计算机图形：图形GUI、交互输入

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图形数据的输入

图形APP支持多种输入数据，如坐标位置值、属性值、字符串、几何变换的参数、照明参数等.

输入的过程需要窗口和特殊硬件设备的交互.

逻辑输入设备

按输入的数据类型将输入功能分类，用来输入某种特定数据的设备称为这种数据类型的逻辑输入设备（Logical Input Device）.

标准的逻辑输入设备：

  • LOCATOR 指定坐标位置(x,y)的设备（定位设备）
  • STROKE 指定一组坐标位置的设备（笔划设备）
  • STRING 输入文字的设备（字符串设备）
  • VALUATOR 指定标量值的设备（定值设备）
  • CHOICE 选择菜单项的设备（选择设备）
  • PICK 选择图形的组成部分的设备（拾取设备）

tips: 一种物理设备可用作多种逻辑输入设备，并非一对一关系.

  • 定位设备

屏幕光标定位是交互式选择坐标位置的标准方法.

典型物理设备：键盘、鼠标、触摸板、游戏杆、拇指轮、数字化触笔、手动光标及其他光标定位设备.

键盘有多种方式做定位设备：
4个控制键，将光标向上、向下、向左、向右移动；
4个额外的键，将光标沿对角线移动；
持续按下光标控制键，可以快速移动光标.

也可用键盘、光笔直接输入精准的坐标位置.

  • 笔划设备

用于输入一组顺序的坐标点. 相当于多次调用定位设备，因此定位设备通常可用作笔划设备.

  • 字符串设备

典型物理设备：键盘. 定位或笔划设备也可以逐步绘制字符.

  • 定值设备

用于输入标量值，设定各种图形参数，如几何变换参数、观察参数、光照参数等.

典型物理设备：控制旋钮、（带数字的）键盘、游戏杆、数据版.
虚拟设备：滑动块、按钮、菜单等.

  • 选择设备

常用菜单选择设计选项、参数值.

典型物理设备：光标定位设备，如鼠标、键盘、触摸板等，用于选择菜单.

还有一种特别的选择设备：语音输入，在选项数较少（<20）时较有用.

  • 拾取设备

用于选择场景中即将进行变换或编辑的部分. 任何以拾取为目标的输入机械设备，都可以为归为拾取设备.

典型物理设备：屏幕光标定位的设备，如鼠标、游戏杆、键盘等.

光标定位方法，如何拾取指定对象呢？
需要针对当前场景，进行逆观察、几何变换，将选中的屏幕坐标映射到场景的世界坐标，然后根据世界坐标位置与场景中各对象坐标范围比较. 如果某个对象的坐标范围包含该拾取位置，则拾取该对象.
如果同时有多个对象满足要求，则需要根据具体场景进一步确定.

输入功能

图形软件包通常提供多种函数供用户选择输入设备、数据类型，允许用户指定选项：
1）图形APP、设备如何交互，即输入模式.
2）使用哪种物理设备为特定逻辑分类提供输入.
3）何时输入数据.

  • 输入模式

指明程序如何与输入设备交互. 输入模式有：

1）请求模式（request mode）由APP启动数据输入. 从提出请求时被挂起，直到接收了所要求的数据.
2）取样模式（sample mode）APP和输入设备各自独立地操作. 输入设备每次得到的新数据覆盖旧数据，当程序请求数据时，就从输入设备获取当前值.
3）事件模式（event mode）输入设备启动数据输入，并交给APP. 输入设备将数据放进一个输入队列（事件队列），所有输入数据被存储. APP需要数据时，从中取出.

  • 回显反馈

用户有时要求回显输入的数据、参数，便于判定是否输入成功. 此时，输入数据显示在一个指定的屏幕区域内.

  • 回调函数

回调函数是图形软件包实现设备无关的重要技术. 回调函数与系统进行交互，指定当某个输入事件发生时，程序采取何种行为.
系统不需要知道用户程序的细节，只提供何时调用用户程序的接口.

交互式构图技术

有多种构图交互技术：定位对象位置、调整对象尺寸、应用约束、设计形状和表面图案.

定位

通过指定设备交互选择坐标位置，通常是定位屏幕光标.

如何使用定位的位置，取决于设定的处理选项，如作为线段一个端点，定位对象，作为物体的中心等.

拖拽

拖拽用于移动对象位置.

过程通常是这样的：先用鼠标将光标定位到一个对象，然后按下鼠标键将光标移动到新位置，松开鼠标选择的对象就会移动到新位置.

约束

有些对象的方向、对齐方式需要预先说明，而约束正是干这个的. 约束是改变输入坐标值，以产生对象坐标的指定方向、对齐方式的规则.

网格

正交直线的网格是屏幕上的另一种约束. 任何输入坐标位置将移动到最近的两根网格线的交点上. 网格可以选择显示，也可以不显示.

橡皮条方法

通过在起始点到移动的屏幕光标之间拉出一条直线的橡皮条方法，可以构造和定位直线段. 橡皮条方法可以使一个对象的尺寸被交互地拉伸或收缩.

例如，先按下鼠标，屏幕光标位置作为直线段的第一个端点；然后光标移动，就会绘制橡皮条线；直到鼠标松开，完成一条直线段的输入.

除直线段，还能构造、定位其他对象，如矩形、圆等.

引力场

构造图形时，有时需要在线段端点连接其他线段. 由于很难通过屏幕光标精准定位线段，因此将任意一个靠近线段的点位置转换成线段上的位置. 而转换通过在线段附近建立引力场（gravity field）实现.

在引力场范围内的任意位置，均被“吸引”到线段上最靠近该位置的点.

可通过放大端点的引力场区域，方便用户更容易在端点连接线段.

tips: 应力场不能太大，以免跟其他线段的重叠；也不能太小，不能起到定位效果.

OpenGL交互输入

因为需要与窗口系统连接，所以交换设备输入由GLUT子程序处理.

GLUT有从标准输入设备（鼠标、键盘、数据板、空间球、按钮盒等）接受输入的函数.

GLUT鼠标函数

  • 鼠标点击函数

注册一个鼠标按钮按下或松开时调用的函数.

tips: 前提条件是屏幕光标在窗口内.

glutMouseFunc(mouseFcn);

回调函数mouseFcn由用户定义，由系统调用：

void mouseFcn(GLint button, GLint action, GLint xMouse, GLint yMouse);

button可为三个符号常量：
1）GLUT_LEFT_BUTTON 表示鼠标左键；
2）GLUT_MIDDLE_BUTTON 表示鼠标中键；
3）GLUT_RIGHT_BUTTON 表示鼠标右键.

action代表事件，值为GLUT_DOWN或GLUT_UP，表示鼠标发生按下或松开事件.

系统调用mouseFcn时，会将鼠标光标在窗口的当前位置(xMouse, yMouse)传入. 该位置相对于窗口左上角，即原点在左上角，xMouse是光标到窗口左边界距离，yMouse到右边界距离.

  • 鼠标拖动函数（按下）

当鼠标在窗口内移动，并且一个或多个鼠标按钮被激活时，调用该函数.

glutMotionFunc(fcnDoSth);

fcnDoSth由用户定义，原型为：

void fcnDoSth(GLint xMouse, GLint yMouse);

(xMouse, yMouse)是当鼠标移动且按钮按下时，光标相对于窗口左上角的位置.

  • 鼠标拖动函数（未按下）

当鼠标在窗口内移动但未被按下时调用.

glutPassiveMotionFunc(fcnDoSthElse);

fcnDoSthElse类似上面的fcnDoSth.

GLUT键盘函数

  • 普通按键

当键盘上一个按键被按下时调用

回调注册：

glutKeyboardFunc(keyFcn);

keyFcn由用户定义，原型：

void keyFcn(GLubyte key, GLint xMouse, GLint yMouse);

key是一个字符值或对应的ASCII编码，(xMouse, yMouse)是鼠标光标在窗口内的坐标位置，原点在窗口左上角.

  • 功能键、方向键、特殊键

这类按键按下时调用

glutSpecialFunc(specialKeyFcn);

specialKeyFcn由用户定义，原型：

void specialKeyFcn(GLint specialKey, GLint xMouse, GLint yMouse);

specialKey取值：
功能键，符号常量GLUT_KEY_F1~F12；
方向键，符号常量GLUT_KEY_UP/DOWN/LEFT/RIGHT；
其他特殊按键，翻页GLUT_KEY_PAGE_UP/DOWN，首尾GLUT_KEY_HOME/END，插入GLUT_KEY_INSERT；
“backspace”“delete” Esc键，ASCII编码规定，分别为8、127、27.

GLUT数据板函数

  • 输入按钮事件
// 注册回调
glutTableButtonFunc(tableFcn);
// 用户定义, 原型
void tableFcn(GLint tableButton, GLint action, GLint xTablet, GLint yTablet);

tableButton整型标识符，如1，2，3等，用于标识按钮. action表示按钮行为，取值GLUT_UP/GLUT_DOWN. (xTablet, yTable)数据板坐标.

  • 查询数据板有效按钮数

返回有效按钮数目

glutDeviceGet(GLUT_NUM_TABLE_BUTTONS);
  • 数据板光笔或光标的移动
// 注册回调
glutTableMotionFunc(tableMotionFcn);
// 用户定义, 原型
void tableMotionFcn(GLint xTablet, GLint yTablet);

OpenGL拾取操作

基本思想：鼠标点击时，用一个基于光标的拾取窗口（矩形）在窗口中拾取对象，一次可能拾取到多个对象. 每次拾取选中的对象，然后向拾取缓冲区添加一个记录，记录包含该对象在名称栈以下所有对象的名称（名称列表）.

这种类型记录，也称为点击记录. 记录的数目取决于拾取窗口的尺寸和位置，例如拾取窗口较大，则同时选中的对象可能更多.

为使用OpenGL拾取（也叫选择）功能，APP须包含以下过程：

  • 创建、显示一个场景；
  • 拾取一个屏幕位置，并在鼠标回调函数内进行操作：

1)glSelectBuffer()设置一个拾取缓冲区

2)glRenderMode(GL_SELECT)激活拾取操作，进入选择模式

3)glInitNames()为对象标识符初始化一个ID名称栈

4)定义用于选择的视景体，glPushMatrix()保存当前的观察和几何变换状态

5)gluPickMatrix()指定拾取窗口

6)glPushName()给对象分配标识符，然后用观察体再处理一次场景，从而将拾取信息存储到拾取缓冲区中

7)glPopMatrix()恢复原来的观察和几何变换状态

8)glRenderMode(GL_RENDER)确定被拾取的对象的数目，然后返回正常的绘制模式

9)处理拾取信息

记录包含信息：

  1. 对象在名称栈中的位置，即名称栈中位于该对象之下（含该对象）的名称数目；
  2. 拾取对象的最小深度（拾取对象窗口坐标z值）；
  3. 拾取对象的最大深度；
  4. 从名称栈中第一个名称（底部）到拾取对象之间所有名称的列表（代表当前所有拾取的对象）.

tips: 一条记录可能包含多个拾取对象的名称.

tips: 最小深度、最大深度范围[0, 1]，然后乘以\(2^{32}-1\)，四舍五入到最接近的无符号整数，结果存放到记录中.

glRenderMode的第三个参数GL_FEEDBACK，即反馈模式，不显示对象，而是将对象的坐标及其他信息存储到一个反馈缓冲区中. glRenderMode返回当前模式下对应数组存储的记录个数.

名称栈操作：
glPushName(ID),glPopName()能对名称栈进行压栈、弹栈操作，glLoadName(ID)替换栈顶元素.

gluPickMatrix定义选定视区内的拾取窗口：

gluPickMatrix(xPick, yPick, widthPick, heightPick, vpArray);

拾取窗口（矩形）左下角相对于视区（原点在左下角）的坐标(xPick, yPick)，宽、高分别为widthPick、heightPick. 而光标坐标(xMouse, yMouse)是相对于视区左上角，因此要翻转yMouse值（视区高度 - yMouse）.

示例：鼠标点击拾取窗口中红、绿、蓝三个矩形

完整代码 参见pickup_window.cpp | gitee

OpenGL菜单

支持简单的弹出式菜单.

创建GLUT菜单

  • 创建一个弹出式菜单
glutCreateMenu(menuFcn);

回调函数menuFcn由用户定义

void menuFcn(GLint menuItemNumber);

传递给menuItemNumber的值用于执行某些操作. 当一个菜单被创建时，被关联到当前窗口.

  • 添加菜单项

菜单上显示的每一项内容，称为菜单项. 需要显示一项内容时，就要添加一个菜单项.

glutAddMenuEntry(charString, menuItemNumber);

charString: 菜单项显示的文字；menuItemNumber菜单项在菜单上的位置. 选择某个菜单项时，menuFcn会被调用，对应menuItemNumber会被传给menuFcn对应参数.

例，创建一个有2个菜单项的菜单

glutCreateMenu(menuFcn);

glutAddMenuEntry("First Menu Item", 1);
glutAddMenuEntry("Second Menu Item", 2);
  • 为菜单项选择鼠标键

设置点击鼠标哪个键触发弹出式菜单. 创建菜单的位置取决于鼠标点击事件位置.

glutAttachMenu(button);

button值可为LEFT（GLUT_LEFT_BUTTON）、MIDDLE、RIGHT，分别代表鼠标左键、中箭、右键.

创建、管理多个GLUT菜单

  • 菜单标识符

创建菜单时，菜单会被关联到当前窗口. 一个窗口可以创建多个菜单，不同窗口可以创建不同菜单. 如何区分不同的菜单？

创建菜单时，可为其分配一个整型标识符，从1开始顺序编号.

menuID = glutCreateMenu(menuFcn);

返回值就是标识符. 而最新创建的菜单，成为当前窗口的当前菜单（current menu）.

  • 激活指定菜单为当前菜单
glutSetMenu(menuID);
  • 清除指定菜单

如果清除的是当前菜单，那么当前窗口就没有当前菜单了

glutDestroyMenu(menuID);
  • 获取当前菜单标识符
currentMenuID = glutGetMenu();

如果当前窗口没有菜单或已被清除，那么返回0.

创建GLUT子菜单

可将一个子菜单关联到一个菜单上.

// 创建子菜单
submenuID = glutCreateMenu(submenuFcn);
glutAddMenuRetry("First Submenu Item", 1);

glutCreateMenu(memFcn);
glutAddMenuEntry("First Menu Item", 1);
...
// 将子菜单添加到主菜单
glutAddSubMenu("Submenu Option", submenuID);

修改GLUT菜单

  • 修改与菜单关联的鼠标键

先glutDetachMenu删除，后glutAttachMenu关联新的鼠标键. 删除关联的鼠标键：

glutDetachMenu(mouseButton);

mouseButton是代表鼠标键（左、中右）GLUT常量.

  • 删除菜单项

修改菜单项也是需要先删除后添加.

glutRemoveMenuItem(itemNuber);

itemNuber是待删除菜单项的标识符.

小结

  • 介绍了图形APP的多种物理设备（硬件设备），对其进行逻辑分类，图形输入API可设计成设备无关.

  • 6类逻辑设备：定位设备、笔划设备、字符设备、定值设备、选择设备、拾取设备.

  • 图形软件包的输入函数可定义成3种输入模式：
    请求模式：将输入的控制交给APP；
    取样模式：设备与程序并行工作；
    事件模式：设备启动数据输入，控制数据的处理.

  • 网格、引力场、橡皮条方法常用来帮助用户定位、构图.

  • GUI设计指导思想：易用、清晰、灵活. 应尽量减少用户记忆要求. 提供足够反馈，一定的回退和错误处理能力.

  • GLUT工具包提供鼠标、键盘等输入函数，提供简单的菜单、子菜单功能.

posted @ 2024-01-02 11:04  明明1109  阅读(74)  评论(0)  编辑  收藏  举报