交互技术与应用接口 向辉 山东大学软件学院 工程硕士－2003年秋季

本讲内容 CAD交互处理 用户接口模型 交互任务及相关技术 CAD系统交互操作 虚拟现实技术 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

CAD交互处理 人机交互 CAD系统中的交互处理 人机交互重要性 美国21世纪信息技术计划中的四项基础研究内容之一 直接影响系统的使用效率 人与计算机相互之间的双向信息交换 通过人机界面实现 CAD系统中的交互处理 参数输入、选择、定位…… 人机交互重要性 美国21世纪信息技术计划中的四项基础研究内容之一 直接影响系统的使用效率 在系统开发工作中占有很大比重 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

人机交互的几个发展阶段 计算机发展早期：手工操作和二进制机器码 交互命令语言阶段：采用命令行的方式 图形用户界面阶段：GUI WIMP(Window,Icon,Menu,Pointing Devices) 网络用户界面的出现 Browser 多通道、多媒体的智能用户界面阶段 利用人的多种感觉通道和动作通道（如语音、手写、表情、姿势、视线等输入） 可以提高人机交互的自然性和高效性 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

人机界面的主要形式 命令行界面(CLI) 图形用户界面(GUI) ,也称WIMP界面 多通道人机界面(MMI) Command Line Interface 图形用户界面(GUI) ,也称WIMP界面 Graphical User Interface 多通道人机界面(MMI) Multimodal Interface 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

交互系统要素 交互设备 交互软件 人的因素 输入输出设备：文本、图形图象、声音等 三维交互设备... 用户界面 用户操作模型 人机工程学、心理学... 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

交互系统的几点设计原则 区别用户：User－Oriented 简化操作 联机提示 容错处理 合理的响应时间 用户类别、感觉功能、信息处理及输出特性、年龄因素、时间节律性、疲劳特性 简化操作 菜单设计、缺省操作、自由格式输入… 联机提示 减少用户所需记忆量、加快学习时间 容错处理 出错提示、自动排除、回退功能 合理的响应时间 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

用户接口模型 Seeheim模型 表示 部分 对话 控制 应用 接口 转换 最终用户 应用程序 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

用户接口模型－表示部分 负责用户接口的物理表示 用户接口的外部特性 输入输出设备、屏幕布局、交互技术 如何接受用户数据、数据显示形式、转化成内部表示形式 唯一与设备有关的部分 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

用户接口模型－对话控制 负责处理用户与计算机之间的对话 接受用户输入序列与应用程序的输出序列 状态概念 用户使用命令与对话结构 合法性检查 状态处理与状态转换 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

用户接口模型－应用接口 用户接口本身与应用程序之间的接口 用户接口管理系统与应用程序 应用子程序的选择与调用 可调用的与应用程序通讯的子程序包 对子程序的数据的限制 错误恢复 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

交互任务 交互处理可分解为一系列基本任务 任务分类 选择：命令、操作数、属性 定位：指定位置坐标 定向：确定形体方向 路径指定：一系列定位与定向的结合 数值输入 文本输入 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

选择技术 要求： 形式： 确定可选择集合的大小与选择值 拾取设备：光笔等 光笔选择 图形输入板、鼠标（定位） 键盘输入 快捷键 语音识别 手写笔划输入 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

选择技术－命令选择 组织形式 排列 表示形式 输出形式 单层、多层 字母序、出现频率、固定 图形、文字、多媒体 静态、动态(弹出式、浮动式) 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

定位技术 目标 技术 指定坐标 确定维数、分辨率、形式（离散或连续） 图形输入板、鼠标控制光标定位 键入光标定位 光笔定位 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

定位技术－相关因素 坐标系问题 光标形状和特征（闪烁、色彩、亮度等） 控制/显示比率＝手位移量/光标位移量 绝对定位与相对定位 用户坐标系、设备坐标系 光标形状和特征（闪烁、色彩、亮度等） 控制/显示比率＝手位移量/光标位移量 低速率：快速移动 高比率：微调、精确定位 绝对定位与相对定位 数字化仪：绝对定位 鼠标：相对定位 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

定向技术 在一个坐标系内指定形体的一个方向 确定参数 定向设备 定向方法 坐标系维数 分辨率、精度 反馈类型 设备控制 键盘输入角度 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

路径指定技术 确定一系列定位点与方向角 产生技术与定位和定向一致 应用要求 一定时空范围内 定位点数目 定位点间隔：时间采样、距离采样 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

其它 定量技术 文本技术 键入数值 （模拟）电位计产生 考虑因素：取值范围、分辨率等 字符集、字符串长度 实现技术：键盘、选择、语音、手写、模拟 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形拾取 目的 形式 交互式图形系统中的诸多操作的基础 速度与精度极大影响系统质量 在图形数据库中找到该图形数据机构存放地址 突出显示：高亮、闪烁、变色等 交互式图形系统中的诸多操作的基础 速度与精度极大影响系统质量 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形拾取算法－基本假设 二维归一化设备坐标系（NDC） 游标中心坐标为P0（x0,y0） 拾取图形元素满足以下条件 已在屏幕显示 拾取点坐标包含在屏幕区域中 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形拾取算法 点拾取 符号集（Poly－marker）拾取 某点附近的显示区域内包含拾取点，拾取成功 依次拾取符号集中的每一个符号参考点 重复调用点拾取 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形拾取算法－直线段拾取 P0在B1 B2之间的区域中 P0到P1P2的距离小于系统精度r P2 B2 r P1 P0 B1 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形拾取算法 折线（polyline）拾取 曲线拾取 字符串拾取 依次判断每条直线段的显示区域是否包含拾取点 重复调用直线段拾取 离散化为折线集 字符串拾取 字符定义区域：凸四边形区域 可采取一定简化措施 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形拾取算法 填充区域拾取 多图形覆盖 三维图形拾取 依次判别多边形边界上的每条线段 类似polyline 确定图形拾取优先级：预先确定和动态判断 用户确认 三维图形拾取 拾取空间为三维NDC 拾取区域为球和立方体 进行点/多边形、点/多面体等包含性测试 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形拾取加速方法 过滤法 区域粗判法 基本算法固化法 区分可拾取与不可拾取图形 外接矩形或外接圆判断 点、直线段算法需要特别优化 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

输入控制方式 应用程序与输入设备之间的控制 请求方式 取样方式 事件方式 发出请求命令后设备进行处理 立即开始输入 将相应物理设备的值作为取样数值 事件方式 程序设备同时工作 输入数据存于事件队列或输入队列中 事件处理进程 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

交互式用户接口形式 屏幕的布局 字型地选择 色彩的搭配 启动信息 窗口管理 菜单的组织 图标的样式 对话框 状态栏 快捷键 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

CAD系统交互操作－三维空间描述 空间直角坐标系 基本坐标系 世界坐标系（WCS） 屏幕坐标系（Screen System） 用户坐标系（UCS） 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

设置观察角度－基本概念 概念： 默认情况 视点（View Position）：观察位置 目标点（Target Position）：焦点 视线(View Lines)：视点与焦点的连线 默认情况 视点在WCS中XY平面的正上方 视线方向与Z轴平行 目标点为原点 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

设置观察角度－基本概念 改变观察角度的目的 基本操作 预定义组合操作 检查三维模型的正确性 平移、缩放、滚动、俯仰、偏航 基本操作的补充 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

设置观察角度－基本命令 平移（Pan） 缩放（Zoom） 滚动（Roll） 俯仰（Pitching） 偏航（Yaw） 平行移动观察模型的视线 屏幕上缩小或放大图形：远近感 滚动（Roll） 模型围绕与屏幕垂直的轴线旋转 俯仰（Pitching） 模型围绕屏幕上的水平轴线旋转 偏航（Yaw） 模型围绕屏幕上的竖直轴线旋转 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

设置观察角度－预设组合命令 目标点移到指定点 Fitting 标准视图 局部位置观察 平移、缩放 所有对象全部显示在窗口内 复杂模型观察 绝对坐标系而言 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

设置观察角度－预设组合命令 利用模型确定观察方向 视角变换回退 观察方向L/S大法 如：根据一个面与另外一条边或面确定 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

模型显示类型 线框 消隐 虚隐藏线 浓淡显示 真实感绘制 NPR 平面明暗 光滑明暗 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

线框图 简单 显示快捷 有二义性 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

线框消隐图 消除隐藏线和隐藏面 虚隐藏线综合两者优点 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

平面明暗绘制 Facet shading Mach效应 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

光滑明暗绘制 Gouraud Shading Phong Shading 显示速度快，效果好 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

高度真实感图形绘制 光线追踪 辐射度 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

非真实感图形绘制 突出重点 新型热点技术 CAD系统应用 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

模型色彩与材料特性设置 颜色设置 材料特性 根据不同的颜色模型 RGB，HSV… 表面粗糙度（Roughness） 透明度（Transparency） 散射度（Diffuse） 环境光（Ambient） 反射光（Reflection） 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形显示质量控制 线精度（Edge Display Quality） 切线（Tangent edges） 曲线采用折线逼近 切线（Tangent edges） 是否显示切线 显示样式：点化线、双点化线或虚线等 反走样（Anti－aliasing） 侧影轮廓线（Silhouette Edges） 随观察位置变化 深度提示（Depth Cue） 距离越远，颜色越暗淡 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

图形显示性能控制 图象缓存技术 图形更新或重绘 动态显示效果提升 更新：自动，需要重新计算模型数据 重绘：刷新屏幕图形，速度快 剔除不必要的图形要素：隐藏线，辅助线等 舍弃部分细节 降低绘制质量 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

界面定制 增加移动工具条 增加菜单命令 增加、删除命令快捷键 增加、删除宏命令 增加执行宏命令和外部程序的图标 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

虚拟现实技术 Virtual Reality 主要特点： 应用 沉浸感 (Immersion) 交互性 (Interaction) 构想性 (Imagination) 应用 飞行模拟器、游戏、虚拟装配等 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

虚拟现实技术 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

虚拟现实技术 2019年5月20日星期一 计算机辅助设计技术－交互技术与应用接口

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