一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法

2023-05-13 11:40:56 1

專利名稱：一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法
技術領域：
本發明屬於人機互動領域，具體涉及一種利用筆的傾角信息進行餅形菜單選擇的方法。
背景技術：
筆的書寫和姿勢是筆交互的兩種基本模式。通常筆輸入設備不只提供了筆尖的位置信 息，而且提供了擴展信息，如書寫壓力、三維方向和三維旋轉信息。傳統的筆式用戶界面 使用筆尖的信息比較多，像筆尖的位置，壓力等。
目前在筆的書寫和姿勢方面已有的研究工作有Li的研究指出，在筆式界面中，有5 種技術可用於書寫和姿勢之間的狀態切換，其中包括基於筆的壓力的模式切換，這是一種 隱式的模式切換(參考文獻Li, Y.， Hinckley， K., Guan Z" Landay, J.A., Experimental analysis of mode switching techniques in pen based user interfaces. In Proc. CHI 2005, ACM Press (2005), 461-470.) 。 Saund提出了一種基於推斷模式的交互協議，該協議通過辨識筆的軌 跡和理解上下文情境來探知用戶意圖，在一些情境下，該協議不需要一些明確的指令，當 系統遇到一些含義模稜兩可的筆畫時，系統會彈出選擇工具條，請用戶選擇(參考文獻 Saund, E., Lank, E., Stylus input and editing without prior selection of mode. In Proc. UIST 2003, ACM Press (2003)， 213-216)。
目前已有許多種基於筆的菜單選擇定位的方法。但是它們在執行選擇指令時，必須通 過筆尖的移動。由此帶來的問題是表意含糊當前執行選擇指令的筆畫不能確定是否為繪 圖筆畫的一部分。所以當歧義產生時，解決方法是由用戶反饋正確的意圖。就像SmartGuides (Adobe 111ustrator，http:〃www.adobe.com/products/illustrator/ ) 禾口 automatic constrains generation (Solidworks， http:〃www.solidworks.com)，用戶必須取消當前的筆畫任務，才能 執行選擇任務。Toolglass (Bier, E. A.， Stone, M. C., Pier, K,, Buxton， W.， Derose， T. D., Toolglass and magic lenses: The see-through interface. In Proc. SIGGRAPH 1993, 73-80.)第一 次將命令選擇和方向操縱這兩種交互機制整合到了 一起，用戶使用左手來操控一個透明的 選擇工具，右手用來選擇命令以及進行方向操控。Guimbret&e (Guimbreti6re， F.， Martin, A., Winograd, T.， Benefits of merging command selection and direct manipulation. ACM TOCHI， 2005,12 (3): 460-476.)提出，當前的單手技術不能完成"自由繪畫的同時進行命令選擇"的任務，這是在有必要整合"命令選擇和方向控制"技術方面的有力證明，也是本發明研 發基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法的主要動機。餅形菜單的形狀為餅狀，用戶可以通 過選擇餅形菜單中的菜單項進行菜單選擇，餅形菜單中各菜單項均勻分布。
筆設備在執行選擇任務時，採集筆設備的三維方向信息來完成任務。當筆尖執行繪畫 或者交互任務時，若此時需要另一個輸入值(該值用於發出命令或參數選擇)，用傳統的 單手方法來同時完成這兩個任務會有困難，這時需要藉助另一隻手的協作或需要其它設備 的協助。

發明內容
本發明的目的在於用一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法來擴大筆設備的選擇 能力，從而整合命令選擇和方向控制。本發明基於筆的三維方向信息(見圖1)來完成， 筆尖執行繪畫或者交互任務時，不需要移動筆尖，能完全自由地使用單手來同時完成指令 選擇和方向控制的任務。
本發明是一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，包括如下步驟
1) 將筆設備的筆尖定位在餅形菜單的中心；餅形菜單中由菜單項包圍的內圓區域為 中心區域；
2) 讀取筆設備的輸入信息，讀取筆設備的輸入信息，計算動態光標的長度，所述動 態光標是筆設備向量在三維坐標中某一平面的投影量；
3) 動態光標的長度大於中心區域的半徑時，計算動態光標的方位角，選擇動態光標 對應的餅形菜單；所述動態光標的方位角指動態光標與上述投影平面的坐標軸正方向的夾 角。
進一步，動態光標的長度TCLength的計算方法如下
1) 對零高度調整量^"《"^、高度因子^ZF、方位因子"z^設定初始參數；
formula see original document page 4
2) 計算 與L 」的乘積，和 與L 」的乘積，所
述^&""e為筆設備的高度信息；"z/w"&為傾角信息；
3) 上述兩個乘積平方和的方根即為動態光標的長度。
餅形菜單確定後，中心區域半徑即確定，等於&*餅形菜單的半徑，a介於0和0.5之間。 本發明是基於圓盤形的選擇菜單，如圖2所示，菜單選項在圓盤中呈扇形排列。為了 觸發一個菜單項，用戶無需將筆尖抬起。當要選中一個菜單項時，將筆傾斜，當筆的頂端投影碰到菜單選項的邊緣時，該菜單項即被選中，因此本發明可以同時進行數據輸入和數 據操控。例如當用戶在自由畫線的狀態下需要改變當前所畫線的顏色時，用戶在畫線的 同時，將畫筆傾斜，在選擇方法的反饋之下完成顏色的改變。由此可見，這種基於筆傾角 信息的餅形菜單選擇方法可以實現第二維輸入值(該值可以是命令或參數的選擇)。而該 值的輸入無需第二隻手的協作，也無需其它設備的輔助，而且整個過程沒有影響到用戶先 前的操作任務。
為使用戶能夠高效地使用基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，本發明對筆和菜單的 狀態採取實時可視反饋的技術使用動態光標動態反饋筆設備的三維可視化線索。
餅形菜單的中心定位在筆尖的位置，該中心即為三維坐標系的中心點。視點位於Z軸 正方向的無窮遠處。將筆設備所處的位置向量投影到XOY平面，將投影量命名為Tilt動 態光標。利用動態光標來選擇餅形菜單中的某個菜單項。
動態光標(Tian, F.， Ao， X., Wang, H.， Setlur, V., Dai G., The Tilt Cursor: Enhancing Stimulus-Response Compatibility Based on 3D Orientation Cue of Pen Devices. In Proc. CHI 2007， ACM Press (2007), 303-306)頂端在坐標的原點，視點在光標上z坐標軸的正向無限 處，動態光標是筆向量在XY平面上的投影。動態光標形狀的計算可參考圖5。
本發明的優點和積極效果如下
(1) 本發明可以很輕鬆地植入筆式用戶界面中，不會與現有的設計相衝突，不會打 斷原有的書寫任務，無需其它輔助設備的幫助，在移動或書寫的同時進行選擇操作的優勢 尤其顯著
(2) 用戶在進行自由書寫時，為了同時觸發一個菜單項，無需移動筆尖，只需將筆 傾斜，當筆的頂端投影碰到菜單選項的邊緣時，該菜單項被選中。
(3) 基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法的中心是筆尖的位置，因此，它可以始終 節省菜單定位時間，節省物理上的選擇位移。與此同時，用戶採用傾斜筆的方式來選擇菜 單項，不移動筆尖，不改變筆尖原有的運動軌跡，大大便利了用戶操作。
(4) 本發明是基於上下文的當前任務需求來調用選擇方法的，而不是一個明確的調 用行為。當上下文情境改變時，餅形選擇菜單會自動消失，無需用戶的取消操作。例如， 在線同步草圖識別系統的勾畫草圖過程中，當出現不明確的識別結果時，餅形選擇菜單會 自動出現。


圖1 一位右手操作的用戶使用本發明在自由繪圖的同時進行任務選擇。 圖2用戶在圖1狀態下使用本發明的菜單狀態圖。 圖3計算某個菜單項是否被選中的三維坐標系。 圖4本發明的狀態轉換圖。 圖5動態光標的計算流程圖。
圖6計算X軸上的光標頭與光標尾的距離的方法圖。 圖7計算Y軸上的光標頭與光標尾的距離的方法圖。
具體實施例方式
為了使本技術領域的人員更好的理解本發明，下面結合附圖和實施方式對本發明作進 一步的詳細說明。
1將筆尖定位在餅形菜單的中心，計算機讀取筆的輸入信息，獲取筆當前的高度信 息a/故wcfe禾u傾角信息"zZ附"^
2首先參照圖3，圖3是實現動態光標的三維笛卡兒坐標系原理圖，動態光標頭在坐 標的原點，視點在光標上z坐標軸的正向無限處，動態光標是筆向量在XY平面上的投影。 動態光標形狀的計算可參考圖5，其步驟如下
計算動態光標的長度TCLength，需要用到如下參數高度ato"&，方位az/mw^， x
軸上光標頭與光標尾的距離^ ， Y軸上光標頭與光標尾的距離Ay，設定初始參數，包
括零高度調整量^"《"^，高度因子^f，方位因子"z^。 。/"々"W， ^F和"!7r三 個值是在筆和光標的不同坐標系統之間建立映射。其值需要根據數字筆的參數、顯示屏的 參數以及希望得到的效果來設定。
1) X軸上的光標頭與光標尾的距離^的計算方法，參考圖6，其詳細步驟如下 計算動態光標的高度^"""e的絕對值一""^
計算高度絕對值^^"^1與高度因子""^的比值^—;計算動態光標的傾角信息方位"^W"A與方位因子^f的比值; 計算零高度調整量^"《"W與^^的差值"^'——；
計算比值的正弦,WF J ; X軸上光標頭與光標尾的距離Ax =
j. |altitude|). f azimuth'
altAdiust - J-11 x sin I-
altF 、 aziF .
2) Y軸上的光標頭與光標尾的距離A^的計算方法，參考圖7，其詳細步驟如下
計算動態光標的高度"^"^的絕對值—""^
, , I a tow—
計算高度絕對值—""^與高度因子"^1的比值 ；
計算方位"Z/m"^與方位因子flZ^的比值■;
計算零高度調整量^"^^與^"的差值"^卜^"; - cos -
計算比值m/F的餘弦k "f八
f azimuth
:cos
aziF
Y軸上光標頭與光標尾的距離Ay = f altAdjust - J^^T
、 altF ,
3)動態光標的長度的計算步驟如下
分別計算x軸、Y軸上光標頭與光標尾的距離的平方Ax2、 Ay2
計算A 與齡2 ,AX2 +匆2 ;計算,+勿2的平方根^^; 得到動態光標的長度 TCLength = ^Ax2 + Ay2 。
3判斷TCLength與中心區域半徑的大小，若TCLength的值大於中心區域半徑的值，則 意味著動態光標選中了餅形菜單中的某個菜單項。獲得數字筆方位角的方法有很多，本實 施例根據數字筆開發包採集到的數字筆的方位角，找出動態光標對應的菜單項。
4.基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法的狀態轉換過程，如圖4所示。
餅形菜單的由菜單項包圍的內圓區域稱為中心區域(CenterRegion)，如圖2所示，當選擇任務完成之前，高亮顯示某個菜單項，這個高亮的菜單項是當前由於筆的傾斜所選 中的菜單項的可視反饋。本發明的菜單轉換過程中共有四種狀態
狀態l:菜單被激活。
狀態2:菜單失效。此時筆處於傾斜狀態，動態光標擊中了某個菜單項的邊緣。 在動態光標處於狀態l，光標擊中了某個菜單項的邊緣，即由狀態1進入狀態2。
狀態3:菜單選擇開始。此時筆處於傾斜狀態，動態光標進入中心區域的內部。 在動態光標處於狀態l，此時筆處於傾斜狀態，動態光標完全位於中心區域的內部，即由 狀態1進入狀態3。
在動態光標處於狀態2，此時筆處於傾斜狀態，動態光標重新進入中心區域的內部， 即由狀態2進入狀態3。
狀態4:菜單選擇完成。在動態光標處於狀態3，此時筆處於傾斜狀態，光標擊中了某
個菜單項的邊緣，即由狀態3進入狀態4。
狀態轉換全過程-
1) 、動態光標處於狀態l，菜單被激活，中心處於筆尖位置。菜單自動跟隨筆尖運 動，直到用戶完成選擇活動後消失。在此過程中，筆的方向信息決定了菜單的下一個狀 態。
2) 、菜單被激活後，動態光標整體位於本發明的中心區域內時，狀態轉換至狀態3:
開始準備選擇狀態。在狀態3，用戶通過傾斜筆來完成選擇任務。
3) 、動態光標處於狀態l，在用戶執行選擇任務之前，動態光標已經擊中了某個菜 單項的邊緣，那麼狀態轉換至狀態2，菜單失效。
4) 、若用戶調整筆的高度值，使動態光標整體位於本發明的中心區域內，則從狀態 2轉移到狀態3。
5) 、用戶當前處於狀態3，此時只要使動態光標擊中本發明的邊緣，即可完成某個 菜單項的選擇活動。
在菜單設計方面，當菜單處於失效狀態(見圖4狀態2)時，菜單選項呈灰色。當菜 單處於開始選擇狀態(見圖4狀態3)時，當前被選擇的菜單項高亮顯示，可視反饋出當 前筆的方位角信息。若用戶一直保持所選擇的方位角，高亮的菜單項就會被選中。選擇完 成之後，餅形菜單自動消失。
權利要求
1.一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其步驟包括1)將筆設備的筆尖定位在餅形菜單的中心；餅形菜單中由菜單項包圍的內圓區域為中心區域；2)讀取筆設備的輸入信息，計算動態光標的長度，所述動態光標是筆設備向量在三維坐標中某一平面的投影量；3)所述動態光標的長度大於中心區域的半徑時，計算動態光標的方位角，選擇動態光標對應的餅形菜單；所述動態光標的方位角指動態光標與上述投影平面的坐標軸正方向的夾角。
2. 如權利要求1所述的一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其特徵在於所述筆 設備的輸入信息包括筆設備當前的高度信息和傾角信息。
3. 如權利要求2所述的一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其特徵在於步驟2) 中動態光標的長度的計算方法如下1) 設定零高度調整量^"々'"W 、高度因子""F、方位因子"Z^的初始參數；formula see original document page 22) 計算 與L "『」的乘積，和 。^與L 。^" J的乘積，所 述"/"rt^fe為筆設備的高度信息；為傾角信息；3) 動態光標的長度等於上述兩個乘積平方和的方根。
4. 如權利要求1所述的一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其特徵在於所述餅形 菜單中的各個菜單項在餅形菜單中均勻分布。
5. 如權利要求1所述的一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其特徵在於所述中 心區域的半徑小於等於餅形菜單的半徑的0. 5倍。
6. 如權利要求1所述的一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其特徵在於所述方 位角根據筆設備的開發包獲得。
7. 如權利要求1所述的一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其特徵在於所述投 影平面為xy平面或xz平面或yz平面。
8. 如權利要求1所述的一種基於筆傾角信息的餅形菜單選擇方法，其特徵在於所述餅 形菜單在執行當前任務時，會自動出現，當上下文情境改變時，餅形選擇菜單會自動消失。
全文摘要
本發明屬於人機互動領域，具體涉及一種利用筆的傾角信息進行餅形菜單選擇的方法。本發明將筆設備的筆尖定位在餅形菜單的中心，基於筆的三維方向信息，獲得筆設備在三維坐標的平面投影量，及平面投影量與坐標軸正方向的夾角，實現餅形菜單的選擇。筆尖執行繪畫或者交互任務時，為了同時觸發一個菜單項，無需移動筆尖，只需將筆傾斜，當筆的頂端投影碰到菜單選項的邊緣時，該菜單項被選中，能完全自由地使用單手來同時完成指令選擇和方向控制的任務，在移動或書寫的同時進行選擇操作的優勢尤其顯著。
文檔編號G06F3/033GK101286111SQ200810114639
公開日2008年10月15日 申請日期2008年6月6日 優先權日2008年6月6日
發明者戴國忠, 王宏安, 豐 田 申請人:中國科學院軟體研究所