基于笔式用户界面几何教学系统的研究与实现

论文摘要

为满足未来教育的发展，各种教育软件越来越受重视且已经取得了巨大发展，笔式用户界面已经实现初期产业化成为教学领域的主要发展方向之一。在笔式教学软件系统发展中，手势识别技术是最关键的技术，它制约着教学软件的发展。另外约束模型的主动约束捕捉与求解算法也是教学软件应用技术中的核心。约束技术是近几年才发展起来的新技术。通过约束技术能很好的实现各图形的关联，提高图形编辑的自动化。考虑到变量化造型的技术特点保留了参数化技术基于特征、全数据相关和尺寸驱动设计修改的优点，笔式教学系统引用了变量化技术来实现手势识别和主动约束捕捉。基于以上技术本文设计了一种笔式用户界面几何教学系统（Pen-based User Interface Geometry Education System，下文简称PenUI-GES），并建立了基于平面几何的教学系统模型。笔式教学系统采用Post-WIMP的交互范式，代替了以往WIMP相对单一的鼠标、键盘的笔式交互范式。本文阐述了PenUI-GES的设计与实现，对笔式用户界面的结构及模型、笔交互的事件模型、语义模型和绘制模型做了详细说明，介绍了平台中的组件关系和结构关系，分析了各模型之间的联系，并详细介绍了各模块的详细流程及其实现的功能。对系统要达到的技术指标做了规划，对程序中存在的问题进行了深入分析，对关键技术做了比较详细的介绍，对本系统的具体实现方法做了分析，对设计时出现的问题做了详细的说明，并对接下来的工作做出了规划。通过对实验结果的分析，系统对常见的几何体、汉字和手势的识别率基本达到设计要求。该系统具有易学性、操作方便和高效性等优点，基本达到了课题要求。未来的发展方向将是一个数字化、信息化的时代，因此，本文的研究对未来教育系统的发展具有很大的实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 计算机辅助教学的发展状况
• 1.2 笔式用户界面几何教学系统的研究概述
• 1.2.1 平面几何教学系统研究的重要性
• 1.2.2 平面几何教学系统研究的复杂性
• 1.2.3 目前平面几何教学系统的设计原则及成果
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 主要研究工作
• 1.3.3 主要研究目标
• 1.4 研究目的和意义
• 1.5 本文结构
• 第2章 笔式几何教学系统中主要理论介绍
• 2.1 笔式几何教学系统中手势的研究
• 2.1.1 笔式几何教学系统中手势的概述
• 2.1.2 手势的主要特点
• 2.1.3 手势的算法及其类型
• 2.2 笔式几何教学系统中的识别技术
• 2.2.1 笔式几何教学系统识别技术的研究状况及识别的重要性
• 2.2.2 国内外笔式几何教学系统研究状况简介
• 2.2.3 手绘草图的识别
• 2.3 约束模型的主动约束捕捉与算法
• 2.3.1 约束求解方法介绍
• 2.3.2 面向同步编辑的交互约束捕捉
• 2.3.3 约束的分类与关联
• 2.4 双向约束数据结构及其求解算法
• 2.5 本章小结
• 第3章 笔式几何教学系统的设计
• 3.1 笔式几何教学系统的设计目标
• 3.2 笔式几何教学系统的设计思想
• 3.3 笔交互的事件模型的建立
• 3.4 笔交互的绘制模型的建立
• 3.5 笔交互的语义模型的建立
• 3.6 笔式几何教学系统中各组件结构流程图
• 3.6.1 系统中交互信息的归纳和定义
• 3.6.2 系统中各组件关系和结构描述
• 3.7 笔式用户几何教学系统模型及各模块设计说明
• 3.7.1 系统总体框架
• 3.7.2 系统各模块说明
• 3.7.3 系统所达到的技术指标
• 3.7.4 系统中的关键技术
• 3.8 本章小结
• 第4章 笔式几何教学系统的实现
• 4.1 笔式几何教学系统的界面设计
• 4.2 系统组件的存在条件及相互关系描述
• 4.3 笔式几何教学系统中部分类及函数说明
• 4.4 纸的子类定义和实现方法
• 4.4.1 纸的子类定义
• 4.4.2 纸功能的实现方法
• 4.4.3 纸类针对不同的框的实现方法
• 4.4.4 纸类定义自己的 PrimitiveCreator
• 4.4.5 纸类定义自己的 PrimitiveInterpreter
• 4.5 系统流程设计
• 4.6 草图识别关键技术实现
• 4.7 程序设计中的一些问题
• 4.8 本章小结
• 第5章 系统实验及分析
• 5.1 系统实验说明
• 5.2 实验数据及评估结果
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 需要进一步研究和解决的关键问题
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A