計算機圖形學——人機交互繪圖技術

人機交互（Human-Computer Interaction）是指用戶與計算機系統之間的通訊，它是人與計算機之間各類符號和動做的雙向信息交換。這裏「交互」定義爲一種通訊，即信息交換，而且是一種雙向信息交換，可由人向計算機輸入信息，也可由計算機向用戶反饋信息。

 

HCI人機交互技術的來源：

 

 

 

1、基本的圖形輸入設備

 爲了使圖形軟件包具備通用性，圖形輸入命令不涉及具體的輸入設備，只涉及該命令所須要的數據。根據輸入信息的不一樣性質，圖形核心系統GKS和三維圖形系統PHIGS把輸入設備在邏輯上分紅如下幾類：

一、定位設備

定位設備(Locator)用於指定用戶空間的一個位置，如指定一個圓的圓心,或肯定一條直線的兩個端點。
其輸入方式包括直接或間接在屏幕上輸入、設置數值座標等。

 

直接輸入設備：光筆、觸摸屏

直接輸入設備能夠直接在屏幕上定位

純機械鼠標工做的原理很簡單，它採用一個小滾球和桌面接觸，當滾球移動的時候，滾球推進壓力滾軸滾動，滾軸的另外一邊連着編碼器，在每一個編碼器上呈圓形排列的觸點。當滾球滾動時，通過傳導，使觸點會依次碰到接觸條，從而產生計算機容易辨認的 「接通」和「斷開」，即「0」和「1」信號。一般鼠標內部有一個芯片會根據這些數據轉換成「X」和「Y」軸的位移，從而使光標移動。

 

機械光電鼠標：

1.接觸桌面的一個內置的球，當鼠標移動時跟着一塊滾動。

2．接觸球的兩個滑輪。一個用來探測X方向的運動，另外一個與之成90度角，用來探測Y方向的運動。當球滾動時，這兩個滑輪的一個或者兩個跟着旋轉。

3. 每一個滑輪連着一根軸,這個軸又帶着一個有孔的圓盤。當滑輪滾動時，軸和圓盤一塊兒旋轉。

4．在圓盤的兩側有一個紅外發光二級管和一個紅外傳感器。圓盤轉時外圍的間隔孔阻隔了發光二級管發出的光線，所以另外一邊的傳感器就接受到了光脈衝。

5．處理芯片讀取紅外傳感器的脈衝而且把它轉換成二進制，而後經過鼠標電纜將此二進制數據送給電腦，被CPU接收，信號的數量和頻率對應着屏幕上的距離和速度。

 

光電鼠標的工做原理是：在光電鼠標內部有一個發光二極管，經過該發光二極管發出的光線，照亮光電鼠標底部表面（這就是爲何鼠標底部總會發光的緣由）。而後將光電鼠標底部表面反射回的一部分光線，通過一組光學透鏡，傳輸到一個光感應器件（微成像器）內成像。這樣，當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄爲一組高速拍攝的連貫圖像。最後利用光電鼠標內部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，經過對這些圖像上特徵點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。

二、筆劃設備

筆劃輸入用於輸入一組座標，至關於屢次調用定位輸入。 輸入的一組點經常使用於顯示折線或做爲曲線的控制點。
筆劃設備（Stroke）用於指定用戶空間的一組有序點的位

輸入方式:與定位設備的輸入方式一致：包括直接或間接在屏幕上輸入、設置數值座標等。
物理設備：許多用於定位的物理設備也能夠用做筆劃設備，如鼠標、軌跡球和圖形輸入板等。

三、定值設備

定值設備（Valuator）用於爲應用程序輸入一個值（實數），如在旋轉某一對象時輸入一個旋轉角度、縮放對象時輸入一個比例因子以及輸入文字高度、字體大小比例因子等。
輸入方式：包括直接輸入數值、經過字符串取值、經過比例尺輸入、執行上下記數控制命令等。
物理設備：包括旋鈕、鍵盤、數字化儀、鼠標、方向鍵、編程功能鍵等。

四、選擇設備

選擇設備（Choice）用於爲應用程序在多個選項中選定一項，如可選擇功能或圖形元素等。

五、拾取設備

拾取設備（Pick）用於在處理的模型中選取一個對象，從而爲應用型操做肯定目標。

六、字符串設備

 字符串設備（String）用於嚮應用程序輸入字符串，如爲某對象肯定名字、爲某圖紙輸入加註文字等。鍵盤是目前輸入字符串最經常使用的設備。

 

七、三維交互設備

PHIGS三維圖形系統除了將圖形輸入設備分爲以上六類以外，還支持三維輸入設備，以便使三維空間定位、拾取等操做更爲方便
如三維位置測試儀、數據手套、數據頭盔的三維定位等。

 

 

 

 

 

 

 

2、基本交互任務

爲了幫助操做員完成某種輸入操做，計算機應在輸入過程當中顯示某些信息(稱爲反饋)。基本交互任務是設計應用系統用戶接口的基本要素。

 

一、定位

定位是肯定平面一點（x,y）或空間一點（x,y,z）的座標
直接定位：是用定位設備直接指定某個點的位置，能夠精確地給點定位（例如:鍵盤輸入）。
間接定位：指經過定位設備的運動控制屏幕上光標的運動進行定位，例如:在移動鼠標時，根據鼠標移動的相對距離去控制屏幕上光標的移動。
數字化儀不只可像鼠標那樣產生輸入點的相對座標，也可輸入點的絕對座標。若是咱們要輸入一張圖紙，用數字化儀輸入圖上各點的絕對座標是最合適的方法。

二、筆劃

筆劃輸入用於輸入一組順序的座標點，筆劃輸入至關於屢次調用定位輸入。輸入的一組點經常使用於顯示折線或做爲曲線的控制點。

筆劃設備
鼠標、軌跡球、遊戲棒連續移動的信號經轉換成爲一組座標值。
圖形輸入板的連續模式可經過按鍵激活。當光標在圖形輸入板表面上移動時，就產生一組座標值。
這樣的過程不只可用於畫家在屏幕上做畫的畫筆系統，還可用於手寫體的聯機識別輸入。

三、定值

定值（或數值）輸入用於設置物體旋轉角度、縮放比例因子等。它是要在給定的數字範圍內輸入一個值。
1)可用鍵盤鍵入數值.
2)可用軟件的方法在屏幕上繪製一刻度尺或比例尺，用戶可用定位設備控制光標在尺子上移動實現數值的輸入。
3)用刻度盤實現數值輸入的原理也同樣，操做員控制從圓心出發的線段繞圓心旋轉，根據顯示的角度讀數或比例數據來定值.
4)若是要輸入一個精確的數，最好仍是用鍵盤輸入。

四、選擇

選擇是在某選擇集中選出一個元素，它能夠用於指定命令，肯定操做對象或選定屬性等。
1)可用鼠標移動光標到要選圖元附近的位置，按下鼠標的按鈕，經過軟件選擇距光標最近的圖元。
2)可用鍵盤上的按鍵，如功能鍵；
  鍵盤選擇也極爲簡單，好比擊數字鍵「1」表示使用綠色繪製，「2」表示使用藍色繪製等.

 3)菜單功能使用最廣泛，也是很是重要的一種交互方法。使用菜單可改善應用系統用戶接口的友好性。

 4）對話框的內容極豐富，在對話框中一般用於選擇功能的是選擇開關及radio按鈕（單選按鈕，以小圓框打點表示被選中）。

五、拾取

拾取的功能是選擇圖形對象，用於選擇場景中即將進行變換或編輯的部分。
拾取一個基本對象的方法有：
1）指定名稱法，經過指定欲拾取對象的名稱實現；
2）特徵點法，選擇時讓圖形的特徵點（如線段的端點，圓心等）以強光醒目顯示，操做員經過選擇特徵點來拾取對象，這種方法涉及的內部計算較少；
3）邊界盒法，對每個子圖預先求一個邊界盒或比邊界盒稍大一點的ε邊界盒。這裏的ε邊界盒是指邊和座標軸平行且包含該子圖的最小的矩形。
4）分類法，分別將折線、點、弧等在有關按鍵的控制下進行拾取。

六、字符串

字符串輸入功能用於爲對象命名、爲圖紙加文字註釋等。其輸入方式包括鍵盤輸入、手寫輸入、語音識別、菜單選擇等。

3、人機交互輸入模式

人機交互的輸入過程須要有合理的控制模式

 

 

 

一、請求模式(request mode)

請求模式下，輸入設備的初始化是在應用程序中設置的，即只有輸入設置命令（或語句）對相應的設備設置所須要的輸入模式後，該設備才能做相應的輸入處理。在這種請求的命令中要指定由哪個應用程序調用及調用哪個輸入設備。工做過程以下：

二、樣本模式（sample mode）

當把一臺或多臺輸入設備定義爲樣本模式後，這些設備會接二連三地把信息輸入進來，而沒必要等待應用程序的輸入語句，即信息的輸入和應用程序中的輸入命令無關。當應用程序遇到取樣命令時，就把相應的物理設備的值做爲取樣數值。

三、事件模式

當設備設置成事件模式後，輸入設備和程序並行工做。全部被設置成事件方式的輸入數據（或事件）都被存放在一個事件隊列中，該隊列是以事件發生的時間排序的。
用戶在輸入設備上完成一個輸入動做（如按一下按鈕等）便產生一個事件，輸入信息及該設備編號等便存放到一個事件隊列中。不一樣的應用程序可到隊列中來查詢和提取與該應用程序有關的事件。
不一樣的應用程序可到隊列中查詢和提取與之有關的事件。事件模式下的程序流程不一樣於樣本模式，用戶輸入的信息不會遺失。

 

四、輸入方式的混合使用

請求模式是在應用程序的控制下工做的；樣本模式容許輸入設備和應用程序同時工做。事件模式由輸入設備來初始化數據輸入，由應用程序來控制數據處理進程。
現代的計算機圖形輸入系統每每不是單一地使用一種輸入方式，而是多種輸入方式的混合使用，即一個應用程序可使用多種控制方式,操做幾種不一樣的輸入設備。

3、常見輔助交互技術

一、幾何約束

定位約束

 

方向約束

 引力場

 

 

 二、拖拽

當要把一個對象放到一個新的位置時,若是不是簡單地用光標指定新位置的點,而是隨着鼠標器引導光標移動的同時對象也跟着被拖動到新的位置,這會使用戶感到更直觀,從而使得對象的定位更爲恰當

 

 

 橡皮筋技術

 

 

 

 三、在三視圖上做三維輸入

 

 

 

 

 

四、結構平面

輸入立體圖形常是由簡到繁,一步一步的構造。例如：
要生成圖6.13所示的圖形，能夠先生成圖6.11中的二維半圖形，再在平面ABCD上用推移方法拉伸出一個柱體來。平面ABCD就叫結構平面。
1.爲了肯定平面ABCD，可用交互的辦法指定不共線的三點A、B、C，也能夠經過指定平面上一點和平面法向來肯定。
2.把平面ABCD旋轉到它的法線與座標軸平行的位置，而後在平面ABCD上繪一個圓，並指定要在平面上生成的圓柱體高度，經過拉伸操做在平面ABCD上生成一個柱體，獲得要輸入的圖形圖6.13。

 

五、新的交互技術

1.視線追蹤

 

 

2. 語音識別

 

 3.表情識別

 

 

 

 

4、人機交互的發展

 

多媒體技術的支持

 

多通道交互

 

天然語言接口

 

 三維交互

 

計算機支持的協同工做（CSCW）

計算機支持協同工做（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）系統很好地適應了社會信息化、經濟全球化和知識經濟時代的特色以及諸如交互性、分佈性和協同性等要求.
其應用領域很是普遍，如協同編輯、電子會議、工業應用、科學協做、遠程教學、遠程醫療等。