Устройство для стереоскопической индикации информации на экране видеоконтрольного блока

 

УСТРОЙСТЮ ДЛЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЙ ИНД:№КАЦИИ ИНФОРМАЦИИ НА ЭКРАНЕ ВИДЕОКОНТРОЙЬНОГХ БЛОКА, сгодержаиее селектор, соединенный с ультразвуковыми излучателями, подключенньвв к : генератсфу импульсов, и оптически связанный с экраном видеоконтрольного блока, последовательно соедимениые приемник ультразвуковых сигналов, блок фильтров ультразвуковЁ1х частот, .блок счетчиков и вычислитель коорди:ват положения глаз, последовательно ,соединённые блок синхронизации, блок управления, подключенный к видеокрнтрольному блоку, и блок памяти, соеди Л j ьи ненный с блоком управления, первый выход блока синхронизации подключен ко Bxoj селектора, второй - ко входу генератора импульсов, третий - ко второму входу блока счетчиков и вщчислителя координат положения глаз, соединенного с блоком памяти, второй :вход блока управления является входом устройства, отличающее с я тем, что, с целью независимого форкюрования двух ракурсов изображения за время, не превышающее инерционности зрения человека, в него введены последовательно соединенные первый сумматор, блок постоянной памяти, nepBbdt блок умножения, элемент ИЛИ, втор сумматсф и второй блок умножения , второе Bxonu сумматс ов и блоков умножения подключены к четвертому вы;ходу блока сии1яро1в1эации, третьи входы сумматоров и втсфого блока умножения соединены с третьим вычислителя координат положения тлаз, первый выход Впока памяти подключен к четвертому входу первого, с кматора, второй jopyroNQT входу элемента ИЛИ Ф J :о СП

(19} (И}

СОЮЗ СОВЕТСКИХ ннснн

РЕСПУБЛИН

3(51} С 06 F 3 153 н е %ь нттнтв (1 .т, ГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ н *ввтнснвнн свндвтсвнствт (21) 3348011/18-24 (22) 23. 10. 81 (46), 15.01 ° 84. Бюл. В 2 (72) A.È.Tîèóÿîâ и М.Л.Батанист (53) 681.327.11(088.8) .(56) 1, Авторское свидетельство СССР в 614451, кл. G 06 Р 3/153, 1978.

2.. Авторское свидетельство СССР

}} 554535, кл. 6,06 F 3/14, 1977 {про" тоткп).

{54)(57) YCTPOHCTBO ДЛЯ CTEPEOCKOGHЧЕТКОЙ ИНДИКАЦИИ ИНФОРМАЦИИ HA ЭКРАНЕ

ВИДЕОКОНТРОИЬНО1О БЛОКА, содержащее селектор, соединенный с ультразвуковыми излучателями, подключенными к генератору импульсов, и оптически связанный с экраном видеоконтрольного блока, последовательно соединенные приемник ультразвуковых сигналов, блок фильтров ультразвуковых частот,,блок счетчиков и вычислитель коорди:.нат положения глаз, последовательно соединенные блок синхронизации, блок: управления, подключенный к вкдеоконтрольному блоку, и блок памяти, соединенный с блоком управления, первйй выход блока синхронизации подключен ко входу селектора, второй - ко входу генератора импульсов, треткй — ко второму входу блока счетчиков и в }числителя координат положения глаз, соединенного с блоком памяти, второй ,вход блока управления является входом устройства, о т и и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью независимого формирования двух ракурсов изображения за время, не превышающее инерционнос.ти зрения человека, в него введены последовательно соединенные первый сумматор, блок постоянной памяти, первый блок умножения, элемент ИЛИ, Второй сумматори второй блок умноже- Е ния, вторые входы сумматоров и блоков умножения подключены и четвертому вы"

:ходу блока синхронизации,третьи вхо: ды сумматоров и второго блока умножения соединены с третьим вцходом вычислителя координат положения .глаз, .-Ф первый выход олока памяти подключен к четвертому вхсщу первого сумматора, второй -1к другомувходу элементаИЛИ

1067495 стве. При этом предполагается, что ось глаза наблюдателя (условная ось, проходящая через зрачки глаз наблюдателя) всегда расположена горизонтально. Устройство обеспечивает коррекцию изображения при перемещении наблюдателя относительно экрана E2$.

Однако данное устройство не обеспечивает коррекции иэображения при отклонении оси глаз наблюдателя от горизонтального положения, что вызывает нарушение объемного восприятия при отображении объектов, содержащих горизонтальные линии, выходящие за края экрана, пространственные решетки, периодические структуры и др. Недостатком устройства является также использование специализированного стереоскопического индикатора.

В таком индикаторе изображение расз сматривается через оптическую систе45

Изобретение относится к нычислйтельной технике, в частности к систе мам отображения графической информации, и может быть использовано в диалоговых устройствах отображения и н тренажерах при выводе информации из ЭВМ.

Известно устройстно для формирова- ния стереоскопических изображений, содержащее оптически связанные источники света, рассеиватель света, два снетофильтра, между которыми расположены набор электрооптиЧеских пластин и интерференционное зеркало, оптически связанное через объектив с ЭЛТ, анализатор и коммутатор, подключен- 15 ный к набору электрооптических пластин L1).

Недостатком устройства является невозможность вывода изображений, заданных поверхностями (такое уст-, 20 ройство может воспроизводить тольКо контурные изображения), а также сложность оптической системы.

Наиболее близким по технической сущности к изображению является уст- 25 ройство для стереоскопической индикации, содержащее стереоскопический индикатор, соединенный с вычислителем, подключенный к блоку синхронизации, поляроидные.очки с ультразву" ковым излучателем, микрофоны (приемники ультразвукового излучения}, генератор импульсов, вычислитель, блок счетчиков, содержащий триггеры, выходы которых через соответствующий элемент И подсоединены к входу соответствующего счетчика.

Устройство позволяет наблюдать стереоскопическое иэображение.. Эффект объектности достигается за счет того, что на экране устройства форми- 40 руются две проекции, соответствующие двум ракурсам трехмерного объекта.

Каждый ракурс строится, исходя из положения глаз наблюдателя в пространму, содержащую поляроиды, в которых поглощается значительная часть светового потока. Это требует работы с повышенной яркостью изображения, для. чего .приходится снижать скорость перемещения луча ЭЛТ. В результате на экране устройства отображается. ограниченное количестно некторов (несколько сотен).

Цель изобретения — повышение четкости изображения за счет независимого формирования двух ракурсов изображения эа время, не превышающее величины инерционности зрения человека.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для стереоскопической индикации информации на экране видеоконтрольного блока, содержащее селектор, соединенный с ультразвуковыми излучателями, подключенными к генератору импульсов, и оптически связанный с экраном видеоконтрольного блока, последовательно соединенные приемник ультразвуковых сигналов, блок фильтров ультразвуковых частот, блок счетчиков и вычислитель координат положения глаз, последовательно соединенные блок синхронизации, блок .управления, подключенный к видеоконтрольному блоку, блок памяти, соединенный с блоком управления, первый выход блока синхронизации подключен ко входу селектора, второй ко входу генератора импульсон, третий — ко второму входу блока счетчиков и вычислителя координат положения глаз, соединенного с блоком памяти, второй вход блока управления является входом устройства, введены последовательно соединенные первый сумматор, блок постоянной памяти, Первый блок умножения, элемент ИЛИ, второй сумматор и второй блок умножения, вторые входы сумматоров и блоков умножения подключены к четвертому выходу блока синхронизации, третьи входы сумматоров и второго блока умножения соединены с третьим выходом вычислителя координат положения глаз, первый выход блока памяти подключен к четвертому входу первого сумматора, второй — к другому входу элемента ИЛИ, На фиг.1 представлена блок-схема устройства, на фиг.2 - схема определения положения глаз наблюдателя.

Устройство содержит видеоконтрольный блок 1, вычислитель 2 координат положения глаз, генератор 3 импульсов, .излучатели 4 и 4 ультразвуковых сигналов, селектор 5, приемники б ультразвуковых сигналов, блок фильтров 7 ультразвуковых частот, блок 8 счетчиков, блок 9 умножения, блок 10 памяти, блок 11 управления, блок 12 синхронизации, элемент 13 ИЛИ, сумматор 14, блок 15 умножения, блок 16

1067495 постоянной памяти, сумматор 17, вход

18 устройства.

Видеоконтрольный блок 1 содержит электроннолучевую трубку с фокусирующей и отклоняющей системами, генераторы векторов и символов. В качестве 5 вычислителя 2 координат положения глаз может использоваться микропроцессор, который на основе данных блока 8 счетчиков вычисляет координаты положения глаз наблюдателя. Генератор 1 } импульсов 3, формирующий импульсы ультразвуковой частоты, соединен с излучателями ультразвуковых сигналов

4 и 4д для левого и правого глаза соответственно, механически соединен-15 ными с селектором 5, выполненным в виде светоклапанных очков.

Излучатели ультразвуковых колебаний 4 и 4 предназначены для излучения импульсных акустических сигналов,2g модулированных разной частотой.

Светоклапанные очки состоят иэ электрооптических модуляторов, каждый иэ которых осуществляет перекрытие одного из двух зрительных каналов (левого или правого} в соответствии с тем, какой ракурс <для правого или для левого глаза) воспроизводится на экране. Электроонтический модулятор мажет состоять из жидкого крис» талла, помещенного между двумя стеклянными пластинами с нанесенными на них прозрачными электродами. Под воз цействием электрического поля жидкий кристалл из прозрачного становится непрозрачным (диффузно-рассеивающим )а

Для независимого определения положения каждого глаза наблюдателя применяются два канала измерения координат. Измерение координат про- 4 } изводится ультразвуковой системой.

Приемники б ультразвуковых сигналов представляют собой микрофоны с усилителями по числу координат. Они производят прием и усиление акустических сигналов и формирование из них электрических импульсов.

Для исключения взаимовлияния излучателей разных каналов измерения координат эти каналы разделяются по частоте. фильтры 7 разделяют сигналы разной частоты, поступающие от приемников.

Так как на экране устройства за адин цикл регенерации формируются два изображения, соответствующие каждому ракурсу, то цикл регенерации делится на два равных подцикла длительностью по 10 мс. В соответствии

Блок 8 счетчиков содержит по три 55 триггера в каждом канале, три элемен та И и три счетчика. Блок счетчиков предназначен для подсчета синхроимпульсов в промежутке времени между сигналами с блока синхронизации 12 Щ и от фильтров 7. Коды, устанавлива- . ющиеся на выходах счетчиков, пропорциональны времени распространения звука от излучателей 4 до приемников б.

Два независимых канала блока счетчиков обеспечивают одновременное независимое определение координат левого и правого глаза наблюдателя, которое необходимо для получения постоянной величины расстояния между излучателями, 4 и 4« связанных с положением глаз, при перемещениях наблюдателя относительно экрана. Эта величина принята константой в приведенных ниже формулярах вычисления координат глаз наблюдателя, что повышает точность вычислений и сокращает их объем.

Последовательность работы сумматоров 14 и 17 блоков умножения 9 и

15 и блока 16,постоянной памяти определяется тактовыми синхросигналами, которые формируются в .блоке синхронизации 12.

Устройство работает следующим образом.

В блоке 10 памяти хранятся координаты для каждой узловой точки отображаемого объекта, заданные в некотором трехмерном пространстве. Эти координаты формируются внешней вычислительной системой и поступают на вход 18 устройства.

Для получения эффекта объемности отображаемый объект должен проектироваться íà HJIocKDcTb экрана в двух ракурсах, причем один ракурс должен восприниматься толька левым глазом, другой - только правым..

Для получения эффекта оглядывания изображение на экране изменяется в зависимости от положения наблюдателя (координат каждого его.глаза), которое определяется ультразвуковой системой измерения расстояний.

На основании полученных данных в вычислителе 2 с помощью сумматоров

114 и 17, блоков умножения 9 и 15 вычисляются измененные координаты узловых точек изображения в каждом ракурсе. Из этих координат с помо-щью генератора векторов в блоке 1 на экране его индикатора формируется изображение.

В генераторе векторов коды координат по оси Х и (преобразуются в аналоговый сигнал, управляющий перемещением луча ЭЛТ из исходной точки, заданной предыдущими координатами, Ia заданную точку экрана. Для получе:ния стабильного изображения на экра>не его.формирование должно повторять ся с частотой примерно 50 Гц, т.е. один цикл формирования иэображения ,производится за 20,мс.

1067495 с этим из блока 12 синхронизации подаются импульсы с частотой 100 Гц (период 10 мс) .

Блок 12 синхронизации вырабатывает также импульс запуска, который об нуляет блок 8. счетчиков и запускает генератор 3, вырабатывающий сигналы с частотой примерно 70 кГц.

Синхронно с запуском формирования изображения на экране для соответствующего ракурса иэ блока 12 синхрони- 1О зации выдается импульс на переключение световых клапанов в очках селектора 5. При этом обеспечивается поочередное наблюдение каждым глазом соответствующего ракурса. 15

Генератор 3 импульсов формирует две последовательности импульсов, отличающихся частотой заполнения и поступающих на соответствующие излучатели ультразвуковых сигналов 4» и

4a . Ультразвуковые сигналы воспринимаются тремя разнесенными в простран стве приемниками (микрофонами) ультразвуковых сигналов, преобразующими эти сигналы в электрические импульсы д5 двух частот, которые разделяются фильтрами 7 ° Сигнал с каждого приемника 6 поступает на соответствующий фильтр 7 ° Каждый фильтр имеет два выхода, на которых появляются сигна- ЗО лы в зависимости от частоты сигналов принятых приемниками б. Таким образом, сигнал, вырабатываемый излучателями 4л и 49 поступает в блок 8 счетчиков.

По количеству импульсов, поступивших из блока 12 синхронизации на вход блока 8 счетчиков, определяется расстояние между излучателем и каждым приемником. Расчет расстояний и определение на основании их положе- 40 ния глаз наблюдателя относительно экрана производится в вычислителе 2 по» ложения глаз, куда поступают коды из блока 8 счетчиков. Координаты узловых точек элементов изображения с 45 учетом положения глаз наблюдателя вычисляется с помощью блоков 14-16.

Исходнымн данными для этих вычислений служит массив координат Х, Y Я. отображаемого объекта, которые поступают 5п иэ блока 10, и координаты центра проектирования Х,ф9,У,Р, Я» » 9,, которые поступают из вычислителя 2 и которые равны координатам глаз в сис.теме координат экрана — координатам левого глаза Х9„, У9, Е„ при отобра9 женин л» вого кадра стереопары и координатам правого глаза х„, Ч„

9 9. при отображении правого кадра и стереопары. Центром проецирования для каждого ракурса служит соответствующий глаз наблюдателя.

Координаты глаз наблюдателя в системе приемников ультразвука .опре- 5 деляются следующим образом: для пра= вого глаза

Х =Х . "- — Х . -" —

Ct. 2 для левого глаза

Ъ=ь) -»

hebe »+ у 2 1 где и — межзрачковое расстояние наблюдателя>

d - расстояние между излучателями ультразвуковых колебанцй 4» и 4g

Х» - координаты левого излучаTGAH

Xg — координаты правого излучате ля.

Координаты Yz, Ч», И» и Ц определяются по аналогичным формулам.

Координаты ультразвукового излучателя в системе координат приемников определяются по формулам: х - . .

Х i

° (6

z Чр:x1 17у где и М - расстояние между датчиками (см.фиг.2 }j

»,Ь,с - расстояние от излучателя до приемников

A,В,С соответственно.

Переход из систем координат приемников в систему координат экрана осуществляется с помощью матрицы перехода »Р» по формулам:

У Р Х +Р Ч" +Р +®;

2 =Р" Х +Р9Ч" +Р9У +Р1 .

Элементы матрицы»Р» зависят от взаимного положения экрана и приемников, а также от соответствия единиц измерения в разных системах координат.

Если начало координат экрана имеет в системе координат отображаемо-.. го объекта координаты Х,Y9,ß, то координаты центра проектирования в системе координат объекта равны

Хцп=Х п»4у i Х»у=6 } Ц, + Д.

Отсюда можно получить координаты узловой точки элемента изображения Х, на экране в зависимости от положения наблюдателя:

Х -Х

О 9 х.и, .— - 0 е» Kg»»

О Y„he

1067495

В этих формулах для каждой точки, на экране изменяются только Х„, урЗ и Е 6, которые поступают из блока 10. Остальные величины изменяются один раз за цикл формирования одной части стереопары, т.е. за . 10 мс. Поэтому в вычислителе 2 сравнительно медленно — эа 10 мс — осуществляется вычисление координат центров проектирования для левого и правого кадров стереопары в системе крординат отображаемого объекта.

Величины Хц<, 2 „ и 2 з поступают из вычислителя 2. На основании этих данных производится вычисление координат в экранном пульте. При этом 15 если на экране отображается 2000 точек, то вычисление координат для одной точки должно осуществляться sa

10 мс:2000=5 мкс.

В сумматоре 14 производится опе 20 рация К)4 -x+„(Y, =7 -(), а в сумматоре 17 - операция п-р, i y

В первом блоке 15 умножения выполняется операция К K cL, Для исключения операции деления применено 25

ПЗУ 16, в котором записана таблица обратных значений чисел. С выхода

ПЗУ 16 считываются величины 1 3L =

1 — Эта величина поступает на

ЕВ + ь ц вход второго блока 9 умножения, на выходе которого получается значение э

Wog -?upCl через элемент ИЛИ 13 с соответствующей задержкой .поступает в первый сумматор 14, где к ней прибав. ляется величина Х, поступающая вторично из вычислителя 2. Последовательность поступления данных для 40 вычисления преобразованных координат и задержка, между ними управляются программой вычислителя 2 и синхросигналами иэ блока 12.

Выборка данных из блока 16 произ водится с циклом нескольких сотен.

Блоки умножения и сложения, выполненные на современной элементной базе (СИС и БИС), позволяют выполнять операции сложения и умножения 16 битных чисел за время порядка единиц микросекунд при незначительных объе мах оборудования. В результате пересчета координат в каждом кадре отображения наблюдатель после поворота головы видит объемное изображение под изменяющимся ракурсом без заметных задержек.

Стереоскопический эффект основан на том, что элемент изображения, представленный в виде двух проекций, имеет на каждой иэ них разное смещение относительно других элементов изображения. Величина смещения и дает представление о расположении элементов изображения в пространстве. При этом проекции одного и того ie элемента изображения идентифицируются наблюдателем прежде scего no совпадению соответствующих точек по оси, параллельной оси, соединяющей зрачки глаз наблюдателя.

Объекты, проекции которых невозможно однозначно идентифицировать, рбладают свойством горизонтальной неоднозначности. Например, для гори зонтальной прямой, уходящей за края экрана, невозможно восстановить ее положение в пространстве по двум стереоскопическим проекциям, имеющим горизонтальный параллакс. Таким проекциям может соответствовать любая прямая, лежащая в плоскости, проходящей через ось, соединяющую зрачки наблюдателя и исходную прямую.

Обеспечение воэможности получения негбриэонтального параллакса — эффекта устранения горизонтальной неоднозначности — реализуется в предлагаемом уг пойстве.

А

Х=О

Y=L

Z-О

I е — °

Х=О =0

Z-Ö

BHHHIIH Заказ 112 0/52 Тираж 691 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4