Устройство для стереоскопической индикации информации на экране видеоконтрольного блока

1 ОСУДАРСТВЕИНЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н ВТОВСНОНУ СВСВВТВВССТВУ.(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 614451, кл. 6 06 Р 3/153, 1978.2. Авторское свидетельство СССРВ 554535, кл. 6,06 Р 3/14, 1977 (про"тотип).(54)(57) УСГРОИЛВО ДЛЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ ИНФОРМАЦИИ НА ЭКРАНЕВИДЕОКОНТРОИЬНО 1 О БЛОКА, содержащееселектор, соединенный с ультразвуковыми излучателями, подключенными кгенератору импульсов, и оптическисвязанный с экраном видеоконтрольного блока, последовательно соединенныеприемник ультразвуковых сигналов,блок Фильтров ультразвуковых частот,,блок счетчиков и вычислитель координат положения глаз, последовательносоединенные блок синхронизации, блок:управления, подключенный к видеоконтрольному блоку, и блок памяти, соединенный с блоком управления первйй выход блока синхронизации подключен ко входу селектора, второй - ко входу генератора импульсов, третий - ко второму входу блока счетчиков и вычислителя 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 превыщающее 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 подюночены к четвертому вы" :ходу блока синхронизации, третьи входы сумматоров и второго блока умножения соединены с третьим вцходом вычислителя координат положения .глаз,1.В первый выход олока памяти подключен к четвертому входу первого сумматора, второй 1 к другоЮ входу элемента ИЛИтого, что на экране устройства форми руются две проекции, соответствующиедвум ракурсам трехмерного объекта.Каждый ракурс строится, исходя из положения глаз наблюдателя в пространстве, При этом предполагается, что 45 ось глаза наблюдателя (условная ось, проходящая через зрачки глаз наблюдателя) всегда расположена горизонтально. Устройство обеспечивает коррекцию изображения при перемещении наблюдателя относительно экрана Г 2,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 50 6065 решетки, периодические структуры и др. Недостатком устройства является также использование специализированного стереоскопического индикатора. В таком индикаторе изображение расз сматривается через оптическую систеИзобретение 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 формирования 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 ный к набору электрооптических пластин Г 11.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. 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 му, содержащую поляроиды, в которыхпоглощается значительная часть светового потока. Это требует работы с повышенной яркостью изображения, длячего приходится снижать скоростьперемещения луча ЭЛТ, В результатена 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 достигаетсятем, что в устройство для стереоскопической индикации информации наэкране 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 ультразвуковыхчастот, блок счетчиков и вычислителькоординат положения глаз, последовательно соединенные блок синхронизации, блок .управления, подключенный квидеоконтрольному блоку, блок памяти,соединенный с блоком управления, первый выход блока синхронизации подключен ко входу селектора, второйко 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, введеныпоследовательно соединенные первыйсумматор, блок постоянной памяти,Первый блок умножения, элемент ИЛИ,второй сумматор и второй блок умножения, вторые входы сумматоров и блоковумножения подключены к четвертомувыходу блока синхронизации, третьивходы сумматоров и второго блока умножения соединены с третьим выходомвычислителя координат положенияглаз, первый выход блока памяти подключен к четвертому входу первогосумматора, второй - к другому входуэлемента 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 16постоянной памяти, сумматор 17, вход 18 устройства.Видеоконтрольный блок 1 содержит электроннолучевую трубку с фокусирующей и отклоняющей системами, генераторы векторов и символов, Вкачестве 5 вычислителя 2 координат положения глаз может использоваться микропроцессор, который на основе данных блока 8 счетчиков вычисляет координаты положения глаз наблюдателя. Генератор 10 импульсов 3, формирующий импульсы ультразвуковой частоты, соединен с излучателями ультразвуковых сигналов 4 и 4 для левого и правого глаза соответственно, механически соединенными с селектором 5, выполненным в виде светоклапанных очков.Излучатели ультразвуковых колебаний 4 и 4 з предназначены для излучения импульсных акустических сигналов,20 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 возцействием электрического поля жидкий кристалл из прозрачного становится непрозрачным (диффузно-рассеиваю- З 5 щим )аДля независимого определения по. ложения каждого глаза наблюдателя применяются два канала измерения координат. Измерение координат про О 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. 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 е, 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 на плоскость экрана в двух ракурсах, причем один ракурс должен восприниматься только левым глазом, другой - только правым,.Для получения эффекта оглядывания изображенИе на экране изменяется в зависимости от положения наблюдателя координат каждого его.глаза), которое определяется ультразвукцвой системой измерения расстояний.На оснавании полученных данных в вычислителе 2 с помощью сумматоров 14 и 17, блоков умножения 9 и 15 вычисляются измененные координаты узловых точек изображения в каждом ракурсе. Из этих координат с помощью генератора векторов в блоке 1 на экране его индикатора формируется изображение.В генераторе векторов коды координат по оси Х и 1 преобразуются в аналоговый сигнал, управляющий перемещением луча ЭЛТ из исходной точки, заданной предыдущими координатами, 1 в заданную точку экрана. Для получе:ния стабильного изображения на экраае его.формирование должно повторять 1 ся с частотой примерно 50 Гц, т.е. один цикл формирования иэображения ,производится за 20,мс. Так как на экране устройства за Раин цикл регенерации формируются два изображения, соответствующие каждому ракурсу, то цикл регенерации делится на два равных подцикла длительностью по 10 мс. В соответствиис 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 синхронизации выдается импульс на переключение световых клапанов в очках селектора 5. При этом обеспечивается поочередное наблюдение каждым глазом соответствующего ракурса. 15Генератор 3 импульсов формирует две последовательности импульсов, отличающихся частотой заполнения и поступающих на соответствующие излучатели ультразвуковых сигналов 4 л и 2 О 49 . Ультразвуковые сигналы воспринимаются тремя разнесенными в простран стве приемниками (микрофонами) ультразвуковых сигналов, преобразующими эти сигналы в электрические импульсы 25 двух частот, которые разделяются Фильтрами 7Сигнал с каждого приемника б поступает на соответствующий фильтр 7Каждый фильтр имеет два выхода, на которых появляются сигна- ЗО лы в зависимости от частоты сигналов принятых приемниками б. Таким образом, сигнал, вырабатываемый излучателями 4 л и 49 поступает в блок 8 счетчиков.По количеству импульсов, поступив" ших из блока 12 синхронизации на вход блока 8 счетчиков, определяется расстояние между излучателем и каждым приемником. Расчет расстояний и определение на основании их положе 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, Ч, Я. отображаемого объекта, которые поступают 5 О иэ блока 10, и координаты центра проектирования Хор 9,У,д 9, М,в 9 которые поступают из вычислителя 2 икоторые равны координатам глаз в сис.теме координат экрана - координатам левого глаза ХЭ, У 9, 2 при отобра 9женин левого кадра стереопары и координатам правого глаза х 1 , Ч9 Э у 9 при отображении правого кадраастереопары, Центром проецирования для каждого ракурса служит соответствующий глаз наблюдателя.Координаты глаз наблюдателя в системе приемников ультразвука .определяются следующим образом: для пра=вого глаза для левого глаза.С=Я. Й-ьффь Хгде и - межзрачковое расстояние наблюдателяд - расстояние между излучателями ультразвуковых колебанцй 4 и 4 в,Х " координаты левого излучаХ - координаты правого излучателя.Координаты Уэ И, и Цопределяются по аналогичным формулам. Координаты ультразвукового излучателя в системе координат приемников определяются по формулам:х фКсгде Ь и М - расстояние между датчиками (см.фиг.2с,Ь,с - расстояние от излучателя до приемниковА,В,С соответственно.Переход из систем координат приемников в систему координат экрана осуществляется с помощью матрицы перехода Р по формулам:Уф Р +РЧ +Р+Р =Р Х +Р Ч +РЯ +РЭлементы матрицы цР зависят от взаимного положения экрана и приемников, а также от соответствия единиц измерения в разных системах коор динат.Если начало координатэкрана имеет в системе координат отображаемо-го объекта координаты ХЭ,Ч 9 Ято координаты центра проектирования в системе координат объекта равны УО Э а 9 в, . 9 Отсюда можно получить координаты узловой точки элемента изображения Х, У на экране в зависимости от положения наблюдателя:В этих формулах для каждой точки, на экране изменяются только Х , ур 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, 3 и 2 в поступают из вычислителя 2. На основании этих данных производится вычисление координат в экранном пульте. При этом 5 если на экране отображается 2000 точек, то вычисление координат для одной точки должно осуществляться за 10 мс:2000=5 мкс.В сумматоре 14 производится опе 20 рация КЦ 5-и,(К=У, -Ч ), а в сумматоре 17 - операция п-р,уф В первом блоке 15 умножения выполняется операция Кйр И Для исключения операции деления применено 25 ПЗУ 16, в котором записана таблица обратных значений чисел. С выхода ПЗУ 16 считываются величины 1/Ь = = 5 в щ . Эта величина поступает наФУ +вход второго блока 9 умножения, на З 0 выходе которого получается значениеУУ ф 3 уф оз -2 м ичерез 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 в задержка, между ними управляются программой вычислителя 2 и синхросигналами иэ блока 12. Выборка данных из блока 16 производится с циклом нескольких сотен.Блоки умножения и сложения, выполненные на современной элементной базе(СИС и БИС), позволяют выполнятьоперации сложения и умножения 16 битных чисел за время порядка единицмикросекунд при незначительных объемах оборудования. В результате пересчета координат в каждом кадре отображения наблюдатель после поворотаголовы видит объемное изображение подизменяющимся ракурсом без заметныхзадержек.Стереоскопический эффект основанна том, что элемент изображения, пред.ставленный в виде двух проекций, имеет на каждой иэ них разное смещениеотносительно других элементов изображения. Величина смещения и даетпредставление о расположении элементов изображения в пространстве. Приэтом проекции одного и того же элемента изображения идентифицируются наблюдателем прежде всего по совпадению соответствующих точек по оси, параллельной оси, соединяющей зрачки глаз наблюдателя.Объекты, проекции которых невозможно однозначно идентифицировать,рбладают свойством горизонтальнойнеоднозначности. Например, для горизонтальной прямой, уходящей за краяэкрана, невозможно восстановить ееположение в пространстве по двумстереоскопическим проекциям, имеющимгоризонтальный параллакс. Таким проекциям может соответствовать любаяпрямая, лежащая в плоскости, проходящей через ось, соединяющую зрачкинаблюдателя и исходную прямую.Обеспечение воэможности получениянегбриэонтального параллакса - эффекта устранения горизонтальной неоднозначности - реализуется в предлагае.мом угтвойстве,