接口與交互技術1第1頁，課件共70頁，創作于2023年2月圖形系統標準圖形標準：圖形系統及其相關應用系統中各界面之間進行數據傳送和通信的接口標準，以及供圖形應用程序調用的子程序功能及其格式標準，前者稱為數據及文件格式標準，后者稱為子程序界面標準。第2頁，課件共70頁，創作于2023年2月圖形系統標準分類面向圖形設備的接口標準：計算機圖形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)計算機圖形接口(CGI).設備驅動程序。面向應用軟件的標準：程序員層次交互式圖形系統（PHIGS）,GL(圖形程序包)（三維）圖形核心系統（3D-)GKS面向圖形應用系統中工程和產品數據模型及其文件格式：基本圖形轉換規范（IGES）產品數據轉換規范（STEP）第3頁，課件共70頁，創作于2023年2月CGI（計算機圖形接口)--提供控制圖形硬件的一種與設備無關的方法。--也可看作圖形設備驅動程序的一種標準。--在用戶程序和虛擬設備之間，以一種獨立于設備的方式提供圖形信息的描述和通信。第4頁，課件共70頁，創作于2023年2月CGI（計算機圖形接口)包括控制功能集、圖形對象輸出功能集、圖段功能集、輸入和應答功能集、光柵功能集等.控制功能集:虛擬設備管理、虛擬設備坐標系和設備坐標系的坐標空間轉換、出錯控制、系統控制、詢問功能等；輸出功能集:涉及圖元、屬性、對象構成及控制和詢問；圖段功能集:圖形對象組合、標志、產生、修改和操縱等功能；第5頁，課件共70頁，創作于2023年2月CGI（計算機圖形接口)輸入和應答功能集:輸入象素陣列，并將輸出結果應答在CGI虛擬設備上；光柵功能集:產生、檢索、修改和顯示象素數據的功能；第6頁，課件共70頁，創作于2023年2月CGM（計算機圖形元文件)--與設備無關的語義、詞法定義的圖形文件格式,包括功能規格說明和編碼；--規定了生成、存儲、傳送圖形信息的格式。--面向系統和系統開發者，和CGI配套提供。--通用性是其關鍵屬性。第7頁，課件共70頁，創作于2023年2月CGM（計算機圖形元文件)1.圖形元文件

規定生成、存儲、傳送圖形信息的格式，包括圖形生成元文件和圖段生成元文件兩種；2.設計CGM的目的提供圖形存檔的數據格式；圖形協議；圖形設備接口標準化；查錯；集成手段；3.CGM的組成

功能描述、字符、二進制數、正文編碼.

第8頁，課件共70頁，創作于2023年2月GKS(圖形核心系統)--提供了在應用程序和圖形輸入輸出設備之間的功能接口。--與語言無關。--GKS提供了一個稱為元文件的順序文件接口--應用程序的所有圖形資源由GKS控制（通過GKS元文件-GKSM）--GKSM用于:圖形信息存檔；系統傳送圖形信息在GKS應用程序間傳送圖形信息； 與圖形信息相關的非圖形信息的存儲和復用。第9頁，課件共70頁，創作于2023年2月GKSM（圖形核心系統元文件標準）--GKSM功能：在GKS中，用圖段來存儲GKS運行過程中的信息。在GKS關閉后，圖段不存在，信息自動丟失。為了解決此問題，我們采用GKS元文件GKSM——保存信息的一種機制。--GKS的實現系統在實現其接口的功能時，必須依賴于元文件的內容和格式。第10頁，課件共70頁，創作于2023年2月GKSM（圖形核心系統元文件標準）--GKSM生成：GKSM定義了一個明文編碼方案，是可以被大多數系統和設備應用的與系統無關的元文件。它提供了可向上兼容的文件格式，其結構是一個邏輯數據項目的序列。--一個GKSM的生成是在GKS運行中，通過一個GKSM輸出工作站的“打開”—“啟用”—“停用”—“關閉”整個過程后實現的。第11頁，課件共70頁，創作于2023年2月PHIGS（ISOIS9592）--向應用程序員提供的控制圖形設備的圖形系統接口；--圖形數據按層次結構組織；--提供動態修改和繪制顯示圖形數據的手段。是一個高度動態化和交互式圖形系統。第12頁，課件共70頁，創作于2023年2月PHIGS（ISOIS9592）--特點：高效，快速；--PHIGS結構：通過層次調用發生關系，結構元素不能在結構之外存在，每個結構有一個給定的標示名；--結構編輯：打開、關閉、查詢、復制、執行、刪除元素和結構等結構編輯命令；第13頁，課件共70頁，創作于2023年2月PHIGS（ISOIS9592）--GKS-3D和PHIGS的比較其差別表現在：數據結構，可修改性，屬性存儲，輸出流水線等五種坐標系：造型坐標系，用戶坐標系，觀察坐標系，投影坐標系，設備坐標系；--PHIGS+包含了PHIGS的功能，增加了曲線、曲面、光源與光線、真實圖形等功能；第14頁，課件共70頁，創作于2023年2月GL(圖形程序包)圖形程序庫，UNIX下運行，OpenGL—微機，分類：基本圖素；坐標變換；設置屬性和顯示方式；I/O處理；真實圖形顯示。第15頁，課件共70頁，創作于2023年2月GL(圖形程序包)功能分類：1.基本圖素：如點、線、多邊形、三角形、三角網格、矩形、圓和圓弧、字符、曲線、曲面、讀寫象素等；2.坐標轉換；3.屬性和顯示方式設置；4.輸入輸出；5.真實圖形顯示；第16頁，課件共70頁，創作于2023年2月IGES（基本圖形轉換規范）--InitialGraphicsExchangeSpecification為使不同CAD/CAM系統間的數據轉換所定義的幾何和非幾何數據格式及相應的文件結構；工業標準，非ISO標準；--作用：不同的CAD/CAM系統之間交換數據。第17頁，課件共70頁，創作于2023年2月IGES（基本圖形轉換規范）

IGES基本單元幾何實體：如點、線、B樣條曲線、曲面等；描述實體：尺寸標注、繪圖說明等；結構實體：組合項、圖組、特性等；第18頁，課件共70頁，創作于2023年2月IGES（基本圖形轉換規范）

文件結構原則：是IGES的定義可改變復雜結構及其關系；是IGES文件格式便于各CAD/CAM系統處理；文件格式：ASCII碼，80個字符的順序文件；實體信息存在目錄入口（DE）和參數（PD）中；數據原始信息和文件本身信息存在整體節和結束節中；定義信息存在開始節；第19頁，課件共70頁，創作于2023年2月產品模型數據轉換標準STEP

為了克服IGES的缺陷，擴大CAD/CAM中幾何和拓撲數據的范圍而開發的；1.STEP的產品模型數據包括進行設計、分析、制造、測試，檢驗幾何、拓撲、公差、關系、屬性、性能等數據；2.STEP的概念模型第20頁，課件共70頁，創作于2023年2月產品模型數據轉換標準STEP

采用形狀特征信息模型，強調產品模型的完整表示，模型信息分為應用層、邏輯層和物理層;；概念模式包括形狀模型、顯示和繪圖、形狀特征和公差等；3.STEP中的特征定義顯式特征和隱式特征；第21頁，課件共70頁，創作于2023年2月DXF數據接口DXF是AutoCAD系統的圖形數據文件；DXF是具有專門格式的ASCII碼文本文件，易于被其他程序處理，主要用于高級語言編寫的程序與AutoCAD系統間的連接，或其他CAD系統與AutoCAD系統間交換圖形文件。第22頁，課件共70頁，創作于2023年2月DXF數據接口DXF文件結構：標題段、表段、快段、元素段、文件結尾。第23頁，課件共70頁，創作于2023年2月計算機圖形參考標準CGRM

五個層次定義計算機圖形；1.CGRM的外部關系操作員接口、應用接口、獲取數據元文件接口；2.環境模型構造、虛擬、觀察、邏輯、物理等五個環境組成的抽象層；第24頁，課件共70頁，創作于2023年2月計算機圖形參考標準CGRM

3．CGRM的數據元素六種數據元素：構圖：集合存儲器：標志存儲器：聚集存儲器：環境狀態：處理元素：

第25頁，課件共70頁，創作于2023年2月窗口系統

特點:定義簡潔，界面清晰，目標明確，實現緊湊，功能齊全，使用方便;幾種常用的窗口系統1）

Smalltalk集編程、調試、運行和輸出為一體的環境；2）

Macintosh操作系統基于窗口和圖標，具有工具庫，圖符化；第26頁，課件共70頁，創作于2023年2月窗口系統3）

NeWS基于UNIX，支持網絡，具有與設備無關的圖形系統，特殊的成象模型和頁面描述語言；4）

X窗口系統X11的特點；基本概念；5）

Windows特點；窗口組成；建立Windows應用程序的步驟；

第27頁，課件共70頁，創作于2023年2月窗口系統流行的圖形用戶接口1）OpenLook在X窗口系統的基礎上建立的GUI環境；2）Motif基于X窗口，由工具箱、用戶界面語言、窗口管理系統、風格指南文檔等；3)OpenGL第28頁，課件共70頁，創作于2023年2月交互式技術與用戶接口提出問題如何設計一個好的用戶接口為什么要定義邏輯輸入設備交互式繪圖技術有哪些？第29頁，課件共70頁，創作于2023年2月交互的作用用戶動態輸入位置坐標、選擇功能、拾取操作對象、設置參數等；拉近計算機和人的距離，提高工作效率，介紹錯誤。第30頁，課件共70頁，創作于2023年2月用戶接口設計 用戶接口確定用戶與計算機如何進行信息交換。包括用戶通過什么途徑與圖形系統進行聯系，通過什么手段來操作系統的功能實現等。

最重要的就是高效率和對用戶的友好性第31頁，課件共70頁，創作于2023年2月

用戶接口的形式

子程序庫、專用語言、交互命令1）子程序庫用某種高級語言來擴展一系列的過程（函數），實現有關的圖形設計和處理；常用的子程序庫包括：GKS，GKS3D，PHIGS，GL，OPENGL等；第32頁，課件共70頁，創作于2023年2月

用戶接口的形式

功能包括：1）基本圖素如點、線、矩形、多邊形、圓、字符、曲線、曲面等；2）坐標轉換平移、旋轉、比例、對稱、視圖和投影變換、裁剪等；3）圖形屬性和顯示方式的設定線形、線寬、顏色等；4）輸入輸出輸入輸出設備的驅動等；5）真實圖形的處理線、面的消隱，光照模型，等；6）用戶界面設計菜單、對話框、命令行、出錯信息等；

第33頁，課件共70頁，創作于2023年2月

用戶接口的形式

2）專用語言解釋型和編譯型等兩種；1）解釋型首先檢查關鍵字，其次拼參數，最后調用處理程序產生數據或圖形；2）編譯型詞法分析： 識別關鍵字、標識符、常數、界符等；語法分析： 判斷語法的正確性；數據生成： 產生相應的數據或圖形；

第34頁，課件共70頁，創作于2023年2月

用戶接口的形式

3）交互命令基于模型，實現用戶所需要的輸入、選擇、拾取、編輯等操作；第35頁，課件共70頁，創作于2023年2月1）用戶模型

用戶模型（UserMode）是用戶接口設計的基礎，它提供給用戶有關他所處理的對象以及作用于這些對象的處理過程的一個概念性模型。用戶接口模型對于用戶，模型要盡量接近現實，對開發者，模型要具有嚴格的形式化描述；第36頁，課件共70頁，創作于2023年2月2)交互命令執行過程

接受用戶命令，檢驗是否有誤，調用相應模塊，輸出結果；

1．3)編輯操作增操作： 設定位點、選擇輸出結果、輸入參數等；刪操作： 拾取和確認刪除對象、刪除對象、修改對象等；改操作： 拾取和確認修改對象、輸入參數、輸出結果等；第37頁，課件共70頁，創作于2023年2月1．4)編輯操作的實現1）

三表結構在用戶數據表、顯示數據表、用戶/顯示數據對照表中實現；用戶數據表存放用戶坐標系下的數據；顯示數據表存放設備坐標系下的數據；由于用戶/顯示數據對照表的存在，實現了間接的一對多的映象關系；從用戶坐標系到設備坐標系的編輯通過標識符進行的，且整體操作；從設備坐標系到用戶坐標系，對屏幕顯示的圖形，通過拾取實現局部的編輯操作；2）

單表結構沒有顯示數據表和用戶/顯示數據對照表，直接對用戶數據表進行的編輯操作；基于顯示數據，利用用戶坐標系和設備坐標系之間的轉換和逆轉換實現的；第38頁，課件共70頁，創作于2023年2月邏輯輸入設備與輸入處理邏輯輸入設備PHIGS和GKS將各種圖形輸入設備從邏輯上分為六種：第39頁，課件共70頁，創作于2023年2月表2-1 圖形輸入設備的邏輯分類名稱基本功能定位設備(Locator)指定一個點的坐標位置(x,y)筆劃設備(Stroke)指定一系列點的坐標定值設備(Valuator)輸入一個整數或實數字符串設備(String)輸入一串字符選擇設備(Choice)選擇某個菜單項拾取設備(Pick)選擇顯示著的圖形的組成部分第40頁，課件共70頁，創作于2023年2月設備的評價可以從三個層次上來看：⒈設備層⒉任務層⒊對話層第41頁，課件共70頁，創作于2023年2月具體如下 ⒈定位設備典型方法是定位屏幕光標。定位設備有鼠標器、操縱桿、跟蹤球、空間球、數字化儀的觸筆或手動光標等。第42頁，課件共70頁，創作于2023年2月定位設備分為三類：直接設備和間接設備絕對坐標設備和相對坐標設備連續設備和離散設備第43頁，課件共70頁，創作于2023年2月

⒉筆劃設備 筆劃設備的輸入等于多次調用定位設備，產生一系列的坐標值，根據產生的坐標值可產生多邊形和曲線等 ⒊定值設備

定值設備常用來輸入各種參數和數據。第44頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒋字符串設備 即進行字符串輸入⒌選擇設備 選擇設備用來選擇菜單選項、屬性選項和用于構圖的對象形狀等。第45頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒍拾取設備用拾取技術拾取一個圖形對象：(1)利用定位設備沖突問題：第46頁，課件共70頁，創作于2023年2月解決方法：在圖形對象生成時就對每一個對象確定其拾取優先級采用依次對拾取圖形設立標志的辦法。找距離最近的對象優先拾取。第47頁，課件共70頁，創作于2023年2月對一條以點(x1,y1)和點(x2,y2)為端點的線段來說，從點P0(x0,y0)到該線段距離的平方由下式來計算：第48頁，課件共70頁，創作于2023年2月(2)指定拾取窗口拾取窗口是以光標位置為中心的一個矩形窗口第49頁，課件共70頁，創作于2023年2月(3)矩形包圍(4)直接鍵入結構名字

第50頁，課件共70頁，創作于2023年2月輸入模式輸入模式即如何管理、控制多種輸入設備進行工作常用的輸入模式有請求（request）、采樣（sample）、事件（event）及其組合形式等幾種。第51頁，課件共70頁，創作于2023年2月1.請求方式（requestmode）

輸入設備在應用程序的控制下工作，程序在輸入請求發出后一直被置于等待狀態直到數據輸入。2.取樣方式（samplemode） 此時，應用程序和輸入設備同時工作，當輸入設備工作時，存儲輸入數據，并不斷地更新當前數據，當程序要求輸入時，程序采用當前數據值。第52頁，課件共70頁，創作于2023年2月3.事件方式（eventmode）

每次用戶對輸入設備的一次操作以及形成的數據叫做一個事件(Event)。

思想：一般一個事件發生時，往往來不及進行處理，于是，就要把事件按先后次序排成隊列，以便先進先出，即先到的事件進入排隊，先被取出進行處理。

當某設備被置成事件方式，程序和設備同時工作第53頁，課件共70頁，創作于2023年2月4.輸入方式的組合使用一個應用程序同時可在幾種輸入模式方式下應用幾個不同的輸入設備來進行工作。第54頁，課件共70頁，創作于2023年2月交互式繪圖技術基本交互繪圖技術⒈

回顯第55頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒉

約束 約束：在圖形繪制過程中對圖形的方向、對齊方式等進行規定和校準。⒊

網格:繪制整齊精確圖形的一種技術.⒋

引力域 引力域：將靠近某一點的任意輸入位置“吸引”到該點上來，好象在該點的周圍產生一個“引力域”。第56頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒌

橡皮筋技術 橡皮筋技術：針對輸入要求，動態地、連續地將輸入過程表現出來，直到產生用戶滿意的輸入結果為止。⒍

草擬技術 草擬技術用以實現用戶任意畫圖的要求。兩種保存方式兩種采樣方式第57頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒎

拖動 拖動是將圖形對象在空間移動的過程動態地、連續地表示出來，直到滿足用戶的位置要求為止。⒏

旋轉⒐

形變第58頁，課件共70頁，創作于2023年2月三維交互技術困難用戶難以區分屏幕上光標選擇到對象的深度值和其他顯示對象的深度值。鍵盤、鼠標、數字化儀等交互設備均為二維的，不能適應三維交互工作的需要。第59頁，課件共70頁，創作于2023年2月拾取圖形

假設：☆設備坐標系；☆拾取點為；☆圖形已顯示且包含坐標值；拾取圖形與其它圖形不沖突；第60頁，課件共70頁，創作于2023年2月1)點的拾取

對于其中的一點，若滿足（r為控制精度）：即在以為圓心，半徑為r的圓內，則拾取成功；第61頁，課件共70頁，創作于2023年2月2）符號集的拾取

對每個符號重復點的拾取；3）直線段的拾取設直線段的兩個端點為，直線的方程可求出，而直線的斜率可如下求出：滿足該斜率的直線為：y=kx+b;第62頁，課件共70頁，創作于2023年2月分別將代入可得到三個相應的b;若

則在，距離為r的兩個點所夾區域內；若到直線段的距離再滿足控制精度r，這兩個條件均成立，則直線段可拾取；4）折線段的拾取重復調用直線段的拾取；5）曲線的拾取離散成折線處理；第63頁，課件共70頁，創作于2023年2月6）字符串的拾取構造一