专利名称：一种笔式用户界面中基于笔的圆弧绘制方法
技术领域：
本发明涉及笔式用户界面，具体涉及一种基于笔的圆弧绘制方法，属于人机交互技术 领域。
背景技术：
在笔式用户界面的应用领域中，教育领域是一个非常重要，非常特殊的应用领域。学 生在学习几何知识的过程中，不仅要学习一些基本概念，基本定理，而且要学会几何图形 的构造方法，用以探索几何图形之间的关系。尺规作图就是一种非常有用的构造几何图形 的方 去(参见Ruler-and-compass construction, http:〃en.wikipedia.org/wiki/Compass—and—str aightedge)。尺规作图中的"尺"指的是没有刻度的直尺，它只用作连接两个点；"规"指的 是用于画固定半径的圆、圆弧的圆规，画圆弧时，要先确定圆心和圆弧半径。
许多基于笔迹勾画的系统，能够智能识别出直线和圆弧，但是，尺规作图与上述的笔 迹勾画系统有很大的不同。在使用尺规作图的过程中，不断地模拟尺规作图的各个步骤， 用户能够直观地理解各种不同的几何图形的概念以及它们之间的关系(参见GRACE, http: 〃www.cs.rice.edu/~jwarren/grace/)。通过图形的几何变换，例如移动，縮放，膨胀，旋 转，尺规作图的使用者可以学会如何通过一些简单的图形，构建复杂的几何图，例如平 行四边形，正五边形等等。而且，用户可以通过使用尺规作图，发现一些几何图形的内在
属性，例如角平分线，直角的三等分线等等。
当前，已经有一些应用支持尺规作图的作图方法。其中有HabilisDraw(参见Daughtry， J. M.， Amant， R. S., Power tools and composite tools: integrating automation with direct manipulation. ACM IUI 2003: 233-235)和Geometer's Sketchpad (参考文献The Geometer's Sketchpad,http:〃www.keypress.com) 。 HabilisDraw包含了直尺、圆规以及一些其它的虚拟 工具，来完成作图。Geometer's Sketchpad能够帮助教师和学生建立与探索一些数学模型、 三维造型、图形、图表。GRACE是一种交互性尺规作图编辑器。可用于高中几何定理教 学(参见GRACE, http:Vwww.cs.rice.edu/~jwarren/grace/)。但是这些基于图形用户界面 的应用软件，往往会出现一种被称为"round-triptravel"的问题当用户要构建一个复杂的几何图时，往往要完成许多次不同的鼠标点击，许多次不同的按钮点击，要在不同的点击中 来回切换，这样导致浪费了太多的切换时间、切换次数以及切换所耗路径。还有一些研究 者，将一些三维旋转信息和方向信息加入了笔交互技术之中(参见Tian, F., Xu, L., Wang, H., Zhang, X.， et al, Tilt Menu: Using the 3D Orientation Information of Pen Devices to extend the Selection Capability of Pen-based User Interfaces, ACM CHI 2008: 1371-1380.，禾口 Bi， X., Moscovich, T.， Ramos, G., Balakrishnan, R. Hinckley, K., An Exploration of Pen Rolling for Penbasedlnteraction, ACM UIST 2008: 191-200.)。本发明将笔的众多信息整合到一起，提 供了一种体系完整，状态转换平缓、流畅的基于笔的尺规作图解决方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种笔式用户界面中基于笔的圆弧绘制方法。 本发明方法包括下列步骤
a) 处理系统以用户选定的点作为圆弧的圆心；
b) 处理系统读取笔身的倾斜角，并根据所述倾斜角按照设定的方法确定圆半径，所 述圆半径随着所述倾斜角的变化而变化；
C)处理系统根据用户的指令固定圆半径；
d) 处理系统以所述圆心和圆半径绘制圆弧，同时读取笔身的方位角变化，并根据所 述方位角变化按照设定的方法确定圆弧的圆心角，所述圆心角随着所述方位角变化的变化 而变化；
e) 处理系统根据用户的指令固定圆心角，并结束绘制，回到初始状态。
其中，步骤b优选通过下述方法确定圆半径R=Roxcos(altitiude)，其中R表示半径， Ro表示初始长度，由用户设定，altitude表示笔身的倾斜角，倾斜角指的是笔身和绘制界面 之间的角度。
步骤c所述指令优选为自旋笔身，笔的自旋可以朝一个方向，或者来回旋转，即朝一 个方向旋转后再朝相反方向旋转。
为了排除笔尖偶尔抖动等以外情况，本发明优选对笔身的自旋设定界定标准， 一个简 单的界定标准可以是自旋角度的大小，复杂的界定标准则可以考虑笔尖的位移，自旋角度 变化的时间长短等。
下面详细说明一个复杂的界定标准本发明可以固定的时间间隔，比如50毫秒，检测笔身的状态信息，某时刻t的状态信 息可以包括笔尖所在的坐标(Xt， Yt)(以圆心作为三维坐标的原点，以绘制界面作为xy 平面)，笔身的倾斜角altt，笔身的方位角azit，笔身的自旋角rollt。
将这些信息组合，得到一系列数据组的集合((X!， Yi， alti， azi。 rolh), ... , (Xt， Yt， altt， azit， rollt)， ... , (Xn， Yn， altn， azin， rolln)}
当三个连续的数据组，也即三个连续的笔身状态，满足下列条件时，则被认定为是本
发明所述的自旋指令，反之则不认为是自旋指令
1. e2-ep thresTime, e3-e2>thresTime，本项对时间作约束，防止短时间内的抖动被误认 为自旋手势；
其中，ei， e2, e3表示自旋角达到极值的连续三个时刻，且所述极值在最大极值和最 小极值之间交替，比如，e!为自旋角达到极大的时刻，e2为自旋角达到极小的时刻，e3为 自旋角达到极大的时刻，或者ei为自旋角达到极小的时刻，e2为自旋角达到极大的时刻， e3为自旋角达到极小的时刻。
所述自旋角达到极大指的是该时刻的自旋角比该时刻前一时刻和后一时刻的自旋角 均大；所述自旋角达到极小指的是该时刻的自旋角比该时刻前一时刻和后一时刻的自旋角 均小。
2. eS-el-l ，本项限制笔尖在x轴方向的位移；
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3. e3 — el — 1 ，本项限制笔尖在y轴方向的位移；
4. S，，^,ti1 < fe^0/i^Mlt，本项限制笔身的倾斜角变化;
5. e3 — el — 1 ，本项限制本身的方位角变化。
其中thresTime， thresOffsetX, thresOffsetY， thresOffsetAlt和thresOffsetAzi都是一些 可由用户设定的阈值。它们保证了笔的自旋操作能够持续一段时间，在此期间，笔尖的移 动和笔身的旋转幅度都在相对小的幅度之内。
5优选地，在步骤C中，当处理系统固定圆半径后，若用户抬起笔尖并重新选定一个点， 则处理系统以新选定的点作为圆心，保持圆半径不变。通过这样的设置，可以绘制相同半 径的一系列圆，这在角平分线的绘制过程中非常关键。
优选地，步骤d通过下述方法确定圆心角e-A(azimuth),其中e表示圆心角，azimu th表示笔身的方位角，A(azimuth)表示笔身的方位角变化。所述方位角指的是笔身在绘制 界面上的投影和位于绘制界面内的xy坐标系中的x轴之间的角度。
除此之外，也可在圆心角和方位角变化之间建立函数关系，以使圆心角更敏感地反映 旋转角的变化，比如方位角变化20。，即用户将笔身旋转20。，得到圆心角为40。的圆弧。
步骤e所述指令优选为提起笔尖，同时自旋笔身。所述自旋的方向包括单向和/或双 向，所述自旋的角度在设定的角度范围内。此处的自旋笔身可以和上述自旋笔身采用相同 的或者不同的设置。
优选地，为了辅助用户绘制，本发明在处理系统中采用可视化技术展示一虚拟圆规， 所述圆规的的一个支点和圆心重合，两个支点之间的距离等于圆半径，从而为绘制过程提 供了实时的可视化反馈机制，用户在绘制过程中， 一个可视化的虚拟圆规始终随着笔的运 动而运动。优选地，圆规的支臂和笔的倾斜角相同，如图2所示。
优选地，圆规的状态和表现方法可随着绘制的不同状态而产生不同的可视化反馈，比
如
1) 如果用户将笔尖在屏幕上点击一次，圆规作为支点的那一端，将会定位在笔尖点 击的位置；
2) 当圆心点定位好之后，如果对笔进行倾斜操作，可以看到，圆规的两个支点张开， 两条支臂的夹角随着倾斜操作而改变；
3) 在圆弧绘制过程中，圆规的一个支点始终不离圆心，另一支点则随着笔尾的圆周 运动而对应运动，绘制圆弧；
4) 圆弧绘制结束后，若用户抬起笔尖，将笔尖置于另一位置，则可以新圆心按原半 径继续画圆，在上述笔尖移动过程中，圆规始终保持原有角度，圆规的两条腿不会合拢。
优选地，上述可视化反馈还可表现在圆规在不同的状态下，呈现不同的颜色。这样， 能给用户一个感知反馈，让用户明确状态的变化，比如
1) 黑色圆规在绘制前后呈现黑色；
2) 绿色确定圆心后，圆规变成绿色，此时，圆规处于可用状态，等待用户设定半 径长度；3) 红色用户确定半径后，自旋笔身，确定半径，则圆规变成红色，表示半径已设 定，等待圆弧绘制；
4) 黄色圆弧绘制过程中，圆规呈黄色。 如图3所示。
当用户画完圆弧之后，抬起笔尖，并自旋笔身，则放弃已设定的圆心和半径，此时， 圆规变回黑色，回复到初始的状态，等待着用户再次设定圆心和半径。
如果用户画完圆弧之后，抬起笔尖，但是没有来回旋转笔身的手势，那么，原来设定 的半径长度不会改变，而且圆规仍然显示为红色。在这种情况下，只要用户的笔尖触及屏 幕，圆规就呈现黄色，用户随时可以用原有的半径绘制圆弧。
和现有技术相比，本发明具有下列优势
1. 采用了笔式用户界面，具有更高的自然性；
2. 充分利用了笔的三维信息(倾角、旋转角、自身转角等)，模拟传统尺规作图 的过程，易于学习；
3. 绘制圆弧过程采用连续的交互方式，避免了现有工具中状态的频繁切换，提高 了绘制圆弧的效率。
可以理解，本发明圆弧绘制方法可应用于广泛的技术领域，比如教育领域，工程设计 与制图领域，地图导航仿真领域等等。
图1表示本发明方法步骤a，b,c,d,e的示意图。 图2表示在以圆心为原点的三维笛卡尔坐标系中的虚拟圆规。 图3表示虚拟圆规在各个绘制状态下的颜色变化示意图。 图4表示本发明实施例绘制角平分线过程中各个状态的示意图。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方式对本发明作进 一步的详细说明。
图4展示了使用本发明方法进行模拟"尺规作图"，绘制角平分线的过程，其步骤包括:1. 用户用笔尖点击B点，确定圆心为B，虚拟圆规由黑色变成绿色；
2. 用户倾斜笔身，圆规张大，用户调节笔身的倾斜角和方位角，圆规两支点之间的 距离，即圆半径，相应变化，直至获得预期的圆半径，用户自旋笔身(向同一方向自旋， 或来回自旋等)以固定半径，此时圆规变成红色；
3. 用户旋转笔尾，使其作圆周运动，圆规的另一支点绘制圆弧，此时圆规变成黄色， 如图4a所示；
4. 得到预期的圆心角后，用户抬升笔尖，自旋笔身，停止绘制，圆规重新变成黑色， 得到如图4b所示的圆弧EFD;
5. 用户继续即E为圆心绘制圆弧，圆弧绘制完毕后，用户抬升笔尖，但不自旋笔身， 此时圆规变为红色，表示可以固定的半径继续绘制圆弧；
6. 用户以F为圆心，以固定的半径绘制圆弧，如图4b所示，两条圆弧分别以E和F 为圆心，半径相同，绘制结束后，抬升笔尖并自旋笔身，圆规变回黑色；
7. 如图4c所示，两条等半径圆弧相交于I点，此时用笔尖连接I点和B点即得到所 需的角平分线BI，如图4d所示。
权利要求
1. 一种笔式用户界面中基于笔的圆弧绘制方法，包括下列步骤a)处理系统以用户选定的点作为圆弧的圆心；b)处理系统读取笔身的倾斜角，并根据所述倾斜角按照设定的方法确定圆半径，所述圆半径随着所述倾斜角的变化而变化；c)处理系统根据用户的指令固定圆半径；d)处理系统以所述圆心和圆半径绘制圆弧，同时读取笔身的方位角变化，并根据所述方位角变化按照设定的方法确定圆弧的圆心角，所述圆心角随着所述方位角变化的变化而变化；e)处理系统根据用户的指令固定圆心角，并结束绘制，回到初始状态。
2. 如权利要求l所述的圆弧绘制方法，其特征在于，步骤b通过下述方法确定圆半径R=R0xcos(altitiude)，其中R表示半径，Ro表示初始长度，由用户设定，altitude表示笔身的倾斜角。
3. 如权利要求1所述的圆弧绘制方法，其特征在于，步骤c所述指令为自旋笔身，所述自旋的方向包括单向和/或双向，所述自旋的角度在设定的角度范围内。
4. 如权利要求1所述的圆弧绘制方法，其特征在于，在步骤c中，处理系统固定圆半径后，用户抬起笔尖并重新选定一个点，则处理系统以新选定的点作为圆心，保持圆半径不变。
5. 如权利要求l所述的圆弧绘制方法，其特征在于，步骤d通过下述方法确定圆心角e-△(azimuth),其中6表示圆心角，azimuth表示笔身的方位角，A(azimuth)表示笔身的方位角变化。
6. 如权利要求1所述的圆弧绘制方法，其特征在于，步骤e所述指令为提起笔尖，同时自旋笔身，所述自旋的方向包括单向和/或双向，所述自旋的角度在设定的角度范围内。
7. 如权利要求1所述的圆弧绘制方法，其特征在于，在圆弧绘制过程中，处理系统展示一虚拟圆规，所述圆规的的一个支点和圆心重合，两个支点之间的距离等于圆半径。
8. 如权利要求7所述的圆弧绘制方法，其特征在于，处理系统在不同的绘制状态下为所述圆规设定不同的颜色，所述绘制状态包括步骤a确定圆心后，步骤c固定圆半径后，步骤d圆弧绘制过程中，步骤e结束绘制并回到初始状态后。
全文摘要
本发明公开了一种笔式用户界面中基于笔的圆弧绘制方法，属于人机交互技术领域。本方法包括下列步骤a)处理系统以用户选定的点作为圆弧的圆心；b)处理系统读取笔身的倾斜角，并根据所述倾斜角按照设定的方法确定圆半径，所述圆半径随着所述倾斜角的变化而变化；c)处理系统根据用户的指令固定圆半径；d)处理系统以所述圆心和圆半径绘制圆弧，同时读取笔身的方位角变化，并根据所述方位角变化按照设定的方法确定圆弧的圆心角，所述圆心角随着所述方位角变化的变化而变化；e)处理系统根据用户的指令固定圆心角，并结束绘制，回到初始状态。本方法可用于广泛的技术领域，比如教育领域，工程设计与制图领域，地图导航仿真领域等。
文档编号G06T11/80GK101504773SQ20091008074
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月27日 优先权日2009年3月27日
发明者姜映映, 戴国忠, 王宏安, 丰 田, 陈明炫 申请人:中国科学院软件研究所