取到的數(shù)據(jù)才會得到處理，未取到的數(shù)據(jù)將被忽略。,6.3.4 輸入方式的混合使用,三種數(shù)據(jù)輸入模式體現(xiàn)了應(yīng)用程序和用戶進(jìn)行通信的不同方式。 請求模式下，應(yīng)用程序是輸入操作的發(fā)起

9、方，應(yīng)用程序和用戶之間的操作是串行的，相互間有明顯制約關(guān)系。 樣本方式則允許用戶的輸入操作和應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行。 事件模式由用戶方發(fā)起數(shù)據(jù)處理請求，強(qiáng)調(diào)了人機(jī)交互系統(tǒng)中人的主動性，大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理的并發(fā)性，提高了人機(jī)交互的效率。,現(xiàn)代計算機(jī)圖形輸入系統(tǒng)常?；旌鲜褂枚喾N輸入方式，即一個應(yīng)用程序可以在幾種輸入方式下控制多種不同的輸入設(shè)備，而不是單一地使用某種輸入方式。,6.4 人機(jī)交互新技術(shù),6.4.1 新的界面技術(shù)多通道用戶界面,多通道用戶界面：在同一時刻用戶可以采用多個通道與計算機(jī)進(jìn)行交互，以提高人機(jī)交互的效率和自然性。,多通道交互是人機(jī)交互的一種新形式，有以下幾個特點：,使用多個感覺通道和效

10、應(yīng)（動作）通道； 允許非精確的交互； 三維和直接操縱； 交互的雙向性； 交互的隱含性。,多通道用戶界面達(dá)到的目標(biāo)：1）交互的自然性；2）交互的高效性；3）吸取已有的人機(jī)交互技術(shù)的成果，與傳統(tǒng)的用戶界面兼容，使原有的知識和技能得以利用，不被淘汰。,6.4.2 新的交互技術(shù),多媒體側(cè)重于計算機(jī)信息表達(dá)及輸出的多樣性和自然性，豐富了計算機(jī)表達(dá)信息的形式。將多媒體技術(shù)應(yīng)用于計算機(jī)系統(tǒng)，可使人們得到的信息更直觀，從而簡化用戶的操作，使人機(jī)交互的方式朝著于人與人交互的方向發(fā)展。,在人機(jī)交互中，主要利用跳動和注視兩種形式。,視線追蹤技術(shù)的目標(biāo)：當(dāng)用戶盯著感興趣的目標(biāo)時，計算機(jī)如果可以自動將光標(biāo)置于其上，人機(jī)

11、交互更為直接。,1、多媒體技術(shù),2、視線跟蹤,3、手勢識別,利用計算機(jī)識別和解釋手勢輸入是將手勢應(yīng)用于人機(jī)交互的關(guān)鍵前提。 目前采用的手勢識別技術(shù)主要有：1）模板匹配技術(shù)；2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。3）統(tǒng)計分析技術(shù)。 設(shè)備：鼠標(biāo)，筆，數(shù)據(jù)手套以及計算機(jī)視覺裝置等。,4、表情識別,國際上關(guān)于表情分析與識別的研究可分為基于心理學(xué)的和基于計算機(jī)識別的兩類。,計算機(jī)面部表情的識別分三個步驟：1)表情的跟蹤，即從外界攝取表情信息；2)表情的編碼，即把表情信息用計算機(jī)所能理解的形式表示出來；3)表情的識別。,5、手寫識別,手寫識別：圖形記號表示的語言轉(zhuǎn)換成字符表示 。 手寫識別分脫機(jī)（off-line，又稱離線）

12、識別和聯(lián)機(jī)（on-line）識別（可實時的進(jìn)行人機(jī)交互）兩種。,6、語音識別,語音識別：計算機(jī)通過識別與理解，將語音信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的文本文件或命令的技術(shù)。它是一門交叉學(xué)科，涉及語音學(xué)、心理學(xué)、工程和計算機(jī)多個領(lǐng)域的知識和技能。,一個完整的語音識別系統(tǒng)大致分三部分：1)語音特征提取；2)聲學(xué)模型與模式匹配（識別算法）；3)語言模型與語言處理。,7、自然語言理解與自然語言接口,自然語言理解就是計算機(jī)對自然語言的理解。 自然語言接口是一類基于自然語言知識的人機(jī)交互系統(tǒng)，其目的是建立人與機(jī)器之間密切而友好的關(guān)系，使之能進(jìn)行高級的信息傳遞與認(rèn)知活動。 自然語言理解是自然語言接口的基礎(chǔ)。,8、三維交互,三

13、維人機(jī)交互技術(shù)不同于常見的WIMP圖形交互技術(shù)，三維交互技術(shù)采用的輸入設(shè)備具有六個自由度。,在三維用戶界面中，用戶主要通過兩種交互方式在三維空間中進(jìn)行操作：1) 直接操作。2）三維widgets，即三維畫面中的一些小工具。,9、計算機(jī)支持的協(xié)同工作（CSCW）,CSCW：一個分布式的計算機(jī)系統(tǒng)，以多媒體方式通信交互，具有較高的實時性。并具有并發(fā)處理和控制功能，可實現(xiàn)共享媒體的互斥訪問。 因CSCW具有交互性、分布性和協(xié)同性等特點，可被廣泛應(yīng)用于電子會議、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。,10、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）,虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）又稱虛擬環(huán)境（Virtual Environ

14、ment），是由計算機(jī)生成的，可以給人多種感官刺激的虛擬世界，是一種高級的人機(jī)交互系統(tǒng)。,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點：1)多感知性；2)浸沒感；3)交互性；4）構(gòu)想性。,6.5 人機(jī)交互的發(fā)展趨勢,新一代人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下四個方面：,1、集成化：可見與不可見界面，桌面與命令行界面，二維與三維輸入，間接與直接操縱，語音、手勢、觸覺、表情及鍵盤鼠標(biāo)等都將被集成在一起。,2、網(wǎng)絡(luò)化：在不同設(shè)備，不同網(wǎng)絡(luò)，不同平臺間的無縫過渡和擴(kuò)展，不僅支持簡單自然的跨地域交互，還要支持多個用戶之間以協(xié)作的方式進(jìn)行的交互。,3、智能化：讓計算機(jī)更好的捕捉用戶通過語音，動作等表達(dá)的信息，理解人的意圖，甚至糾正人的錯誤，做出合適的反饋，使人機(jī)交互像人與人之間的交互一樣自然、方便。,4、標(biāo)準(zhǔn)化：指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，測試和評估。,6.6 交互技術(shù)應(yīng)用舉例,Java程序中的交 互技術(shù)可通過程 序中的類對用戶 事件的響應(yīng)實現(xiàn)。,Java處理事件的過程可以分為三個部分，事件來源（可能是窗口，按鈕或其他程序接口組件），事件監(jiān)聽者（處理用戶事件的接口）和事件處理者（對事件的處理方法）。,6.6 交互技術(shù)應(yīng)用舉例,Java中，事件以類的形式存在。鼠標(biāo)和鍵盤對應(yīng)的事件類及其接口為：KeyEvent鍵