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软件工程思想-第13部分
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图5。7 Sonique软件的几种界面
人们经常搞不清楚什么情况下应该追求“一致性”或“个性化”。在大白天，当人们都穿戴整齐时，有些人喜欢只挂几片遮羞布。而当大家都赤条条地在共公浴室洗澡时，却也有人喜欢穿着衣服。
三、界面的广义美
尽管界面的美并没有增加软件的功能与性能，却又是必为可少的。用户使用界面时，除了直接的感官美感外，还有很大一部分美感是间接的，它们存在于人们的使用体验中，例如方便，实用等。与图形用户界面相比，命令行是最原始的界面，它难记又难看。但对于熟练的用户而言，他们乐于使用命令行以获得高效率。命令行因具有高效率而赢得了专业人士的喜爱，早期的Unix系统就是彻头彻尾的命令系统。可以说，一切有利于人机交互的界面设计因素都具有广义美。
界面设计的一些特殊考虑也体现了广义美，如设法使残障人也可以使用软件。IBM公司在1985年已经创建了残障人国家支持中心。Apple公司的专门教育办公室则提供了一些有利于残障人使用的计算机信息产品。
5。5 系统设计示例
——支持协同工作的交互式三维图形软件开发系统
本节论述“支持协同工作的交互式三维图形软件开发系统”的系统设计，作为本章的示例（ 取材于作者的博士论文工作＇林锐 2000＇）。
5。5。1 设计背景
图形标准在图形领域有着重要的地位，它不仅加速了3D应用程序的开发，而且使3D应用程序的可移植性更好。历史上曾出现的图形标准（或API）有Core、GKS、PHIGS、PEX、GL、Dore、RenderMan、Hoops、OpenGL等等。经过竞争与淘汰，目前OpenGL成为国际上公认的3D图形工业标准，在Unix与PC平台得到广泛应用。OpenGL提供了数百个库函数，可以方便地绘制具有真实感的3D图形。但是在开发交互式的3D图形应用程序时，图形的绘制只是一部分工作，更多的工作集中在场景数据结构、图形对象、三维交互和图形用户界面的设计上。
由于OpenGL与窗口系统无关，不提供任何交互手段，必须由程序员自己编写所有的交互功能。并且OpenGL 的编程接口是低级的C函数，不提供可复用的对象库或者应用程序框架，开发效率不高。为了克服这些困难，人们往往在图形标准之上再建立更高级的开发工具（3D Toolkit或3D Engine）。基于OpenGL的著名的开发工具有Open Inventor、IRIS Performer、Optimeizer/Cosmo3D以及GLUT等等。Open Inventor被誉为是交互式3D开发工具的“事实标准”，但显然没有一个3D开发工具能满足所有的应用需求，3D的广泛应用需要更多的开发工具支持。
随着计算机图形技术与网络技术的迅猛发展，两者的结合势在必行。在商业、科研、教育、娱乐等领域，用于分布式虚拟环境（Distributed Virtual Environments； DVEs）和计算机支持协同工作（puter Supported Cooperative Work； CSCW）的图形系统已成为研究与应用的热点。著名的DVEs系统有DIVE、dVS、MR、Repo…3D等。但是这些DVEs系统缺乏3D开发工具的交互式图形功能以及通用性，而通用的3D开发工具如Open Inventor则又不支持分布式计算和协同工作。由于在窗口系统、图形支撑库、编程语言等方面存在差异，上述DVEs系统和3D开发工具难以方便地结合使用。
我们多方面分析了3D需求及软硬件条件，研制完成运行于PC平台，支持协同工作的交互式三维图形软件开发系统，如图5。8所示。其中：
（1）Intra3D 2。0是基于OpenGL的通用交互式三维图形软件开发工具，可用于快速开发Window 9x/NT下的交互式三维图形应用软件。
（2）CNC 1。0是支持协同工作的网络通讯开发系统（Cooperative work municator），其核心是支持“发布—订阅模式”与“组播模式”的服务器与API。
结合Intra3D 2。0和CNC 1。0，可以快速开发支持协同工作的交互式三维图形应用软件。
图5。8 支持协同工作的交互式三维图形软件开发系统
5。5。2 通用交互式三维图形软件开发工具 Intra3D 2。0
Intra3D 2。0的核心是集成了场景数据结构、图形对象、三维交互算法和图形用户界面的C＋＋类库与（ponent Object Model）对象库，支持Visual C＋＋、Visual Basic、Delphi等语言的应用编程。Intra3D的核心库分四层创建：
（1）第一层为“基础对象与函数”（Basic Objects and Functions）；
（2）第二层为“图形对象”（Graphical Objects）；
（3）第三层为“场景图与节点”（Scene Graph and Nodes）；
（4）第四层为“绘制与交互”（Rendering and Interaction）。
体系结构如图5。9所示，其中高层构件可以引用低层构件，但低层构件不能引用高层构件。
图5。9 Intra3D 2。0 的体系结构
Intra3D 2。0是免费软件，有配套书籍《交互式三维图形技术与程序设计》。标准版软件约25兆，核心库7万多行C＋＋代码全部公开，用户可以方便地修改内核以适应不同的需求。
5。5。2。1 主要模块和功能
一、基础对象与函数层
（1）定义了用于对象引用计数的内存管理基类；
（2）矢量、矩阵与四元组运算，鼠标跟踪球算法；
（3）点阵字体与三维矢量字体输出，常用于数据可视化图形的数据标注；
（4）图像输入输出以及纹理映射，支持BMP、GIF、JPEG、SGI、TGA等图像格式；
（5）常用几何图元的绘制，如锥、柱、球、环等，并支持Swept形体，螺旋体的绘制；
（6）提供450余种材质，在第四层中可以交互式编辑这些材质。
二、图形对象层
图形对象能将数据转化为几何模型并可以绘制出来。Intra3D 2。0版提供了三类图形对象：
（1）常用几何对象，如长方体、锥体、圆柱体、球体、圆环体、Swept形体等；
（2）多边形模型对象，可用于绘制Autodesk公司。3ds模型和Wavefront公司的。obj模型；
（3）商业统计图形对象，如柱形图、带状图、条形图、折线图、面积图、饼图、塔形图、曲线图、曲面图、进程图、股票图等。
图形对象的开发与应用问题密切相关，用户可以使用继承方法扩充新的图形对象，而不会影响到其它三层的构件。
三、场景图与节点
场景图（Scene Graph）是有向无环图，Scene Graph的主要节点有：（1）SceneNode是所有节点的基类。在SceneNode中定义了局部坐标系以及相应的图形变换，这样便于第四层以同样的操作方式实现三维交互。（2）相机节点（CameraNode）支持平行投影与透视投影，支持多个相机切换。（3）光源节点有三种：平行光源节点（DirLightNode）、点光源节点（PointLightNode）和锥光源节点（SpotLightNode）。（4）形体节点（ShapeNode）用于引用图形对象，有关图形对象的三维交互均由ShapeNode处理。
四、绘制与交互层
Intra3D的交互分两类：一类是对形体、光源和相机的直接操作，另一类是真实感属性的编辑。Intra3D的场景视图构件（SceneView）封装了交互式绘制的所有细节，如消息处理、场景节点的遍历绘制、多重采样消锯齿、鼠标交互等。为了便于编辑真实感属性，Intra3D定制了一些常用对话：矢量字体对话（FontDialog）、颜色对话（ColorDialog）、材质库对话（MaterialLibDialog）、材质对话（MaterialDialog）与光源对话（DirLightDialog； PointLightDialog； SpotLightDialog）。
5。5。2。2 用户界面设计
Intra3D的场景视图构件SceneView用于快速创建交互式3D应用程序的主界面。SceneView支持selecting、scaling、rotating、translating、creating、deleting等三十余种操作，并提供工具条方便于交互，如图5。10所示。
为了编辑真实感属性，常需在对话框中绘制3D 图形。Microsoft的窗口系统不提供3D的对话窗口。使用Intra3D的Window3D构件可在对话框中创建多个3D视图，图5。11的材质对话和图5。12的材质库对话都使用了Window3D构件。颜色编辑是3D图形程序中最常用的交互，材质与光源的编辑实际上是通过改变颜色分量来实现的。需要进行颜色编辑的交互均涉及HSV与RGB模式的颜色转换。Intra3D的“绘制与交互层”实现了这些计算，并且提供彩色的滑动条用于鼠标交互。图5。13、图5。14分别为点光源对话和颜色对话。
图5。10 用于直接操作的三维交互工具条
图5。11 材质对话 图5。12 材质库对话
图5。13 点光源对话 图5。14 颜色对话
5。5。3 支持协同工作的网络通讯开发系统 CNC 1。0
最简单的协同工作模式是让两个客户机直接通讯，可以用Socket编程实现。假设有 n 个客户机参加协同工作，每个客户机将与所有其它的客户机通讯。那么总共存在n（n…1）/2 个Socket直接通讯，并且每个客户机的变动将导致其它客户机的修改。这种Socket直接通讯使得协同工作的管理和客户机的程序设计变得非常困难。CNC系统提供了支持“发布—订阅（Publish…Subscribe）”与“组播（Multicast）” 模式的服务器与API，可以高效地管理多个组群的协同工作，并使得客户机的程序设计十分简单。CNC 1。0的系统结构如图5。15所示。
CNC 服务器将客户机分组管理。在“发布—订阅”模式中，将产生数据的进程称为生产者（Producer），将接受数据的进程称为消费者（Consumer）。生产者可以向服务器发布数据，服务器保存这些数据。消费者可以向服务器订阅数据。每个客户机可能是很多数据的生产者或消费者。同一时刻，CNC系统允许有任意多个生产者和消费者存在。CNC的“发布—订阅” 功能是用TCP协议实现的。
在“组播” 模式中，服务器动态地分配每个组的组播地址。客户机可以向服务器申请加入任意组，允许向任意组播放消息，服务器不保存这些组播消息。CNC的“组播”功能是用UDP协议实现的。
图5。15 CNC 1。0 的系统结构
5。5。3。1 CNC 客户机的API设计
类CNCClient客户机用来实现“发布—订阅”和“组播”功能，主要接口（公有函数）如下：
class CNCClient
｛public：
BOOL Connect（…）；// 连接服务器
BOOL Disconnect（）；// 与服务器断开连接
BOOL PublishData（…）；// 向服务器发布数据
BOOL QueryData（…）； // 向服务器查询数据
BOOL SubscribeData（…）；// 向服务器订阅数据
GROUPIP QueryGroupIP（…）； // 向服务器查询组播地址
DWORD MulticastMessage（…）；// 发送组播消息
virtual void MessageResponse（…）；// 响应组播消息
…
｝；
一、客户程序的“发布”协议
客户机向服务器发布的每个数据报均含有数据类型、工作组名称、数据名称、生命期和数据长度的信息。报文格式如图5。16所示，�
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