計算機圖形學——人機互動繪圖技術

人機互動（Human-Computer Interaction）是指使用者與計算機系統之間的通訊，它是人與計算機之間各種符號和動作的雙向資訊交換。這裡“互動”定義為一種通訊，即資訊交換，並且是一種雙向資訊交換，可由人向計算機輸入資訊，也可由計算機向用戶反饋資訊。

HCI人機互動技術的來源：

一、基本的圖形輸入裝置

為了使圖形軟體包具有通用性，圖形輸入命令不涉及具體的輸入裝置，只涉及該命令所需要的資料。根據輸入資訊的不同性質，圖形核心系統GKS和三維圖形系統PHIGS把輸入裝置在邏輯上分成以下幾類：

1、定位裝置

定位裝置(Locator)用於指定使用者空間的一個位置，如指定一個圓的圓心,或確定一條直線的兩個端點。
其輸入方式包括直接或間接在螢幕上輸入、設定數值座標等。

直接輸入裝置：光筆、觸控式螢幕

直接輸入裝置可以直接在螢幕上定位

純機械滑鼠工作的原理很簡單，它採用一個小滾球和桌面接觸，當滾球移動的時候，滾球推動壓力滾軸滾動，滾軸的另一邊連著編碼器，在每個編碼器上呈圓形排列的觸點。當滾球滾動時，經過傳導，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”訊號。通常滑鼠內部有一個晶片會根據這些資料轉換成“X”和“Y”軸的位移，從而使游標移動。

機械光電滑鼠：

1.接觸桌面的一個內建的球，當滑鼠移動時跟著一塊滾動。

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著旋轉。

3. 每個滑輪連著一根軸,這個軸又帶著一個有孔的圓盤。當滑輪滾動時，軸和圓盤一起旋轉。

4．在圓盤的兩側有一個紅外發光二級管和一個紅外感測器。圓盤轉時外圍的間隔孔阻隔了發光二級管發出的光線，因此另一邊的感測器就接受到了光脈衝。

5．處理晶片讀取紅外感測器的脈衝並且把它轉換成二進位制，然後通過滑鼠電纜將此二進位制資料送給電腦，被CPU接收，訊號的數量和頻率對應著螢幕上的距離和速度。

光電滑鼠的工作原理是：在光電滑鼠內部有一個發光二極體，通過該發光二極體發出的光線，照亮光電滑鼠底部表面（這就是為什麼滑鼠底部總會發光的原因）。然後將光電滑鼠底部表面反射回的一部分光線，經過一組光學透鏡，傳輸到一個光感應器件（微成像器）內成像。這樣，當光電滑鼠移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫影象。最後利用光電滑鼠內部的一塊專用影象分析晶片（DSP，即數字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列影象進行分析處理，通過對這些影象上特徵點位置的變化進行分析，來判斷滑鼠的移動方向和移動距離，從而完成游標的定位。

2、筆劃裝置

筆劃輸入用於輸入一組座標，相當於多次呼叫定位輸入。輸入的一組點常用於顯示折線或作為曲線的控制點。
筆劃裝置（Stroke）用於指定使用者空間的一組有序點的位

輸入方式:與定位裝置的輸入方式一致：包括直接或間接在螢幕上輸入、設定數值座標等。
物理裝置：許多用於定位的物理裝置也可以用作筆劃裝置，如滑鼠、軌跡球和圖形輸入板等。

3、定值裝置

定值裝置（Valuator）用於為應用程式輸入一個值（實數），如在旋轉某一物件時輸入一個旋轉角度、縮放物件時輸入一個比例因子以及輸入文字高度、字型大小比例因子等。
輸入方式：包括直接輸入數值、通過字串取值、通過比例尺輸入、執行上下記數控制命令等。
物理裝置：包括旋鈕、鍵盤、數字化儀、滑鼠、方向鍵、程式設計功能鍵等。

4、選擇裝置

選擇裝置（Choice）用於為應用程式在多個選項中選定一項，如可選擇功能或圖形元素等。

5、拾取裝置

拾取裝置（Pick）用於在處理的模型中選取一個物件，從而為應用型操作確定目標。

6、字串裝置

字串裝置（String）用於嚮應用程式輸入字串，如為某物件確定名字、為某圖紙輸入加註文字等。鍵盤是目前輸入字串最常用的裝置。

7、三維互動裝置

PHIGS三維圖形系統除了將圖形輸入裝置分為以上六類之外，還支援三維輸入裝置，以便使三維空間定位、拾取等操作更為方便
如三維位置測試儀、資料手套、資料頭盔的三維定位等。

二、基本互動任務

為了幫助操作員完成某種輸入操作，計算機應在輸入過程中顯示某些資訊(稱為反饋)。基本互動任務是設計應用系統使用者介面的基本要素。

1、定位

定位是確定平面一點（x,y）或空間一點（x,y,z）的座標
直接定位：是用定位裝置直接指定某個點的位置，可以精確地給點定位（例如:鍵盤輸入）。
間接定位：指通過定位裝置的運動控制螢幕上游標的運動進行定位，例如:在移動滑鼠時，根據滑鼠移動的相對距離去控制螢幕上游標的移動。
數字化儀不僅可像滑鼠那樣產生輸入點的相對座標，也可輸入點的絕對座標。如果我們要輸入一張圖紙，用數字化儀輸入圖上各點的絕對座標是最合適的方法。

2、筆劃

筆劃輸入用於輸入一組順序的座標點，筆劃輸入相當於多次呼叫定位輸入。輸入的一組點常用於顯示折線或作為曲線的控制點。

筆劃裝置
滑鼠、軌跡球、遊戲棒連續移動的訊號經轉換成為一組座標值。
圖形輸入板的連續模式可通過按鍵啟用。當游標在圖形輸入板表面上移動時，就產生一組座標值。
這樣的過程不僅可用於畫家在螢幕上作畫的畫筆系統，還可用於手寫體的聯機識別輸入。

3、定值

定值（或數值）輸入用於設定物體旋轉角度、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)可用軟體的方法在螢幕上繪製一刻度尺或比例尺，使用者可用定位裝置控制游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一樣，操作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資料來定值.
4)如果要輸入一個精確的數，最好還是用鍵盤輸入。

4、選擇

選擇是在某選擇集中選出一個元素，它可以用於指定命令，確定操作物件或選定屬性等。
1)可用滑鼠移動游標到要選圖元附近的位置，按下滑鼠的按鈕，通過軟體選擇距游標最近的圖元。
2)可用鍵盤上的按鍵，如功能鍵；
鍵盤選擇也極為簡單，比如擊數字鍵“1”表示使用綠色繪製，“2”表示使用藍色繪製等.

3)選單功能使用最普遍，也是非常重要的一種互動方法。使用選單可改善應用系統使用者介面的友好性。

4）對話方塊的內容極豐富，在對話方塊中通常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）。

5、拾取

拾取的功能是選擇圖形物件，用於選擇場景中即將進行變換或編輯的部分。
拾取一個基本物件的方法有：
1）指定名稱法，通過指定欲拾取物件的名稱實現；
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，操作員通過選擇特徵點來拾取物件，這種方法涉及的內部計算較少；
3）邊界盒法，對每一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。這裡的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。

6、字串

字串輸入功能用於為物件命名、為圖紙加文字註釋等。其輸入方式包括鍵盤輸入、手寫輸入、語音識別、選單選擇等。

三、人機互動輸入模式

人機互動的輸入過程需要有合理的控制模式

1、請求模式(request mode)

請求模式下，輸入裝置的初始化是在應用程式中設定的，即只有輸入設定命令（或語句）對相應的裝置設定所需要的輸入模式後，該裝置才能作相應的輸入處理。在這種請求的命令中要指定由哪一個應用程式呼叫及呼叫哪一個輸入裝置。工作過程如下：

2、樣本模式（sample mode）

當把一臺或多臺輸入裝置定義為樣本模式後，這些裝置會連續不斷地把資訊輸入進來，而不必等待應用程式的輸入語句，即資訊的輸入和應用程式中的輸入命令無關。當應用程式遇到取樣命令時，就把相應的物理裝置的值作為取樣數值。

3、事件模式

當裝置設定成事件模式後，輸入裝置和程式並行工作。所有被設定成事件方式的輸入資料（或事件）都被存放在一個事件佇列中，該佇列是以事件發生的時間排序的。
使用者在輸入裝置上完成一個輸入動作（如按一下按鈕等）便產生一個事件，輸入資訊及該裝置編號等便存放到一個事件佇列中。不同的應用程式可到佇列中來查詢和提取與該應用程式有關的事件。
不同的應用程式可到佇列中查詢和提取與之有關的事件。事件模式下的程式流程不同於樣本模式，使用者輸入的資訊不會遺失。

4、輸入方式的混合使用

請求模式是在應用程式的控制下工作的；樣本模式允許輸入裝置和應用程式同時工作。事件模式由輸入裝置來初始化資料輸入，由應用程式來控制資料處理程序。
現代的計算機圖形輸入系統往往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，即一個應用程式可以使用多種控制方式,操作幾種不同的輸入裝置。

三、常見輔助互動技術

1、幾何約束

定位約束

方向約束

引力場

2、拖拽

當要把一個物件放到一個新的位置時,如果不是簡單地用游標指定新位置的點,而是隨著滑鼠器引導游標移動的同時物件也跟著被拖動到新的位置,這會使使用者感到更直觀,從而使得物件的定位更為恰當

橡皮筋技術

3、在三檢視上作三維輸入

4、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，可以先生成圖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.為了確定平面ABCD，可用互動的辦法指定不共線的三點A、B、C，也可以通過指定平面上一點和平面法向來確定。
2.把平面ABCD旋轉到它的法線與座標軸平行的位置，然後在平面ABCD上繪一個圓，並指定要在平面上生成的圓柱體高度，通過拉伸操作在平面ABCD上生成一個柱體，得到要輸入的圖形圖6.13。

5、新的互動技術

1.視線追蹤

2. 語音識別

3.表情識別

四、人機互動的發展

多媒體技術的支援

多通道互動

自然語言介面

三維互動

計算機支援的協同工作（CSCW）

計算機支援協同工作（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）系統很好地適應了社會資訊化、經濟全球化和知識經濟時代的特點以及諸如互動性、分佈性和協同性等要求.
其應用領域非常廣泛，如協同編輯、電子會議、工業應用、科學協作、遠端教學、遠端醫療等。