计算机图形学交互技术与用户接口1
计算机图形学期末复习[1]
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计算机图形学期末复习第一章绪论●名词解释：图形、图像、点阵法、参数法。
图形：是指能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象。
点阵法：是具有灰度或颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形有哪些点组成，这些点具有什么灰度或色彩。
图形包括哪方面的要素参数法：是以计算机所记录的图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。
把参数法描述的图形叫做图形；把点阵法描述的图形叫做图像。
●图形包括哪两方面的要素，在计算机中如何表示它们？图形的要素可以分为两类，一类是刻画形状的点、线、面、体等几何要素；另一类是反应物体本身固有属性，如表面属性或材质的明暗、灰度、色彩（颜色信息）等非几何要素。
在计算机中表示带有颜色及形状的图和形常用两种方法：点阵法和参数法。
●什么叫计算机图形学？分析计算机图形学、数字图像处理和计算机视觉学科间的关系。
计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法、和技术的一门学科。
计算机图形学试图将参数形式的数据描述转换生成（逼真的）图像。
数据图像处理则着重强调图像之间进行变换，它旨在对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果，计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术，它模拟对客观事物模式的识别过程，是从图像到特征数据对象的描述表达处理过程。
●有关计算机图形学的软件标准有哪些？标准有：计算机图形核心系统（GKS）及其语言联编、三维图形核心系统（GKS-3D）及其语言联编、程序员层次交互式图形系统（PHIGS）及其语言联编、计算机图形元文件(CGM)、计算机图形接口（CGI）、基本图形转换规范（IGES）、产品数据转换规范（STEP）等。
●试发挥你的想象力，举例说明计算机图形学有哪些应用范围，解决的问题是什么？近年来计算机图形学已经广泛地用于多种领域，如科学、医药、商业、工业、政府部门、艺术、娱乐业、广告业、教育和培训等。
第二章计算机图形系统及图形硬件●名词解释：刷新、刷新频率、像素点、屏幕分辨率、位平面、屏幕坐标系。
计算机图形学复习概述
复
习
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图形变换
齐次坐标概念及其作用，对图形变换 效率的影响 灭点、主灭点、一（二、三）点透视 二维图形的几何变换，简单变换的种 类，特点 写复合变换矩阵
2017年10月31日1时41分
Computer Graphics
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计 算 机 图 形 学
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习
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真实图形
图多面体自隐藏面的判断方法，计算 简单光照模型的特点 三种基本的光照模型，公式意义，特 点 CIE色度图的概念（来源），作用
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计算机图形学
复 习
武汉大学国际软件学院 周松涛
helloiss@ QQ:1299343645 群：260797041
计 算 机 图 形 学
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习
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图形设备、系统和应用
虚拟现实系统概念
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计 算 机 图 形 学
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曲线和曲面
曲线方程的显示、隐式、参数
表示方法（举例说明），参数 方程表示的优越性 Bezier曲线拼接
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计 算 机 图 形 学
计 算 机 图 形 学
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基本图形的生成算法
直线的扫描转换bresenham算法，懂原理，会 推导，能计算 种子点填充算法，缺点；改进方法（基于扫描 线的种子点填充算法） 多边形扫描线填充，边界处理遵循什么原则？ 为什么？ 直线段的编码裁剪算法，缺点，改进方法是什 么（中点分割算法） 多边形的逐边裁剪算法，以及为什么多边形的 裁剪不能用线段裁剪算法实现 反走样的概念及常用方法
计算机图形学技术在软件开发中的应用案例
计算机图形学技术在软件开发中的应用案例计算机图形学技术是计算机科学的一个分支，它研究如何使用计算机来处理、生成和显示图像。
随着计算机硬件的不断升级和软件的不断发展，计算机图形学技术已经广泛应用于各个领域，例如游戏、动画、虚拟现实等。
本文将介绍计算机图形学技术在软件开发中的应用案例。
1. 图形界面设计计算机图形学技术可以用于设计和开发图形用户界面（GUI）。
GUI是计算机软件的可视化界面，它使用户可以使用图形和符号来与计算机交互，而不是通过命令行输入。
在GUI中，计算机图形学技术被应用于实现按钮、文本框、菜单栏等基本界面元素，以及各种复杂的视觉效果，例如动画、特效等。
通过图形用户界面，计算机程序能够更加直观和用户友好。
2. 游戏开发计算机图形学技术在游戏开发中被广泛应用。
游戏是计算机图形学技术应用的一个典型例子，因为游戏需要更加高级的图形处理和大量的动画效果。
计算机图形学技术被用于实现游戏中的3D模型、环境设计、光影效果、特效等。
随着游戏市场对高品质游戏的需求不断增加，计算机图形学技术的发展也在不断推进。
3. 图像处理和识别计算机图形学技术可以用于图像处理和识别。
图像处理主要是对数字图像进行各种操作，如图像增强、去噪、旋转、裁剪等。
计算机图形学技术可以提供强大的图像处理工具，帮助开发人员实现各种图像处理算法。
图像识别是计算机通过算法和技术来识别和分类图像的过程。
计算机图形学技术可以提供计算机视觉相关的工具和框架，使算法和技术更加精准和高效。
4. 虚拟现实和增强现实计算机图形学技术可以用于虚拟现实和增强现实。
虚拟现实是一种计算机技术，它通过计算机生成的虚拟环境来模拟真实环境。
增强现实是一种技术，它通过计算机和传感器将虚拟图像叠加在真实环境中，使用户可以看到增强现实的虚拟元素。
计算机图形学技术是实现虚拟现实和增强现实的关键技术之一，它可以提供更加高级的3D建模、物理模拟、场景渲染、事件驱动等技术。
5. 数据可视化计算机图形学技术可以用于数据可视化。
计算机图形学第3章
H os pital
F ire s tat ion
3.恰当地使用各种表示方法进行选择性信息显示。 如 加框 ，加亮，闪烁，动画，变色等
3.1.3 反馈
反馈：就是动态地显示系统运行中所发生的一些变化，
以便更有效地进行交互作用。
反馈是计算机与用户对话的一个基本成分，用来帮助 用户对系统进行操作。
3.1.8 视觉效果设计 视觉效果设计涉及用户接口的各个方面，如屏幕的 布局、色彩的使用、信息的安排等等，这里强调的 是色彩的使用。 选择色彩对比时以色调对比为主。
就色调而言，最容易引起视觉疲劳的是兰色和紫色， 其次是红色和橙色；而黄色、绿色、蓝绿色和淡青 色等色调不容易引起视觉疲劳。 为减轻视觉疲劳，应在视野范围内保持均匀的色彩 的明亮度。
程序工作 数据采样 数据缓冲区 输入设备工作 数据生成
3. 事件模式（event mode） 程序和被置成事件方式的设备分别同时独立工作。 每次用户在输入设备上完成一个输入操作以及形成的数据叫做 一个事件； 一般一个事件发生时，往往来不及进行处理，于是，就要把事 件按先后次序排成队列，即把输入的信息及该设备的编号等便 被存放到事件队列中等待程序的处理。不同的应用程序可到队 列中来查询和提取与之有关的事件。
定位设备分为三类： 直接设备和间接设备 （ToutchScreen）
• 绝对坐标设备和相对坐标设备 （Digitizer）
连续设备和离散设备 （KeyBoard）
手柄 操纵杆
定位方法：
定位是确定平面一点(x, y)或空间一点(x, y, z)的坐标。 直接定位 直接定位是用定位设备直接指定某个点的位置,如键盘输入。直 接定位方法可以准确地给点定位. 间接定位 间接定位指通过定位设备的运动控制屏幕上的光标进行定位。如 在移动鼠标时，根据鼠标移动的相对距离去控制屏幕上光标的移 动。
计算机图形学第一章课后习题作业
1. 阐述计算机图形学,图象处理,模式识别和计算几何这四门学科之间的关系.答: 计算机图形学研究是数据模型和几何模型转化为图像信号，模式识别是研究图像信号到数据模型和几何模型图像处理是处理图像到图像。
计算几何是研究几何模型和数据处理的学科，探讨几何形体的计算机表示.2.计算机图形学的研究内容是什么？计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科.计算机图形学的研究内容非常广泛，主要有以下几个方面：计算机图形学的应用；计算机图形设备和系统；国际标准化组织(ISO)发布的图形标准；人机交互接口技术；基本图形实体、自由曲线和自由曲面的生成算法；图形变换和裁剪；曲面和实体造型算法；颜色、光照模型及真实感图形显示技术与算法等内容。
2. 简述计算机图形学的发展过程和发展趋势发展过程:1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I（Whirlwind I）计算机的附件诞生了。
该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。
1958年美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。
1962年，MIT林肯实验室的Ivan E.Sutherland 发表了一篇题“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。
1973年开始，相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统。
从80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。
计算机的运算能力的提高，图形处理速度的加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。
计算机图形学 第5章 图形用户界面和交互输入方法
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光笔也用来输入坐标位置，但必须在实现时进行 某些特殊的处理。由于光笔通过检测屏幕荧光体发射 的光来进行操作，因此在所选的坐标位置上必须有非 零强度级的信号出现。在光栅系统中，可以在屏幕上 绘出彩色背景。只要没有出现黑色区域，光笔可以用 于选择任意的屏幕位置。在无法排除显示中的黑色区 域时（例如向量系统），可以通过创建一个小的发光 图案以供光笔检测，从而将光笔作为定位设备使用。 该图案将在屏幕上移动直到发现了光笔。
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另一方面，有经验的用户强调操作速度。他们不需要多 余的提示和来自键盘或多种“鼠标-按键”的输入。由于有 经验的用户记住了常用动作的缩写，因此经常通过功能键 或同时按下组合键来选择这些动作。
同样，也可以分成几个层次来设计帮助功能，使初学 者进行较为详细的对话，有经验的用户则减少或去掉提示 和消息。帮助功能还可以包含一个或多个辅导性应用，来 介绍该软件的功能和使用方法。
第五章 图形用户界面和 交互输入方法
主要内容: 5.1 用户对话 5.2 图形数据的输入 5.3 输入功能 5.5 交互式构图技术
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5.1 用户对话
对于某种特定的应用，用户模型是设计对话的基础。
用户模型说明所设计的系统能做什么，应具备什么样的图
形操作。这种模型指明了可以显示的对象类型以及如何管
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5.1.5 回退和出错处理
在一系列操作过程中，回退和取消机制是用户界面的另 一个共同的特点。常常在操作完成之前取消该操作，然 而系统将保存操作之前的状态。有了在任一位置回退的 功能，就可以放心地使用系统的各种功能。
可以有多种形式来控制回退操作。一个标准的undo键或 命令可以用来取消一次单个的操作。有的系统可以回退 若干步操作，因此可以把系统回退到某些特定的位置。 在具有多步回退功能的系统中，所有输入均被保存，因 而可以回退并“重复操作”任意一部分。
【中南大学】计算机图形学习题及答案
计算机图形学作业答案第一章序论第二章图形系统1．什么是图像的分辨率？解答：在水平和垂直方向上每单位长度（如英寸）所包含的像素点的数目。
2．计算在240像素/英寸下640×480图像的大小。
解答：（640/240）×(480/240)或者（8/3）×2英寸。
3．计算有512×512像素的2×2英寸图像的分辨率。
解答：512/2或256像素/英寸。
第三章二维图形生成技术1．一条直线的两个端点是（0，0）和（6，18），计算x从0变到6时y所对应的值，并画出结果。
解答：由于直线的方程没有给出，所以必须找到直线的方程。
下面是寻找直线方程（y ＝mx＋b）的过程。
首先寻找斜率：m ＝⊿y/⊿x ＝（y2－y1）/（x2－x1）＝（18－0）/(6－0) ＝ 3 接着b在y轴的截距可以代入方程y＝3x＋b求出 0＝3（0）＋b。
因此b＝0，所以直线方程为y＝3x。
2．使用斜截式方程画斜率介于0°和45°之间的直线的步骤是什么？解答：（1）计算dx：dx＝x2－x1。
（2）计算dy：dy＝y2－y1。
（3）计算m：m＝dy/dx。
（4）计算b: b＝y1－m×x1（5）设置左下方的端点坐标为（x，y），同时将x end设为x的最大值。
如果dx < 0，则x＝x2、y＝y2和x end＝x1。
如果dx > 0,那么x＝x1、y＝y1和x end＝x2。
（6）测试整条线是否已经画完，如果x > x end就停止。
（7）在当前的（x，y）坐标画一个点。
（8）增加x：x＝x＋1。
（9）根据方程y＝mx＋b计算下一个y值。
（10）转到步骤（6）。
3．请用伪代码程序描述使用斜截式方程画一条斜率介于45°和－45°（即|m|>1）之间的直线所需的步骤。
假设线段的两个端点为（x1，y1）和（x2，y2），且y1<y2int x = x1, y = y1;float x f, m = （y2－y1）/（x2－x1）, b = y1－mx1;setPixel( x, y );/*画一个像素点*/while( y < y2 ) {y++;x f = ( y－b)/m;x = Floor( x f +0.5 );setPixel( x, y );}4．请用伪代码程序描述使用DDA算法扫描转换一条斜率介于－45°和45°（即|m| ≤1）之间的直线所需的步骤。
《计算机图形学》1-8章习题解答
《计算机图形学》1-8章习题解答《计算机图形学》1-4章习题解答习题11．计算机图形学的研究内容是什么？答：几何模型构造，图形生成，图形操作与处理，图形信息的存储、检索与交换，人机交互及用户接口，动画，图形输出设备与输出技术，图形标准与图形软件包的研究等。
2．计算机图形学与图像处理有何联系？有何区别？答：计算机图形学与图像处理都是用计算机来处理图形和图像，结合紧密且相互渗透，但其属于两个不同的技术领域。
计算机图形学是通过算法和程序在显示设备上构造图形，是从数据到图像的处理过程；而图像处理是对景物或图像的分析技术，是从图像到图像的处理过程。
3．简述计算机图形学的发展过程。
答：略。
（参考：教材P3）4．简述你所理解的计算机图形学的应用领域。
5．如果使用每种基色占10比特的直接编码方式表示RGB 颜色的值，每一像素有多少种可能的颜色？答：824107374110242223101010==⨯⨯6．如果每个像素的红色和蓝色都用5比特表示，绿色用6比特表示，一共用16比特表示，总共可以表示多少种颜色？答：65536222655=⨯⨯7．解释水平回扫、垂直回扫的概念。
答：水平回扫：电子束从CRT 屏幕右边缘回到屏幕左边缘的动作。
垂直回扫：电子束到达每次刷新周期末尾，从CRT 屏幕右下角回到屏幕左上角的动作。
8．为什么很多彩色打印机使用黑色颜料？ 答：彩色颜料（青、品红、黄）相对来说较贵，并且在技术上很难通过多种颜色产生高质量的黑色。
9．简述随机扫描显示器和光栅扫描显示器的简单工作原理和各自的特点。
答：随机扫描显示器的工作原理：要显示的图形定义是一组画线命令，存放在刷新缓存中，由显示控制器控制电子束的偏移，周期性地按画线命令依次画出其组成线条，从而在屏幕上产生图形。
特点：其显示的图形质量好，刷新缓存中的内容可局部或动态修改，分辨率和对比度高，并且图形不会产生锯齿状线条。
光栅扫描显示器的工作原理：将CRT屏幕分成由像素构成的光栅网格，其中像素的灰度和颜色信息保存在帧缓存中。
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交互任务(1)
交互过程中的任务可归纳为以下六种:
(1)定位 用来给应用程序指定位置坐标(x,y)或(x,y,z) (2)选择任务 从一个选择集中挑选一个元素,常用的有命令选择、操作 数选择、属性选择和对象选择. (3)文本任务 既输入一个字符串,此字符串不具有任何特定的意义.
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
交互技术
选择技术 定位技术 定向技术 定路径技术 定量技术 文本技术 橡皮筋技术 徒手画技术 拖动技术
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拾取图形
拾取图形是交互式用户接口中的重要 任之一.在交互式图形系统的增、删、改 操作中,都是以拾取图形或拾取图形的某 一位置点为基础的.
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输入控制(1)
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交互设备 (1)
对于交互设备的评价一般是从三个层次上看: • 设备层:从设备的硬件性能上考察。 • 任务层:对同一交互任务用不同的交互设备 的效果上看。 • 对话层:对不同的交互任务用不同的交互设 备的使用效果上看。
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Three levels of interaction devices
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用户接口的常用形式(1)
常用的面向应用的用户接口形式有三种:子 程序、专用语言和交互命令.
子程序库
以一种合适的高级语言(如C,C++,Pascal 等)为主语言,用此语言扩展一系列的过程或函 数调用,用以实现有关的图形设计和处理. 如GKS、GL、OpenGL等。
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Device level
On the hardware characteristics per se
Task level
Comparing interaction techniques using different devices for the same task
Dialogue level
Considering a sequence of several interaction tasks
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菜单驱动的交互方式
菜单的组织 菜单树 菜单的选择 标号 名字 位置 菜单的驱动
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光栅操作
图形软件中使用的典型光栅操作 生成画布 裁剪 位块拷贝 显示模式
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生成画布
画布定义：保存图象的图元。 属性：
• 定位信息 • 像素信息 • 控制信息：大小、线型、颜色等
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Outline
交互设备(interaction devices) 交互任务(interaction tasks) 交互技术(interaction techniques)
Primitive building blocks
交互式用户接口的构造
Putting together the primitive building blocks into a complete user-interface design
Main factors
Visual design of user-computer interface Styles of user-interface (WYSIWYG) Form and content of user-computer dialogues Several important design consideration
用户命令集的描述
用户命令集的结构:层次式结构 命令树 使用逐步生长的命令树来描述用户命令集
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用户命令集的描述
绘图系统 绘图模式 折线 弧线 圆 编辑模式 旋转 修改模式 平移 缩放
命令树结构示意图
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用户命令集的描述
Drawing System Drawing Polyline Arc Editing Circle rotation Modifying Translation Scale
L：Long V：View F：Follower
交互式用户接口的实现
交互命令是最常用的接口形式.交互命令式接口 通常采用菜单驱动、数据表格驱动和事件驱动的形 式.它们都把用户接口所具有的功能命令做成菜单一 样的东西,在屏幕上显示输出或贴在台板上,供用户选 择. 菜单驱动的交互方式 数据表格驱动的交互方式 事件驱动的交互方式
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设计人机交互的一般原则
简单易学 清晰地显示可选项 提供反馈 对错误操作容易纠正 设计的一致性
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交互设备、交互任务和交互技术(1)
• 交互设备是实现交互技术,完成交互任务的基础. • 交互技术是用户用交互设备把信息输入进计算机 的不同方式. • 交互任务是用户输入到计算机的一个单元信息.
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交互设备、交互任务和交互技术(2)
• 交互设备从逻辑上分有五种: 定位、键盘、选择、取值和拾取 • 交互任务最基本的有四种: 定位、字串、选择、取数 一个交互任务-----可用多种交互技术实现 一种交互设备-----可用于多种交互任务
状态：
• 激活—可见图元 • 非激活—不可见图元
操作：创建、设置、查询、删除等
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裁剪
屏幕划分：标题栏、命令区、绘图区等 内、外裁剪
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位块拷贝
功能：
将源画布中的象素拷贝到目标区域
实现：
定位 缩放：关于坐标单位进行 裁剪
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显示模式
源位块与目标位块中对应象素的运算方式 常见模式：例-覆盖 或 异或 与
Chapter 2
Interaction Techniques & User Interface
交互技术与用户接口
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Some terms
User interface：能够使用户动态地完成输入位置坐标、制定
选择功能、拾取操作对象、设置变换参数等图形 环境
交互任务的界面
Interaction techniques：开发用户接口、完成交
命令树结构示意图
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人-机对话序列的设计
指定一个对话命令 输入参数
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例
M
P
I
L
D
E
A
V
R
T
C
F
B
M：Menu D：Default R：React B：Before
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P：Please… E：Error T：Type
I：Input A：Application C：Circulation
the desktop user-interface metaphor is popular Now, high-quality user interfaces are the “last frontier” in providing computing to a wide variety of users
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交互设备 (2)
Locator Devices
分为绝对坐标设备、相对坐标设备、间接设备、直 接设备、离散设备、连续设备.
Keyboard Devices Valuator Devices Choice Devices Voice Recognizers 3D Interaction Devices
用户接口的常用形式(2)
功能 ： • 基本图素； • 坐标变换； • 设置图形属性和显示方式； • 输入、输出子程序； • 真实图形的处理； • 用户界面的设计。
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用户接口的常用形式(3)
专用语言
功能与子程序包类似.
交互命令
将交互的功能或语句以命令方式提供给用户使用. • 交互式用户接口就是基于某种模型,实现用户所需要 的输入、选择、拾取、删、增、改等操作.
Dialogue boxes
Select multiple elements of a set at once
Construction techniques
Rubberbanding, rubber-rectangle, rubber-circle…
Dynamic manipulation
dragging, rotating, scaling
在交互输入过程中,常用的控制方式是请求、 采样、事件及其组合形式四种. 三种输入控制方式
输入控制的方式取决于应用程序和输入设 备之间是如何相互作用的
•
请求方式:用程序来初始化输入设备，在应用程序 的控制下工作.
应用程序激活一个或几个输入设备之后， 继续自 己的工作，直至某个输入设备发出中断请求。
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输入控制(2)
•
•
取样方式:程序和输入设备同时工作. 应用程序通过不停地取样输入设备的状态 来检测其状态的改变。 事件方式:输入设备初始化数据输入,并控制数 据处理过程.
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交互式用户接口的构造
Key goals
Increase in speed of learning Increase in speed of use Reduction of error rate Encouragement of rapid recall Increase in attractiveness to potential users
互任务的技术
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Why the issues?
Keyboard-oriented command-language interfaces
Hard-to-learn
Graphics-oriented personal computing environments