Устройство для отображения графической информации на экране электронно-лучевой трубки

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щ 963079 Союз СоветсиикСоцмалистическмкРеспублик(з 09 б 1/16 с присоединением заявки РЙ Экуйоротоаай комитет СССР ло делам зобоетеий и открылЙ(72) Авторы изобретения Б, Г, Майоров, Н, П, Сергеев и С, А. Чумако Пензенский политехнический институтТРОИСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕН РМАЦИИ НА ЭКРАНЕ ЭЛЕКТТРУБКИ 1Изобретение относится к технике формирования сложных динамических изобра жений проекций трехмерных объектов на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ) и. может быть использовано в системах отображения информации тренажеров для бучения управлению подвижными объеками, в игровых автоматах, системах автоматизированного контроля ипи управления, а также везде, где необходим син,тез изображений проекций трехмерных объектов на плоскость, динамика котор заключается в неограниченном переме нии и повороте изображения в реальном :времени на любой угол вокруг любых из трех осей трехмерной системы коо динат. о ых во дпя отображенияЭЛТ, которое са- инат по осям)( и в, блок ввода интор и другие бпоширение обласза счет попуИзвестно устройст.информации на экране держит счетчики коордОднако данное устройство не обеспечивает перемешение и поворот формируемого изображения на тот ипи иной угол,а также сложно по конструкции,Наиболее близким по технической суш 5ности к предлагаемому является устройство дпя отображения информации на экране телевизионного индикатора, содержащее блок синхронизации, первый выходкоторого соединен с первым входом пирро-аналогового преобразователя, а второйвыход - с первыми входами блоков вычисления первой и второй координат, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами блока памяти, а вторыевходы - с первым и вторым входами блока ввода информации 2,Однако известное устройство позволяет формировать на экране ЭЛТ изображе 0,ния проекций трехмерных объектов, имеющих только три, а не шесть степеней.свободы. Иель изобретения - ра ти применения устройства79 6Все точки матрицы ЗУ, имеюшие в системе координат растра (Х и Ч ) одинаковые адреса (М,; и 1 ) и отличающиесятопько адресами по координате 2 будутспроецированы в одну точку с координатами Х, (,; уо, причем Зо=0, Спедоватепьно, яркость этой точки на растре будетскладываться из яркостей видимой и невидимой со стороны ппоскости Х и 1 поверхности объекта, изображение которогозаписано в матрице ЗУ. Это нежелательный эффект, внешне выражаюшийся в одинаковой видимости на экране видимых иневидимых частей объекта, Объект отображается как бы прозрачным. В связис этим необходимо введение в схему устройства, схемы сравнения, прекрашаюшейпроцесс сканирования матрицы по координате 2. в момент достижения развертываюшей функции по Х точки лежащей нй видимой, т.е, ближашей к плоскости Х и Чповерхности объекта, Такая точка можетбыть опознана по ветичине уровня яркости, не равной нупевой, т,е, фоновой (изображение на черном фоне). Сканированиепо координате ф прекращается до момента изменения адресов Х ипи Ч, послечего начинается с нупя,Устройство содержит (фиг. 1) бпок 1синхронизации, блоки 2-4 вычиспения координат, блок 5 памяти, бпок 6 схемсравнения, блок 7 ввода информации, схему 8 сравнения бпок 9 буферной памяти,цифро-анапоговый преобразоватепь 10,Блок расчета координат содержит тридвоичных дискретных делитепя частоты11-1, 11-2, 11-3, три двоичных реверсивных счетчика 12-1, 12-2, 12-3 исумматор 13, Частотные выходы двоичных делитепей частоты явпяются входамичастот сканирования матрицы по тремкоординатам: т. , 1.,Выходы двоичных дискретных депителей частоты 11-1, 11-2, 11-3 соедине.ны со счетными входами реверсивныхсчетчиков 12-1, 12-2, 12-3, выходы3которых подключены к входам сумматора13, а его выход явпяется выходом бпокаУстановочные входы реверсивных счетчиков 12-1, 12-2, 12-3, их входы управпяюшие реверсом и входы установки коэффициентов пересчета двоичных дискретных депитепей частоты 11-1, 11-2, 113 являются управляющими входами бпокаПеред качаном процесса отображенияинформации в ячейки ЗУ блока памяти адресным способом заносятся коды яркостии цвета всех точек поверхности отображаемого объекта, после чего процесс фор- )( ах 1-Ч ах = 7 мах Проекцию тела, помещенного в это.пространство, на плоскость можно получить, если каждой точке ппоскости Х, 1поставить в соответствие все точки пространства, лежашие на линии, параппепьной оси Х и проходяшей через. даннуюточку на плоскости Х и 1,Поставив в соответствие .системе координат Х,1, 7 систему координат матрицы1ЗУ, т,е, считывания ее адресными функциями, вычисляемыми по выражениям (2),55в системе координат растра, совмешенной с ппоскостью Х ц У, попучим проекциюсистемы координат матрицы на ппоскостьрастра. 5 9630 шение точки центра врашения относитепь;но начала координат Х Ч 2на вецичины,1С 1 г соответственно обозначаемые Хои 2, . Это уточнение позвопяет описать вращение системы координат Х, , 2. не топько вокруг ее начала, но и вокруг любой другой точки системы, С учетом этого выражения (1) примут видХ = ХСОМ 1 ФЧСОф 1 фХсоб-(ХоСОМ + +оСО 5 1+ 20 СОЯД ) + Хо=ХСОМ, +ЧСО ,+7 СО 5,-(ХоСОМ,+ +ЧоЬ 72+ 2 о СОВ У)+Чо (2) 7 =ХсоМ+Ч СОЬ -2 соУ -(ХосОМ+ Ч Соб 2 со )+У,о15 где 1 оЯ,ХО - айрес центра вращения всистеме координатХ, Ч 1.Попученные выражения можно технически реализовать с помошью специализированных вычиспительных устройств, каж . - дое из которых содержит три интегратора и сумматор. Каждый интегратор, в свою очередь, содержит поспедоватепьно соединенные двоичный дискретный делительчастоты идвоичный реверсивныйсчет- д чик, Выходы интеграторов соединены с входами сумматора, На выходе сумматора формируется код текушего значения.Ркоординаты Х, ипи , ипи Х.Если изменять значения координат Х .и 1 по закону движения пуча по тепевизионному растру, а величину 7 от нупя до максимума за время одного шага ве. - личины Х ,попучим некоторый трехмерный растр, т.е, сможем последоватепьно обойти все точки пространства, ограничен 35 ного прямоугольником, три ребра которого являются координатными осями Х (,7У а три других ребра описываются выражением40мироввния изображения происходит следующим образомБлок 1 синхронизации формирует импульсные последовательности частот сканирования трехмерного растра 1 у,1, 5Эти последовательности поступают на входы блоков 2-4 вычисления координат, навторые входы которых через блоки вводаинформации из управпяюшей вычислительной машины поступают значения коэффициентов и свободных членов выраженийсистемы (2), Формируемые на выходахблоков 2-4 вычисления координат кодытекущих значений адресных функций Х,уи 2. поступают на соответствующие вхо Зды блока 5 памяти и блока 6 схем сравнения, где они сравниваются с кодамигрвниц области системы координат матрицы ЗУ блока 5 памяти, в которой записано иэображение объекта. Формируемый 2 Облоком схем 6 сравнения сигнал запрешает считывание информации из.мвтрицы ЗУблока 5 памяти иэ обпастей, где нет иэображения объекта,Выходной сигнал блока 5 памяти, пред"5ставпяющий собой код яркости различныхточек изображения, поступает на вход бпока 9 буферной памяти и схемы 8 сравнения, где он сравнивается с кодом яркости фона. Выходной сигнал схемы 8 срвв-Знения, поступаюший на вход блока 1 синхронизации прекращает формирование нвего выходе импульсной посдедоватепьности частоты сканирования изображения покоординате 2 в момент достижения кодомвеличины с. значения адреса ячейки ЗУ,в которой записан код яркости отличный от фонового. Сканирование по координате 2 возобновится с нулевого адре-са после изменения адреса по ординатеХ ипи (.В блоке 9 буферной памяти производит.ся согласование скоростей считыванияинформации из блока 5 памяти и скорос-тей разверток телевизионного растра. Формируемый нв выходе блока 9 буферной па 45мяти код яркости изображения поступаетна вход блока цифро-аналогового преобразователя 10, где он преобразуется в видеосигнал изображения и снабжается необходимыми импульсами синхронизации фразверток растра и гашения обратногохода пуча,П р и м е р. Максимальная частотасканирования матрицы ЗУ определяется до.пустимой скоростью выборки адресов при меняемой элементной базы. Наилучшиеобразцы современных отечественных элементов памяти дают возможность довести частоту смены адресов выборки до 5 мрц,Остальные частоты ( иу ) опредепяются этой величиной и размерами матрицы ЗУ. Иэ анализа различных классов задач, решаемых устройством отображенияможно сделать вывод о том, что наиболее употребляемой может считаться матрица ЗУ кубической формы со стороной 128 элементов. Тогда частотыи , определяются следующим образом19 кцх 1281- . - 305 Гц,у 128 ХБлок синхронизации формирует эти импульсные последовательности и они поступают на соответствующие входы блоков 2-4 вычисления координат, На другие входы этих блоков из управляющей вычислительной машины через блок 7 ввода информации поступают коды направпяющих косинусов, которые устанавливают в них коэффициенты деления частот двоичными дискретными делитепями частоты, а также свободные чпены выражения (2), как показано нв фиг. 3 для случая формирования блоком расчета координат текущего кода выборки адреса(ь), Импульсные последовательности с выходов двоичных дискретных делителей. частоты поступают на счетные входы реверсивных счетчиков 12-112-2 и 12-3, На вход управления реверсом этих счетчиков поступает код знака косинуса соответствующего угла, а на установочные входы в качестве начальных условий - коды свободных членов выражений системы (2). Выходные сигналы цифровых интеграторов, образованных двоичными дискретными делителями частоты и соответствующими реверсивными счетчиками, поступают на входы сумматоров 13 (фиг. 3), на выходах которых, являющихся выходами блоков расчетв координат, формируются коды выборки адресов матрицы ЗУ Х,и 2. Эти коды поступают на адресные входы блока 5 памяти и входы блока 6 схем сравнения, В блоке 5 памяти эти коды производят выборку адресов ячейки ЗУ по координатам )(, у 1 и уа в блоке 6 схем сравнения они сравниваются с максимальными и минимальными значениями адресов матрицы ЗУ, определяющими область ЗУ, в которой записано иэображение отображаемого объекта. Зто необходимо делать потому, что в общем случае в матрице ЗУ могут быть записаны нзображе9 9630 ния нескольких объектов и выбор отображаемого объекта может производиться изменением кодов максимапьных и минимальных значений адресов матрицы ЗУ, тем самым определяя обпасть, где нахо дится требуемый объект. Выходной сигнал блока схем сравнения поступает на вход разрешения обращения к ЗУ в те моменты, когда блоки вычисления координат фор мируют коды выборки адреса в той обпасти, где находится отображаемый объект.Код яркости изображения с выхода блока памяти поступает на вход схемы сравнения, на одном входе которой установпен нупевой код, соответствующий фо новой яркости изображения, На выходе схемы сравнения формируется сигнап, который, поступая на вход блока 1 синхронизации, прекращает формирование импупьсной посиедоватепьности 1 . Это равно- щ сильно прекращению сканирования трехмерного растра по оси 2, бпагодаря чему предотвращается отображение невидимых частей объекта.Период считывания информации из матрицы ЗУ принятого размера можно определить, испопьзуя спедующее выражение 79 10 вращению самого объекта ипи его натуральной модели перед объективом тепе- камеры,Сравнение технико-экономического эффекта предпагаемого устройства с известными показывает его преимушества в объеме испопьзуемого оборудования, оперативности управпения и качестве изображения.11 ействитепьно, при реализации метода фиксирования в .матрицах, организованных по типу 23 изображений отдепьных фаэ движения требуется 4,2810"о бит памяти, в то время как в предпагаемом устройстве при теЖ же условиях используетЬся 14,68 10 бит, т.е. почти в 3000 раз меньше,Устройство не требует повышенного быстродействия от управляющей вычиспительной машины в связи с несложностью вычисления коэффициентов и свободных членов уравнений, описывающих процесс. Кроме того, возможно использование несложного преобразователя спгнапов датчиков в величины, требуемые дпя расчета координат, Т: - 128 = 0,42 с., 1 с -130Если сравнить эту величину с периодомкадровой развертки (0,02 с) становитьсяясной необходимость применения блока 9буферной памяти дпя согласования периодов считывания информации из биска 5 З 5памяти и отображения ее на экране ЭЛТ,Блок 9 буферной памяти состоит из двухчастей, каждая иэ которых представпяетсобой ЗУ, организованное по типу 2 Т)Работают эти части с разделением времени, т.е. в то время, когда информация из блока 5 памяти переписываетсяв одну часть ЗУ, из второй производится считывание и воспроизведение ее наэкране ЭЛТ, В момент завершения процесса переписи информации части буферного. ЗУ меняются функциями и процессвозобновпяе тся,Таким образом, на экране электронно 50 лучевой трубки формируется изображение проекции трехмерного объекта на картинную плоскость. Воспроизводятся только видимые со стороны картинной ппоскости ,части иэображения поверхности объекта, При повороте системы координат матрицы относительно системы координат растра происходит соответствующее изменение внешнего вида этой проекции анапогично Формула изобретения Устройство дпя отображения графической информации на экране эпектроннопучевой трубки, содержащее блок синхронизации, первый выход которо;о соединен с первым входом нифро-анапогового преобразователя, а второй выход - с первыми входами блоков вычисления первой и второй координат, выходы которых соединены с первым и вторым входами бпока памяти, а вторые входы бпоков вычпспения первой и второй координат соединены с первым и вторым выходами бпока вво, да информации, о т и и ч а ю ш е е с ятем, что, с целью расширения области ,применения за счет получения пзображе - ний проекций трехмерных объектов, имеюших шесть степеней свободы и устранения изображений невидимых частей изображений объекта, в устройство введены блок буферной памяти, схема сравнения, бпок схем сравнения и бпок вычиспения третьей координаты, первый вход которого подкпючен к третьему выходу бпока ввода информации, второй вход блока вычиспения третьей координаты соединен с вторым выходом бпока синхронизации, а выход - с третьим входом бпока памяти и первым входом бпока схем сравнения, два других входа которого подкпючены к11 963079 12выходам блоков вычиспения первой и вто- Гифро-.аналогового преобразователя, второй координат, четвертый вход бпока схем рой вход бпока буферной памяти соединенсравнения подключен к четвертому выхо- с выходом бпока памяти,ду блока ввойа информации, а выход сое- Источники информации,динен с четвертым входом бпока памяти,принятые во внимание при экспертизевыход которого через схему сравнения 1. Авторское свидетепьство СССРподключен к входу б синхронизации Хо 485478, кл, б 06 К 15/20, 1975,третий выход которого соединен с пер, Авторское свидетепьство СССРвым входом блока буферной памяти, вы- % 723624, кп, б 06 К 15/20, 1978ход которого соединен с вторым входом 1 О (прототип),ВНИИПИ Заказ 7524/76 Тираж 472 Поднион ивл ПП 963079 ент", г. Ужгород, ул. Проектная,