CN1042431A - 三维图形接口 - Google Patents

Abstract

一种关于所有部件和这些部件上的元件的综合成象效果被用于图形接口中，从而为计算机用户提供一种内聚的三维形象隐示法。取得这种成象效果的方法基本涉及至少使用三种不同颜色，例如，一种颜色的三种不同的灰度，来表示每个部件相对边的增辉和暗化。菜单方框及同类也可用这种方式表示以提供一种整体三维结构的直观表示。与所说明部件投影拓扑一致的方式显示阴影来增强三维外部特性的显示。

Description

本发明涉及计算机用户与正在计算机上执行的一个或多个程序之间的接口。更准确地说，本发明涉及表现内聚的三维的外部特性并为正在计算机上执行的任务提供更逼真易懂的视图的图形接口。

要在计算机上执行一程序，用户输入与要执行的具体程序相关的命令是必不可少的。经常运行某程序的用户特别熟悉该程序的命令，所以无需参考文档或由程序本身提示确定合适命令就可输入命令。然而，随着个人计算机的广泛普及和为之编写的软件的大量增加，许多用户不能完全熟悉他们希望运行的各种程序所有必须的命令和协议。结果，很多程序用“用户友善”形式编写，从而用户可以知道该程序能够执行的功能，并由在用户终端上出现的菜单和/或符号提示选择合适的命令。当用户选择某一具体功能时，在该功能范围用户可用的若干选择的显示以多个形式中的一种出现在屏幕上。当从显示的任选项中选出一具体项时，可能提示用户作进一步选择，以便可按照用户的要求执行该功能。

作为进一步简化用户对程序的理解和使用，有些程序使用桌面形象隐示法作为用户和程序间的接口。在这种形象隐示法中，正在执行每个程序以及该程序内正在执行的每个任务的相关信息显示在通常称为“窗口”的光屏预选区上，光屏上的各种窗口和桌面上许多张纸相似。当前正执行程序或当前正执行程序中的任务所属的窗口通常都是在光屏上叠盖其它窗口时出现，就象和将当前任务有关的纸张或文档放置在和其它活动任务有关的纸张或文档的顶上一样。这种在视屏上给用户提供信息的方法可使用户倾注活动窗口中出现的当前任务，又兼顾到光屏上其它窗口可见部分所表示的被执行的其它任务。

使用形象隐示法大大加强了用户对程序执行的管理能力，用户渴望能提供可进一步提高用户在这方面能力的图形接口的改进形式。更准确地说，过去所用的形象隐示法本质上大部是二维的。换言之，与各程序及任务相关的窗口可置于视屏宽度、高度允许范围内的任何地方。如果一次出现许多窗口，就会和桌面上有许多纸张相似，光屏会开始出现混乱。例如，形形色色的多任务软件可使两个或多个应用程序同时在一台计算机上运行。如果每个应用程序有许多与之相关的独立窗口，视屏就迅速充满很多窗口的许多部分。

在现实世界环境里，当大量的纸或文件开始堆积在一张桌子上时，它们常常被一个接一个地堆放起来以维持有序。但在二维形象隐示法中将窗口一个接一个叠放时，用户除了最顶上窗口就什么也看不到了。因此，最好在形象隐示法中有深度、宽度及宽度的效果，为用户工作时提供更逼真、更容易管理的表示方法。这方面进一步需要的是，在隐示法中提供每个元件的物理属性，从而在用户选择和操作控制程序运行时，提供给用户更逼真的反馈。

根据本发明，为了给用户提供信息使用一种综合方法表示每个元件的特征深度及高度和宽度，从而对用作接口的形象隐示法表现为内聚的三维视图。本发明的一方面是，每个图形元件如窗口边界，图符或方框至少可用三种色调来表示。元件体用主色或基色表示。元件的一边或最好相邻的两条边（对矩形元件）用较亮色调增辉，而相对的边或邻接的几条边用较暗色调暗化。这种方法使得每个元件显得好象凸出于或凹入于背景表面，这取决于所选对应边为增辉还是暗化。

本发明的进一步方面是，这种方法也可用于元件内所示符号的专用特性以及元件本身边界。这样，一个图符内所表示物体的图象显得凸出于或凹入于基面，从而产生了三维效果。本方法的进一步应用中，将诸如方框的元件被适当增辉和暗化以提供在窗口内有质量实体和包含在这种方框内部件的外部特性，如选择按钮或棒把，被增辉和暗化使之显得如安装在该实体上的装置。

本发明的另一方面，使用阴影产生在深度方向相互间隔的多窗口效果。为进一步加强逼真效果，根据叠加堆积物体的拓扑，画出其阴影边缘轮廓线。为保证阴影不会抹去下层的窗口，可将阴影做成透明的，使得用户可以确定阴影下层的窗口内容。

通过参考附图说明的实施例和具体实例，能较详细地解释本发明如何获得易于理解的三维的外部特性的形象隐示的方法。

图1A-1C说明了图符的传统二维表示与本发明所用的三维方法的不同。

图1D是图1A所示的类似图符的放大的三维视图，详细说明图符边缘的增辉和暗化。

图2是根据本发明原理所作的各种部件的一个窗口的说明。

图2A是图2所说明的对话方框板的部分放大视图。

图3是含有一菜单的部分窗口的说明。

图4是表示含有好几个窗口的视屏显示。

图5说明使用本发明的系统结构的方框图。

如上所述，本发明的层次概念就是用易于理解的三维图形方法在光屏上描述元件，使用户得到整个可视图象具有深度感、图象内各物体有体积和质量的效果。过去就已经知道，在各单独元件上使用下垂阴影（drop    shadow）从而在这些元件上得到三维特性。基本上来说，一个下垂阴影由沿着物体右边和底边的黑色不透明线组成，如一菜单。这种黑线有固定宽度，通常为一或二象素宽。即使在选择的物体上使用下垂阴影，但光屏出现的整个图象本质上仍然是二维的。相反，通过图象显示所有单元上三维成象效果的综合应用，本发明的图形接口提供一种有逼真三维效果的内聚的外部特性。

本发明范围内所用的成象效果首先就可在显示接口出现的单独部件方面进行解释。在说明的实施例中，用来说明这些作用的具体部件为图符。图1A，1B和1C分别表示文件袋、计算器和时钟的图象。这些是根据本发明的一个方面所产生的图符的三维图象，每个图都在顶部，而它们的传统二维图符描叙则在底部。

参考图1A，部件或文件体10，比如文件袋，可用基色或主色显示在视屏上。除了用于元件体10上的主色之外，使用较亮颜色12和较暗颜色14指出元件边界，使得能产生一种三维效果。对图1A、1B和1C描述的每个元件，用较亮色12指出元件的上边和右边，而用比基色暗的色14指出相对的边，如下边和左边。用这种方法产生了一种三维效果，就好象来自虚设光源的光正从用户左肩上射向该元件。如果愿意，也可能只增辉和暗化图符的两个相对的边而不是所有四条边。例如，顶边增辉，底边暗化，而两侧的边用主色定义。在此例中，光线似乎从用户上方某处直接射来。

在本发明以下的整个叙述中，术语“色”（color）在一般意义下解释为在单色监视器上显示的视频图象以及在所谓的能显示红、绿和兰成分图象的彩色监示器上显示的视频图象。这样，文中引用的“较亮”和“较暗”色不仅涉及颜色不同的色彩或色调，而且涉及单色的不同的灰度值。

用图1D更清晰地说明在部件两相对边使用增辉和暗化，其中由图1A所示的类似图符的放大视图组成。该图符和图1A所示的略有不同，它有一个外部边界或框架13。该外部框架也可用主色表示，而它的边在15处适当增辉，在17处适当暗化，在一定程度上使之与图符本身主体各边的增辉和暗化一致。

使用较亮和较暗色不仅可用于部件本身边界，也可指出部件内显示的任何物体或符号的独立性征。这样，参考图1A和图1D，文件袋18各层的顶边和左边被较亮色增辉了，而其底边和右边被较暗色暗化了。这样，文件袋本身显得如一个高出由图符体10定义表面的三维物体。

通常，利用三种色来得到三维效果，即基色，较亮增辉色和较暗暗化色。在本发明的最佳实施方案中，增辉色大约比基色亮35-45%，最好亮40%，较暗色也比基色暗35-45%，最好暗40%。如果愿意，也可使用三种以上的色。例如，用于增辉和暗化文件袋18的边的色可不同于指出图符本身边界的色。

在图1A描述的文件袋图符中，图符边界的所有上部、左边和独立的文件袋特征被增辉，而每个特征的下部和右边被暗化，以产生元件突出的效果。参考图1B，对计算器体20和它的每个按键22使用类似的方法，产生计算器高出图符表面，按键从计算器向上突出的效果。但是，计算器显示屏24采用相反的设置，产生了凹入实体20内的效果。更准确地说，显示屏的上边和左面边界用较暗色暗化，而用较亮色增辉下面和右面边界。相似的方法被用于图1C的时钟图符中，时钟的上、左边被暗化而下、右边被增辉，从而产生钟的面26凹入图符表面的效果。根据前述虚构光源的位置使用增辉和暗化整个图象的一致方法。

图2说明这种成象技术适用于所有欲得到综合性的三维效果的光屏显示。该图描绘了可能涉及字处理系统的单个窗口30。窗口30含有用户能打开的不同文件相关的文件袋32，和用户可用以构造文件格式的对话框34的描述。

窗口30的边界用框架35定义。根据本发明的原理，构成框架的独立元件被增辉和暗化，就象前图的描述。这样框架每一细长边36的上边和左边被增辉，而这些边的下边和右边被暗化。如果该框架带有角元件38，例如用来帮助测定视屏窗口的大小，则这些单元的边类似地增辉和暗化。

除了框架36外，窗口的顶部置有控制菜单方框40，标题棒42和各种可变大小的框44。用户使用这些元件能够调用和窗口有关的基本功能的菜单，例如，移动视频显示中窗口位置或改变窗口大小或将窗口图符化。把增辉和暗化用于每一个部件以保持三维的显示结构的外部特性。类似地，在每个元件内说明的符号，如控制菜单框40上的空格棒和可变大小的框44上的箭头，也被增辉和暗化，以产生所说明结构的非平面拓扑效果。

当视屏上有多个窗口时，向用户指出当前活动窗口常常是有帮助的。在本发明的范围内，这可通过增加活动窗口标题棒42边界增辉和暗化的宽度来实现。这样做产生了标题棒突出于窗口框架表面的效果，使得很容易被用户识别。

根据本发明的另一方面，对话框34对用户表示出有质量和体积的物理结构。为此，框34的本体用主色表示，而它的边被适当地增辉或暗化以产生该框表示画板45的效果。如果需要，该画板可带有标题棒46以援助在窗口30范围内移动它。该标题棒的边在某种程度可以与画板本身增辉和暗化一致的方式增辉和暗化。

在图2，说明的对话框的具体实例中含有三个分别涉及页面文本位置，行间空间和字符属性的主体。通过对子画板48适当增辉和暗化产生凸出于框所定义的主画板45的表面，从而将画板内这些主体分开。每个子画板48含有主题有关的选择表和在每个表上的可供用户来选择的合适的选择部件，如果在任选项中只有一种选择，如例所示，在左上方的关于页面文本位置的子画板，其选择部件由无线电按钮50组成。在该画板中，上部的两个无线电按钮描绘为凸出于子画板表面，而最下部按钮采用相反类型的增辉和暗化，产生其凹进子画板表面的效果。换言之，最下部按钮似乎已被用户按了进去，指出用户选择了“右对齐”选项。更可取的是增辉和暗化的这种反相随用户作出选择而出现，例如，敲一下“Enter”键或触一下鼠标器按钮。这种效果使用户有一种他正在与一动态元件打交道的印象，例如，通过图形的变化，物理地移动按钮。

如在一具体主题区内，可选择多个选项，选择部件说明为检查按钮52，如菜单34上另两子画板所示。同样，这些未被选择的检查按钮52描绘为凸出于子画板表面，当用户选择了相关选项，检查按钮52描绘为凹进子画板表面，以提供动态反馈。当一按钮描叙为凹下时，该按钮的主要部分保持相同颜色，如最下面的无线电按钮50所示。另一方面，按钮中央可被反相，如将它画暗，如与“下划线”选项相关的检查按钮52所示。

除了子画板，主画板45也包括三个可由用户选择或按下的凸出按钮54，分别表示用户在确认选择之前是否想接受由凹下选择部件所说明的格式选项，取消这些选项或请求额外信息。

如图2说明所见，独立部件及画板的所有增辉和暗化，产生了对话框由一个分开的有质量的集成结构组成，而不是由画在一张纸上的一串东西组成的总体效果。图2A由对话框画板45的放大部分与图2所示的子画板48组成，较清楚地说明增辉与暗化的用法。该图也说明用两种以上颜色增辉和暗化的方法。参考每一个无线电按钮，可见增辉边由亮色49和非常亮色51表示。类似地，暗化边用暗色53和非常暗色55表示。更为可取的是，极亮色51和极暗色55在相对边上。

图3说明本发明适合于菜单方面的应用。所有的菜单结构可表示为所说明窗口内的画板56。在许多应用中，常常增辉当前正由用户选用的单独的菜单。通常可通过背景倒相指出这种增辉，根据本发明的另一方面，指示当前正在选用的菜单选择是由画板表面的雕刻变化实现的。在图3中，菜单画板56中正在被选用的是“保存”（“Save”）选择。这种选用可用适当增辉和暗化的细长棒58表示以得到其凸出于画板56表面的外部特征。该特定选择有一个与之相关的可用的阶联式菜单。例如，触一下鼠标器按钮来选择“保存”选项，当它的指针置于突出棒58时，出现阶联式菜单画板60，该阶梯菜单内的一个保存选项如突出棒62所示，指出了它是当前正选择的选项。

当用户移动光屏光标，指针或其它类型的选择指示器，凸棒随之而动。例如，参考主菜单画板56，当用户将选择从“保存”选项移到“复制到桌面”（Copy    to    desktop）选项时，“保存”选择的凸出棒58会消失，而在“复制到桌面”选项的位置上横跨菜单图板56的宽度出现不同的突出棒。当用户继续移动指示装置，其它棒会在适宜的位置上突出。实际上，突出棒看起来被激活并随光标或光屏指示器垂直运动而移动。

除了独立部件和集成结构，用表现图象有不定深度效果的方法还可在视屏上用来表示多个窗口，用以完成本质上真正三维的外部特性。可对各单独窗口使用阴影和适当暗化来实现本方法。图4说明有6个窗口且窗口上绘有许多各种图符的光屏的一部分的例子。和习惯做法一样，活动窗口，如用户正在其中工作的窗口，可以表示为覆盖其它所有窗口的最顶部窗口64。如愿意，其它这些窗口可按它们使用的次序，顺序显示在活动窗口之下，例如，下一个最近使用的窗口66立即出现在活动窗口64之下，次最近使用的窗口68会立即出现在窗口66之下，依此类推。

为加强深度方向一个窗口接另一个窗口的效果，用连续渐暗阴影表示各个窗口的工作空间区。参考图4，活动窗口64的工作空间区70用最亮色表示，例如白色。下一个最下面的窗口66的工作空间区72颜色稍暗些，而其它窗口的工作空间区以深度方向渐渐变暗。举例来说，每个连续窗口的工作空间区比它直接上面的窗口的工作空间区要暗10%。另一方面，每个连续窗口工作空间区变暗的量，取决于所显示窗口的个数，这样邻接窗口暗度之差随窗口数增加而减少。

为进一步增强深度的效果，窗口的大小，包括其所有元件特性和其中所含信息，可以按比例做小些，即窗口越显示在较远的后背越小。图4所示窗口73是窗口尺寸按比例减少以产生窗口置于显示图象内的非常深处的效果的一个实例。

也可给每个窗口加上阴影以说明与下面其它结构的位移。阴影的位置要与加到独立结构上的增辉和暗化一致。这样，在附图说明的实例中，阴影处于相关窗口的右面和底部。阴影的宽度随窗口变化而不同，以产生窗口向纵深变化的效果。进一步，阴影的边不能和常规下垂阴影所做的那样表示成直线，而应根据投影结构的拓扑形成轮廓线，以进一步加强这些结构有三维特征的效果。

例如，参考活动窗口64投射阴影74的右边，可以看到其顶部是用相当直的线76确定的，而阴影的边是在窗口68的平坦工作空间区上。在窗口68框架的底部，阴影74的边在78处凹向左边，指出该框架凸出于窗口工作空间区的表面。类似地，框架下面阴影74的边在80处进一步向右扩伸，指出下一后续窗口的工作空间区置于距离活动窗口64较深处。

为使阴影不过多抹去部分光屏，最好将阴影做成透明的，例如，阴影可做成可透视的窗口，用中等灰度值或色调来表示使得用户可以看到下面元件的增辉和暗化。这种颜色大约比投射阴影暗40%，这样用户很容易查明下面窗口的内容即使上面投有阴影。当窗口移动时，阴影的边按照窗口移过的下面结构的拓扑而动态移动。

阴影的使用不局限于窗口。如图2和图3所示，对话框画板和菜单画板也可投射阴影，以进一步加强它们是与窗口工作空间分离的物理结构的效果。根据下面物体的位置形成轮廓的阴影的边，如图2中图符81所示，加强了显示图象深度的效果。

实现本发明前述原理的系统功能框图如图5所示。该系统和传统窗口系统82，例如由麻省理工学院（MIT）开发和供给的X    WINDOW    SYS    TEM（X窗口系统），协同运行。基本上说，一个窗口系统由一组图形子程序组成，这些子程序使应用程序产生并操纵通信区，例如，视频终端84光屏上的窗口。这些子程序包含于窗口库86中。当应用程序88需将信息置于光屏上时，它向窗口系统82请求产生一个窗口，从窗口库中调用适当子程序，和应用程序中数据一起，通过经由计算机操作系统访问显示设备的显示服务程序90，在光屏上显示必要的图形。

为产生本发明的三维效果，本系统配有窗口管理程序92和用户接口库94。用户接口库94含有用于产生与应用程序具体特性有关部件的子程序。这样，例如，当应用程序96请求一窗口来显示一对话框或菜单，就要从用户接口库调用合适的子程序来产生对话框画板和画板上的按钮的图象。

窗口管理程序92控制产生对整个显示来说被认为更一般的而不是应用程序专用的图形效果。这些效果包括单独窗口框架的增辉和暗化，图符的增辉和暗化以及阴影的产生。还有，这些效果由存贮于窗口管理程序本身或分开的用户接口库98中的子程序产生。

在运行中，窗口管理程序控制产生响应用户键入的非应用程序专用的命令时所有三维效果。为此，窗口管理程序在最初投入运行时，请求窗口系统告知对显示图象有影响的那些事件，例如，鼠标器按钮的激励。一旦这种事件发生，窗口系统就通过显示服务器90告知窗口管理程序。响应时，窗口管理程序检查具体事件并确定是否对它所控制的显示的任何部分有影响，例如，系统菜单按钮的激活。如果这样，窗口管理程序采用相适应的动作，例如调用用户接口子程序反置按钮的增辉和暗化以指出已被按下。另一方面，如果事件不是窗口管理程序所控制的，那么显示服务器就将该事件传到为之服务的应用程序。

对本领域有所了解的人会看出本发明可体现于其它具体形式而不脱离其中精神和基本特性。所以这里公开的实施方案完全是说明性的而不是限定性的。本发明的范围由所附权利要求指出而不是前面的描述，其中含义和等价范围内出现的所有变化都包括在权利要求书中。

Claims (17)

1、一种计算机控制的显示屏图形显示装置，它提供正在计算机上运行的一个或多个应用程序与计算机用户间的接口，其特征在于，对于每个正在计算机上运行的应用程序至少包含一个窗口，而每个窗口由框架边界及可由用户访问执行命令的部件来定义，所述的框架边界在所述视屏上用一种主色和用至少两种其它颜色指出的所述边界的相对边来表示，其中所述两种其它颜色分别是指比所述主色较亮和较暗的颜色，以此模仿所述框架边界的三维效果，每一个所述部件用一种与所述部件相关的颜色来表示，即该部件由至少两种分别比所述相关色较亮和较暗的其它颜色指示。这样，所有窗口和在视屏上出现的部件表现出一种有深度、高度和宽度特征的效果。

2、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，其中至少有些所述部件包括包含物体特征的图象的图符，其中一个物体图象中每个特性的相对的边用分别比所述的相关色较亮和较暗的颜色指出，由此产生图符上带有三维物体的画板的效果。

3、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，其中至少有一个所述的部件包含一个方框且该框的相对边分别由所述的较亮和较暗的颜色指出，从而表示一个三维画板，而其中所述的方框包含有用户可访问的深层部件，所述的深层部件的相对边也用所述的较亮和较暗颜色来指出，由此所述深层部件在所述画板上产生凸出或凹进的元件的效果。

4、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述部件包括含有用户可单独选择的命令菜单的方框，其中所述方框的相对边分别用所述的较亮和较暗颜色指出用以表现三维画板，其中用户选择的单独命令由其相对边分别用所述的较亮和较暗颜色指出的棒来识别，用此产生在所述画板上按钮凸起的效果。

5、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述画板上按钮的边，当所述按钮表示的命令未被用户选上时，与画板的边相应的增辉和暗化在某种程度上进行一致的增辉和暗化，以产生按钮凸起的效果;当用户选择了该按钮表示的命令时，以相反方式对按钮的边进行增辉和暗化，以产生按钮被按并凹进该画板。

6、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，它进一步包括所述光屏每个相邻窗口用所述的较暗颜色表示的阴影，它的位置取决于所述框架边界的各边。

7、根据权利要求6所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述阴影离开窗口的边界是根据元件显示在所述窗口之下模拟三维拓扑所形成的轮廓。

8、根据权利要求6所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述的阴影是在所述的显示上用透明、暗化的窗口产生。

9、根据权利要求6所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述的阴影的颜色比元件投影的颜色大约暗40%。

10、根据权利要求1所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述的较亮颜色大约比所述的主色亮35-45%，所述的较暗颜色大约比所述主色暗35-45%。

11、一种计算机控制的视屏图形显示装置，提供正在计算机上运行的一个或多个应用程序与计算机用户间的一个接口，其特征在于，包含有指出可由程序执行并由用户访问实现命令的各个功能的多元部件，每一个所述部件由主色表示，它的相对边用至少两种分别比所述的主色较亮和较暗的其它颜色表示。这样在视屏上出现的所有部件表现了具有深度及高度和宽度特性的效果。

12、根据权利要求11所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述的部件至少有些包含由各个特有特征的物体图象的图符，一个物体的图象中每一特征的相对边分别用比所述的基色较亮和较暗的颜色指出，从而产生图符画板上具有三维物体的效果。

13、根据权利要求11所述的图形显示装置，其特征在于，所述部件中至少含有一个是由其相对边分别是由所说的较亮和较暗色指出的方框，由此表示一个三维画板，其中所述的方框含有用户可访问的深层部件，所述深层部件的相对边也用所述的较亮和较暗色指出并用以产生所述的深层部件由所述画板上集成的凸出或凹进元件组成的效果。

14、根据权利要求11所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述部件包括含有可由用户单独选择的命令菜单的一个方框，其中所述方框的相对边分别用所述的较亮和较暗色指出以表示一个三维画板，其中由用户选择的单独命令用其相对边分别用所说的较亮和较暗色指出的棒来识别，从而产生所述画板上按钮凸起的效果。

15、根据权利要求13所述的图形显示装置，其特征在于，它进一步包括在所说光屏相邻画板上显示的阴影，该阴影的位置取决于由所说的较暗颜色表示的画板的各边。

16、根据权利要求15所述的图形显示装置，其特征在于，其中离开所述画板的阴影的边界是根据元件模拟三维拓扑显示在所说画板之下的轮廓线。

17、根据权利要求15所述的图形显示装置，其特征在于，其中所述的阴影通过透明的，暗化的窗口产生，并按所述的方式显示。

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