计算机图形学第5章交互技术

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1、第五章 交互技术 重点：掌握图形输入设备、交互技术 、用户界面设计等内容。 难点：理解六种逻辑输入设备、三种 输入方式、常用的交互技术以及用户 界面设计原则 课时安排：授课2学时。 交互技术是关于计算机与人之间的双向通讯方式。一个图形系统，用 户可以利用鼠标、键盘、数字化仪、扫描仪等输入设备对图形数据进行输 入、定位、拖动、拾取、修改和拷贝等各种交互操作。 5.1 物理输入设备有多种设备用于图形系统的数据输入。多数系统有一个键盘和其它种为 交互输入而设计的设备。这些设备包括：鼠标、跟踪球、操纵杆、数字化仪 、光笔等。适合特殊应用的其它输入设备有：数据手套、触摸板、扫描仪和声音系 统。 1、键盘

2、(Keyboard)键盘除了输入文本串外，也能用来进行屏幕坐标的输入、菜单选择及图 形功能的选择。因此，作为图形输入设备的键盘，除通常的以ASCII编码的 数字键和字母键外，还附有一些命令键和功能键，以完成图形操作时的某一 特定功能。2、鼠标（Mouse）鼠标是一种用来定位屏幕光标的图形输入设备，当鼠标被移动时，它能 将移动的方向和距离转换成数字信号传送给计算机，从而达到定位的目的。鼠标通常可以用按键数目及检测移动的方式来分类。鼠标的顶部常常会有13个按键，不同的软件系统可以自行定义这些 按键的操作方式及其功能含义。机械鼠标利用底部滚轮的运动来检测移动的方向和距离；光电鼠标通常必须在一块印有相

3、同间隔的网格板上移动，利用鼠标底部 的发光二极管（LED）和光敏传感器，检测移动的方向和距离。由于鼠标检测到的是相对当前位置的运动方向和距离，因此它是一种相 对坐标定位设备。鼠标上附加一些其它装置可以增加鼠标的功能。如下图的Z鼠标包含： 三个按键、侧边的拇指轮、顶部的跟踪球以及底部的标准鼠标球。用Z鼠标 ，可以拾取一个对象，使其按六个自由度进行旋转并按任意方向移动。Z鼠 标可用在虚拟现实系统、CAD和动画领域。 3、跟踪球（Trackball）和空间球（Spaceball）跟踪球（Trackball）是一个装在支架上的可以自由转动的球，人的手 掌摸着球转动时，带动着两个互相垂直的电位器，电位器

4、的输出送给系统 ，控制屏幕光标的移动。4、操纵杆（Joystick）操纵杆由手杆安装在一个底座上构成，它用来对屏幕光标进行操纵， 它只不过用一根杆控制两个方向的电位器。当操纵杆左右摆动时，改变着 代表X方向的电位器；当操纵杆前后摆动时，改变着代表Y方向的电位器。 5、数据手套（Data Glove）数据手套可用来抓住“虚拟“ 对象。手套由一系列检测手和手指运动的 传感器构成。发送天线和接收天线之间的电磁耦合，用来提供关于手的位 置和方向的信息。发送和接收天线分别由一组三个相互垂直的线圈构成， 形成三维笛卡儿坐标系统。来自手套的输入，可用来给虚拟场景中的对象 定位或操纵该场景的对象。可在显示器上

5、观察或用头套观察三维投影。6、数字化仪（Digitizer）数字化仪也叫图形输入板（graphics tablet），是一种能够方便地将 用户的原始图件转换成坐标并输入计算机的常用图形设备。数字化仪因制作原理不同，有四种结构形式：电磁感应式、静电感应 式、超声波式、磁致伸缩式。通常使用的是电磁感应式结构形式。在一块 布满金属网格的绝缘平板上放置一个可移动的定位设备，该设备可以是手 持游标或者是指示笔。手持游标上的十字叉丝用于定位，游标上通常还有 2个、4个或16个按键，每个按键都可以赋予特定的功能。指示笔上面通常 也有按键。数字化仪是一种绝对坐标定位设备，它将手持游标或指示笔位于数字 化仪平板

6、上的坐标位置输入到计算机。工作时用户将原始图样平贴在数字 化仪平板上，用游标将原始图样的几何数据精确地输入到计算机里。7、图象扫描仪（Image Scanner）图象扫描仪是一种直接把图形（如工程图纸）或图象（如照片）扫描 输入到计算机中，并以象素形式存储表示的图形输入设备。按所支持的颜色来分类，可以分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件来分类，可以分为电荷耦合器件（CCD： Charge Coupled Device）扫描仪、金属氧化物半导体（MOS：Metal Oxide Semiconductor）电路扫描仪等；按扫描图件的宽度和操作方式来分类，又可分为大型扫描仪、台式扫 描仪、

7、手持式扫描仪等。扫描仪的分辨率是指在原稿的单位长度上的取样点数，单位是dpi（ dot per inch），目前常用的分辨率为3001000dpi。扫描仪的另一个重要指标是它支持的颜色、灰度等级。当然，分辨率 越高、颜色、灰度等级越多，保存图象所需要的存储空间就越大。8、触摸板（Touch Panel）触摸板是一种可以通过手指触摸显示的物体或屏幕位置来实现定位和 选择的设备。有些系统像等离子显示板直接设计成具有触摸屏功能，另一 些系统则通过在显示屏上贴一个透明的有触感的设备来进行触摸输入。根据工作原理，触摸屏可以分为电阻式、电容式、红外线式和声表面 波式等几种。如红外线式触摸板，在沿框的垂直边

8、和水平边各使用一行红外发光二 极管（LED），而相对的垂直边和水平边安装光检测器。触摸时手指或其 它东西会挡住部分光线，通过光检测器便可测知光线被挡住的位置。 9、光笔（Light Pen）光笔是一种能检测出计算机荧光屏发出荧光的笔式装置，它对电子束 打到特定象素点时荧光涂层瞬时发射的突发光敏感。光笔的笔尖处有一个小孔，使得荧光屏上的光可以进入笔内，进入笔 内的光脉冲经光导纤维传导、放大，在开关控制下向计算机发出中断信号 来实现对图形的拾取或定位。虽然光笔并未消失，但由于其精度低、操作容易疲劳、不能检测屏幕 黑暗区域，因此它不再像一度兴旺那样普及。10、数码相机（Digital Camera）

9、就外形而言，数码相机与传统相机之间并没有明显的区别，它们都有 光学镜头系统、电子快门系统、电子测光系统等，它们的主要差异在于感 光材料和存储部件不同。传统相机采用化学感光材料，将图象存储在胶片 上；而数码相机采用电荷耦合器件作为感光材料，它将光线转换为电荷， 再通过模数转换器转换成数字信号，以压缩格式存储在相机的存储器中。中档数码相机的分辨率为6404801024768，专业级数码相机的 分辨率可高达30602036，图象一般以24位JPEG压缩格式存储。目前， 数码相机使用的外存储器呈现多样化的趋势，既有闪烁存储卡、多种型号 PCMCIA卡、又有标准3.5“软盘、硬盘卡。数码相机除了具有与计

10、算机连接的接口（并行口、串行口、SCSI口） 之外，部分数码相机还有视频输出端子，可以通过监视器显示图象，有些 数码相机甚至还具有声音记录功能，可将拍摄时几秒钟的声音记录下来并 回放。5.2 逻辑输入设备尽管图形输入设备的种类繁多，用法各不相同，并且有各 自的特点，但是按逻辑功能划分，可以分为六种逻辑输入设备 ，即定位设备、笔划设备、字符串设备、定值设备、选择设备 、拾取设备。图形系统使用逻辑输入设备的概念来减少系统对 物理设备的依赖性，提高系统的独立性和灵活性。虽然每种逻辑输入设备的功能都可以用多种图形输入设备 来实现，但是有些输入设备却比其它设备更加方便地完成特定 的逻辑输入功能。比如说，

11、鼠标和数字化仪擅长于定位，键盘 可以方便地输入字符串，光笔适合在屏幕上拾取图形。v一、定位设备（Locator Device）v 定位设备用来输入一个位置坐标（x，y）。根据三个相 互独立的特征对定位设备进行分类，可分成：v1、绝对或相对v （1）绝对定位设备。如数字化仪和触摸屏，都有绝对 坐标原点，输入给计算机的是相对于坐标原点的位置坐标。v （2）相对定位设备，如鼠标、跟踪球、操纵杆等，没 有绝对坐标原点，输入给计算机的是相对于前一位置的变化 量。2、直接或间接（1）直接定位设备。如触摸屏，用户可以直接用手指或其它物体指 点屏幕来进行定位。（2）间接定位设备。如数字化仪、鼠标和操纵杆，用户

12、通过移动屏 幕上的光标来进行定位。人们已经习惯于间接定位的工作方式，而直接定 位常常会导致手臂疲劳。 3、连续或离散（1）连续定位设备将手的平滑移动变成光标的平滑移动，数字化仪 、鼠标和操纵杆等都是连续定位设备。（2）键盘上的光标控制键则是离散定位设备。连续定位设备比离散定位设备移动光标更自然、更容易、更快捷。v二、笔划设备（Stroke Device）v 笔划设备用于输入一系列坐标位置，可以看成是对定位 设备的连续调用。v 许多用来定位的图形输入设备都可以作为笔划设备，如 鼠标、跟踪球、操纵杆的连续移动都可以输入一系列坐标位 置。v 数字化仪是一种最典型的笔划设备，选择流工作方式后 并按下游

13、标上的输入键，数字化仪进入连续工作模式，当游 标在数字化板上移动时，可以产生一连串的坐标值。这种功 能在画不规则图形时特别有用。三、字符串设备（String Device）字符串设备用来输入一串字符。最常用的字符串设备是键盘，手写体识 别输入及语音识别输入也是极有前途的字符串输入方法。后两种方法涉及到模式识别技术。首先需要有各种字符特征的字典或通 过用户说一段话建立用户的语音字典，然后进行书写或朗读，利用模式识别 提取字符或语音的特征，再到相应的字典中找出字符来。 四、定值设备（Valuator Device）定值设备向图形系统输入数值。这些数值有些用于设置图形参数，如旋 转角度、缩放因子，有

14、些用于设置与特定应用相关的物理参数，如温度、压 力、电压等。键盘上的数字键可以用来作为定值输入，用户只要按照指定的 格式键入数值即可，但是键盘方法输入数值较慢。通过在图形显示器上显示出标尺、刻度盘、滑杆、按钮等辅助工具，数 字化仪、鼠标、操纵杆等定位设备也可以被用来实现定值设备的功能。v五、选择设备（Choice Device）v 利用选择设备可以从一个选择集中挑选出一个元素。在 图形系统中，操作命令、属性值、物体种类、物体等都是可 能的被选集。v 常用的选择设备有功能键、定位设备。键盘上的每个键 都可以被应用程序定义为功能键，按下某个键即执行相应的 功能。通过键盘或鼠标可以对菜单进行选择。v

15、 当用定位设备实现选择功能时，首先需要判断当前光标 位置落在屏幕上的哪个菜单区域中，然后再判断选择了该菜 单的哪一项。六、拾取设备（Pick Device）拾取设备用来拾取屏幕上的一些图形对象，以便对它们进行进一步的 操作。在使用随机扫描显示器时，光笔是最方便的拾取设备。先用光笔对准 屏幕上需要拾取的图形，由于显示处理器反复执行显示文件以刷新屏幕， 因而光笔可以立即检测到画图产生的荧光，并产生中断让显示处理器暂停 执行，此时显示文件暂停的位置就是拾取到的图形，接着显示处理器继续 往下执行。一般情况下，可以先用定位设备将光标移动到想要拾取的图形对象的 附近（对于非封闭图形）或内部（对于封闭图形）

16、，再按拾取键，这时系 统会根据一定的拾取算法在存储所有图形对象的内部数据结构中找出被拾 取的图形对象，并将该区域内拾取到的所有图形对象顺序醒目显示，用户 认可后即可对该对象作进一步的操作，如复制、删除、修改等。5.3 输入方式用六种逻辑输入设备设计一个交互系统时，应用程序必须指定用于输 入数据的物理设备类型及其逻辑分类，其它参数取决于输入数据。 在应用程序和输入设备之间，输入方式是多样的，常用的输入方式为： 一、请求（Request）方式请求方式下，程序发出从某设备输入数据的请求，接着便等待用户输 入数据，得到“允许从该设备输入”的回答后再将数据读入。 这完全类似在高级语言中用读（read/scanf）命令从键盘上获得数据。 在这种方式中，应用程序和数据输入是交替工作的，如果要求进行数据 输入时，用户不进行输入，则整个程序被挂起。所以在要求输入时应对用 户显示提示信息。字符或数据输入时往往采用这种方式。 如希望用请求方式从定位设备中获得位置坐标，可用下面的请求函数：requestLocator（ws，deviceCode，getSt