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：

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；
拾取对象的最小深度（拾取对象窗口坐标z值）；
拾取对象的最大深度；
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);